1、数字信号课程设计doc黄 冈 师 院 物 电 学 院数字信号处理课程设计报告项目名称： 数字信号处理 _专业年级：_ 电子信息科学与技术2010级 学 号： 201022340218 学生姓名： 田 洪 普 指导教师： 雷 学 堂 报告完成日期 2012 年 6 月 5 日评阅结果 评阅教师 目 录第一章 绪论 31.1.数字信号处理技术的应用 31.2课程设计的目的 31.3.实验内容 3第二章 设计原理 52.1语音信号的采样 52.2 数字滤波器的设计 7第三章 课程设计的过程 83.1.语音信号的采集： 83.2.语音信号的频谱分析 83.3. 设计数字滤波器和对信号滤波 93.4.数
2、字滤波器的设计 113.5 语音信号滤波后的还原波形 143.6、结果分析 16第四章 设计体会 17第一章 绪论1.1.数字信号处理技术的应用MATLAB 语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件 ,它可以将声音文件变换为离散的数据文件 , 然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据 ,如数字滤波 、傅里叶变换 、时域和频域分析 、声音回放以及各种图的呈现等 , 信号处理是MATLAB 重要应用的领域之一 。 1.2课程设计的目的本课程设计介绍了基于Matlab的对语音信号采集、处理及滤波器的设计，并使之实现的过程。理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，用Matlab进行
3、数字语音信号处理，并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容。综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。要求利用MATLAB来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再将该向量看作一个普通的信号，对其进行FFT变换实现频谱分析，再依据实际情况对它进行滤波。然后我们还可以通过sound命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。1.3.实验内容1.3.1语音信号的采集要求利用windows下的录音机（开始程序附件娱乐录
4、音机，文件属性立即转换8000KHz，8位，单声道）或其他软件，录制一段自己的话音，时间控制在15s左右。然后在MATLAB软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用，要求理解采样频率、采样位数等概念。wavread函数调用格式：y=wavread(file)，读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中。y,fs,nbits=wavread(file)，采样值放在向量y中，fs表示采样频率（Hz），nbits表示采样位数。y=wavread(file,N)，读取前N点的采样值放在向量y中。y=wavread(file,
5、N1,N2)，读取从N1点到N2点的采样值放在向量y中。1.3.2语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音信号进行频谱分析，在MATLAB中，可以利用函数fft对信号进行快速付立叶变换，得到信号的频谱特性；从而加深对频谱特性的理解。1.3.3设计数字滤波器和画出频率响应根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标：1）低通滤波器性能指标，fp=1000Hz，fc=1200 Hz， As=100dB，Ap=1dB；2）高通滤波器性能指标，fc=2800 Hz，fp=3000 Hz As=100dB，Ap=1dB；3）带通滤波器性能指标，fp1=1200 Hz，fp2=3000
6、Hz，fc1=1000 Hz，fc2=3200 Hz，As=100dB，Ap=1dB。首先用窗函数法设计上面要求的三种滤波器，在MATLAB中，可以利用函数fir1设计FIR滤波器，然后在用双线性变换法设计上面要求的三种滤波器；之后再利用函数butter和cheby1设计上面要求的三种IIR滤波器。最后，利用MATLAB中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。1.3.4用滤波器对信号进行滤波比较FIR和IIR两种滤波器的性能，然后用性能好的各滤波器分别对采集的信号进行滤波，在MATLAB中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。1.
7、3.5比较滤波前后语音信号的波形及频谱要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。1.3.6回放语音信号在MATLAB中，函数sound可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x,fs,bits)；可以感觉滤波前后的声音有变化。第二章 设计原理2.1语音信号的采样采样器的作用是把连续信号变成脉冲或数字序列。图中示出了一个连续信号f（t）经采样器采样后变成离散信号的过程图2 连续信号f（t）经采样器采样后变成离散信号图中f（t）为被采样的连续信号，s（t）为周期性窄脉冲信号，f（t）为采样后的离散信号，它用下式来表征：fs（t）=f（t）s（t）采样信号的频率特性为：如果|F*（j）|中各个
8、波形不重复搭接，相互间有一定的距离（频率）即：即采样定理可叙述如下：如果采样周期满足下列条件，即：式中为连续信号f（t）的最高次谐波的角频率。则采样信号 f*（t）就可以无失真的再恢复为连续信号f（t）。需要指出的是，采样定理只是在理论上给出了信号准确复现的条件。我们可以利用windows自带的录音机录制语音文件，进行数字信号的采集。（开始程序附件娱乐录音机，文件属性立即转换8000KHz，8位，单声道）或其他软件，将话筒输入计算机的语音输入插口上，启动录音机，录制一段自己的话音。然后在MATLAB软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过wavread
9、函数的使用进一步理解采样频率、采样位数等概念。图2是基于PC机的语音信号采集过程:图3 声音采集过程2.2 数字滤波器的设计设计数字滤波器的任务就是寻求一个因果稳定的线性时不变系统，并使系统函数H(z)具有指定的频率特性。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。IIR滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应。这种滤波器一般需要用递归模型来实现，因而有时也称之为递归滤波器。FIR滤波器的冲激响应只能延续一定时间，在工程实际中可以采用递归的方式实现，也可以采用非递归的方式实现。第三章 课程设计的过程3.1.语音信号的采集
10、：利用windows下的录音机（开始程序附件娱乐录音机，文件属性立即转换8000KHz，8位，单声道），录制一段自己的话音“信号”， 时间控制在3秒左右，然后将音频文件保存“thp.wav”，在MATLAB软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。3.2.语音信号的频谱分析首先画出语音信号的时域波形z1=wavread(d:thp.wav);plot(z1);图像输出如图1图1 语音信号时域波形 对语音信号进行频谱分析，在MATLAB中，可以利用函数fft对信号进行快速付立叶变换，得到信号的频谱特性z1=wavread(d:thp.wav);y1=z1(1:
11、5000);Y1=fft(y1);n=0:5000;plot(n,Y1);图像输出如图2： 图2 语音信号频谱分析图3.3. 设计数字滤波器和对信号滤波3.3.1 语音信号的定点分析已知一个语音信号，数据采样频率为1000Hz，试分别绘制N128点DFT的幅频图和N1024点DFT幅频图。编程如下：x,fs,bits=wavread(D:thp.wav);sound(x,fs,bits);fs=1000;N=1024;y=fft(x,N);magy=abs(y);f=(0:length(y)-1)*fs/length(y);subplot(2,2,1),plot(f,magy);xlabel(
12、频率（Hz）);ylabel(幅值);title(N=1024(a);grid onsubplot(2,2,2),plot(f(1:N/2),magy(1:N/2);xlabel(频率（Hz）),ylabel(幅值);title(N=1024(b);grid onfs=1000;N=2048;y=fft(x,N);magy=abs(y);f=(0:length(y)-1)*fs/length(y);subplot(2,2,3),plot(f,magy);xlabel(频率（Hz）),ylabel(幅值);title(N=2048(c);gridsubplot(2,2,4),plot(f(1:N
13、/2),magy(1:N/2);xlabel(频率（Hz）),ylabel(幅值);title(N=2048(d);grid on图5-2 语音信号的幅频图3.4.数字滤波器的设计3.4.1切比雪夫I型低通滤波器I,Fs,bits=wavread(D:thp.wav); %读取语音信号sm.wavfp=1000; %通带截止频率fr=1200; %阻带角频率ap=1; %通带纹波as=40; %阻带衰减 n,fn=cheb1ord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z); %切比雪夫I型滤波器b,a=cheby1(n,ap,fn,low); %I型切比雪夫滤波器 h,w=fr
14、eqz(b,a); %滤波器的频率响应 I1=fftfilt(b,I); %FFT的FIR滤波 I2=fft(I1); %切比雪夫I FIR滤波后语音信号频谱分析 subplot(3,2,1),plot(I);title(原始语音信号);subplot(3,2,2);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h);title(切比雪夫1低通滤波);subplot(3,2,3);plot(I1);title(切比雪夫1FIR滤波后语音信号);subplot(3,2,4);plot(abs(I2);title(切比雪夫1FIR滤波后语音信号频谱);subplot(3,2,5);plot(h,w);
15、title(滤波器的频率响应);sound(I,Fs,bits); %重放语音3.4.2椭圆低通滤波器I,Fs,bits=wavread(D:sm.wav); %读取语音信号sm.wavfp=1000; %通带截止频率 fr=1200; %阻带角频率ap=1; %通带纹波as=40; %阻带衰减n,fn=ellipord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z);b,a=ellip(n,ap,as,fn); %椭圆滤波器h,w=freqz(b,a); %波器的频率响应I1=fftfilt(b,I); %FFT的FIR滤波I2=fft(I1); %椭圆FIR滤波后语音信号频谱分析
16、subplot(3,2,1),plot(I);title(原始语音信号);subplot(3,2,2);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h);title(椭圆低通滤波);subplot(3,2,3);plot(I1);title(椭圆FIR滤波后语音信号);subplot(3,2,4);plot(abs(I2);title(椭圆FIR滤波后语音信号频谱);subplot(3,2,5);plot(h,w);title(滤波器的频率响应);sound(I,Fs,bits); %重放语音3.5 语音信号滤波后的还原波形3.5.1.I型切比雪夫FIR滤波后的还原波形I,Fs,bits=wav
17、read(D:thp.wav); %读取语音信号sm.wavfp=1000; %通带截止频率fr=1200; %阻带角频ap=1; %通带纹波as=40; %阻带衰减n,fn=cheb1ord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z);b,a=cheby1(n,ap,fn,low); %I型切比雪夫滤波器I1=fftfilt(b,I); %FFT的FIR滤波I2=fft(I1); %I型切比雪夫滤波后的频谱分析I3=ifft(I2); %I型切比雪夫滤波后的波形还原subplot(2,1,1);plot(abs(I1);title( I型切比雪夫滤波后的波形)subplot(2
18、,1,2);plot(abs(I3);title( I型切比雪夫滤波后的还原波形);sound(I,Fs,bits); %重放语音3.5.2.椭圆FIR滤波后还原波形I,Fs,bits=wavread(D:thp.wav); %读取语音信号sm.wavfp=1000; %通带截止频率 fr=1200; %阻带角频率ap=1; %通带纹波as=40; %阻带衰减n,fn=ellipord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z); b,a=ellip(n,ap,as,fn); %椭圆滤波器I1=fftfilt(b,I); %FFT的FIR滤波I2=fft(I1); %椭圆FIR滤
19、波后语音信号频谱分析 I3=ifft(I2); % 椭圆FIR滤波后波形还原subplot(2,1,1);plot(abs(I1);title(椭圆FIR滤波后的波形);subplot(2,1,2);plot(abs(I3);title(椭圆FIR滤波后还原波形);sound(I,Fs,bits); %重放语音3.6、结果分析 从还原后的频谱图中可以分析出：语音信号中一些噪音被滤掉了，但是还有一部分噪音无法消除，因为那样的滤波器在实际中是很难被设计出来的，而且成本也比较高，试听完还原后的语音觉得比之前的好多了，达到了设计要求的标准。 第四章 设计体会在之前数字信号与处理的学习以及完成课后的作业
20、的过程中，已经使用过MATLAB，对其有了一些基础的了解和认识。通过这次练习是我进一步了解了信号的产生、采样及频谱分析的方法。 以及其中产生信号和绘制信号的基本命令和一些基础编程语言。让我感受到只有在了解课本知识的前提下，才能更好的应用这个工具；并且熟练的应用MATLAB也可以很好的加深我对课程的理解，方便我的思维。这次设计使我了解了MATLAB的使用方法，学会分析滤波器的优劣和性能，提高了分析和动手实践能力。同时我相信，进一步加强对MATLAB的学习与研究对我今后的学习将会起到很大的帮助。参考文献1.数字信号处理丁玉美，高西全等编著，西安：西安电子科技大学出版社2.数字信号处理A.V.奥本海姆，R.W.谢弗著，北京：科学出版社3.数字信号处理理论、算法与实现（第二版）胡广书编著，北京：电子工业出版社4.数字信号处理（第二版）学习指导书高西全，丁玉美编著，西安：清华大学出版社5.数字信号处理实验指导书（MATLAB版）孙洪，余翔宇等译，北京：电子工业出版社6.基于MATLAB的系统分析与设计信号处理楼顺天，李博菡编著，西安：西安电子科技大学出版社
