数字信号处理“听音识曲系统”综合实验设计

admin管理员组

文章数量:1531796

2024年4月4日发(作者：)

2019年第11期

（总第203期）

信息通信

INFORMATION&COMMUNICATIONS

2019

（203）

数字信号处理“听音识曲系统”综合实验设计

李艳凤，黄琳琳，陈后金，胡健

（北京交通大学，电子信息工程学院，北京

100044

）

摘要：

针对数字信号处理实验环节中验证性实验偏多的问题，设计了“听音识曲系统”综合性实验，以更好地提高学生理

论联系实际，解决复杂工程问题的能力。“听音识曲系统”实验与日常生活相关，演示效果好，学生实验热情高。实验内

容涵盖信号频谱分析、窗函数使用、数字滤波器设计、多速率信号处理等数字信号处理课程主要内容，实验综合性强。学

生在掌握课程相关知识的基础上，还需要查阅相关资料才能完成系统的设计与实现，实验扩展性好。实践表明，通过该

综合实验学生加深了对理论知识的理解，提高了学习兴趣以及分析解决工程问题的能力。

关键词：

数字信号处理；听音识曲；综合性实验

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1673-113111-0081-03

（

2019

）

TheComprehensiveExperimentDesignofMusicRecognitioninDigitalSignalProcessing

LiYanfeng,HuangLinlin,ChenHoujin,HuJian

(

SchoolofElectronicandInformationEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044

)

Abstract:Indigitalsignalprocessingcourse,ethisproblem,thecomprehensi-

veexperimentof"musicrecognizingsystem"etterimprovestudents'abilityofcombiningtheorywithprac-

erimentof"musicrecognizingsystem"isrelatedtodailylifeandwith

gooddemonstrationeffect,erimentalcontentscoverthemaincontentsofdigital

signalprocessingcourse,suchassignalspectrumanalysis,windowfunctionusage,digitalfilterdesign,andmulti-ratesignal

processing,asisofmasteringtherelevantknowledgeofthecourse,stu-

dentsalsoneedtoconsultrelevantreferencetocompletesystemdesignandimplementation,leadingtotheexperimentgoodex-

cticeshowsthatstudentsdeepentheirunderstandingoftheoreticalknowledge,improvetheirinterestin

learningandtheirabilitytoanalyzeandsolveengineeringproblemsthroughthisexperiment.

Keywords:digitalsignalprocessing;musicrecognition;comprehensiveexperiment

0

引言

我们正处于信息化和智能化高速发展的时代，而信息化

和智能化的基础是“数字化”。“数字信号处理”课程阐述信号

数字化表示和数字化处理的原理与技术，其是电子信息类学

科专业重要的基础课程。电子信息类本科生需要掌握数字信

号处理的理论、方法和技术，以更好地学习后续课程和开展课

题研究。随着信息技术的发展，社会对电子信息类人才的需

求也发生了改变

[

1

]

，社会需要具有深厚理论基础、多学科综合

能力以及创新能力的优秀人才。

数字信号处理课程中设置必要的实验有助于学生对课程

基本概念的深入理解，提高学生的实践能力

[

2

]

。但目前数字信

号处理课程的实验

[

3-6

]

以验证性实验内容为主，缺乏设计性、综

合性的实验内容，且实验题目与工程问题联系性不强，造成学

生学习主动性和积极性不高，学了理论方法不知道用在哪里

和如何使用，导致学生的实践能力普遍偏低，难以适应当今社

会信息化时代发展的形势，不能满足科研单位和企业对创新

性人才的需求

[

7

]

。

为解决这一问题，课程团队面向工程实际问题开发了综

合性应用型实验，本文以“听音识曲系统”综合实验为例，给出

实验的设计与具体实施过程。该实验已在我校通信工程、自

动化、电子科学与技术等专业的课程教学中进行了实践，取得

了良好的实施效果。

1

“听音识曲系统”综合实验设计

“听音识曲系统”实验载体包含实验背景、原理与方案、实

验任务与要求三个方面。

1.1实验背景

模型能较准确地识别车牌，且准确率达到96.5%。同一个字体

有多种模糊度，且有多种倾斜度，为了提升车牌识别准确率，

建立完善的车牌字符数据库，可提升车牌识别的准确率。

牌字符识别错误结果的分析发现，同一个字体有多种模糊度，

且有多种倾斜度，为了提升车牌识别准确率，建立完善的车牌

字符数据库，可提升车牌识别的准确率。

参考文献：

[

1

]

索静.基于图像处理的车牌识别系统的分析与设计

[

J

]

.信

息技术与信息化,2017

(

12

)

:32-34.

[

2

]

张莉莉,武艳.基于MATLAB的车牌识别系统的设计仿

真

[

J

]

.数字技术与应用,2017

(

10

)

:127-128.

[

3

]

崔诗晨,迟宗涛.基于MATLAB的车牌识别的设计

[

J

]

.工

业控制计算机,2017,30

(

8

)

:68-69.

８１

6

结语

车牌识别系统作为智能交通的重要组成部分，广泛应用

在高速公路收费站、停车场管理、电子警察等领域。车牌识别

系统的实现涉及到图像处理、模式识别、计算机视觉等多方面

的理论知识，本文在现有成果的基础上，就车牌识别系统中的

车牌定位模块与字符识别模块的实现进行了研究。基于个人

时间、能力所限，该系统还有很多需要完善的地方。通过对车

信息通信

“听音识曲系统”实验来源于日常生活，提升了学生实验

的趣味性。你在商场超市等陌生场所听到一首很喜欢的歌曲，

无从打听这是什么歌曲，但是又很想知道，怎么办？目前智能

手机上的相关软件可以解决这一问题，只要打开软件，录制一

段时间的歌曲，几秒之内就可以查出歌曲的名称，这就是听音

识曲。基于数字信号处理课程中离散傅里叶变换的应用、窗

函数的应用、数字滤波器的设计等就可以实现一个简单的听

音识曲系统。

1.2原理与方案

听音识曲的主要方法是基于内容的音乐检索，即利用音

乐的音符、旋律、节奏、歌曲风格等语义级的特征或者声学层

特征从数据库中检索乐曲，可以使用基于信号频谱分析的方

法实现音乐检索。基于信号频谱分析的听音识曲方案如图1

所示，该方案包含两部分，第一部分为模板库的构建，第二部

分为音乐信号的识别。

图1听音识曲系统方案

模板库的构建：首先在网上下载多首音乐，然后对每首音

乐提取特征，多首音乐的特征即构成模板库。音乐信号并不

是一个平稳随机过程，所以不能直接对整个信号进行频谱分

析，需要对其进行加窗分帧操作。将音乐信号分为毫秒级的

多个音乐片段，每个音乐片段可以看做是平稳随机过程，然后

对音乐片段进行频谱分析。为了保证两个音乐片段之间的平

滑过渡，需要设置一个偏移量，也就是前后两帧的数据需要共

同拥有同一节数据，偏移量一般设置为帧长的二分之一。加

窗分帧操作可以通过窗函数实现，每移动一次窗函数，便得到

一帧的音乐片段。常见的窗函数有以下几种，矩形窗、汉明窗、

汉宁窗，它们各自的表达式如下所示：

矩形窗：

（1）

汉宁窗：

（2）

海明窗：

（3）

不同窗函数的特点不相同，矩形窗具有很好的平滑过渡

性，但容易丢失语音信号的高频部分，频谱泄露现象较严重。

海明窗可以改善频谱泄露问题，但其主瓣的有效宽度是相同

窗长矩形窗的两倍。学生在实验中可以探讨使用不同的窗函

数分帧，对最终的识别效果具有什么影响，以此加深对窗函数

８２

李艳凤等：数字信号处理“听音识曲系统”综合实验设计

应用的理解。

特征提取方法可采用离散傅里叶变换（DiscreteFourier

Transform,DFT）实现。对加窗分帧处理后的音乐片段进行

DFT将其时域变换到频域，采用的方法是快速傅里叶变换

（FastFourierTransform,FFT）。经过FFT之后，全部音乐片段

可以用一个三维图来表示，X轴表示时间，Y轴表示频率，Z轴

表示能量，如图2（a）所示。由于能量极大值点（图2（b）的星

型）抗噪能力较强，因而可采用频谱图中的能量极大值点构建

表示音乐信号的特征。

（a）音乐信号频谱三维图

（b）音乐信号频谱的能量极大值点

图2音乐信号特征提取

音乐信号的识别：打开麦克风对音乐进行录制其实就是

将模拟信号转换为数字信号的过程，即信号的时域抽样。在

数字信号的采集过程中，会受到混叠干扰、电源工频干扰等，

在对采集到的信号进行识别之前需要进行滤波。为降低频率

为50Hz的电源工频的干扰，需要设计一带通数字滤波器。带

通数字滤波器可以设计IIR滤波器实现，也可设计FIR滤波器

实现。学生在实验中可以设计不同的IIR滤波器和FIR滤波

器，并对滤波效果进行分析，加深对滤波器指标设置以及设计

方法的理解。按照模板库构建过程，对滤波后信号进行加窗

分帧和特征提取，最后将待识别信号的特征与模板库进行匹

配，得到该首音乐的歌曲名称。

为提高歌曲识别的速度，可以对音乐信号进行降采样处

理。如何选择合适的降采样速率呢？需要结合信号抽样和多

速率信号处理理论，对音乐信号的频谱进行分析，以得到合适

的降采样率，达到在不造成频谱混叠的情况下降低处理的数

据量。

信息通信

上述实验方案综合了信号抽样、窗函数、DFT、FFT、滤波

器设计以及多速率信号处理等内容，涵盖了数字信号处理课

程的主要内容，实验综合性强。

1.3实验任务与要求

本实验要求学生以小组为单位，设计并实现一个听音识

曲系统，该系统接收播放的歌曲信号，通过相关算法与数据库

中的歌曲进行比较，识别出所播放歌曲的名称。系统界面示

例及相关说明如图3。

图3听音识曲系统界面与功能说明

实验评分采用分层方式，包括基本部分、提高部分以及扩

展部分。基本部分要求学生实现一个听音识曲系统，对识别

性能不做过多要求，主要考察学生能否利用理论知识解决一

个复杂的工程问题。提高部分要求学生分别从识别正确率、

系统鲁棒性以及识别速度三个方面对系统的性能进行提升。

扩展部分要求学生基于课程内容，采用两种不同的方案实现

听音识曲系统，并从多种角度对两种方案的性能进行比较分

析，主要考察学生对于实际工程问题采用不同方案进行解决

的能力。

该实验题目面向工程实际问题，使学生将理论与实践紧

密结合，加深了对课程相关理论的理解，培养了学生的工程实

践能力和创新意识。

2

“听音识曲系统”综合实验实施过程

2.1实验实施过程

（1）课堂讲授：教师讲解听音识曲系统的背景和基本原理，

包括实际工程背景、问题的分析、问题的解决思路、听音识曲

方案设计、不同设计方案的比较、信息收集与文献资料查阅、

实验报告的撰写规范等内容。同时引导学生对该系统的主要

问题进行思考，包括：课程中讲解了多种数字滤波器设计方法，

实际中应如何选取？课程中讲解了多种窗函数实现信号加窗，

结合不同窗函数的理论分析，选取合适的窗函数。为提高歌

曲识别的速度，可以对音乐信号进行降采样处理，如何选取合

适的降采样速率？对于实际工程问题，一般可采用多种方案

解决，本实验基于离散傅里叶变换和时域分析均可实现歌曲

的特征提取，引导学生对工程问题解决过程的理解。

（2）小组协作：学生查阅资料，小组内探究解决问题的方案，

分工协作完成系统的设计与实现。

（3）教师答疑：教师对学生实验中遇到的问题进行解答，

采用实验室集中答疑以及网络答疑两种方式。

（4）结果验收：学生现场演示听音识曲效果，教师针对设

计任务书中要求的功能和性能指标测试验收，给予评价。

（5）答辩：学生以ppt的形式介绍系统的原理和方案以及

李艳凤等：数字信号处理“听音识曲系统”综合实验设计

实验结果，教师针对方案中涉及到的原理以及实验结果分析

等方面向小组中的每个学生提出问题。

（6）撰写报告：为了培养学生撰写科技论文的能力，要求以

科技论文的格式撰写实验报告。实验报告包含背景介绍、方案

设计、实验结果与分析、主要参考文献等。背景介绍包括研究

背景和研究现状。方案设计包括系统的整体方案以及方案中

主要算法的原理介绍。实验结果与分析包括主要参数的选取、

不同参数对系统性能的影响以及系统的优缺点等。

（7）报告批改：教师从规范性、逻辑性、完整性等方面对报

告进行评价。

2.2实验考核评价

实验成绩由系统性能、实验报告、答辩三个环节构成。系

统性能环节针对设计任务书中要求的功能和性能指标测试验

收，此部分培养学生解决复杂工程问题的能力，占总成绩的

40%。教师从规范性、逻辑性、完整性等方面对实验报告进行

评价，此部分培养学生撰写科技论文的能力，占总成绩的30%。

答辩包括学生讲解与教师提问两个部分，此部分培养学生的

表达能力，且可区分不同学生对实验方案理解的深度，占总成

绩的30%。

3

结语

听音识曲系统实验内容与日常生活相关，演示效果好，可

以激发学生的学习热情。实验内容涵盖了数字信号处理课程

中的主要内容，包括信号频谱分析、窗函数使用、数字滤波器

设计、多速率信号处理等，实验综合性强。通过该实验加深了

学生对课程基本概念、基本原理及其物理意义的理解，提高了

学生的学习兴趣以及分析解决工程问题的能力，取得了良好

的教学效果。

参考文献：

[

1

]

张干清,郭磊,向阳辉.新工科双创人才培养的实践教学范

式

[

J

]

.高教探索,2018,

(

8

)

:55-60.

[

2

]

周鹏,齐玉娟,郑杰,王珺,王延江.常用工具软件支持下

的信号与系统综合实验设计

[

J

]

.实验室研究与探索,2018,

37

(

11

)

:211-214,218.

[

3

]

彭鑫，欧阳竟成，申巧巧．面向工程能力培养的信号与

系统实践教学模式

[

J

]

.实验科学与技术,2016,14

(

5

)

:

111-114.

[

4

]

徐晓霞.基于MATLAB的数字信号处理教学改革探索

[

J

]

.

电子测试,2019,

(

4

)

:139-140.

[

5

]

刘倩,柳兆军.数字信号处理课程实验教学改革

[

J

]

.电脑

知识与技术,2019,15

(

20

)

:146-147.

[

6

]

蒋礼林,李立礼.基于MATLAB的数字信号处理课程实验

设计

[

J

]

.教育现代化,2018,5

(

14

)

:164-165,168.

[

7

]

武晔,万永革,武巴特尔,等.数字信号处理课程“地震数据

重采样”综合性实验设计

[

J

]

.实验室研究与探索,2018,37

(

2

)

:178-182,192.

基金项目：电工电子国家级实验教学示范中心建设项目

351003535）；信号处理系列课程“金课”探索与实践项目

133187522）；《近代数字信号处理》课程建设（134749522）；模

式识别与机器学习慕课建设与应用（356369535）。

作者简介：李艳凤（1988-），女，博士，副教授，从事信号与信息

处理以及模式识别教学与研究工作。

８３

（

（

本文标签： 实验系统学生信号识曲