數(shù)字信號處理課程設計2

1、<p>　　《數(shù)字信號處理課程設計》</p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　系 (部) 電子與通信工程系 </p><p>　　專業(yè)(班級) </p><p>　　姓 名 </p&g

2、t;<p>　　學 號 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　I.摘 要2</b></p><p><b>　　1、任務與要求3</b></p><p>　　2.實驗基本步驟5</p

3、><p>　　2.1　語音信號的采集5</p><p>　　2.2　語音信號的頻譜分析5</p><p>　　2.3　設計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應5</p><p>　　2.4　用濾波器對信號進行濾波5</p><p>　　2.5　回放語音信號5</p><p>　　3、程序的設計與實驗

4、仿真圖6</p><p>　　3.1原始語音信號的頻譜的程序6</p><p>　　3.2加噪聲的程序：7</p><p>　　3.3高通濾波器設計程序：7</p><p>　　3.4低通濾波器設計的程序9</p><p>　　3.5帶通濾波器設計的程序11</p><p>　　4工

5、作原理及仿真結果分析13</p><p>　　4.1理論原理13</p><p>　　4.2濾波器設計原理13</p><p>　　5.結論與心得14</p><p><b>　　6．參考文獻15</b></p><p><b>　　摘 要</b></p>

6、;<p>　　數(shù)字信號處理課程設計與《數(shù)字信號處理》課程配套，是電子、通信等專業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。數(shù)字信號處理是每一個電子信息科學工作者必須掌握的重要知識。它采用計算機仿真軟件，以數(shù)值計算的方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、估計與識別等加工處理，以達到提取信息便于使用的目的。</p><p>　　本文介紹了Matlab 軟件對信號進行基本分析和處理以及濾波器的設計與實現(xiàn)。Matlab語言是一種廣泛

7、應用于工程計算及數(shù)值分析領域的新型高級語言，Matlab功能強大、簡單易學、編程效率高，深受廣大科技工作者得喜愛。特別是Matlab還具有信號分析工具箱，不需具備很強的編程能力，就可以很方便地進行語音信號的分析、處理和設計。</p><p>　　數(shù)字信號處理課程在現(xiàn)代科學中具有很大重要性及自身特點，理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，對用Matlab進行數(shù)字信號處理課程設計的思路、具有很大的幫助。

8、</p><p>　　語音信號的處理與濾波的設計主要是用Matlab作為工具平臺，設計中涉及到聲音的錄制、播放、存儲和讀取，語音信號的抽樣、頻譜分析、濾波分析，濾波器的設計及語音信號的濾波，通過數(shù)字信號處理課程的理論知識的綜合運用。從實踐上初步實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。</p><p>　　關鍵字：Matlab，濾波器，頻譜分析，語音信號</p><p><b&g

9、t;　　1、任務與要求 </b></p><p><b>　　2.實驗基本步驟</b></p><p>　　2.1　語音信號的采集</p><p>　　要求學生利用Windows下的錄音機,錄制一段自己的話音,時間在1 s內。然后在Matlab軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù)。通過wavr

10、ead函數(shù)的使用,學生很快理解了采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。</p><p>　　2.2　語音信號的頻譜分析</p><p>　　要求學生首先畫出語音信號的時域波形;然后對語音號進行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜特性,從而加深學生對頻譜特性的理解。其程序如下：</p><p>　　2.3　設計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應</p><p>　　給出

11、各濾波器的性能指標：</p><p>　　(1)低通濾波器性能指標　fb＝1 000 Hz,fc＝1 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。</p><p>　　(2)高通濾波器性能指標　fc＝4 800 Hz,fb＝5 000 Hz As＝100 dB,Ap＝1 dB。</p><p>　　(3)帶通濾波器性能指標　fb1＝1 200 Hz,fb2＝3

12、 000 Hz,fc1＝1 000 Hz,fc2＝3 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。</p><p>　　要求學生用窗函數(shù)法和雙線性變換法設計上面要求的3種濾波器。在Matlab中,可以利用函數(shù)fir1設計FIR濾波器,可以利用函數(shù)butte, cheby1和ellip設計IIR濾波器;利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應。</p><p>　　2.

13、4　用濾波器對信號進行濾波</p><p>　　要求學生用自己設計的各濾波器分別對采集的信號進行濾波,在Matlab中,FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波,IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。</p><p>　　2.5　回放語音信號</p><p>　　在Matlab中,函數(shù)sound可以對聲音進行回放。其調用格式：sound(x,fs,

14、bits);可以感覺濾波前后的聲音有變化。</p><p>　　3、程序的設計與實驗仿真圖</p><p>　　3.1原始語音信號的頻譜的程序</p><p>　　1. [x1,fs,bits]=wavread('5.wav');</p><p>　　sound(x1,fs,bits);</p><p>

15、;　　figure(1);</p><p>　　plot(x1);%做原始語音信號的時域圖形</p><p>　　title('原始語音信號');</p><p>　　xlabel('時間 t');</p><p>　　ylabel('音量 n');</p><p>　　

16、figure(2);</p><p>　　y1=fft(x1);%做length(x1)點的FFT</p><p>　　y1=fftshift(y1); %平移，是頻率中心為0</p><p>　　derta_fs = fs/length(x1); %設置頻譜的間隔，分辨率</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs: fs

17、/2-derta_fs],abs(y1));%畫出原始語音信號的頻譜圖</p><p>　　title('原始語音信號的頻譜');</p><p><b>　　gridon; </b></p><p><b>　　仿真頻譜圖如下：</b></p><p>　　圖3-1原始語音信號與原

18、始信號的頻譜圖</p><p>　　3.2加噪聲的程序：</p><p><b>　　fs=22050;</b></p><p>　　x1=wavread('1.wav');</p><p>　　t=(0:length(x1)-1)/22050;</p><p>　　f=fs*(0

19、:1023)/2048;</p><p><b>　　Au=0.05;</b></p><p>　　d=[Au*cos(2*pi*3800*t)]'; %噪聲為3.8kHz的余弦信號</p><p><b>　　x2=x1+d;</b></p><p>　　y1=fft(x1,2048);

20、</p><p>　　y2=fft(x2,2048);</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　plot(t,x2)</p><p>　　grid on;axis tight;</p><p>　　title('加噪后的信號');</p&g

21、t;<p>　　xlabel('time(s)');</p><p>　　ylabel('幅度');</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(f,abs(y1(1:1024)))

22、;grid on;axis tight;</p><p>　　title('原始語音信號頻譜');</p><p>　　圖3-2加噪后的信號圖</p><p>　　3.3高通濾波器設計程序：</p><p>　　x1=wavread('1.wav');</p><p>　　t=(0:le

23、ngth(x1)-1)/22050;</p><p>　　f=fs*(0:1023)/2048;</p><p><b>　　Au=0.05;</b></p><p><b>　　fs=22050;</b></p><p>　　d=[Au*cos(2*pi*3800*t)]'; %噪聲為3

24、.8kHz的余弦信號</p><p><b>　　x2=x1+d;</b></p><p>　　Y=fft(x2,4096); %對信號做4096點FFT變換</p><p><b>　　fp=3000;</b></p><p><b>　　fc=2800;</b></p

25、><p><b>　　As=100;</b></p><p>　　Ap=1;fs=6500; %采樣頻率</p><p>　　wc=2*fc/fs; %阻帶截止頻率 </p><p>　　wp=2*fp/fs; %通帶截止頻率</p><p>　　[N,wn]=buttord(wc,wp,Ap,As)

26、; %估計濾波器最小階數(shù)</p><p>　　[b,a]=butter(N,wn,'high'); %設計濾波器</p><p>　　figure(1);</p><p>　　freqz(b,a,512,fs);</p><p>　　title('高通濾波'); </p><p>　　

27、x=filter(b,a,x2); %濾波</p><p>　　X=fft(x,4096);</p><p>　　figure(2);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(abs(Y)); %濾波前信號頻譜</p><p>　　axis([0,4000,0,3]);<

28、/p><p>　　title('濾波前信號頻譜');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(X)); %濾波前信號頻譜</p><p>　　axis([0,4000,0,3]);</p><p>　　title('濾波后信號頻譜');<

29、;/p><p>　　figure(3);</p><p><b>　　plot(x);</b></p><p>　　title('還原語音');</p><p>　　sound(x); %播放語音信號</p><p>　　圖3-3濾波前信號頻譜與高通濾波圖</p><

30、;p>　　3.4低通濾波器設計的程序</p><p>　　[x1,fs,bits]=wavread('g:\5.wav');</p><p>　　sound(x1);</p><p>　　figure(1);</p><p>　　plot(x1);%做原始語音信號的時域圖形</p><p>　　t

31、itle('原始語音信號');</p><p>　　xlabel('時間 t');</p><p>　　ylabel('音量 n');</p><p>　　figure(2);</p><p>　　y1=fft(x1);%做length(x1)點的FFT</p><p>

32、　　y1=fftshift(y1); %平移，是頻率中心為0</p><p>　　derta_fs = fs/length(x1); %設置頻譜的間隔，分辨率</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs],abs(y1));%畫出原始語音號的頻譜</p><p>　　title('原始語音信號的頻譜')

33、;</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　h=[0:1/8000:2 zeros(1,n-16001)];%取語音信號的采樣矩陣</p><p><b>　　t=h';%轉置</b></p><p>　　noise=0.04*sin(10000*pi*t)

34、;%sin函數(shù)產生噪聲</p><p>　　x2=x1+noise;%加噪聲</p><p>　　y2=fft(x2,1024);%對加噪信號做譜分析</p><p>　　figure(2);</p><p>　　subplot(2,1,1);plot(x2);title('加噪語音信號波形');%做加噪音信號波形時域圖<

35、;/p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(y2(1:512)));axis([0 250 0 30]);title('加噪語音信號波形頻譜');%做加噪語音信號波形時域圖</p><p><b>　　fp=1000;</b></p><p><b>　　fc=1200;</b><

36、/p><p><b>　　As=100;</b></p><p><b>　　Ap=1;</b></p><p>　　wp=2*pi*fp/fs;</p><p>　　ws=2*pi*fc/fs;</p><p>　　[N,wn]=buttord(ws,wp,Ap,As);<

37、;/p><p>　　[b,a]=butter(N,wn);figure(3);</p><p>　　[h,w]=freqz(b,a); plot(w*8000*0.5/pi,abs(h));title('低通濾波器頻率響應');</p><p>　　z=filter(b,a,x2); %直接濾波實現(xiàn)</p><p>　　Z=f

38、ft(z,1024); %對濾波信號分析頻譜</p><p>　　figure(4);</p><p>　　subplot(2,1,1);plot(z);</p><p>　　title('加噪信號濾波后信號波形');%做加噪語音信號濾波后形時域圖</p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(Z

39、(1:512)));</p><p>　　title('加噪信號濾波后頻譜');%做加噪語音信號濾波后頻譜圖</p><p><b>　　仿真圖如下：</b></p><p>　　圖3-4原始語音信號圖與頻譜圖</p><p>　　3.5帶通濾波器設計的程序</p><p><

40、;b>　　Ft=8000; </b></p><p>　　Fp1=1200; </p><p><b>　　Fs1=1000;</b></p><p><b>　　Fp2=3000;</b></p><p><b>　　Fs2=3200;</b></p&

41、gt;<p><b>　　As=100;</b></p><p><b>　　Ap=1;</b></p><p>　　wp1=tan(pi*Fp1/Ft); </p><p>　　wp2=tan(pi*Fp2/Ft);</p><p>　　ws1=t

42、an(pi*Fs1/Ft);</p><p>　　ws2=tan(pi*Fs2/Ft);2</p><p>　　w=wp1*wp2/ws2;</p><p>　　bw=wp2-wp1;</p><p><b>　　wp=1;</b></p><p>　　ws=(wp1*wp2-w.^2)/(bw*

43、w);</p><p>　　[n12,wn12]=buttord(wp,ws,Ap,As,'s'); </p><p>　　[b12,a12]=butter(n12,wn12,'s'); </p><p>　　[num2,den2]=lp2bp(b12,a12,sqrt(wp1*wp2),bw);</

44、p><p>　　[num12,den12]=bilinear(num2,den2,0.5);</p><p>　　[h,w]=freqz(num12,den12); </p><p>　　plot(w*8000*0.5/pi,abs(h));</p><p>　　axis([0 4000 0 1.5]);<

45、/p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread ('yes.wav');</p><p>　　n = length (y) ;</p><p>　　t=[0:1/8000:zeros(1,194431)]';</p><p>　　noise=0.04*sin(10000*pi*t); &l

46、t;/p><p>　　s=y+noise ; </p><p>　　S=fft(s); </p><p>　　z12=filter(num12,den12,s);</p><p>　　sound(z12);</p><p>　　m

47、12=fft(z12); </p><p>　　subplot(2,2,1);</p><p>　　plot(abs(S));</p><p>　　title('濾波前信號的頻譜');</p><p>　　subplot(2,2,2);</p><p>　　plot

48、(abs(m12));</p><p>　　title('濾波后信號的頻譜');</p><p>　　subplot(2,2,3);</p><p><b>　　plot(s);</b></p><p>　　title('濾波前信號的波形');</p><p>　　

49、subplot(2,2,4);</p><p>　　plot(z12);</p><p>　　title('濾波后的信號波形');</p><p><b>　　仿真圖如下：</b></p><p>　　圖3-5帶通濾波器濾波后的頻譜圖</p><p>　　4工作原理及仿真結果分析&

50、lt;/p><p><b>　　4.1理論原理</b></p><p>　　本次課程設計牽扯的面很廣從信號的表示、運算及變換、系統(tǒng)的表示、運算及變換重點在于DFT變換和濾波器的設計。利用MATLAB對語音信號進行分析和處理，采集語音信號后，利用MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原

51、信號。語音信號的“ 短時譜”對于非平穩(wěn)信號, 它是非周期的, 頻譜隨時間連續(xù)變化, 因此由傅里葉變換得到的頻譜無法獲知其在各個時刻的頻譜特性。如果利用加窗的方法從語音流中取出其中一個短斷, 再進行傅里葉變換, 就可以得到該語音的短時譜。</p><p>　　4.2濾波器設計原理</p><p>　　本次課程設計的重點是濾波器的設計。數(shù)字濾波器可分為無限長單位沖激響應（IIR）濾波器與有限長

52、單位沖激響應（FIR）濾波器。濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為 </p><p>　　本次試驗只設計了IIR巴特沃斯濾波器，對于數(shù)字低通、高通、帶通濾波器的設計，因為脈沖響應不變法的主要缺點是會產生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻響偏離模擬濾波器的頻響特性，通用方法為雙線性變換法。IIR的特點:(1)h(n)是無限長的。(2)結構上存在輸出到輸入的反饋，也就是結構上是遞歸型的，他的基本網絡結構有直接Ⅰ型、直接Ⅱ型、級聯(lián)型

53、和并聯(lián)型四種。常用的IIR濾波器有巴特沃思濾波器、切貝雪夫濾波器。</p><p>　　在低通濾波器的設計基礎上，可以得到數(shù)字高通、帶通、帶阻濾波器的設計流程如下： </p><p>　?。?） 給定數(shù)字濾波器的設計要求（高通、帶阻、帶通） ； </p><p>　?。?） 轉換為模擬（高通、帶阻、帶通）濾波器的技術指標； </p><p>

54、　?。?） 轉換為模擬低通濾波器的指標； </p><p>　?。?） 設計得到滿足第三步要求的低通濾波器傳遞函數(shù)； </p><p>　?。?） 通過頻率轉換得到模擬（高通、帶阻、帶通）濾波器； </p><p>　?。?） 變換為數(shù)字（高通、帶阻、帶通）濾波器。</p><p><b>　　5.結論與心得</b>&l

55、t;/p><p>　　本次數(shù)字信號處理課程設計的時間比較長，給了我們充分的思考和獨立操作的空間。聽完老師對本次試驗的分析后，就積極的跑到圖書館借了一些相關的書籍，仔細翻閱了很多啟示。信號的錄制有很多種方法。特別是matlab自帶的錄音函數(shù)，還有很多細致的功能，而我們只用了其中的一點點。對各種信號的調制和解調，開始覺的簡單，但做的時候并非如此。</p><p>　　在這次的課程設計中，讓我重新認

56、識了數(shù)字信號處理這門課程的地位，它是通信系統(tǒng)的基礎，是我們專業(yè)很重要的一門課程。此次設計的濾波器的設計讓對通信系統(tǒng)有了一定的了解，不僅鍛煉了我獨立思考問題解決問題的能力，而且提高了我對所學知識的綜合應用能力。通過這次課程設計，我對matlab的操作又熟練了許多，而且還提高了我的編程能力。、</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 現(xiàn)代