數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)2

1、<p>　　《數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　系 (部) 電子與通信工程系 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)(班級(jí)) </p><p>　　姓 名 </p&g

2、t;<p>　　學(xué) 號(hào) </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　I.摘 要2</b></p><p><b>　　1、任務(wù)與要求3</b></p><p>　　2.實(shí)驗(yàn)基本步驟5</p

3、><p>　　2.1　語(yǔ)音信號(hào)的采集5</p><p>　　2.2　語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析5</p><p>　　2.3　設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫(huà)出其頻率響應(yīng)5</p><p>　　2.4　用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波5</p><p>　　2.5　回放語(yǔ)音信號(hào)5</p><p>　　3、程序的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

4、仿真圖6</p><p>　　3.1原始語(yǔ)音信號(hào)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(shè)計(jì)程序：7</p><p>　　3.4低通濾波器設(shè)計(jì)的程序9</p><p>　　3.5帶通濾波器設(shè)計(jì)的程序11</p><p>　　4工

5、作原理及仿真結(jié)果分析13</p><p>　　4.1理論原理13</p><p>　　4.2濾波器設(shè)計(jì)原理13</p><p>　　5.結(jié)論與心得14</p><p><b>　　6．參考文獻(xiàn)15</b></p><p><b>　　摘 要</b></p>

6、;<p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)與《數(shù)字信號(hào)處理》課程配套，是電子、通信等專(zhuān)業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。數(shù)字信號(hào)處理是每一個(gè)電子信息科學(xué)工作者必須掌握的重要知識(shí)。它采用計(jì)算機(jī)仿真軟件，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測(cè)、估計(jì)與識(shí)別等加工處理，以達(dá)到提取信息便于使用的目的。</p><p>　　本文介紹了Matlab 軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行基本分析和處理以及濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。Matlab語(yǔ)言是一種廣泛

7、應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語(yǔ)言，Matlab功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)、編程效率高，深受廣大科技工作者得喜愛(ài)。特別是Matlab還具有信號(hào)分析工具箱，不需具備很強(qiáng)的編程能力，就可以很方便地進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的分析、處理和設(shè)計(jì)。</p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程在現(xiàn)代科學(xué)中具有很大重要性及自身特點(diǎn)，理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，對(duì)用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)的思路、具有很大的幫助。

8、</p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波的設(shè)計(jì)主要是用Matlab作為工具平臺(tái)，設(shè)計(jì)中涉及到聲音的錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取，語(yǔ)音信號(hào)的抽樣、頻譜分析、濾波分析，濾波器的設(shè)計(jì)及語(yǔ)音信號(hào)的濾波，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理課程的理論知識(shí)的綜合運(yùn)用。從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。</p><p>　　關(guān)鍵字：Matlab，濾波器，頻譜分析，語(yǔ)音信號(hào)</p><p><b&g

9、t;　　1、任務(wù)與要求 </b></p><p><b>　　2.實(shí)驗(yàn)基本步驟</b></p><p>　　2.1　語(yǔ)音信號(hào)的采集</p><p>　　要求學(xué)生利用Windows下的錄音機(jī),錄制一段自己的話音,時(shí)間在1 s內(nèi)。然后在Matlab軟件平臺(tái)下,利用函數(shù)wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣,記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)wavr

10、ead函數(shù)的使用,學(xué)生很快理解了采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。</p><p>　　2.2　語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　要求學(xué)生首先畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形;然后對(duì)語(yǔ)音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到信號(hào)的頻譜特性,從而加深學(xué)生對(duì)頻譜特性的理解。其程序如下：</p><p>　　2.3　設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫(huà)出其頻率響應(yīng)</p><p>　　給出

11、各濾波器的性能指標(biāo)：</p><p>　　(1)低通濾波器性能指標(biāo)　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(biāo)　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(biāo)　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(xué)生用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計(jì)上面要求的3種濾波器。在Matlab中,可以利用函數(shù)fir1設(shè)計(jì)FIR濾波器,可以利用函數(shù)butte, cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器;利用Matlab中的函數(shù)freqz畫(huà)出各濾波器的頻率響應(yīng)。</p><p>　　2.

13、4　用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　要求學(xué)生用自己設(shè)計(jì)的各濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波,在Matlab中,FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。</p><p>　　2.5　回放語(yǔ)音信號(hào)</p><p>　　在Matlab中,函數(shù)sound可以對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(x,fs,

14、bits);可以感覺(jué)濾波前后的聲音有變化。</p><p>　　3、程序的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)仿真圖</p><p>　　3.1原始語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形</p><p>　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)');</p><p>　　xlabel('時(shí)間 t');</p><p>　　ylabel('音量 n');</p><p>　　

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

17、/2-derta_fs],abs(y1));%畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖</p><p>　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)與原

18、始信號(hào)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(hào)</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(hào)');</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(yǔ)音信號(hào)頻譜');</p><p>　　圖3-2加噪后的信號(hào)圖</p><p>　　3.3高通濾波器設(shè)計(jì)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(hào)</p><p><b>　　x2=x1+d;</b></p><p>　　Y=fft(x2,4096); %對(duì)信號(hào)做4096點(diǎn)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(jì)濾波器最小階數(shù)</p><p>　　[b,a]=butter(N,wn,'high'); %設(shè)計(jì)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(hào)頻譜</p><p>　　axis([0,4000,0,3]);<

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

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

30、;p>　　3.4低通濾波器設(shè)計(jì)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(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形</p><p>　　t

31、itle('原始語(yǔ)音信號(hào)');</p><p>　　xlabel('時(shí)間 t');</p><p>　　ylabel('音量 n');</p><p>　　figure(2);</p><p>　　y1=fft(x1);%做length(x1)點(diǎn)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(shè)置頻譜的間隔，分辨率</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs],abs(y1));%畫(huà)出原始語(yǔ)音號(hào)的頻譜</p><p>　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜')

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

34、;%sin函數(shù)產(chǎn)生噪聲</p><p>　　x2=x1+noise;%加噪聲</p><p>　　y2=fft(x2,1024);%對(duì)加噪信號(hào)做譜分析</p><p>　　figure(2);</p><p>　　subplot(2,1,1);plot(x2);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)波形');%做加噪音信號(hào)波形時(shí)域圖<

35、;/p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(y2(1:512)));axis([0 250 0 30]);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)波形頻譜');%做加噪語(yǔ)音信號(hào)波形時(shí)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(yīng)');</p><p>　　z=filter(b,a,x2); %直接濾波實(shí)現(xiàn)</p><p>　　Z=f

38、ft(z,1024); %對(duì)濾波信號(hào)分析頻譜</p><p>　　figure(4);</p><p>　　subplot(2,1,1);plot(z);</p><p>　　title('加噪信號(hào)濾波后信號(hào)波形');%做加噪語(yǔ)音信號(hào)濾波后形時(shí)域圖</p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(Z

39、(1:512)));</p><p>　　title('加噪信號(hào)濾波后頻譜');%做加噪語(yǔ)音信號(hào)濾波后頻譜圖</p><p><b>　　仿真圖如下：</b></p><p>　　圖3-4原始語(yǔ)音信號(hào)圖與頻譜圖</p><p>　　3.5帶通濾波器設(shè)計(jì)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(hào)的頻譜');</p><p>　　subplot(2,2,2);</p><p>　　plot

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

49、subplot(2,2,4);</p><p>　　plot(z12);</p><p>　　title('濾波后的信號(hào)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(jié)果分析&

50、lt;/p><p><b>　　4.1理論原理</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)牽扯的面很廣從信號(hào)的表示、運(yùn)算及變換、系統(tǒng)的表示、運(yùn)算及變換重點(diǎn)在于DFT變換和濾波器的設(shè)計(jì)。利用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析和處理，采集語(yǔ)音信號(hào)后，利用MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行頻譜分析；并對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲，對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原

51、信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)的“ 短時(shí)譜”對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào), 它是非周期的, 頻譜隨時(shí)間連續(xù)變化, 因此由傅里葉變換得到的頻譜無(wú)法獲知其在各個(gè)時(shí)刻的頻譜特性。如果利用加窗的方法從語(yǔ)音流中取出其中一個(gè)短斷, 再進(jìn)行傅里葉變換, 就可以得到該語(yǔ)音的短時(shí)譜。</p><p>　　4.2濾波器設(shè)計(jì)原理</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是濾波器的設(shè)計(jì)。數(shù)字濾波器可分為無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（IIR）濾波器與有限長(zhǎng)

52、單位沖激響應(yīng)（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(yàn)只設(shè)計(jì)了IIR巴特沃斯濾波器，對(duì)于數(shù)字低通、高通、帶通濾波器的設(shè)計(jì)，因?yàn)槊}沖響應(yīng)不變法的主要缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)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(diǎn):(1)h(n)是無(wú)限長(zhǎng)的。(2)結(jié)構(gòu)上存在輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的，他的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有直接Ⅰ型、直接Ⅱ型、級(jí)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?yàn)V波器。</p><p>　　在低通濾波器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，可以得到數(shù)字高通、帶通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)流程如下： </p><p>　?。?） 給定數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要求（高通、帶阻、帶通） ； </p><p>　?。?） 轉(zhuǎn)換為模擬（高通、帶阻、帶通）濾波器的技術(shù)指標(biāo)； </p><p>

54、　?。?） 轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的指標(biāo)； </p><p>　?。?） 設(shè)計(jì)得到滿足第三步要求的低通濾波器傳遞函數(shù)； </p><p>　?。?） 通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換得到模擬（高通、帶阻、帶通）濾波器； </p><p>　　（6） 變換為數(shù)字（高通、帶阻、帶通）濾波器。</p><p><b>　　5.結(jié)論與心得</b>&l

55、t;/p><p>　　本次數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)的時(shí)間比較長(zhǎng)，給了我們充分的思考和獨(dú)立操作的空間。聽(tīng)完老師對(duì)本次試驗(yàn)的分析后，就積極的跑到圖書(shū)館借了一些相關(guān)的書(shū)籍，仔細(xì)翻閱了很多啟示。信號(hào)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(xì)致的功能，而我們只用了其中的一點(diǎn)點(diǎn)。對(duì)各種信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，開(kāi)始覺(jué)的簡(jiǎn)單，但做的時(shí)候并非如此。</p><p>　　在這次的課程設(shè)計(jì)中，讓我重新認(rèn)

56、識(shí)了數(shù)字信號(hào)處理這門(mén)課程的地位，它是通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是我們專(zhuān)業(yè)很重要的一門(mén)課程。此次設(shè)計(jì)的濾波器的設(shè)計(jì)讓對(duì)通信系統(tǒng)有了一定的了解，不僅鍛煉了我獨(dú)立思考問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，而且提高了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)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(xiàn)</b></p><p>　　[1] 現(xiàn)代