通信系统课程群实习-题目汇总(指导书)-0907修订版

-2018学年第1学期通信系统课程群课程设计题目汇总信息工程学院通信工程系教研室二0一七年七目录TOC\o"1-1"\h\z\u设计一语音信号数字传输系统设计及实现 3设计二简单音乐合成系统实现及应用 5设计三电子琴的GUI设计 7设计四语音合成 9设计五声音信号转换系统设计及实现 11设计一语音信号数字传输系统设计及实现【一】设计目的1、掌握语音信号数字化的原理及方法；2、掌握用数字频带传输语音信号的原理和方法；3、在相关知识的基础上，学会自己设计实验，分析验证所设计通信传输系统的性能和效果。【二】设计原理通常，通信系统中传输的消息可用分为两类：一类称作连续消息（模拟消息），另一类称作离散消息（数字消息）。连续消息是指消息状态是连续的，如连续变化的语音、图像等。而离散消息的状态是离散取值的，如文字、符合、数据等。与此对应，通信系统也分为两类：模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统的基本特征是：它传送的信号是“离散”的或数字的。与模拟通信系统相比数字通信的主要特点是：（1）抗干扰能力强；（2）差错可控；（3）易于与各种数字终端接口；用现代计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。因为自然界的许多信息都是模拟信号，例如话音、图像等，为了能用数字通信系统来传送模拟信号，必须对模拟信号进行数字化，即模数转换和数模转换。本设计所要求的是数字通信系统的仿真，其基本框图如图1-1所示：图1-1通信系统基本原理框图其中（1）模拟信号为原始的信源信号，采取自己构造以时间函数；（2）抽样是将上述的时间和幅值都连续的模拟信号转换成时间离散幅值连续的信号；（3）量化是将上述的时间离散幅值连续的抽样信号转换成时间离散幅值离散的信号；（4）信源编码是将上述量化后的值编码成0、1比特流的形式，并且可以减少冗余，提高效率，基带码采用码型变换码进行编码；（5）信道编码是为了提高传输可靠型；（6）数字调制是将上述0、1比特流转换成适合在通信信道中传输的波形；（7）信道是信号传输的通道，信号在信道中传输时经常会有噪声干扰；（8）数字滤波器是将调制并加有噪声的信号，去除噪声，并解调后形成方波形式的信号；（9）抽样判决是将方波信号转换成0、1比特流；（10）信道译码是信道编码的反过程；（11）信源译码是信源编码的反过程；（12）最后还原成模拟信号。【三】设计内容要求用MATLAB或者SIMULINK设计仿真实现图1-1所示的数字通信系统。1、输入：随机生成一模拟信号源或者录制一段语音信号，不少于10s；2、数字化：将语音信号进行数字化，可对该语音信号进行波形编码（PCM、DPCM、ADPCM、DM等）3、信道编码：实现简单的信道编译码（如汉明码、循环码、卷积码等）；4、实现基带码型变换（如CMI码、HDB3码、曼彻斯特码等）；5、调制：采用数字频带传输系统（如ASK、FSK、PSK等）6、信道：采用加性高斯信道，信噪比根据设计自行设置；7、语音信号还原：给出解码后的语音信号的时域波形，并与输入信号进行比较。8、需完成整个系统各环节以及整个系统的仿真，最终在接收端或者精确或者近似地再现输入（信源），计算失真度，并且分析原因。【四】课程设计报告要求完成课程设计任务后，应按要求提交课程设计报告。设计报告应包含如下几个方面的内容。1、课程设计目的2、课程设计要求。3、详细设计过程。4、调试分析。5、结果分析与体会。6、附录或参考资料。

设计二简单音乐合成系统实现及应用【一】设计目的1、了解乐理和电子音乐系统的基本知识；2、熟练运用MATLAB的基本指令及音乐处理指令；3、在掌握相关知识的基础上，学习利用傅立叶变换等技术分析音乐信号，拓展学生在信号分析领域的应用能力。【二】设计原理音乐是乐音随时间流动而形成的艺术。用通信与电子技术的术语解释就是周期信号频率（某种指定规律的频谱结构）随时间节奏变化的一种表述。乐谱上的每个音符表达了此时此刻规定出现的信号频率和持续时间。乐音的基本特征可以用基波频率、谐波频率和包络波形三个方面来描述，下面将分别说明。1、乐音基波构成规律我们平常读乐谱时唱出的1（do）、2（re）、3（mi）等并未固定基波频率，当指定乐曲的曲调时才知道此时对应的频率值。比如C大调中的“1”的基波频率为261.63Hz，F调中的“1”的基波频率为349.23Hz，F调“5”的基波频率为523.25Hz。上面那些频率值都是按照“十二平均律”计算导出的，钢琴是十二平均律制乐器，国际标准音规定，钢琴的a1键的频率是为440Hz；又规定每相邻半音的频率比值为，根据这规定，就可以得出钢琴上每一个琴键音的频率。如与a1右边相邻#a1的频率是；再往上，b1的频率是493.08832Hz；c2的频率是523.25099Hz……同理，与a1左边相邻的#g1的频率是……这种定音的方式就是“十二平均律”。2、音乐谐波的作用——音色在乐音领域，称谐波为“泛音”，正是这些泛音决定了其不同的音色，使人能辨别出是不同的乐器发出的声音。当指定音名（音调）之后仅指定了乐音信号的基波频率，谐波情况并为说明。对于各种乐器如钢琴或吉他都可用发出某一音调，例如fA1=440Hz的乐音，而人的听觉会明显感觉两者的不同，这是由于谐波成分有所区别，频谱结构不同引起的，各种乐器都有自己的谐波分布规律，同种乐器不同音阶的谐波构成还可能略有区别。3、音乐包络波形包络是描述乐音特征的另一个重要因素。各种乐器的包络大体上可以划分为以下几种类型：连续型（风琴、弦乐）、弹奏型（钢琴、吉他）、击奏型（木琴、木鱼）、吹奏型（管乐）等。不同类型的乐器，它们的包络形状也各不相同。在音乐合成中，为简化编程，可用把复杂的包络函数用少量直线近似。有时为了保证在乐音的邻接处信号幅度为零，也可以用指数衰减的包络来表示。4、乐音持续时间当知道了基波频率、谐波成分、包络形状后，还不能构成一首音乐，还必须知道每个乐音的持续时间。每个音调都可以用连续的一段正弦信号并带有一小段静音（停顿）来表示。停顿保证我们可用区分开连续的相同音调，每个音调的持续时间取决于它是全音符、二分之一音符、四分之一音符还是八分之一音符等等。每个音符之间的停顿是相同的，不随音符的长度而变化。【三】设计内容（1）根据下图所示《社会主义好》简谱和“十二平均律”计算出该小节中各个乐音的频率，在MATLAB中生成幅度为1，抽样频率为8kHz的正弦信号标识这些乐音。请用sound函数播放每个乐音，听一听音调是否正确。最后用这一系列乐音信号拼出《社会主义好》第一节，注意控制每个乐音持续的时间要符合节拍，用sound播放你合成的音乐。（2）用指数衰减包络修正每个乐音，以保证在乐音的邻接处信号幅度为零。（3）请用最简单的方法将内容（2）中的音乐分别升高和降低一个八度（提示：音乐播放的时间可以变化）。再难一些，请用resample函数（也可以用interp和decimate函数）将上述音乐升高半个音阶。试着在内容（2）的音乐中增加一些谐波分量，听一听音乐是否更有“厚度”？注意谐波分量的能量要小，否则掩盖住基音反而听不清音调了。（可以选择基波幅度为1，二次谐波幅度0.2，三次谐波幅度0.3，听起来有点像风琴）。（4）基于傅立叶变换的方法，用吉他音调信息重新弹奏该段音乐。【四】课程设计报告要求完成课程设计任务后，应按要求提交课程设计报告。设计报告应包含如下几个方面的内容。1.课程设计目的2.课程设计要求。3.详细设计过程。4.调试分析。5.结果分析与体会。6.附录或参考资料。

设计三电子琴的GUI设计【一】设计目的1、了解乐理和电子音乐系统的基本知识；2、熟练运用MATLAB的基本指令及音乐处理指令；3、在掌握相关知识的基础上，学习利用傅立叶变换等技术分析音乐信号，拓展学生在信号分析领域的应用能力。【二】设计原理音乐是乐音随时间流动而形成的艺术。用通信与电子技术的术语解释就是周期信号频率（某种指定规律的频谱结构）随时间节奏变化的一种表述。乐谱上的每个音符表达了此时此刻规定出现的信号频率和持续时间。乐音的基本特征可以用基波频率、谐波频率和包络波形三个方面来描述，下面将分别说明。1、乐音基波构成规律我们平常读乐谱时唱出的1（do）、2（re）、3（mi）等并未固定基波频率，当指定乐曲的曲调时才知道此时对应的频率值。比如C大调中的“1”的基波频率为261.63Hz，F调中的“1”的基波频率为349.23Hz，F调“5”的基波频率为523.25Hz。上面那些频率值都是按照“十二平均律”计算导出的，钢琴是十二平均律制乐器，国际标准音规定，钢琴的a1键的频率是为440Hz；又规定每相邻半音的频率比值为，根据这规定，就可以得出钢琴上每一个琴键音的频率。如与a1右边相邻#a1的频率是；再往上，b1的频率是493.08832Hz；c2的频率是523.25099Hz……同理，与a1左边相邻的#g1的频率是……这种定音的方式就是“十二平均律”。2、音乐谐波的作用——音色在乐音领域，称谐波为“泛音”，正是这些泛音决定了其不同的音色，使人能辨别出是不同的乐器发出的声音。当指定音名（音调）之后仅指定了乐音信号的基波频率，谐波情况并为说明。对于各种乐器如钢琴或吉他都可用发出某一音调，例如fA1=440Hz的乐音，而人的听觉会明显感觉两者的不同，这是由于谐波成分有所区别，频谱结构不同引起的，各种乐器都有自己的谐波分布规律，同种乐器不同音阶的谐波构成还可能略有区别。3、音乐包络波形包络是描述乐音特征的另一个重要因素。各种乐器的包络大体上可以划分为以下几种类型：连续型（风琴、弦乐）、弹奏型（钢琴、吉他）、击奏型（木琴、木鱼）、吹奏型（管乐）等。不同类型的乐器，它们的包络形状也各不相同。在音乐合成中，为简化编程，可用把复杂的包络函数用少量直线近似。有时为了保证在乐音的邻接处信号幅度为零，也可以用指数衰减的包络来表示。4、乐音持续时间当知道了基波频率、谐波成分、包络形状后，还不能构成一首音乐，还必须知道每个乐音的持续时间。每个音调都可以用连续的一段正弦信号并带有一小段静音（停顿）来表示。停顿保证我们可用区分开连续的相同音调，每个音调的持续时间取决于它是全音符、二分之一音符、四分之一音符还是八分之一音符等等。每个音符之间的停顿是相同的，不随音符的长度而变化。【三】设计内容1、学习用MATLABGUI程序设计，设计和实现如下图所示的一个音乐键盘仿真系统。基本要求：设计音乐键盘GUI界面，实现单音键盘的发声；能改变音的长短，即可实现音的缩短、延长；能改变音乐包络形式，实现音型的改变；能够演奏一段音乐。2、实现键盘的双音多频，即每个键盘对应低音频组的一个频率和高音频组的一个频率，实现按键的发出双音。3、为界面添加背景音乐，实现wav格式的声音的播放，同时可以用本软件播放视频，但是MATLAB不支持画音同步的功能，可用看到没有声音的视频。4、能够实现对键盘的输入按键进行存储，等到输入结束后统一播放刚才输入的键盘按键相对应的声音。【四】课程设计报告要求完成课程设计任务后，应按要求提交课程设计报告。设计报告应包含如下几个方面的内容。1.课程设计目的2.课程设计要求。3.详细设计过程。4.调试分析。5.结果分析与体会。6.附录或参考资料。

设计四语音合成【一】设计目的1、用DFT实现对正余弦信号的谱分析；2、观察DFT长度和窗函数长度对频谱的影响；3、对DFT进行谱分析中的误差现象获得感性认识。【二】设计原理语言作为人类最重要的最自然的交流工具，是人类获得信息的最重要的来源之一，让计算机能“听懂”人类的语言，也是人与计算机之间进行沟通的最方便的形式之一。用语音来实现人与计算机之间的交互，主要包括三项技术，即语音识别、自然语言理解和语音合成。语音合成使用语音方式输出用户想要的信息。语音合成的目的就是让计算机说话，实现人机之间的交流通话，有必要的时候可用对一些信息进行隐藏。利用MATLAB软件可以实现简单的语音的合成和处理功能。1、快速傅立叶变换有限长序列可用通过离散傅立叶变换（DFT）将其频域也离散化成有限长序列。但由于直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比，当N较大时，计算量太大，很难实时地处理问题，因此引出了快速傅立叶变换（FFT）。快速傅立叶变换（FFT）是离散傅氏变换的快速算法，并不是与DFT不同的另外一种变换。它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可用说是进了一大步。根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT变换则说明对于时间有限的信号（有限长序列），也可以对其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也就是可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT可以用以进行连续信号的频谱分析。当对语音信号进行采集后，可以利用MATLAB软件中的函数库中的FFT函数对其进行频谱分析，其格式为X=fft(x,sigLength)。2、Hilbert变换基于利用DFT求解一个序列的解析信号及Hilbert变换的理论，利用MATLAB语言编写了扩展函数hilbert.m，另外MATLAB工具箱本身也提供了计算Hilbert变换的函数hilbert.m，其格式为y=Hilbert(x)。但需要注意的是，该函数计算出的结果是序列的解析信号，其虚部才是序列的Hilbert变换。可以利用此函数对进行了频谱分析的语音信号进行包络提取。3、信号调制所谓调制，就是将调制信号加载在幅值、频率、相位三个参数中的某一个参数上，使之随调制信号大小成线性变化的过程。主要有三种基本调制方法，分别如下：第一种是把调制信号加载在载波信号的幅值上，称为幅度调制，简称AM。第二种是把调制信号装载在载波的频率上，称为频率调制，简称FM。第三种是把调制信号装载在载波的相位上，称为相位调制，简称PM。本设计可以用第一种方法，用采集到的男生信号去对女生信号进行幅度调制，实现语音合成的目的。【三】设计内容基于MATLAB软件和语音录入所设计的语音合成器可实现两路语音信号的采集和播放，并且进一步进行了频谱分析和主特征提取，然后对所采集到的信号进行语音合成，并能对合成后的语音进行播放，同时也对合成后的信号进行了频谱分析。例如，当女生录音为“a”，男生录音为“b”，那么经过语音合成后会发出女生的音“b”。（1）录入女生语音信号，不少于10s；（2）对女生语音信号进行频谱分析，并找到女生语音信号开始地方；（3）录入男生语音信号，不少于10s；（4）对男生语音信号进行频谱分析，并找到女生语音信号开始地方；（5）对男生信号进行希尔伯特变换；（6）用男生信号调制女生信号，生成数据进行合成语音；（7）对合成的语音进行FFT分析；（8）读出合成语音信号。【四】课程设计报告要求完成课程设计任务后，应按要求提交课程设计报告。设计报告应包含如下几个方面的内容。1.课程设计目的2.课程设计要求。3.详细设计过程。4.调试分析。5.结果分析与体会。6.附录或参考资料。

设计五声音信号转换系统设计及实现【一】设计目的1、用DFT实现对正余弦信号的谱分析；2、观察DFT长度和窗函数长度对频谱的影响；3、对DFT进行谱分析中的误差现象获得感性认识。【二】设计原理语音科学家将人类发声过程视作一个由声门源输送的气流经以声道、口、鼻腔组成的滤波器调制而成的。人类语音可分为有声语音和