語音信號濾波去噪——使用flattopwin窗設(shè)計FIR濾波器

1、 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第0頁，共22 頁吹管音樂濾波去噪吹管音樂濾波去噪使用使用FLATTOPWIN 窗設(shè)計的窗設(shè)計的 FIR 濾波器濾波器學(xué)生姓名：黃珺學(xué)生姓名：黃珺 指導(dǎo)老師：高明指導(dǎo)老師：高明摘摘 要要 本課程設(shè)計主要使用 Flattopwin 窗設(shè)計的 FIR 濾波器對吹管音樂信號進行濾波去噪。課程設(shè)計的的平臺為 MATLAB。采集一段吹管音樂，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標，用窗函數(shù)法設(shè)計一個滿足指標的 FIR 濾波器，對該吹管音樂信號進行濾波去噪處理。根據(jù)濾波后的時域圖和原始音樂信號時域圖的比較，以及濾波后信號的頻譜圖和原

2、始吹管音樂頻譜圖的比較，最后回放濾波后吹管音樂，濾波后的吹管音樂信號與原始吹管音樂信號一樣清晰，成功地實現(xiàn)了濾波，達到了設(shè)計的要求。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 課程設(shè)計；濾波去噪；FIR 濾波器；Flattopwin 窗；MATLAB 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第1頁，共22 頁1 引引 言言本課程設(shè)計是采用 Flattopwin 窗設(shè)計的 FIR 濾波器對吹管音樂進行濾波去噪。通過課程設(shè)計了解 FIR 濾波器設(shè)計的原理和步驟，掌握用 Matlab 語言設(shè)計濾波器的方法，了解 DSP 對 FIR 濾波器的設(shè)計及編程方法。通過觀察吹管音樂濾波前后的時域波形的比較，

3、加深對濾波器作用的理解。通過對比濾波前后波形圖的比較和放濾波前后吹管音樂的對比 ，可以看出濾波器對有用信號無失真放大具有重大意義。1.1 課程設(shè)計目的課程設(shè)計目的熟悉 Matlab 語言環(huán)境，掌握 Matlab 語言的編程規(guī)則，利用 Flattopwin 窗函數(shù)設(shè)計法來設(shè)計符合要求的 FIR 濾波器來實現(xiàn)吹管音樂的濾波去噪。并繪制濾波前后的時域波形和頻譜圖。根據(jù)圖形分析判斷濾波器設(shè)計的正確性。通過本次課程設(shè)計熟悉利用 Flattopwin 窗函數(shù)法設(shè)計 FIR 濾波器的過程。增強自己獨立解決問題的能力，提高自己的動手能力。加深對理論知識聯(lián)系實際問題的理解。為以后的工作奠定堅實的基礎(chǔ)。1.2 課

4、程設(shè)計要求課程設(shè)計要求錄制一段吹管音樂，繪制觀察波形及頻譜圖。根據(jù) Flattopwin 的性能指標合理設(shè)計 FIR 濾波器，對吹管音樂加入干擾，再用濾波器對干擾語音信號進行濾波去噪，比較濾波前后的頻譜圖并進行分析。再回放吹管音樂對比原吹管音樂?？礊V波器是否對吹管音樂進行了濾波去噪。1.3 課程設(shè)計平臺課程設(shè)計平臺MATLAB 名字由 MATrix 和 LABoratory 兩詞的前 3 個字母組合而成。20 世紀 70年代后期，時任美國新墨西哥大學(xué)計算機科學(xué)系主任的 Cleve Moler 教授出于減輕學(xué)生編程負擔的動機，為學(xué)生設(shè)計了一組調(diào)用 LINPACK 和 EISPACK 庫程序的“通

5、俗易用”的接口，此即用 FORTRAN 編寫的萌芽狀態(tài)的 MATLAB1。 MATLAB 軟件包括五大通用功能：數(shù)值計算功能（Nemeric）；符號運算功能 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第2頁，共22 頁（Symbolic）；數(shù)據(jù)可視化功能（Graphic）；數(shù)據(jù)圖形文字統(tǒng)一處理功能（Notebook）和建模仿真可視化功能（Simulink）。其中，符號運算功能的實現(xiàn)是通過請求 MAPLE 內(nèi)核計算并將結(jié)果返回到 MATLAB 命令窗口。該軟件有三大特點：一是功能強大；二是界面友善、語言自然；三是開放性強。目前，Mathworks 公司已推出30 多

6、個應(yīng)用工具箱。MATLAB 在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值及優(yōu)化、數(shù)理統(tǒng)計和隨機信號分析、電路與系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)、信號和圖像處理、控制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)、以及財政金融等眾多領(lǐng)域的理論研究和工程設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。 MATLAB 在信號與系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括符號運算和數(shù)值計算仿真分析。由于信號與系統(tǒng)課程的許多內(nèi)容都是基于公式演算，而 MATLAB 借助符號數(shù)學(xué)工具箱提供的符號運算功能能基本滿足信號與系統(tǒng)課程的需求。例如，解微分方程、傅里葉正反變換、拉普拉斯正反變換、z 正反變換等。MATLAB 在信號與系統(tǒng)中的另一主要應(yīng)用是數(shù)值計算與仿真分析，主要包括函數(shù)波形繪制、

7、函數(shù)運算、沖激響應(yīng)與階躍響應(yīng)仿真分析、信號的時域分析、信號的頻譜分析、系統(tǒng)的 S 域分析、零極點圖繪制等內(nèi)容。數(shù)值計算仿真分析可以幫助學(xué)生更深入理解信號與系統(tǒng)的理論知識，并為將來使用MATLAB 進行信號處理領(lǐng)域的各種分析和實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)2。2 基本理論基本理論2.1 FIR 濾波器濾波器FIR 濾波器：有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR 濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計的基本步驟如下：（1）確定指標在設(shè)計

8、一個濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實際的需要確定濾波器的技術(shù)指標。在很多實際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻操作。因此，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。幅度指標主要以兩種方式給出。第一種是絕對指標。它提供對幅度響應(yīng)函數(shù)的要求，一般應(yīng)用于 FIR 濾波器的設(shè)計。第二種指標是相對指標。 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第3頁，共22 頁它以分貝值的形式給出要求。 （2）逼近 確定了技術(shù)指標后，就可以建立一個目標的數(shù)字濾波器模型。通常用理想的數(shù)字濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，設(shè)計出一個實際濾波器模型來逼近給定的目標。 （3）性能分析和

9、計算機仿真上兩步的結(jié)果是得到以差分或沖激響應(yīng)描述的濾波器。根據(jù)這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗證設(shè)計結(jié)果是否滿足指標要求；或者利用計算機仿真實現(xiàn)設(shè)計的濾波器，再分析濾波結(jié)果來判斷。FIR 濾波器的設(shè)計問題實際上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)的問題，設(shè)計方法主要有窗函數(shù)、頻率響應(yīng)法和等波紋最佳逼近法等。2.2 窗口設(shè)計法窗口設(shè)計法窗口設(shè)計法是一種通過截斷和計權(quán)的方法使無限長非因果序列成為有限長脈沖響應(yīng)序列的設(shè)計方法。通常在設(shè)計濾波器之前，應(yīng)該先根據(jù)具體的工程應(yīng)用確定濾波器的技術(shù)指標。在大多數(shù)實際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻操作，所以指標的形式一般為在頻域中以分貝

10、值給出的相對幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。窗口設(shè)計法步驟如下：（1）根據(jù)過渡帶寬及阻帶衰減要求，選擇窗函數(shù)的類型并估計窗口長度 N。窗函數(shù)的類型可根據(jù)最小阻帶衰減 AS 獨立選擇。（2）根據(jù)待求濾波器的理想頻率響應(yīng)求出理想單位脈沖響應(yīng) hd(n)。（3）由性能指標確定窗函數(shù) W(n)和長度 N。（4）求得實際濾波器的單位脈沖響應(yīng) h(n)， h(n)即為所設(shè)計 FIR 濾波器系數(shù)向量b(n)。 ( )( ).( )dh nh n W n (2.1) 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第4頁，共22 頁常見的窗函數(shù)性能表如下圖2.1所示：名稱濾波器過渡帶寬最小阻帶衰減

11、名稱濾波器過渡帶寬最小阻帶衰減矩形1.8/M21dBPARZENWIN6.6/M56dB巴特利特6.1/M25dBFLATTOPWIN19.6/M108dB漢寧6.2/M44dBGAUSSWIN5.8/M60dB漢明6.6/M51dBBARTHANNWIN3.6/M40dB布萊克曼11/M74dBBLACKMANHARRIS16.1/M109dBBOHMANWIN5.8/M51.5dBCHEBWIN15.2/M113dBNUTTALLWIN15.4/M108dBTUKEYWIN2.4/M22dB圖2.1 常見窗函數(shù)性能表2.3 FLATTOPWIN 窗窗w=Flattopwin (L) 返回

12、L-點 Flattopwin 窗口中列向量。Flattopwin 窗的濾波器的過渡帶寬為 19.6/M，最小阻帶衰減 108db。定義式：定義式：)8cos()6cos()4cos()2cos()(43210NnaNnaNnaNnaan時間波形和幅度譜：時間波形和幅度譜： 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第5頁，共22 頁圖 2.2 時間波形圖 2.3 幅度譜 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第6頁，共22 頁 3 3 設(shè)計步驟設(shè)計步驟3.1 設(shè)計流程圖設(shè)計流程圖根據(jù)設(shè)計的要求，首先從網(wǎng)上下載一段音樂信號，對音樂信

13、號加入噪聲干擾，再利用 Flattopwin 窗設(shè)計合理的 FIR 濾波器。最后用濾波器對干擾后的語音信號進行濾波去噪。具體設(shè)計流程圖如下圖 3.1 所示： NO YES 圖 3.1 設(shè)計流程圖 3.2 錄制音樂信號錄制音樂信號在網(wǎng)上下載一段音樂，再利用視頻轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成*.格式，且為單聲3mpwav開始下載一段吹管音樂信號，命名為“yinyue.wav” ，繪制出其時域波形和頻譜圖。加入噪聲干擾，繪制干擾后的時域波形和頻譜圖。利用 Flattopwin 窗設(shè)計合理的 FIR 濾波器。將干擾后的吹管音樂信號通過自己設(shè)計的濾波器，進行濾波去噪。比較濾波前后的時域波形和頻譜圖，并回放音樂信號，驗

14、證是否達到去噪效果。結(jié)束是否達到去噪 效果？ 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第7頁，共22 頁道，再將此.格式音樂控制在 5 秒內(nèi)，以減少設(shè)計中的誤差。然后在 Matlab 軟件平wav臺下，利用函數(shù) wavread 對語音信號進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)，采集完成后在信號中加入一個單頻噪聲，繪制原音樂信號和加噪后的音樂信號的時域和頻域的波形圖。具體調(diào)用如下：x,fs,bits=wavread(g:yinyue.wav); % 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個參數(shù)是每個樣本的值，fs 是生成該波形文件時的采樣率，bits 是波形文件每樣

15、本的編碼位數(shù)。 sound(x,fs,bits);%播放音樂信號 N=length(x);%計算音樂信號的長度 fn=2200; % 單頻噪聲頻率 t=0:1/fs:(N-1)/fs; % 計算時間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率 x=x(:,1); y=x+sin(fn*2*pi*t); plot(t,x); xlabel(t ins);ylabel(x);%畫原始音樂信號的時域波形圖sound(y,fs,bits);%播放干擾后的音樂信號，應(yīng)該可以明顯聽出有尖銳的單頻嘯叫聲運行程序后得到的波形圖如圖 3.2 所示： 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第8頁，共

16、22 頁圖 3.2 原始音樂信號時域波形圖畫出音樂信號的時域波形；然后對音樂信號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性，并將原始音樂信號的波形圖與加干擾后的波形圖進行比較 X=abs(fft(x);Y=abs(fft(y); % 對原始信號和加噪信號進行 fft 變換,取幅度譜 X=X(1:N/2); Y=Y(1:N/2);% 截取前半部分 deltaf=fs/N; % 計算頻譜的譜線間隔 f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計算頻譜頻率范圍figure(2) subplot(2,2,1);plot(t,x);xlabel(時間(t);ylabel(幅度); title(原始音

17、樂信號); subplot(2,2,2);plot(f,X);xlabel(頻率(f);ylabel(幅度譜);title(原始音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,600); subplot(2,2,3);plot(t,y);xlabel(時間(t);ylabel(幅度);title(加干擾后的音樂信號); subplot(2,2,4);plot(f,Y);xlabel(頻率(f);ylabel(幅度譜);title(加干擾后的音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,600);運行程序后我們所得的波形圖如圖 3.3 所示： 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的

18、 FIR 濾波器 第9頁，共22 頁圖 3.3 干擾前后信號時域圖與頻譜圖的比較3.3 濾波器設(shè)計濾波器設(shè)計濾波器的設(shè)計就是要找到一組能滿足特定濾波要求的系數(shù)向量 a 和 b，其中 b 為系統(tǒng)函數(shù)的分子系數(shù)，a 為系統(tǒng)函數(shù)分母系數(shù)。在本次的課程設(shè)計中我所采用的就是利用Flattopwin 窗函數(shù)來設(shè)計 FIR 濾波器。 具體調(diào)用如下： fpd=2100;fsd=2150;fsu=2250;fpu=2300;Rp=1;As=20;% 帶阻濾波器設(shè)計指標 fcd=(fpd+fsd)/2;fcu=(fpu+fsu)/2;df=min(fsd-fpd),(fpu-fsu);% 計算上下邊帶中心頻率，和

19、頻率間隔 wcd=fcd/fs*2*pi;wcu=fcu/fs*2*pi;dw=df/fs*2*pi; % 將 Hz 為單位的模擬頻率換算為 rad 為單位的數(shù)字頻率 wsd=fsd/fs*2*pi;wsu=fsu/fs*2*pi; M=ceil(6.1*pi/dw)+1; % 計算窗設(shè)計該濾波器時需要的階數(shù) n=0:M-1; % 定義時間范圍 w_par=(Flattopwin (M); % 產(chǎn)生 M 階的 Flattopwin 窗 hd_bs=ideal_lp(wcd,M)+ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wcu,M);% 調(diào)用自編函數(shù)計算理想帶阻濾波器的脈沖響應(yīng) h_bs

20、=w_par.*hd_bs; % 用窗口法計算實際濾波器脈沖響應(yīng) db,mag,pha,grd,w=freqz_m(h_bs,1);% 調(diào)用自編函數(shù)計算濾波器的頻率特性figure(3)subplot(2,2,1);plot(w,db);title(濾波器幅度響應(yīng)圖);xlabel(w/pi);ylabel(db);axis(0,0.5,-30,10); line(0,0.5,-As,-As,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); line(0,0.5,-Rp,-Rp,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); line(wsd,wsd,-3

21、0,10,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); line(wsu,wsu,-30,10,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); subplot(2,2,2);plot(w,mag);title(濾波器幅度響應(yīng)圖);xlabel(w/pi);ylabel(幅度 mag);axis(0,1,-0.5,1.5); subplot(2,2,3);plot(w,pha);title(濾波器相位響應(yīng)圖);xlabel(w/pi);ylabel(相位 pha); 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第10頁，共22

22、 頁axis(0,3,-4,4); subplot(2,2,4);stem(n,h_bs);title(濾波器脈沖響應(yīng)圖);xlabel(n);ylabel(h(n);axis(0,3000,0,1);程序中用到的二個函數(shù)定義函數(shù) IDEAL_LP.M 定義：function hd = ideal_lp(wc,M);% 理想低通濾波器計算% -% hd = ideal_lp(wc,M)% hd = 0 to M-1 之間的理想脈沖響應(yīng)% wc = 截止頻率(弧度) % M = 理想濾波器的長度%alpha = (M-1)/2;n = 0:1:(M-1);m = n - alpha + eps;

23、hd = sin(wc*m) ./ (pi*m);函數(shù) FREQZ_M.M 定義：function db,mag,pha,grd,w = freqz_m(b,a);% freqz 子程序的改進版本% -% db,mag,pha,grd,w = freqz_m(b,a);% db = 0 到 pi 弧度區(qū)間內(nèi)的相對振幅(db)% mag = 0 到 pi 弧度區(qū)間內(nèi)的絕對振幅% pha = 0 到 pi 弧度區(qū)間內(nèi)的相位響應(yīng)% grd = 0 到 pi 弧度區(qū)間內(nèi)的群遲延% w = 0 到 pi 弧度區(qū)間內(nèi)的 501 個頻率樣本向量% b = Ha(z)的分子多項式系數(shù)(對 FIR b=h)%

24、a = Ha(z)的分母多項式系數(shù)(對 FIR: a=1) 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第11頁，共22 頁%H,w = freqz(b,a,1000,whole); H = (H(1:1:501); w = (w(1:1:501); mag = abs(H); db = 20*log10(mag+eps)/max(mag); pha = angle(H);% pha = unwrap(angle(H); grd = grpdelay(b,a,w);% grd = diff(pha);% grd = grd(1) grd;% grd = 0 grd(

25、1:1:500); grd; grd(2:1:501) 0;% grd = median(grd)*500/pi;得到的波形圖如圖 3.4 所示： 圖 3.4 設(shè)計的濾波器圖形 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第12頁，共22 頁3.4 信號濾波處理信號濾波處理 濾波器設(shè)計完成后，在 MATLAB 平臺上用函數(shù) filter 實現(xiàn)濾波。 濾波程序如下： y_fil=filter(h_bs,1,y);% 用設(shè)計好的濾波器對 y 進行濾波 Y_fil=fft(y_fil);Y_fil=Y_fil(1:N/2); % 計算頻譜取前一半figure(4) sub

26、plot(3,2,1);plot(t,x);xlabel(時間(t);ylabel(幅度); title(原始音樂信號); subplot(3,2,2);plot(f,X);xlabel(頻率(f);ylabel(幅度譜);title(原始音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,600); subplot(3,2,3);plot(t,y);xlabel(時間(t);ylabel(幅度);title(加干擾后的音樂信號); subplot(3,2,4);plot(f,Y);xlabel(頻率(f);ylabel(幅度譜);title(加干擾后的音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,

27、600); subplot(3,2,5);plot(t, y_fil);xlabel(時間(t);ylabel(幅度); title(濾波后音樂信號); subplot(3,2,6);plot(f,Y_fil);xlabel(頻率(f);ylabel(幅度譜);title(濾波后音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,600);得到的濾波前后音樂信號的時域波形圖和頻譜圖對比圖如圖 3.5 所示： 圖 3.5 濾波前后音樂信號的時域波形圖和頻譜圖對比圖 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第13頁，共22 頁3.5 結(jié)果分析結(jié)果分析在 MATLAB 中，

28、經(jīng)過 sound(x,fs,bits)函數(shù)，對經(jīng)過 Flattopwin 窗設(shè)計的 FIR 濾波器之后的音樂信號進行回放，可以聽出濾波之后的音樂信號跟原始音樂信號一樣清晰，完全濾除掉了噪聲的干擾，通過下面語句來進行音樂信號回放比較： sound (y_fil,fs,bits); 播放濾波后的音樂信號 所得結(jié)果證明了用 Flattopwin 窗設(shè)計的 FIR 濾波器和音樂信號去噪設(shè)計是成功的。 4 出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設(shè)計中我遇到的問題如下：1、 在錄音時，沒有將錄音的屬性改為 wav 的格式，當在 Matlab 軟件平臺上調(diào)用時，出現(xiàn)無法調(diào)用的提示，不知道如何將音樂信號截斷成自己所需

29、的長度。2、對在開始錄制音樂信號并將其導(dǎo)入 MATLAB 中的時候出現(xiàn)過錯誤原因是我所下載的音樂信號是雙音頻信號，利用 Flattopwin 窗函數(shù)設(shè)計 FIR 濾波器的設(shè)計步驟很生疏。 3、在在最后對加噪音樂信號進行濾波并繪圖的時也出現(xiàn)了錯誤，繪制出最后的濾波信號的頻譜圖時縱坐標出現(xiàn)了負值，但是原信號的頻譜圖中卻沒有，采用 Flattopwin 窗函數(shù)設(shè)計的 FIR 濾波器時得不到理想的濾波器，因而信號的恢復(fù)不是特別理想。 針對以上問題，相應(yīng)的解決方案如下： 1、通過與同學(xué)討論發(fā)現(xiàn)，不能直接更改文件后綴，應(yīng)用轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為 wav 格式， 向同學(xué)學(xué)習如何截取音樂。 2、在老師的指導(dǎo)下我將音

30、樂信號變成了單聲道信號，自己上網(wǎng)查閱資料，或向圖書館借閱資料，掌握利用 Flattopwin 窗函數(shù)設(shè)計 FIR 濾波器的方法和步驟。 3、對濾波的信號進行 fft 變換之后取絕對值，通過過不斷設(shè)置參數(shù)的值，最終達到最理想的值，設(shè)計出理想的濾波器，使信號得到理想恢復(fù)。 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第14頁，共22 頁 5 結(jié)束語 本次的課程設(shè)計，我的任務(wù)是利用 Flattopwin 窗函數(shù)設(shè)計 FIR 濾波器對吹管音樂信號濾波去噪。在本次課程設(shè)計之前，我對 Flattopwin 窗函數(shù)完全沒有了解，因此在看到這個題目時，我是一頭霧水。但是通過自己翻閱

31、資料和詢問同學(xué)，我掌握了用Flattopwin 窗函數(shù)設(shè)計 FIR 濾波器的方法步驟，了解了窗函數(shù)的基本設(shè)計流程。經(jīng)過這兩周的課程設(shè)計，我學(xué)會了很多東西。 在此我要感謝學(xué)校為我們提供這次課程設(shè)計的機會，感謝老師對我的悉心指導(dǎo)，也感謝同學(xué)對我的幫助。這次的課程設(shè)計讓我理論聯(lián)系實際，不僅鞏固了我們的理論知識，還提高了我的動手能力，經(jīng)過這兩周的課程設(shè)計經(jīng)過為期兩周的課程設(shè)計，這次課程設(shè)計比較的簡單，根據(jù)老師給出的模板，再結(jié)合以前學(xué)過的知識，并在同學(xué)和老師的幫助下我順利的完成了任務(wù)。不同于在教室里上的理論，這次的課程設(shè)計需要將我們平時所學(xué)習的知識運用到實踐之中，將知識學(xué)以致用。因為是以所學(xué)理論為基礎(chǔ)，

32、所以在課程設(shè)計的過程中，我又重溫濾波器、窗函數(shù)等知識，更加熟悉了MATLAB 的操作。課程設(shè)計是我們運用所學(xué)知識，動手實踐的一個很好的機會。它既可以幫助我們加深對所學(xué)知識的理解，又能提高我們運用知識，聯(lián)系實際，動手實踐的能力。而且在設(shè)計過程中可能用到我們沒學(xué)過的知識，需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料獲取相關(guān)信息，這又提高了我們查找信息和學(xué)習新知識的能力。在實物的調(diào)試與檢測過程中，又會遇到許多意想不到的問題，需要我們?nèi)シ治鲈蚝徒鉀Q問題。也體會到真正的去獨立地完成一件事情是很困難的，同學(xué)以及老師的幫助和提醒是必須的。通過這次課程設(shè)計，我拓寬了知識面，鍛煉了實際操作能力，綜合素質(zhì)也得到了提高，進一步加深了了我們

33、對專業(yè)的認識和激發(fā)了我們對專業(yè)的興趣。雖然課程設(shè)計結(jié)束了，但是我們的學(xué)習還沒結(jié)束，對知識的進一步學(xué)習還需要繼續(xù)，很開心成功地完成了這次設(shè)計。 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第15頁，共22 頁 參考文獻參考文獻1張志涌精通 MATLAB 6.5 版M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20032約翰普羅克斯數(shù)字信號處理M西安：西安交通大學(xué)出版社，20093張小虹信號系統(tǒng)與數(shù)字信號處理M第 1 版西安：西安電子科技出版社，20024謝德芳數(shù)字信號處理M北京：科學(xué)出版社，20055郝建軍數(shù)字通信M第 2 版北京：北京郵電大學(xué)出版社，20106張威MATLAB 基

34、礎(chǔ)與編程入門M西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第16頁，共22 頁附錄一： 音樂信號濾波去噪使用 FLARTOPWIN 濾波器%程序功能：在 Matlab 中，用窗口設(shè)計法設(shè)計 FIR 濾波器%程序作者：趙伯政%最后修改日期：2012-3-4%程序一： x,fs,bits=wavread(yinyue.wav);%讀取音樂信號 sound(x,fs,bits);%播放音樂信號 N=length(x);%計算音樂信號的長度 fn=2200; % 單頻噪聲頻率 t=0:1/fs:(N-1)/fs; % 計算時間范圍，樣

35、本數(shù)除以采樣頻率 x=x(:,1); y=x+sin(fn*2*pi*t); plot(t,x); xlabel(t ins);ylabel(x);%畫原始音樂信號的時域波形圖sound(y,fs,bits);%播放干擾后的音樂信號，應(yīng)該可以明顯聽出有尖銳的單頻嘯叫聲%程序二： X=abs(fft(x);Y=abs(fft(y); % 對原始信號和加噪信號進行 fft 變換,取幅度譜 X=X(1:N/2); Y=Y(1:N/2);% 截取前半部分 deltaf=fs/N; % 計算頻譜的譜線間隔 f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計算頻譜頻率范圍figure(2) subpl

36、ot(2,2,1);plot(t,x);xlabel(時間(t);ylabel(幅度); title(原始音樂信號); subplot(2,2,2);plot(f,X);xlabel(頻率(f);ylabel(幅度譜);title(原始音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,600); subplot(2,2,3);plot(t,y);xlabel(時間(t);ylabel(幅度);title(加干擾后的音樂信號); 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第17頁，共22 頁 subplot(2,2,4);plot(f,Y);xlabel(頻率(f);y

37、label(幅度譜);title(加干擾后的音樂信號幅度譜);axis(0,8000,0,600);%程序三： fpd=2100;fsd=2150;fsu=2250;fpu=2300;Rp=1;As=20;% 帶阻濾波器設(shè)計指標 fcd=(fpd+fsd)/2;fcu=(fpu+fsu)/2;df=min(fsd-fpd),(fpu-fsu);% 計算上下邊帶中心頻率，和頻率間隔 wcd=fcd/fs*2*pi;wcu=fcu/fs*2*pi;dw=df/fs*2*pi; % 將 Hz 為單位的模擬頻率換算為 rad 為單位的數(shù)字頻率 wsd=fsd/fs*2*pi;wsu=fsu/fs*2*

38、pi; M=ceil(6.1*pi/dw)+1; % 計算窗設(shè)計該濾波器時需要的階數(shù) n=0:M-1; % 定義時間范圍 w_par=(Flattopwin (M); % 產(chǎn)生 M 階的 Flattopwin 窗 hd_bs=ideal_lp(wcd,M)+ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wcu,M);% 調(diào)用自編函數(shù)計算理想帶阻濾波器的脈沖響應(yīng) h_bs=w_par.*hd_bs; % 用窗口法計算實際濾波器脈沖響應(yīng) db,mag,pha,grd,w=freqz_m(h_bs,1);% 調(diào)用自編函數(shù)計算濾波器的頻率特性figure(3)subplot(2,2,1);plot(

39、w,db);title(濾波器幅度響應(yīng)圖);xlabel(w/pi);ylabel(db);axis(0,0.5,-30,10); line(0,0.5,-As,-As,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); line(0,0.5,-Rp,-Rp,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); line(wsd,wsd,-30,10,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); line(wsu,wsu,-30,10,color,r,linestyle,-,LineWidth,2); subplot(2,2,2);plot(

40、w,mag);title(濾波器幅度響應(yīng)圖);xlabel(w/pi);ylabel(幅度 mag);axis(0,1,-0.5,1.5); subplot(2,2,3);plot(w,pha);title(濾波器相位響應(yīng)圖);xlabel(w/pi);ylabel(相位 pha);axis(0,3,-4,4); subplot(2,2,4);stem(n,h_bs);title(濾波器脈沖響應(yīng)圖);xlabel(n);ylabel(h(n); 黃珺 吹管濾波去噪使用 FLATTOPWIN 窗設(shè)計的 FIR 濾波器 第18頁，共22 頁axis(0,3000,0,1);%程序四： y_fil=filter(h_bs,1,y);% 用設(shè)計好的濾波器對 y 進行濾波 Y_fil=fft(y_fil);Y_fil=Y_fil(1:N/2); % 計算頻譜取前一半figure(4) subplot(3,2,1);plot(t,x);xlabel(時間(t);ylabel(幅度); title(原始音樂信號); s