數(shù)字信號濾波的設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 報 告課程名稱 數(shù)字信號處理 課題名稱 數(shù)字濾波器的設(shè)計 專 業(yè) 通信工程 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 2011年 12月 25日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱 數(shù)字信號處理 課 題 數(shù)字濾波器的設(shè)計 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達日期 2011 年12月 19 日任務(wù)完成日期 2011 年 12月 25日數(shù)字信號處理課程設(shè)計任務(wù)書一 、設(shè)計目的綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識進行頻譜分析和濾波器設(shè)計，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進行計算機實現(xiàn)，從而加深對所學(xué)知識的理解，建立概念。二、設(shè)計要求1、 M

2、ATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計方法。2、 Windows 環(huán)境下語音信號采集的方法。3、數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法。4、TLAB 設(shè)計 FIR 和 nR 數(shù)字濾波器的方法。5、用 MATLAB 對信號進行分析和處理6、計報告4000以上，含程序設(shè)計說明，用戶使用說明，源程序清單及程序框圖。7、機演示。8、有詳細的文檔。文檔中包括設(shè)計思路、設(shè)計仿真程序、仿真結(jié)果及相應(yīng)的分析與結(jié)論。三、進度安排第一周 星期一： 課題講解，查閱資料 星期二: 總體設(shè)計，詳細設(shè)計星期三： 編程，上機調(diào)試、修改程序星期四： 上機調(diào)試、完善程序星期五： 答辯星期六-星期天：撰寫課程設(shè)計

3、報告 目 錄一、 課題的主要功能1二.、課題的功能模塊的劃分11、主要功能模塊的劃分12、語音信號的采集13、語音信號的分析24、含噪語音信號的合成25、濾波器的設(shè)計及濾波26、回放語音信號3三、主要功能的實現(xiàn)31、語音信號的采集32、語音信號分析33、含噪語音信號合成44、數(shù)字信號濾波器的設(shè)計5四、程序調(diào)試7五、總結(jié)13六、附件14七、評分表20 一、 課題的主要功能 熟悉并掌握利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器（低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型）來對疊加噪聲前后的語音信號進行濾波處理，繪出濾波器的頻域響應(yīng)，繪出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化。利用MA

4、TLAB工具箱函數(shù)，fir1是利用窗函數(shù)法設(shè)計的線性相位FIR數(shù)字濾波器的工具箱函數(shù)，實現(xiàn)線性相位FIR數(shù)字濾波器的標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法設(shè)計。二.、課題的功能模塊的劃分1、主要功能模塊的劃分 語音信號的采集語音信號的分析含噪語音信號的合成數(shù)字濾波器的設(shè)計加高斯白噪 聲加單頻余弦信 號加多頻余弦信 號低通帶通阻帶高通 圖（一） 2、語音信號的采集 錄制一段課程設(shè)計學(xué)生的語音信號并保存為文件，要求長度不小于10秒，并對錄制的信號進行采樣；錄制時可以使用Windows自帶的錄音機，或者使用其它專業(yè)的錄音軟件，錄制時需要配備錄音硬件（如麥克風(fēng)），為便于比較，需要在安靜、干擾小的環(huán)境下錄音。3、語音信號的分析

5、語音信號處理可以分為時域分析和頻域分析，使用MATLAB可繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。提取語音信號對語音信號進行時域分析對語音信號進行頻域分析 圖（二）4、含噪語音信號的合成 在MATLAB下，給原始的語音信號疊加上噪聲，噪聲的類型分為以下幾種：（1）單頻噪聲（正弦干擾）；（2）高斯隨機噪聲；（3）多頻噪聲。 原始語音信號 單頻噪聲高斯白噪聲多頻噪聲加噪聲后的語音信號 圖（三）5、濾波器的設(shè)計及濾波窗函數(shù)設(shè)計FIR濾波器的步驟根據(jù)對阻帶衰減以及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)的類型，并估計窗口長度N。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣窄的窗函數(shù)，然后根據(jù)過渡帶寬估計窗口

6、長度N。構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)H（e），即 H（e）=H（w）e 計算h(n)。加窗得到設(shè)計的結(jié)果：h(n)= h(n)w(n)。 計算過渡帶寬帶計算哈明窗所需的階數(shù)計算截至頻率FIR的數(shù)字濾波器高通濾波低通濾波帶通濾波帶阻濾波 圖（四）6、回放語音信號 對濾波后的語音信號進行回放，感覺濾波前后語音信號的變化。 三、主要功能的實現(xiàn)1、語音信號的采集 語音信號的采集是利用Windows中的錄音機或者使用其它專業(yè)的錄音軟件，錄制時需要配備錄音硬件（如麥克風(fēng)），為便于比較，需要在安靜、干擾小的環(huán)境下錄音。Windows附件的娛樂中有個錄音機程序，簡稱錄音機，通過它可以驅(qū)動聲卡采集、播放和簡單處理

7、語音信號，語音信號的采集可以通過麥克風(fēng)直接錄制人的聲音，可通過對文件屬性設(shè)置文件的格式、采樣頻率、位數(shù)等。2、語音信號分析 使用MATLAB繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。在MATLAB中，y,fs,bits= wavread('d:/lij)用于讀取語音信號，采樣值放在y中，fs表示采樣頻率，bits表示采樣位數(shù)。Sound(y)表示對聲音的回放，向量y就代表了一個信號，也即一個復(fù)雜的“函數(shù)表達式”，也可以說像處理一個信號的表達式一樣處理這個聲音信號信號。x1,fs,bits=wavread('e:/肖彬2');y1=fft(x1,32768);subplot

8、(221)plot(x1);title('原始語音信號時域波形');subplot(222)plot(abs(y1);title('原始語音信號頻譜') 語音信號的時域、頻域分析模塊功能圖：開始提取語音信號傅立葉變換時域波形頻域波形結(jié)束 圖（五）3、含噪語音信號合成 在MATLAB軟件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：（1）白噪聲；（2）單頻噪色（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；繪出疊加噪聲后的語音信號時域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號圖形對比，也可通過Windows播放軟件從聽覺上進行對比，分析并體會含噪語音信號頻譜和時域波

9、形的改變。（1）加高斯白噪聲的程序如下： x2=awgn(x1,10);y2=fft(x2,32768);subplot(221)plot(x2);title('加高斯白噪聲語音信號的時域波形')subplot(222)plot(abs(y2);title('加高斯白噪聲語音信號的頻譜')（2）加單頻余弦噪聲程序如下： N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'x3=x1+d;subplot(3,2,3)plot(x3)title('加單頻余弦信號的語音信號時域波形')y3=f

10、ft(x3,32768);subplot(3,2,4)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號的語音信號頻譜')（3）添加多頻噪聲N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d1=0.8*cos(2*pi*1200*t)' %單頻余弦噪聲d2=0.8*cos(2*pi*1500*t)' %單頻余弦噪聲x4=x1+d1+d2;subplot(2,1,1)plot(x4)title('加多頻余弦信號的語音信號時域波形')plot(abs(y3);subplot(2,1,2)title('加多頻余弦信號的語音信號頻譜

11、')4、數(shù)字信號濾波器的設(shè)計 對于不同的加躁波我們對濾波器的設(shè)計是不同的。對于加高斯白噪聲的信號，噪聲在每個部分都有故無論用什么濾波器都無法將噪聲完全濾去，所以選擇用帶通濾波器；對于低頻的加單頻余弦信號的語音信號用高通濾波器時只有高頻的通過，低頻的則被濾去；對于高頻的加單頻余弦信號的語音信號用低通濾波器時只有低高頻的通過，高頻的則被濾去；對于加多頻余弦信號的語音信號分析其噪聲分布在什么地方就用什么波濾去，若高頻低頻都有則用帶阻和帶通比較適合，若集中在高頻或者低頻則用低通或帶通。（1） 帶通濾波器的設(shè)計程序如下： f1s=0;f1p=1000;f2p=2500;f2s=3500 Bt=(

12、f1p*2/fs-f1s*2/fs)*pi;N1=ceil(6.6*pi/Bt); wn1=(f1s+f1p)/2,(f2s+f2p)/2;wn=wn1*2/fs hn=fir1(N1-1,wn); %帶通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù) plot(w/pi,abs(h);title('FIR帶通濾波器的幅頻')（2）帶阻濾波器的設(shè)計程序如下： f1s=0;f1p=450;f2p=3400;f2s=3850 Bt=(f1p*2/fs-f1s*2/fs)*pi;N1=ceil(6.1*pi/Bt); wn1=(f1s+f1p)/2,(f2s+f2p)/2;wn=wn1*2/fs h

13、n=fir1(N1-1,wn,'stop'); %帶阻濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)plot(w/pi,abs(h);title('FIR帶阻濾波器的幅頻') （3）低通濾波器的設(shè)計程序如下： fp=500,fc=800; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc); %理想低通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)plot(w/pi,

14、abs(h);title('FIR低通濾波器的幅頻') （4）高通濾波器的設(shè)計程序如下： fp=2200,fc=4500; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc,'high'); %理想高通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)plot(w/pi,abs(h);title('FIR高通濾波器的幅頻')四、程序調(diào)試（1

15、）原始信號波形如下： 圖（六）（2） 加單頻余弦信號 圖（七）（3） 加多頻余弦信號 圖（八）（4） 加高斯白噪聲的波形： 圖（九）（5）低通濾波器的設(shè)計波形對比分析： 圖（十） 圖（十一）（5） 高通的濾波器的設(shè)計分析對比： 圖（十二） 圖（十三）（6） 帶通濾波器的設(shè)計分析對比 圖（十四） 圖（十五）（7） 帶阻的濾波器的設(shè)計分析對比： 圖（十六） 圖（十七）五、總結(jié) 這次課程設(shè)計主要的內(nèi)容是讓我們利用MATLAB軟件根據(jù)不同的加噪波設(shè)置濾波器，通過這次課程設(shè)計讓我們對數(shù)字信號濾波器的設(shè)置掌握的更加深刻同時對MATLAB軟件的應(yīng)用也更加的熟練。我的題目是語音信號的采集、語音信號分析、噪聲合

16、成、設(shè)置FIR的哈明窗濾波器。在看到課題時有些搞不懂方向，畢竟數(shù)字信號處理的課程是上個學(xué)期學(xué)的記憶不是很深刻了。查了半天資料后才初步有了一些了解，但是還是屬于半懂半不懂的狀態(tài)開始了我的實驗。剛開始的時候是按照老師給的程序開始慢慢的調(diào)試，剛開始的時候在加單頻余弦信號的語音信號波形不能顯示出來，提示錯誤：x3=x1+d處有錯誤，自己不知道到底哪里出了錯誤，最后在老師的指導(dǎo)下才發(fā)現(xiàn)自己在采集語音信號時不是單弦信號，那樣造成x3和x1不是同種類型的波形故此處出了錯誤，開始自己完全不知道如何去解決和看分析這種錯誤，當(dāng)出現(xiàn)錯誤是自己應(yīng)該及時去分析x3和x1的值有什么不同才會出錯。在設(shè)置濾波器時我注意了，要

17、根據(jù)不同的加噪波設(shè)置濾波器，如果加的是高斯白噪聲那么噪聲怎么樣設(shè)置都是不會濾去的此時用帶通效果相對會好一些，如果加的是低頻的加單頻余弦信號時用高通濾波器可以濾去噪音，如果是高頻的則用低通濾波器，如果加的是多頻的余弦信號時則用帶阻或者帶通濾波器濾去噪音。在設(shè)置濾波器時不同的窗函數(shù)設(shè)置是不同，開始設(shè)置時我就是根據(jù)自己的理解一個一個去調(diào)節(jié)頻率，這樣做雖然可以得到效果較好的波形但是工作量確實很大而且我自己沒真正的懂得為什么那么設(shè)置頻率才是最佳的，后來答辯的時候老師問了我一個問題我設(shè)置的波N是多少，我說就是程序上計算出來的自己沒去看，老師說如果你設(shè)置一個濾波器連是幾階的窗函數(shù)都不知道怎么設(shè)置波形的。后來

18、我回去自習(xí)看了書才發(fā)現(xiàn)設(shè)置FIR濾波器的關(guān)鍵就是根據(jù)要求找N個傅立葉級數(shù)系數(shù)h(n).。N是根據(jù)過渡帶寬度Bt求出的，那么再設(shè)置濾波器的頻率時應(yīng)該是根據(jù)N去調(diào)節(jié)頻率。再接下來的濾波器的設(shè)置時我就先把書上的原理弄透徹了才去寫代碼而不是盲目的因做課設(shè)而做課設(shè)。這次實驗讓我收獲頗豐，雖然老師的答辯讓我們覺得出乎意料但是實際上是因為我們自己沒有真正的對書上的知識理解透徹，只要以為做出來就可以了。課設(shè)的目的不是讓我們完成一個課程設(shè)計而是讓我們將書本的知識掌握透徹學(xué)會分析和處理問題。 六、附件（1）低通濾波器的設(shè)置：x1,fs,bits=wavread('f:/肖彬2');%sound(x

19、1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768)*1:32768;figure(1)subplot(3,2,1)plot(x1);title('原始語音信號時域波形');subplot(3,2,2)plot(abs(y1);title('原始語音信號頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'x3=x1+d;%sound(x3,fs,bits);subplot(3,2,3)plot(x3)title('加單頻余弦信號的語音信號時域波形')y

20、3=fft(x3,32768);subplot(3,2,4)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號的語音信號頻譜')fp=500,fc=1000; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc); %理想低通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)X=conv(hn,x3); %過濾后的信號sound(X,fs,bits);X1=fft(X,

21、32768)subplot(325);plot(X);title('處理后的信號波形');subplot(326);plot(n(1:32768),abs(X1(1:32768); title('處理后的信號頻譜')h,w=freqz(hn,1);figure(3)subplot(211)plot(w/pi,abs(h);title('FIR低通濾波器的幅頻')grid;subplot(212)plot(w/pi,angle(h);title('FIR低通濾波器的相頻')grid;（2）高通濾波器：x1,fs,bits=wavre

22、ad('f:/肖彬2');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768)*1:32768;figure(1)subplot(3,2,1)plot(x1);title('原始語音信號時域波形');subplot(3,2,2)plot(abs(y1);title('原始語音信號頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*500*t)'x3=x1+d;%sound(x3,fs,bits);subplot(3,2,3)plot(x3)title(

23、'加單頻余弦信號的語音信號時域波形')y3=fft(x3,1024);subplot(3,2,4)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號的語音信號頻譜')fp=2200,fc=4000; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc,'high'); %理想高通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)X=con

24、v(hn,x3); %過濾后的信號sound(X,fs,bits);X1=fft(X,32768)subplot(325);plot(X);title('處理后的信號波形');subplot(326);plot(n(1:32768),abs(X1(1:32768); title('處理后的信號頻譜')h,w=freqz(hn,1);figure(3)subplot(211)plot(w/pi,abs(h);title('FIR高通濾波器的幅頻')grid;subplot(212)plot(w/pi,h);title('FIR高通濾波器的相

25、頻')grid;（3）帶通濾波器：x1,fs,bits=wavread('f:/肖彬2');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768)*1:32768;figure(4)subplot(3,2,1)plot(x1);title('原始語音信號時域波形');subplot(3,2,2)plot(abs(y1);title('原始語音信號頻譜')x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);subplot(3,2,3)plot(x2);

26、title('加高斯白噪聲語音信號的時域波形')subplot(3,2,4)plot(abs(y2);title('加高斯白噪聲語音信號的頻譜')f1s=500;f1p=1000;f2p=3000;f2s=3500 Bt=(f1p*2/fs-f1s*2/fs)*pi;N1=ceil(6.1*pi/Bt); wn1=(f1s+f1p)/2,(f2s+f2p)/2;wn=wn1*2/fs hn=fir1(N1-1,wn); %帶通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)X=conv(hn,x1); %過濾后的信號sound(X,fs,bits);X1=fft(X,32768)subplot(325);plot(X);title('處理后的信號波形');subplot(326);plot(n(1:32768),abs(X1(1:32768); title('處理后的信號頻譜')h,w=freqz(hn,1);figure(3)%subplot(211)plot(w/pi,abs(h);title('FIR帶通濾波器的幅頻')grid;（4）帶阻濾波器：x1,fs,bits=wavread('f:/肖彬2');sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768