基于MATLAB的回波信号的产生与消除(移动13班__汪红洋)(1)

石家庄邮电职业技术学院毕业设计基于MATLAB的回波信号的产生与消除2012届电信工程系系专业移动通信技术班级电0904-13学号30907002107姓名汪红洋指导教师牛建国张磊完成日期2011年12月24日石家庄邮电职业技术学院毕业设计任务书姓名汪红洋学号30907002107专业移动通信技术班级电0904-13毕业设计题目基于MATLAB的回波信号的产生与消除指导教师姓名牛建国张磊职称高级工程师工程师工作单位石家庄邮电职业技术学院惠远邮电设计公司一、设计内容：MATLAB的回波信号的产生与消除二、基本要求：已知技术参数和设计要求。三、重点研究问题：利用声音信号x产生带有回声的声音文件y；从带有回声的文件y中消除回声；从y中估计反射物的距离。四、主要设计步骤：（1）理论依据（2）信号的采集（3）回声信号的产生（4）从带有回声的声音信号中恢复原信号（5）从带有回声的声音信号中估计反射物的距离主要参考文献、资料：[1]徐明远,《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用（第2版）》，西安：西安电子科技大学出版社，2010[2]徐明远,《MATLAB仿真在现代通信中的应用》，西安：西安电子科技大学出版社，2010[3]樊昌信，《通信原理（第6版）》，北京：国防工业出版社，2009[4]邵玉斌，《Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析》，北京：清华大学出版社，2010计划进度1、2011年10月8日——2011年10月15日确定毕业设计题目，下达毕业设计任务书2、2011年10月15日——2011年11月15日资料搜集，仿真软件环境安装，撰写毕设初稿3、2011年11月16日——2011年11月30日二次修改毕设文稿4、2011年12月1日——2011年12月15日毕业设计期中检查5、2011年12月15日——2011年12月25日三次修改毕设文稿，定稿打印6、2011年12月26日——2011年12月30日答辩指导教师签字：年月日石家庄邮电职业技术学院毕业设计评定书姓名汪红洋学号30907002107专业移动通信技术班级电0904-13毕业设计题目基于MATLAB的回波信号的产生与消除指导教师评语：指导教师建议成绩（60％）指导教师签字：年月日答辩小组建议成绩（40％）组长签字：年月日答辩委员会最后审定成绩主任签字：年月日备注摘要MATLAB语言具备高效、可及推理能力强等特点,在数值计算方法、图形功能、用户界面设计编程手段和工具等方面有着重要的应用，随着MATLAB应用领域不断扩大，使其成为一种影响大、流行广的科学计算语言。本次设计主要把原有WAV格式的声音文件通过MATLAB软件转换成声音文件。同时利用MATLAB产生原信号的延时衰减的回波信号附加到原信号形成回波信号。使用xcorr函数对延时和衰减进行估计。并对反射物的距离进行估计。关键词：MATLAB；数字信号处理；频谱分析；滤波器。目录1设计要求........................................................11.1已知技术参数和设计要求.....................................11.2具体要求...................................................12设计原理........................................................12.1设计的理论依据.............................................12.1.1相关函数两个本质特性.................................22.2方案设计...................................................23.设计内容和步骤..................................................23.1信号的采集.................................................23.2回声信号的产生.............................................33.3从带有回声的声音信号中恢复原信号...........................53.4从带有回声的声音信号中估计反射物的距离......................64个人心得........................................................95总结...........................................................9参考文献.........................................................1011设计要求1.1已知技术参数和设计要求本毕业设计要求用MATLAB语言编程实现回波信号的产生与消除。1.2具体要求(1)利用声音信号x产生带有回声的声音文件y。(2)从带有回声的文件y中消除回声。(3)从y中估计反射物的距离。2设计原理2.1设计的理论依据根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论（采样频率、采样位数的概念，采样定理：回声信号，相关性分析；数字滤波器设计原理和方法）。采样频率：采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并成离散信号的采样个数采样位数：即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。相关函数：X(t)为随机过程，a(t)=EX(t)为期望，则相关函数定义为：B(s,t)=E(X(s)-a(t))(X(t)-a(t))若X(t)=Y(t)+i*Z(t)，Y,Z为实过程，则称X(t)为复随机过程，相关函数定义为：B(s,t)=E(X(s)-a(t))(X(t)-a(t))（后一个括号取共轭）22.1.1相关函数两个本质特性（1）共轭对称：B(s,t)=B(t,s)的共轭（2）非负定：对任意的n=1，t1……tn属于T,n个复数Z1,Z2……，Zn，有01,kjknjkjZZttB（3）熟悉MATLAB的编程语言。2.2方案设计（1）语音信号采集：使用现成的“*.wav”格式的声音信号，11khz采样。（2）声音信号的读取：使用MATLAB中的wavread()函数读取，记录信号，采样率fs。（3）带回波信号的产生：利用MATLAB中的基本矩阵计算产生原始信号的延迟以及只有一个衰减延迟的回波信号附加到原信号上形成回波信号。(4)参数估计：使用MATLAB中的xcorr函数求取信号的自相关，并基于此对延迟量N和衰减系数进行估计。(5)回波消除：使用MATLAB中的filter，根据估计的参数进行滤波。(6)估计反射物的距离：根据求出的延迟量N，对反射物的距离进行估计。3.设计内容和步骤3.1信号的采集录制一段音频（如歌曲，说话声等），用MATLAB函数wavread()将其提取出来绘制其时域波形，对此音频信号用FFT作谱分析，用plot()函数绘制其图像。信号采集程序如下：%声音信号的提取[x,fs]=wavread('kz');%读取信号figure(1);%新窗口subplot(3,1,1);%3行1列排列第一个图plot(x(1:4000));%画出信号3title('原始信号');%绘图区标题y=fft(x);%做FFT（快速离散傅里叶变换）subplot(3,1,2);%3行1列排列第2个图plot(abs(y));%画出abs(y)title('幅值');%绘图区标题subplot(3,1,3)%3行1列排列第3个图plot(angle(y));%画出angle（y）title('相位');%绘图区标题Sound(x,fs);%矩阵转换成声音信号其波形图3-1：图3-13.2回声信号的产生在录制信号基础上产生带有回声的声音信号并绘制其时域波形，对其进行FFT频谱分析，绘制频谱图。信号产生程序如下：4%回波的产生[x,fs]=wavread('kz');%读取信号x1=x(1:4000);%产生1列4000行矩阵x2=x(1:4000);%产生1列4000行矩阵x3=x(1:4000);%产生1列4000行矩阵x1=[x1',zeros(1,1800)];%x1’为x1的转置，zeros（1,1800）产生1行1800列全零矩阵到x1后面x2=[zeros(1,600),0.7*x2',zeros(1,1200)];x3=[zeros(1,1200),0.4*x3',zeros(1,600)];y=x1+x2+x3;figure(2);subplot(3,1,1);%3行1列排列第一个图plot(y(1:5800));%画出ytitle('回声');%绘图区标题y1=fft(y);%做FFT（快速离散傅里叶变换）subplot(3,1,2);%3行1列排列第2个图plot(abs(y1));%画出abs（y）title('幅值');%绘图区标题subplot(3,1,3);%3行1列排列第3个图plot(angle(y1));%画出angle（y1）title('相位');%绘图区标题Sound(y,fs);%y矩阵准换成声音信号其波形图3-2：5图3-23.3从带有回声的声音信号中恢复原信号设计合适的滤波器，对带有回声的声音信号进行滤波，恢复原信号。绘制所设计滤波器的幅频和相频特性，及滤波后的信号的时域波形和频谱图。恢复信号程序如下：%回波的消除b=1;a=zeros(1,1800);a(1)=1;a(601)=0.7;a(1001)=0.4;z1=filter(b,a,y);z2=fft(z1,4000);figure(3);6subplot(3,1,1);%3行1列排列第1个图plot(abs(z2));%画出abs（z2）title('滤波幅值');%绘图区标题subplot(3,1,2);%3行1列排列第2个图plot(angle(z2));%画出angle（z2）title('滤波相位');%绘图区标题subplot(3,1,3);%3行1列排列第3个图plot(z1(1:1024));%画出z1title('滤波信号');%绘图区标题其波图3-3:图3-33.4从带有回声的声音信号中估计反射物的距离采用相关分析法从带有回声的声音信号中估计反射物的距离。程序如下:7%相关函数法测障碍物距离h=xcorr(y);figure(4);%建立图形窗口subplot(4,1,1)%4行1列第1个图plot(abs(h));%画出abs（h）title('最值');%绘图区标题h1=h(5600:6000);%h1矩阵[r1,t1]=max(h1');%最大值t1=t1+5600;subplot(4,1,2);%4行1列第2个图plot(h1)%画出h1title('点1');%绘图区标题h2=h(6200:6600);%h2矩阵[r2,t2]=max(h2);%最大值t2=t2+6200-t1;subplot(4,1,3);%4行1列第3个图plot(h2);%画出h3title('点2');%绘图区标题h3=h(6800:7200);%h3矩阵[r3,t3]=max(h3);%最大值t3=t3+6800-t1;subplot(4,1,4);%4行1列第4个图plot(h3);%画出h3title('点3');%绘图区标题t=[t2,t3]其波形图3-