數(shù)字信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)

1、通信與信息工程學(xué)院數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)班 級(jí)：電子信息工程13級(jí)03班姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：張釋如、李國(guó)民、張龍妹、王瑜設(shè)計(jì)時(shí)間：2015.12.28 - 2016.1.8成 績(jī)：評(píng) 語(yǔ)：通信與信息工程學(xué)院二一五年數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、課程設(shè)計(jì)時(shí)間2015年12月28日 至 2016年1月8日二、課程設(shè)計(jì)目的數(shù)字信號(hào)處理主要研究如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、綜合、估計(jì)與識(shí)別等加工處理的基本理論和方法。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生鞏固所學(xué)基本理論，掌握最基本的數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，提高計(jì)算機(jī)編程的能力。進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力、綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，

2、同時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，為今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。3、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1、掌握數(shù)字信號(hào)處理IIR濾波器設(shè)計(jì)及FIR濾波器設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)，能根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)合理的濾波器；2、掌握多頻率采樣的原理，并能分析其頻譜特性；3、了解語(yǔ)音信號(hào)處理的原理，并能根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的濾波器進(jìn)行除燥處理；3、編程實(shí)現(xiàn)以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）數(shù)字信號(hào)的基本運(yùn)算（2）多采樣率數(shù)字信號(hào)處理（3）數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及仿真（4）語(yǔ)音信號(hào)濾波處理。0一、 數(shù)字信號(hào)的基本運(yùn)算一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1) 掌握數(shù)字信號(hào)的時(shí)間翻轉(zhuǎn)、上采樣、下采樣等基本運(yùn)算；(2) 學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行

3、時(shí)間翻轉(zhuǎn)、上采樣、下采樣等運(yùn)算；二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 利用Windows下的錄音機(jī)以采樣頻率8000Hz錄制語(yǔ)音“新年好”和“好”，在Matlab軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)得到兩個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)（信號(hào)長(zhǎng)度不夠時(shí)信號(hào)補(bǔ)零使其長(zhǎng)度為8000）；(2) 對(duì)采樣得到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)x(k)分別進(jìn)行處理模仿回音效果，演示回聲的效果，數(shù)據(jù)處理如下式：x(k)=x(k)+a*x(k-d)其中d為時(shí)延，a為時(shí)延信號(hào)的衰減幅度。 (參數(shù)：時(shí)延d=0.4秒，衰減幅度a=0.5對(duì)上述語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)x(-k)、上采樣x(k/2)、下采樣x(2k)操作，并演示運(yùn)算效果。3、 設(shè)計(jì)過(guò)程： 分析：對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行下采樣得x

4、(k/2)，可以看成是對(duì)x(k)隔點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn)。在時(shí)域上其長(zhǎng)度變短，幅度變化加快。在頻域上頻譜幅度減小，低頻成分減少。 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行上采樣得x(2k)，可以看成是對(duì)x(k)內(nèi)插一個(gè)零。在時(shí)域上其長(zhǎng)度變長(zhǎng)，包絡(luò)幅度變化減慢，故其在頻譜圖上低頻成份有所增加。由于每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)間內(nèi)插了一個(gè)零，其變化加快，故其在頻譜圖上高頻成份也增加了很多。其它成份基本不變。 信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)得x(-k)，其頻譜和x(k)完全相同，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)只是改變信號(hào)在時(shí)域上出現(xiàn)的先后順序，其頻率沒(méi)有改變。運(yùn)行結(jié)果：二、多采樣率數(shù)字信號(hào)處理一、設(shè)計(jì)目的： (1) 了解數(shù)字信號(hào)處理中的多采樣率的抽取和插值處理；（2）學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)信

5、號(hào)進(jìn)行多采樣率的抽取和插值處理；（3）查找資料，掌握數(shù)字信號(hào)處理中的多采樣率理論。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）對(duì)采集得到的語(yǔ)音信號(hào)“新年好”和“好”分別進(jìn)行fft，分析信號(hào)頻譜特性；（2）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)“好”對(duì)進(jìn)行下采樣（每隔4中抽取一個(gè)采樣），演示采樣信號(hào)的聲音效果，分析信號(hào)的頻譜特性，繪出其頻譜并進(jìn)行分析。（3）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)“好”進(jìn)行上采樣（上采樣系數(shù)為D=4），演示上采樣信號(hào)的聲音效果，分析其頻譜并進(jìn)行分析。（4）先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)“好”進(jìn)行低通濾波（截止頻率為Fs/D的線性相位FIR濾波器，過(guò)渡帶寬度為0.04Fs），再對(duì)其進(jìn)行下采樣；然后進(jìn)行上采樣（系數(shù)為D），對(duì)上采樣信號(hào)進(jìn)行低通濾波，比較該信號(hào)與原始

6、信號(hào)的差別，并進(jìn)行分析。（5）試用IIR低通濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做相同處理，比較結(jié)果的區(qū)別。三、設(shè)計(jì)過(guò)程： 分析：對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行下采樣得x(k/4)，可以看成是對(duì)x(k)隔4點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn)。在時(shí)域上其長(zhǎng)度變短，幅度變化加快。在頻域上頻譜幅度減小，低頻成分減少。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行上采樣得x(4k)，可以看成是對(duì)x(k)內(nèi)插4個(gè)零。在時(shí)域上其長(zhǎng)度變長(zhǎng)，包絡(luò)幅度變化減慢，故其在頻譜圖上低頻成份有所增加。由于每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)間內(nèi)插了一個(gè)零，其變化加快，故其在頻譜圖上高頻成份也增加了很多。其它成份基本不變。對(duì)于FIR,IIR濾波器的設(shè)計(jì)用凱賽爾窗和橢圓濾波器。運(yùn)行結(jié)果：下圖為用IIR低通濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理4、 思考題：

7、（1） 語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行下采樣后的信號(hào)頻譜與原信號(hào)頻譜有什么不同，為什么？ 答：經(jīng)過(guò)采樣系數(shù)為D=4的下采樣后信號(hào)長(zhǎng)度減小到1/5，即間隔4個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè) 的。其頻譜幅度減小，低頻分量減少，中高頻分量基本不變，聲音變快。（2） FIR濾波器濾波結(jié)果和IIR濾波結(jié)果有什么不同，為什么？ 答：FIR濾波器濾波濾波噪聲效果比IIR濾波器的好，F(xiàn)IR 濾波器具有線性相位結(jié)構(gòu)。三、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1) 熟悉IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理和方法；(2) 學(xué)會(huì)調(diào)用MATLAB信號(hào)處理工具箱中的濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)設(shè)計(jì)各種IIR數(shù)字濾波器，學(xué)會(huì)根據(jù)濾波要求確定濾波器指標(biāo)參數(shù)；(3) 掌握用IIR數(shù)字濾波

8、器的MATLAB實(shí)現(xiàn)方法，并能繪制濾波器的幅頻特性、相頻特性；(4) 通過(guò)觀察濾波器的輸入、輸出信號(hào)的時(shí)域波形及其頻譜，建立數(shù)字濾波的概念。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 調(diào)用信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)mstg產(chǎn)生由三路抑制載波調(diào)幅信號(hào)相加構(gòu)成的復(fù)合信號(hào)st，觀察st的時(shí)域波形和幅頻特性曲線；(2) 要求將st中的三路調(diào)幅信號(hào)分離，通過(guò)觀察st的幅頻特性曲線，分別確定可以分離st中三路抑制載波單頻調(diào)幅信號(hào)的三個(gè)濾波器（低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器）的通帶截止頻率和阻帶截止頻率，要求濾波器的通帶最大衰減為0.1dB，阻帶最小衰減為60dB；(3) 編程調(diào)用MATLAB濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)分別設(shè)計(jì)這三個(gè)數(shù)字濾波器，并繪圖

9、顯示其幅頻特性曲線；(4) 調(diào)用濾波函數(shù)filter，用所設(shè)計(jì)的三個(gè)濾波器分別對(duì)復(fù)合信號(hào)st進(jìn)行濾波，分離出st中的三路不同載波頻率的調(diào)幅信號(hào)，并繪圖顯示濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，觀察分離效果。抑制載波信號(hào)資料： 抑制載波單頻調(diào)幅信號(hào)如下所示 其中，稱(chēng)為載波，為載波頻率，稱(chēng)為單頻調(diào)制信號(hào)，為調(diào)制正弦波信號(hào)頻率，且滿足>。由（4.1）式可見(jiàn)，所謂抑制載波單頻調(diào)制信號(hào)，就是兩個(gè)正弦信號(hào)相乘，它有2個(gè)頻率成分：和頻+，差頻-，這兩個(gè)頻率成分關(guān)于載波頻率對(duì)稱(chēng)。復(fù)合信號(hào)st產(chǎn)生函數(shù)mstg清單： function st=mstg%產(chǎn)生信號(hào)序列st，并顯示st的時(shí)域波形和頻譜%st=mstg返回三

10、路調(diào)幅信號(hào)相加形成的混合信號(hào)，長(zhǎng)度N=800N=800; %信號(hào)長(zhǎng)度N為800Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采樣頻率Fs=10kHz，Tp為采樣時(shí)間t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp; fc1=Fs/10; %第1路調(diào)幅信號(hào)載波頻率fc1=1000Hzfm1=fc1/10; %第1路調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制信號(hào)頻率fm1=100Hzfc2=Fs/20; %第2路調(diào)幅信號(hào)載波頻率fc2=500Hzfm2=fc2/10; %第2路調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制信號(hào)頻率fm2=50Hzfc3=Fs/40; %第3路調(diào)幅信號(hào)載波頻率fc3=250Hzfm3=fc3/10; %第3路調(diào)幅

11、信號(hào)的調(diào)制信號(hào)頻率fm3=25Hzxt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t); %產(chǎn)生第1路調(diào)幅信號(hào)xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t); %產(chǎn)生第2路調(diào)幅信號(hào)xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t); %產(chǎn)生第3路調(diào)幅信號(hào)st=xt1+xt2+xt3; %三路信號(hào)相加，得到復(fù)合信號(hào) fxt=fft(st,N); %計(jì)算信號(hào)st的頻譜3、 設(shè)計(jì)過(guò)程：分析：先將s(t)信號(hào)三路調(diào)幅信號(hào)分離，觀察頻譜，對(duì)三路分離信號(hào)設(shè)計(jì)濾波器，從頻譜可以看出，所設(shè)計(jì)的濾波器的過(guò)渡帶需要比較窄的，故設(shè)計(jì)為橢圓濾波器，以

12、下為三個(gè)濾波器的參數(shù)：低通：fp=300;fs=320; 帶通：fpl=400;fpu=580;fsl=300;fsu=700; 高通：fp=800;fs=780;運(yùn)行結(jié)果：4、 思考題（1） 請(qǐng)閱讀信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)mstg，確定三路調(diào)幅信號(hào)的載波頻率和調(diào)制信號(hào)頻率。 第1路調(diào)幅信號(hào)載波頻率fc1=1000Hz，調(diào)制信號(hào)頻率fm1=100Hz 第2路調(diào)幅信號(hào)載波頻率fc2=500Hz，調(diào)制信號(hào)頻率fm2=50Hz 第3路調(diào)幅信號(hào)載波頻率fc3=250Hz，調(diào)制信號(hào)頻率fm3=25Hz（2） 信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)mstg中采樣點(diǎn)數(shù)N=1600，對(duì)st進(jìn)行N點(diǎn)FFT可以得到6根理想譜線。如果取N=1800，可

13、否得到6根理想譜線？為什么？N=2000呢？請(qǐng)改變函數(shù)mstg中采樣點(diǎn)數(shù)N的值，觀察頻譜圖驗(yàn)證您的判斷是否正確。 答：如果取N=1800，能得到6根理想譜線，N=2000也一樣。四、語(yǔ)音信號(hào)濾波處理一、設(shè)計(jì)目的：(1) 了解語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生、采集，能繪制語(yǔ)音信號(hào)的頻率響應(yīng)曲線及頻譜圖；(2) 學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析和處理；(3) 掌握用濾波器去除語(yǔ)音信號(hào)噪聲的方法，觀察去噪前后的語(yǔ)音信號(hào)。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）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)。（2）對(duì)采樣后

14、的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到信號(hào)的頻譜特性，畫(huà)出采樣信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；（3）根據(jù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)譜分析的結(jié)果，確定濾除噪聲所需濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)合適的FIR數(shù)字濾波器，并畫(huà)出濾波器的頻域響應(yīng)；（4）用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，在同一個(gè)窗口畫(huà)出濾波前后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化 ；（5）回放語(yǔ)音信號(hào)；sound(x)（6）為使編制的程序操作方便，設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理用戶界面。在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的類(lèi)型，輸入濾波器的參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇信號(hào)等。三、設(shè)計(jì)過(guò)程： 分析：先對(duì)語(yǔ)言信號(hào)添加噪聲，再設(shè)計(jì)FIR濾波器，濾波器參數(shù)：

15、hamming 窗fs=8000;fc2=2000;wc2=2*pi*fc2/fs;wp2=2*pi*1700/fs;ws2=2*pi*2200/fs;用濾波器對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行濾波處理，觀察濾波前后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜。運(yùn)行結(jié)果：4、 思考題：（1）信噪比對(duì)語(yǔ)音信號(hào)濾波效果有什么影響？ 答：高信噪比時(shí)語(yǔ)音信號(hào)濾波效果好（2） 若語(yǔ)音信號(hào)噪聲為高斯白噪聲，出來(lái)使用傳統(tǒng)的濾波器進(jìn)行濾波外，還有沒(méi)有其他的方法？為什么？ 答：對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)而言,有Wiener濾波法、MMSE、LsA-MMSE、先驗(yàn)信噪比、聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)等不同的方法，或首先,對(duì)噪聲、驅(qū)動(dòng)項(xiàng)以及語(yǔ)音模型參數(shù)的估計(jì);然后,用卡爾曼濾波器得到增強(qiáng)

16、的語(yǔ)音信號(hào)。五、設(shè)計(jì)心得上學(xué)期學(xué)了信號(hào)與線性系統(tǒng)分析，這學(xué)期又學(xué)了數(shù)字信號(hào)處理，學(xué)的時(shí)候感覺(jué)很難很枯燥，也感覺(jué)這只是理論上的東西，實(shí)際上沒(méi)什么用。但經(jīng)過(guò)這兩周的課程設(shè)計(jì)，我感覺(jué)學(xué)過(guò)的理論是用的上的，也覺(jué)得實(shí)習(xí)的題目很有意思，也很有用。在本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要遇到的問(wèn)題是原始音樂(lè)信號(hào)的選取。有些音樂(lè)信號(hào)在MATLAB中運(yùn)行時(shí)出錯(cuò)，開(kāi)始以為自己的操作問(wèn)題，在跟同學(xué)商討多次更換音樂(lè)信號(hào)后得到了解決。其次就是在濾波器參數(shù)的選取上，開(kāi)始時(shí)不清楚怎么選取，又在課本中找了好久才找到。學(xué)習(xí)的過(guò)程是相互討論共同進(jìn)步的，多多討論課題中遇到的問(wèn)題，可以鞏固我們的知識(shí)掌握能力，增加熟練運(yùn)用度。從本次課程設(shè)計(jì)的中心

17、來(lái)看，課題是希望將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域，這里就是指對(duì)音樂(lè)的處理。作為存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的音樂(lè)信號(hào)，其本身就是離散化了的向量，我們只需將這些離散的量提取出來(lái)，就可以對(duì)其進(jìn)行處理了。在這里，用到了處理數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB，通過(guò)MATLAB里幾個(gè)命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實(shí)際化音樂(lè)與數(shù)字信號(hào)的理論之間搭了一座橋。課題的特色在于它將音樂(lè)看作了一個(gè)向量，于是音樂(lè)數(shù)字化了，則可以完全利用數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)來(lái)解決。我們可以像給一般信號(hào)做頻譜分析一樣，來(lái)給音樂(lè)信號(hào)做頻譜分析，也可以較容易的用數(shù)字濾波器來(lái)對(duì)音樂(lè)進(jìn)行濾波處理。改變參數(shù)，理論結(jié)合實(shí)際，分析各參數(shù)對(duì)圖形的影響，從而加深對(duì)各個(gè)參數(shù)

18、的理解。在完成這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)到了許多東西，進(jìn)一步理解了濾波器設(shè)計(jì)方法和各參數(shù)意義，通過(guò)分析信號(hào)時(shí)域和頻域的關(guān)系等，加深了對(duì)濾波性能的理解，而且學(xué)會(huì)了使用Matlab一些基本函數(shù)，增加了進(jìn)一步學(xué)習(xí)Matlab軟件的興趣。同時(shí)，通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，鍛煉了我的動(dòng)手能力，和提高了我分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。在本次課程設(shè)計(jì)中,將一大堆的數(shù)字經(jīng)過(guò)各種變換，就會(huì)產(chǎn)生不同的效果，實(shí)現(xiàn)不同的功能。這次的課程設(shè)計(jì)是理論與實(shí)踐的結(jié)合，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們不斷的看課本查閱資料同別人探討，這不僅使自己的理論知識(shí)得到了鞏固，同時(shí)也提高了自己分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。這次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)學(xué)習(xí)的興趣有了很大的提高，在此我非常感謝各位老師的辛勤培育。設(shè)計(jì)工程中所遇到的問(wèn)題及解決方法：1、 語(yǔ)言信號(hào)的采集：自己所用的電腦系統(tǒng)是Windows旗艦版的，用自己的電腦錄音機(jī)錄得語(yǔ)音信號(hào)不是設(shè)計(jì)所要求的.wav格式的，頻率是44kHz的，不符合設(shè)計(jì)要求所要求的8k