數(shù)字信號處理綜合實(shí)驗(yàn)

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

2、同時注意培養(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)計任務(wù)及要求1、掌握數(shù)字信號處理IIR濾波器設(shè)計及FIR濾波器設(shè)計原理和實(shí)現(xiàn)，能根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)計合理的濾波器；2、掌握多頻率采樣的原理，并能分析其頻譜特性；3、了解語音信號處理的原理，并能根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計合理的濾波器進(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)字信號的基本運(yùn)算（2）多采樣率數(shù)字信號處理（3）數(shù)字濾波器的設(shè)計及仿真（4）語音信號濾波處理。0一、 數(shù)字信號的基本運(yùn)算一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1) 掌握數(shù)字信號的時間翻轉(zhuǎn)、上采樣、下采樣等基本運(yùn)算；(2) 學(xué)會用MATLAB對數(shù)字信號進(jìn)行

3、時間翻轉(zhuǎn)、上采樣、下采樣等運(yùn)算；二、設(shè)計內(nèi)容：(1) 利用Windows下的錄音機(jī)以采樣頻率8000Hz錄制語音“新年好”和“好”，在Matlab軟件平臺下，利用wavread函數(shù)得到兩個語音數(shù)據(jù)（信號長度不夠時信號補(bǔ)零使其長度為8000）；(2) 對采樣得到的語音數(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為時延，a為時延信號的衰減幅度。 (參數(shù)：時延d=0.4秒，衰減幅度a=0.5對上述語音信號進(jìn)行時間反轉(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)計過程： 分析：對語音信號進(jìn)行下采樣得x

4、(k/2)，可以看成是對x(k)隔點(diǎn)抽取一個點(diǎn)。在時域上其長度變短，幅度變化加快。在頻域上頻譜幅度減小，低頻成分減少。 對語音信號進(jìn)行上采樣得x(2k)，可以看成是對x(k)內(nèi)插一個零。在時域上其長度變長，包絡(luò)幅度變化減慢，故其在頻譜圖上低頻成份有所增加。由于每兩個點(diǎn)間內(nèi)插了一個零，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。 信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)得x(-k)，其頻譜和x(k)完全相同，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)只是改變信號在時域上出現(xiàn)的先后順序，其頻率沒有改變。運(yùn)行結(jié)果：二、多采樣率數(shù)字信號處理一、設(shè)計目的： (1) 了解數(shù)字信號處理中的多采樣率的抽取和插值處理；（2）學(xué)會用MATLAB對信

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

6、信號的差別，并進(jìn)行分析。（5）試用IIR低通濾波器對語音信號做相同處理，比較結(jié)果的區(qū)別。三、設(shè)計過程： 分析：對語音信號進(jìn)行下采樣得x(k/4)，可以看成是對x(k)隔4點(diǎn)抽取一個點(diǎn)。在時域上其長度變短，幅度變化加快。在頻域上頻譜幅度減小，低頻成分減少。對語音信號進(jìn)行上采樣得x(4k)，可以看成是對x(k)內(nèi)插4個零。在時域上其長度變長，包絡(luò)幅度變化減慢，故其在頻譜圖上低頻成份有所增加。由于每兩個點(diǎn)間內(nèi)插了一個零，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。對于FIR,IIR濾波器的設(shè)計用凱賽爾窗和橢圓濾波器。運(yùn)行結(jié)果：下圖為用IIR低通濾波器對語音信號處理4、 思考題：

7、（1） 語音信號進(jìn)行下采樣后的信號頻譜與原信號頻譜有什么不同，為什么？ 答：經(jīng)過采樣系數(shù)為D=4的下采樣后信號長度減小到1/5，即間隔4個點(diǎn)抽取一個 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)計原理和方法；(2) 學(xué)會調(diào)用MATLAB信號處理工具箱中的濾波器設(shè)計函數(shù)設(shè)計各種IIR數(shù)字濾波器，學(xué)會根據(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) 通過觀察濾波器的輸入、輸出信號的時域波形及其頻譜，建立數(shù)字濾波的概念。二、設(shè)計內(nèi)容：(1) 調(diào)用信號產(chǎn)生函數(shù)mstg產(chǎn)生由三路抑制載波調(diào)幅信號相加構(gòu)成的復(fù)合信號st，觀察st的時域波形和幅頻特性曲線；(2) 要求將st中的三路調(diào)幅信號分離，通過觀察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)幅信號的三個濾波器（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)計函數(shù)分別設(shè)計這三個數(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)計的三個濾波器分別對復(fù)合信號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，并繪圖顯示濾波后信號的時域波形和頻譜，觀察分離效果。抑制載波信號資料： 抑制載波單頻調(diào)幅信號如下所示 其中，稱為載波，為載波頻率，稱為單頻調(diào)制信號，為調(diào)制正弦波信號頻率，且滿足>。由（4.1）式可見，所謂抑制載波單頻調(diào)制信號，就是兩個正弦信號相乘，它有2個頻率成分：和頻+，差頻-，這兩個頻率成分關(guān)于載波頻率對稱。復(fù)合信號st產(chǎn)生函數(shù)mstg清單： function st=mstg%產(chǎn)生信號序列st，并顯示st的時域波形和頻譜%st=mstg返回三

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

11、信號的調(diào)制信號頻率fm3=25Hzxt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t); %產(chǎn)生第1路調(diào)幅信號xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t); %產(chǎn)生第2路調(diào)幅信號xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t); %產(chǎn)生第3路調(diào)幅信號st=xt1+xt2+xt3; %三路信號相加，得到復(fù)合信號 fxt=fft(st,N); %計算信號st的頻譜3、 設(shè)計過程：分析：先將s(t)信號三路調(diào)幅信號分離，觀察頻譜，對三路分離信號設(shè)計濾波器，從頻譜可以看出，所設(shè)計的濾波器的過渡帶需要比較窄的，故設(shè)計為橢圓濾波器，以

12、下為三個濾波器的參數(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） 請閱讀信號產(chǎn)生函數(shù)mstg，確定三路調(diào)幅信號的載波頻率和調(diào)制信號頻率。 第1路調(diào)幅信號載波頻率fc1=1000Hz，調(diào)制信號頻率fm1=100Hz 第2路調(diào)幅信號載波頻率fc2=500Hz，調(diào)制信號頻率fm2=50Hz 第3路調(diào)幅信號載波頻率fc3=250Hz，調(diào)制信號頻率fm3=25Hz（2） 信號產(chǎn)生函數(shù)mstg中采樣點(diǎn)數(shù)N=1600，對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、語音信號濾波處理一、設(shè)計目的：(1) 了解語音信號的產(chǎn)生、采集，能繪制語音信號的頻率響應(yīng)曲線及頻譜圖；(2) 學(xué)會用MATLAB對語音信號進(jìn)行分析和處理；(3) 掌握用濾波器去除語音信號噪聲的方法，觀察去噪前后的語音信號。二、設(shè)計內(nèi)容：（1）利用Windows下的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音，時間在1 s內(nèi)。然后在Matlab軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。（2）對采樣后

14、的語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到信號的頻譜特性，畫出采樣信號的時域波形和頻譜圖；（3）根據(jù)對語音信號譜分析的結(jié)果，確定濾除噪聲所需濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計合適的FIR數(shù)字濾波器，并畫出濾波器的頻域響應(yīng)；（4）用所設(shè)計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，在同一個窗口畫出濾波前后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化 ；（5）回放語音信號；sound(x)（6）為使編制的程序操作方便，設(shè)計一個信號處理用戶界面。在所設(shè)計的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的類型，輸入濾波器的參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇信號等。三、設(shè)計過程： 分析：先對語言信號添加噪聲，再設(shè)計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;用濾波器對加噪信號進(jìn)行濾波處理，觀察濾波前后信號的時域波形和頻譜。運(yùn)行結(jié)果：4、 思考題：（1）信噪比對語音信號濾波效果有什么影響？ 答：高信噪比時語音信號濾波效果好（2） 若語音信號噪聲為高斯白噪聲，出來使用傳統(tǒng)的濾波器進(jìn)行濾波外，還有沒有其他的方法？為什么？ 答：對于語音信號而言,有Wiener濾波法、MMSE、LsA-MMSE、先驗(yàn)信噪比、聽覺掩蔽效應(yīng)等不同的方法，或首先,對噪聲、驅(qū)動項(xiàng)以及語音模型參數(shù)的估計;然后,用卡爾曼濾波器得到增強(qiáng)

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

17、來看，課題是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域，這里就是指對音樂的處理。作為存儲于計算機(jī)中的音樂信號，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，就可以對其進(jìn)行處理了。在這里，用到了處理數(shù)字信號的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB，通過MATLAB里幾個命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實(shí)際化音樂與數(shù)字信號的理論之間搭了一座橋。課題的特色在于它將音樂看作了一個向量，于是音樂數(shù)字化了，則可以完全利用數(shù)字信號處理的知識來解決。我們可以像給一般信號做頻譜分析一樣，來給音樂信號做頻譜分析，也可以較容易的用數(shù)字濾波器來對音樂進(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)對圖形的影響，從而加深對各個參數(shù)

18、的理解。在完成這次課程設(shè)計過程中學(xué)到了許多東西，進(jìn)一步理解了濾波器設(shè)計方法和各參數(shù)意義，通過分析信號時域和頻域的關(guān)系等，加深了對濾波性能的理解，而且學(xué)會了使用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，通過本次課程設(shè)計，鍛煉了我的動手能力，和提高了我分析問題，解決問題的能力。在本次課程設(shè)計中,將一大堆的數(shù)字經(jīng)過各種變換，就會產(chǎn)生不同的效果，實(shí)現(xiàn)不同的功能。這次的課程設(shè)計是理論與實(shí)踐的結(jié)合，在設(shè)計的過程中，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得到了鞏固，同時也提高了自己分析問題解決問題的能力。這次的課程設(shè)計使我對學(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)計工程中所遇到的問題及解決方法：1、 語言信號的采集：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)錄得語音信號不是設(shè)計所要求的.wav格式的，頻率是44kHz的，不符合設(shè)計要求所要求的8k