數(shù)字信號課程設計

1、吉林工程技術師范學院信息工程學院數(shù)字信號處理課程設計報告題 目：語音數(shù)字信號處理與分析及Matlab實現(xiàn)專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 時 間： 2013/11/4-2013/11/22 目 錄第一章 緒 論11.1 設計的目的及意義11.2 設計要求11.3 設計內容21.3.1 理論依據(jù)及信號采集21.3.2 構造受干擾信號并對其進行FFT頻譜分析21.3.3 數(shù)字濾波器的設計及信號處理2第二章 信號頻譜分析42.1原始信號及頻譜分析42.2加入干擾噪聲后的信號及頻譜分析5第三章 數(shù)字濾波器的設計73.1 高通濾波器的設計73.2 低通濾波器的設計73.3

2、 帶通濾波器的設計83.4 帶阻濾波器的設計9第四章 GUI用戶圖形界面設計114.1 GUI的基本設計流程114.2 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)164.2.1 高通濾波器的實現(xiàn)164.2.2 低通濾波器的實現(xiàn)174.2.3 帶通濾波器的實現(xiàn)174.2.4 帶阻濾波器的實現(xiàn)18第五章 課程設計總結22參考文獻I附錄I 第一章 緒 論1.1 設計的目的及意義目的:通過數(shù)字信號處理課程設計,使學生深入了解和掌握噪聲信號的頻譜分析,進一步明確了數(shù)字濾波器設計方法和實際應用,為下一步學習和工作打下良好的基礎。意義:語音信號處理是一門新興的邊緣學科，它和認知科學、心理學、語言學、計算機科學、模式識別和人工智能等學

3、科有著緊密的聯(lián)系。語音信號處理的發(fā)展依賴于這些學科的發(fā)展，而語音信號處理技術的進步也會促進這些領域的進步。通過MATLAB可以對數(shù)字化的語音信號進行處理。由于MATLAB是一種面向科學和工程計算的高級語言，允許用數(shù)字形式的語言編程，又有大量的庫函數(shù)，所以編程簡單、編程效率高、易學易懂。我們可以對信號進行加噪和去噪、濾波、截取語音等。1.2 設計要求 要求利用MATLAB對語音信號進行數(shù)字信號處理和分析，要求學生采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。 1、對采集的語音信號進行頻譜分析

4、。 2、對原采集的語音信號加入干擾噪聲并對其進行頻譜分析。 3、設計合適的濾波器。1.3 設計內容1.3.1 理論依據(jù)及信號采集根據(jù)設計要求分析系統(tǒng)功能，掌握設計中所需理論（采樣頻率、采樣定理；時域信號的FFT分析；數(shù)字濾波器設計原理和方法，各種不同類型濾波器的性能比較），闡明設計原理。采集語音信號，把語音信號保存為.wav文件，長度小于3秒，并對語音信號進行采樣；錄制的軟件可以使用Windows自帶的錄音機，或者也可以使用其他專業(yè)的錄音軟件，錄制時需要配備錄音硬件，為了方面比較，需要在安靜、無噪音、干擾小的環(huán)境下錄，并對其進行FFT頻譜分析，畫出信號的時域波形圖和頻譜圖。1.3.2 構造受干

5、擾信號并對其進行FFT頻譜分析對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對語音信號進行回放，感覺加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結論。并對其進行FFT頻譜分析，比較加噪前后語音信號的波形及頻譜，對所得結果進行分析，闡明原因，得出結論。1.3.3 數(shù)字濾波器的設計及信號處理 根據(jù)待處理信號特點，設計合適數(shù)字濾波器，繪制所設計濾波器的幅頻和相頻特性。 用所設計的濾波器對含噪語音信號進行濾波。對鋁箔后的語音信號進行FFT頻譜分析。畫出處理過程中所得各種波形及頻譜圖。對語音信號進行回放，感覺濾波前后聲音的變化。比較濾波前后語音信號的波形及頻譜，對所得結果的濾波器性能進行頻譜分析，闡明原因，得出結論。設計處理系

6、統(tǒng)的用戶界面，在所設計界面上可以選擇濾波器的參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應，選擇信號等。 第二章 信號頻譜分析2.1原始信號及頻譜分析下面的一段程序是語音信號在MATLAB中的最簡單表現(xiàn)，它實現(xiàn)了語音的讀入打開，以及繪出了語音信號的波形頻譜圖。編程詳見附錄結果如圖2-1-1 圖2-1-1 原始信號的圖形已知一個語音信號，數(shù)據(jù)采樣頻率為100Hz，試分別繪制N=128點DFT的幅頻圖和N=1024點DFT幅頻圖。編程詳見附錄結果如圖2-1-2 圖2-1-2 N=128點DFT的幅頻圖和N=1024點DFT幅頻圖 上圖（a）、(b)為N=128點幅頻譜圖，(c)、(d)為N=1024點幅頻譜圖。由于采

7、樣頻率f=100Hz，故Nyquist頻率為50Hz，（a）、(c)是0100Hz頻譜圖，(b) 、(d)是050Hz頻譜圖。由（a）或(c)可見，整個頻譜圖是以Nyquist頻率為軸對稱的。因此利用fft對信號做頻譜分析，只要考察0Nyquist頻率（采樣頻率一半）范圍的幅頻特性。比較（a）和(c)或(b)和 (d)可見，幅值大小與fft選用點數(shù)N有關，但只要點數(shù)N足夠不影響研究結果。從上圖幅頻譜可見，信號中包括15Hz和40Hz的正弦分量。2.2加入干擾噪聲后的信號及頻譜分析若信號長度T=25.6s，即抽樣后x(n)點數(shù)為T/Ts=256，所得頻率分辨率為Hz，以此觀察數(shù)據(jù)長度N的變化對D

8、TFT分辨率的影響：編程詳見附錄結果如圖2-2-1 圖2-2-1 加入干擾噪聲后的信號及頻譜分析第三章 數(shù)字濾波器的設計3.1 高通濾波器的設計 N階高通濾波器的設計，高通濾波器是一個使高頻率比較容易通過而阻止低頻率通過的系統(tǒng)。它去掉了信號中不必要的低頻成分或者說去掉了低頻干擾。其特性在時域及頻域中可分別用沖激響應及頻率響應描述。后者是用以頻率為自變量的函數(shù)表示，一般情況下它是一個以復變量為自變量的的復變函數(shù)，以表示。它的模和幅角為角頻率的函數(shù)，分別稱為系統(tǒng)的“幅頻響應”和“相頻響應”，它分別代表激勵源中不同頻率的信號成分通過該系統(tǒng)時所遇到的幅度變化和相位變化?？梢宰C明，系統(tǒng)的“頻率響應”就是

9、該系統(tǒng)“沖激響應”的傅里葉變換。當線性無源系統(tǒng)可以用一個N階線性微分方程表示時，頻率響應為一個有理分式，它的分子和分母分別與微分方程的右邊和左邊相對應。3.2 低通濾波器的設計 N階低通濾波器的設計，低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的強弱程度不同。當使用在音頻應用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設備中使用的hiss 濾波器）、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acoustic barriers）、圖像模糊處理等等，這兩個工具都通過剔除短期波

10、動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領域如金融領域中移動平均數(shù)（moving average)所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。低通濾波器允許從直流到某個截止頻率 的信號通過。將通用濾波器二階傳遞函數(shù)的高通和帶通系數(shù)均設為零，即得到一個二階低通濾波器傳遞公式。對于高于的頻率，信號按該頻率平方的速率下降。在頻率處，阻尼值使輸出信號衰減。您可以級聯(lián)多個這樣的濾波器部分來得到一個更高階的（更陡峭的轉降）濾波器。假定設計要求一個截止頻率為10kHz的四階貝塞爾(Bessel) 低通濾波器。根據(jù)參考文獻1，每部分

11、的轉降頻率分別為16.13及18.19 kHz，阻尼值分別為1.775及0.821，并且這兩個濾波器分區(qū)的高通、帶通和低通系數(shù)分別為0、0與1?？梢允褂眠@兩個帶有上述參數(shù)的濾波器部分來實現(xiàn)所要求的濾波器。截止頻率為輸出信號衰減3 dB的頻率點。3.3 帶通濾波器的設計 2N階帶通濾波器設計，帶通濾波器（band-pass filter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路(RLC

12、 circuit)。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產生。一個理想的帶通濾波器應該有一個完全平坦的通帶，在通帶內沒有放大或者衰減， 有源帶通濾波器電路并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來表示。通常，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn)“波紋”。這

13、種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應稱為吉布斯現(xiàn)象。除了電子學和信號處理領域之外，帶通濾波器應用的一個例子是在大氣科學領域，很常見的例子是使用帶通濾波器過濾最近3到10天時間范圍內的天氣數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了作為擾動的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率和較高的剪切頻率之間是共振頻率，這里濾波器的增益最大，濾波器的帶寬就是和之間的差值。3.4 帶阻濾波器的設計 2N階帶阻濾波器的設計，阻濾波器是指能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器的概念相對。其中點阻濾波器（notch filter）是一種特殊的帶阻濾波器，它的阻帶范圍極小，有著很高的Q值（Q Fa

14、ctor）。帶阻濾波器是指能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器說明的概念相對。其中點阻濾波器（notch filter）是一種特殊的帶阻濾波器，它的阻帶范圍極小，有著很高的Q值（Q Factor）。 將輸入電壓同時作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個電路的輸出電壓求和，就可以得到帶阻濾波器，如下圖所示。其中低通濾波器的截止頻率 應小于高通濾波器的截止頻率 ，因此，電路的阻帶為( - )。帶阻濾波器分為腔體帶阻濾波器、LC帶阻濾波器和有源帶阻濾波電路實用電路常利用無源低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)構成無源帶阻濾波電路，然后接同相比例運算電路，從而得到有源

15、帶阻濾波電路。 以上幾種濾波，我們都可以從信號濾波前后的波形圖以及頻譜圖上看出變化。當然，也可以用sound()函數(shù)來播放濾波后的語言，從聽覺上直接感受語音信號的變化，但由于人耳聽力的限制，有些情況下我們是很難聽出異同的。同樣，通過函數(shù)的調用，也可以將信號的頻譜進行“分離觀察”，如顯出信號的幅值或相位。下面，通過改變系統(tǒng)函數(shù)的分子與分母系數(shù)比，來觀察信號濾波前后的幅值與相位。并且使結果更加明顯，使人耳得以很容易的辨聽。第四章 GUI用戶圖形界面設計4.1 GUI的基本設計流程打開MATLAB軟件,文件-新建-GUI,如圖4-1-1,即可出現(xiàn)圖4-1-2 圖4-1-1 新建GUI 圖4-1-2

16、GUIDE Quick Start點擊OK，即可出現(xiàn)圖4-1-3 GUI界面 圖4-1-3 GUI界面點擊FilePreferences,如圖4-1-4，即可出現(xiàn)圖4-1-5 圖4-1-4 改變圖形界面將Show names in component palette 勾選即可出現(xiàn)出現(xiàn)圖4-1-5，點擊OK，即可出現(xiàn)圖4-1-6 圖4-1-5 GUI Preferences 圖4-1-6 GUI繪制界面用Push Button按鍵及Axes按鍵繪制如圖4-1-7圖 圖4-1-7 整體界面右擊Push Button按鍵，選擇View CallbacksCallback，如圖4-1-8 圖4-1-8

17、 設置回調函數(shù)保存，如圖4-1-9 圖4-1-9 保存文件將程序輸入進去，如圖4-1-10所示 圖4-1-10 輸入回調函數(shù)保存并且運行即可出現(xiàn)圖形4.2 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)4.2.1 高通濾波器的實現(xiàn)高通濾波器是一個使高頻率比較容易通過而阻止低頻率通過的系統(tǒng)。它去掉了信號中不必要的低頻成分或者說去掉了低頻干擾。其特性在時域及頻域中可分別用沖激響應及頻率響應描述。一般情況下它是一個以復變量為自變量的的復變函數(shù)，以表示。它的模和幅角為角頻率的函數(shù)，分別稱為系統(tǒng)的“幅頻響應”和“相頻響應”，GUI界面成圖如圖4-2-1 圖4-2-1 高通濾波器圖形4.2.2 低通濾波器的實現(xiàn)低通濾波器是容許低于截止

18、頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的強弱程度不同。當使用在音頻應用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。GUI界面成圖如圖4-2-2 圖4-2-2 低通濾波器圖形4.2.3 帶通濾波器的實現(xiàn)帶通濾波器（band-pass filter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路(RLC circuit)。這些濾波

19、器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產生。GUI界面成圖如圖4-2-3 圖4-2-3 帶通濾波器圖形4.2.4 帶阻濾波器的實現(xiàn)阻濾波器是指能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器的概念相對。因此，電路的阻帶為( - )。帶阻濾波器分為腔體帶阻濾波器、LC帶阻濾波器和有源帶阻濾波電路，實用電路常利用無源低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)構成無源帶阻濾波電路，然后接同相比例運算電路，從而得到有源帶阻濾波電路。 圖4-2-4 帶阻濾波器圖形 編程詳見附錄結果如圖4-2-5 圖4-2-5 改變系數(shù)比之后的圖形 濾波后，編程詳見附錄結果如圖4-2-6 圖4-2-6 濾

20、波后的圖形可以聽到聲音明顯變得高亢了。從上面的波形與幅值（即幅頻）圖，也可看出，濾波后的幅值變成了濾波前的20倍。編程詳見附錄 得圖4-2-7 圖4-2-7 濾波后相位譜圖形可以看到相位譜沒什么變化。 第五章 課程設計總結通過本學期對語音信號處理這門課程的學習，是我對信號處理有了更深的了解，同時極大的提高了我對語音信號的興趣。課堂學習主要注重于理論知識，而我們要將所學知識應用于實際，在此階段，課程設計便是最好的選擇了，通過課程設計，我們可以溫習我們所學的理論知識，同時為將理論知識運用于實際搭建了一個很好的平臺，不僅如此，通過這次的課程設計，使我知道了在當今的信息技術如此發(fā)達的世界中，我們必須運

21、用多種渠道，去學習研究。并要很好的運用計算機和一些軟件，只有這樣，我們才能更好地、精確地、快速地解決問題。還有就是提高了自主解決問題的能力。 這次的課程設計也不例外。雖然我們以前學了一點MATLAB，不少課本上也有提到過 MATLAB，但是我們還是不怎么熟練，通過這次自動控制原理課程讓我更好地學會了如何去使用這個軟件。自動控制原理的知識在課堂上掌握的也不是很好，所以這次課程設計對于我來說真是難度不小啊。在很多人眼中為期兩周的課程設計或許是一種煎熬，這是可以理解的，在這兩周當中，我們不僅要完成這個課程設計，而且還要學習其他專業(yè)課。 每一次課程設計都會學到不少東西，這次當然也不例外。不但對自動控制

22、原理的知識鞏固了，也加強了MATLAB 這個強大軟件使用的學習，這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在自己和同學相互協(xié)助下，終于迎刃而解了。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎同樣十分感謝XXX、XXX老師在此次實驗中給我提出的建議與不足，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪

23、；這次模具設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。24參考文獻1 趙力.語音信號處理.北京：機械工業(yè)出版社，2003.2 胡航.語音信號處理.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000.3 姚天任.數(shù)字語音處理.武漢：華中科技大學出版社，2003.4 楊行峻,遲惠生等.語音信號處理.北京：電子工業(yè)出版社，19955 劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計教程.中國水利水電出版社，20056 朱衡君.MATLAB語言及實踐教程(第二版).清華大學出版社，2009.87 張靜.MATLAB語言的應用.電子工業(yè)出版社，20078 蔡

24、蓮紅,黃德智,蔡銳.語音技術基礎與應用.北京：清華大學出版社，2003.9 王炳錫,屈單,彭煊.實用語音識別基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2005.10 易克初,田斌,付強.語音信號處理.北京：國防工業(yè)出版社,2000.11 韓紀慶,張磊,鄭鐵然.語音信號處理.北京：清華大學出版社,2004.I附錄x,fs,bits=wavread('jing.wav',1024 5120); sound(x,fs,bits); X=fft(x,4096); magX=abs(X); angX=angle(X); subplot(221);plot(x);title('原始信號波形

25、9;); subplot(222);plot(X);title('原始信號頻譜'); subplot(223);plot(magX);title('原始信號幅值'); subplot(224);plot(angX);title('原始信號相位');x=wavread('jing.wav'); sound(x);fs=100;N=128;y=fft(x,N);magy=abs(y); f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y); subplot(221);plot(f,magy); xlabel('

26、;頻率(Hz)'); ylabel('幅值'); title('N=128(a)');grid subplot(222);plot(f(1:N/2),magy(1:N/2); xlabel('頻率(Hz)');ylabel('幅值'); title('N=128(b)');grid fs=100;N=1024; y=fft(x,N); magy=abs(y); f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y); subplot(223);plot(f,magy); xlabel(

27、9;頻率(Hz)');ylabel('幅值'); title('N=1024(c)');grid subplot(224);plot(f(1:N/2),magy(1:N/2); xlabel('頻率(Hz)');ylabel('幅值'); title('N=1024(d)');gridx,fs,bits=wavread('jing.wav'); N=256; f=0:fs/N:fs/2-1/N; X=fft(x);X=abs(X); subplot(211) plot(f(45:60),X(

28、45:60);grid xlabel('Hz'),ylabel('|H(ejw)|') N=N*4; f=0:fs/N:fs/2-1/N; X=fft(x);X=abs(X); subplot(212) plot(f(45*4:4*60),X(4*45:4*60);grid xlabel('Hz'),ylabel('|H(ejw)|')x=wavread('jing.wav'); sound(x);N=5;wc=0.3;b,a=butter(N,wc,'high'); X=fft(x); subpl

29、ot(321);plot(x);title('濾波前信號的波形'); subplot(322);plot(X);title('濾波前信號的頻譜'); y=filter(b,a,x);Y=fft(y); subplot(323);plot(y);title('IIR 濾波后信號的波形'); subplot(324);plot(Y);title('IIR 濾波后信號的頻譜');z=fftfilt(b,x); Z=fft(z); subplot(325);plot(z);title('FIR 濾波后信號的波形'); su

30、bplot(326);plot(Z);title('FIR 濾波后信號的頻譜');x=wavread('jing.wav');sound(x);N=5;wc=0.3,0.6; b,a=butter(N,wc);X=fft(x); subplot(321);plot(x);title('濾波前信號的波形'); subplot(322);plot(X);title('濾波前信號的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=fft(y); subplot(323);plot(y);title('IIR 濾波后信號的波形'); subplot(324);plot(Y);title('IIR 濾波后