数字信号处理课设报告09卢明鹏

课程设计报告课程名称数字信号处理课程设计课题名称数字滤波器设计及语音分析应用专业通信工程班级1002学号09姓名卢明鹏指导教师彭祯张鏖烽郭芳2012年9月10日1湖南工程学院课程设计任务书课程名称数字信号处理课程设计课题名称数字滤波器设计及语音分析应用专业通信工程班级1002学号09姓名卢明鹏指导教师彭祯张鏖烽郭芳审批任务书下达日期2012年9月1日任务完成日期2012年9月10日2《数字信号处理》课程设计指导一、课程设计的性质与目的《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。二、课程设计题目方向一：数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用。步骤：1、语音信号采集录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样；录制时可以使用Windows自带的录音机，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。2、语音信号分析使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。根据频谱图求出其带宽，并说明语音信号的采样频率不能低于多少赫兹。3、含噪语音信号合成在MATLAB软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：（1）白噪声；（2）单频噪色（正弦干扰）；（3）多频噪声（多正弦干扰）；（4）其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或Chirp干扰、冲激干扰。绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号图形对比，也可通过Windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。4、数字滤波器设计及滤波,完成以下题目中的一个3给定滤波器的规一化性能指标（参考指标,实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定）例如：通带截止频率wp=0.25*pi,阻通带截止频率ws=0.3*pi;通带最大衰减Rp=1dB;阻带最小衰减Rs=15dB，每个题目至少设计出5个用不同方法的不同类型滤波器。题目（1）：采用窗函数法与等波纹法分别设计各型FIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型）来对叠加噪声前后的语音信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应，绘出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；在相同的性能指标下比较各方法的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。题目（2）：采用双线性变换法与脉冲响应不变法，分别利用不同的原型低通滤波器（Butterworth型与切比雪夫I型）来设计各型IIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型），绘出滤波器的频域响应；并用这些数字滤波器对含噪语音信号分别进行滤波处理，比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。5、回放语音信号对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。6、设计一个语音信号分析与处理系统界面(选作)利用MATLAB的界面设计功能，设计一个MATLAB环境下的人机交互界面，完成上述滤波器的设计及滤波过程，要求能够接收输入的设计参数，查看设计结果及滤波结果。三、课程设计要求1、在一周内学生须上机16小时以上，程序调试完后，须由指导老师在机器上检查运行结果，经教师认可后的源程序可通过打印机输出，并请教师在程序清单上签字。2、课程设计报告内容和格式：设计题目，设计的详细步骤，设计过程中的结果、图形等，设计总结。3、每组每人必须独立完成，成绩的考核按设计结果、答辩成绩及课程设计报告来综合评定。成绩分为优、良、中、及格、不及格五级分评定。4、指导教师：彭祯，张鏖烽，郭芳。4四、设计进度安排通信工程1001/1002:1周周一上午，E-412,任务讲解与布置，学生分组选题，查找相关资料，准备课程设计，学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周二上午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周三上午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周四上午，E-412,学生任务完成，答辩并提交课程设计报告。附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分、附件（A4大小的图纸及程序清单）。正文的格式:一级标题用3号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为22。正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模块的划分；三、主要功能的实现；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释）；七、评分表。51课程设计的目的....................................................................................12课程设计的原理....................................................................................12.1原理..................................................................................................................12.2．大概流程图如下。.......................................................................................23课程设计设计步骤及结果分析............................................................33.1语音信号提取与分析.....................................................................................33.2对语音信号进行加噪......................................................................................33.3设计滤波器去噪..............................................................................................63.4结果分析..........................................................................................................94心得体会...............................................................................................105．评分表.................................................................................................1111课程设计的目的《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。2课程设计的原理2.1原理数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。我的任务是通过有限冲激响应（FIR）滤波器对一个语音信号进行加噪和除噪。22.2．大概流程图如下。语音信号提取正弦噪声干扰白噪声干扰多正弦噪声干扰等波纹逼近法去噪凯塞低通滤波器去噪布莱克曼带阻滤波器去噪33课程设计设计步骤及结果分析3.1语音信号提取与分析本人录制一段语音信号并保存在C盘中，当要使用时可通过指令[y,fs]=wavread('c:/lu12')提取到MATLAB软件中，在通过信号进行采样即可得到信号的时域图形和频谱图形012345678910x104-1-0.500.51原始时域的信号012345678910x1040200040006000原始信号频谱根据频谱图可大致求出其带宽。3.2对语音信号进行加噪3.2.1白噪声加噪通过指令y1=awgn(y,20);Y1=fft(y1);即可对语音信号进行白噪声加噪。我们可以通过该变“（）”中常数的大小来调节白噪声的比列。（下为加噪后的时域和频域图形）4012345678910x104-2-1012加白噪声后的时域信号012345678910x1040200040006000加白躁声后的频谱信号3.2.2正弦信号加噪通过加入如下指令即可将正弦信号的噪声加与原始信号中，通过更改正弦信号就可得到不同频率与幅度的噪声。N=length(y)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=[2*sin(2*pi*5000*t)]';y2=y+d；Y2=fft(y2);下为加噪后的时域和频域图形5012345678910x104-4-2024加正弦噪声后的时域信号012345678910x104051015x104加正弦躁声后的频谱信号3.2.3多正弦信号加噪所谓多正弦信号加噪就是加入多个正弦信号，在本程序中我加入了3条正弦信号N=length(y)-1;t=0:1/fs:N/fs;d1=[0.5*sin(2*pi*2000*t)]';d2=[0.8*sin(2*pi*3000*t)]';d3=[1.5*sin(2*pi*6000*t)]';y3=y+d1+d2+d3;Y3=fft(y3);下为加噪后的时域和频域图形6012345678910x104-4-2024加多个正弦噪声后的时域信号012345678910x1040246x104加多个正弦躁声后的频谱信号3.3设计滤波器去噪3.3.1滤去白噪声通过观察时域和频域波形大致确定滤波器的性能指标，这里我等波纹比进法去噪，滤波器设计如下。f=[500,1000];m=[1,0];rp=1;rs=40;dat1=(10^(rp/20)-1)/(10^(rp/20)+1);dat2=10^(-rs/20);rip=[dat1,dat2];[M,fo,mo,w]=remezord(f,m,rip,fs);M=M+1;hn=remez(M,fo,mo,w);n=0:M;下为滤波还原后的时域和频域图形70102030-0.100.10.20.3nhn等波纹最佳逼近法设计的hn00.5100.511.5低通滤波器0510x104-1012等波纹最佳逼近法滤波后的波形图0510x1040200040006000fkY12等波纹最佳逼近法滤波后的频谱图3.3.2滤去正弦信号通过观察时域和频域波形大致确定滤波器的性能指标，这里采用凯塞窗低通滤波器滤去正弦信号，滤波器的设计如下。fp2=1000;fs2=2000;rs=40;wp=2*pi*fp2/fs;ws=2*pi*fs2/fs;Bt=ws-wp;alph=0.584