數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)-應(yīng)用Matlab進(jìn)行信號(hào)分析及濾波器設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)應(yīng)用Matlab進(jìn)行信號(hào)分析及濾波器設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)目的進(jìn)一步鞏固數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、理論、分析方法和實(shí)現(xiàn)方法；增強(qiáng)運(yùn)用Matlab軟件編寫(xiě)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用程序及分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。課程設(shè)計(jì)題目應(yīng)用Matlab進(jìn)行信號(hào)分析及濾波器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容為了鞏固所學(xué)的數(shù)字信號(hào)處理理論知識(shí)，使學(xué)生對(duì)信號(hào)的存儲(chǔ)、時(shí)頻域分析、圖形顯示以及數(shù)字濾波等有系統(tǒng)性的掌握和理解，安排了以下的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容：針對(duì)噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)，首先利用sound函數(shù)試聽(tīng)語(yǔ)音信號(hào)的內(nèi)容，接著通過(guò)編寫(xiě)程序分析語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形和功率譜波形。按照給定要求，分別設(shè)計(jì)IIR和FIR數(shù)字濾波器，并分析濾波器的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)，群延遲響應(yīng)以及零極點(diǎn)位置。然后用設(shè)計(jì)好的濾波器對(duì)存在噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，分析濾波后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和功率譜波形，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；回放語(yǔ)音信號(hào)，檢驗(yàn)噪聲干擾是否消除；最后，利用GUI設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)界面。下面對(duì)各步驟加以具體說(shuō)明。3.1提取噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)，播放其內(nèi)容給定了4段噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)（見(jiàn)附件說(shuō)明），要求學(xué)生利用audioread函數(shù)提取語(yǔ)言信號(hào)的數(shù)據(jù)，并用sound函數(shù)播放其內(nèi)容。（說(shuō)明：本小節(jié)利用的函數(shù)可以從MATLAB幫助文件中GUIBuilding\PredefinedDialogBoxes及DataImportandExport\AudioandVideo中找到，不同版本的matlab的幫助文件位置可能有所不同，本項(xiàng)目以matlab2014b版本為參考。）3.2噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域和頻域分析語(yǔ)音信號(hào)是非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，頻率會(huì)隨著時(shí)間而變化。在語(yǔ)音信號(hào)處理研究領(lǐng)域，通常用短時(shí)間的傅里葉變換（STFT）來(lái)分析其時(shí)域和頻率特性，也就是在20ms~50ms以內(nèi)，可以將語(yǔ)音信號(hào)看成是平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程。平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程是功率信號(hào)，可以用功率譜來(lái)描述。所加的噪聲干擾是單音干擾，單音干擾是周期信號(hào)。要求學(xué)生首先畫(huà)出噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形；然后畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的功率譜波形，從而加深學(xué)生對(duì)信號(hào)時(shí)域和頻域特性的理解。提示：這里提取了20ms的語(yǔ)音信號(hào)來(lái)分析其時(shí)域和功率譜特性，由于采樣頻率是8000Hz，因此我們利用了160個(gè)采樣點(diǎn)，起始點(diǎn)在第10001點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)在第10160點(diǎn)。功率譜密度函數(shù)為periodogram。3.3設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫(huà)出其頻率響應(yīng)要求學(xué)生分別設(shè)計(jì)無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（IIR）和有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（FIR）的低通、高通、帶通和帶阻數(shù)字濾波器。IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法模擬濾波器設(shè)計(jì)法。首先設(shè)計(jì)模擬低通原型濾波器（巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓形濾波器），然后分別利用脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法轉(zhuǎn)化成數(shù)字濾波器。FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法窗函數(shù)設(shè)計(jì)法。利用不同的窗函數(shù)（矩形窗，巴特列特，漢寧窗，海明窗，布拉克曼窗，凱澤窗）來(lái)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器。分析濾波器的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)、零極點(diǎn)分布以及群延遲。3.4用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波要求學(xué)生用設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器對(duì)噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。3.5比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜要求學(xué)生在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后的時(shí)域波形及頻域波形。3.6回放語(yǔ)音信號(hào)利用sound函數(shù)回放經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器濾波之后的語(yǔ)音信號(hào)，檢驗(yàn)噪聲是否已經(jīng)濾除，如無(wú)法濾除，重新設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)，直到噪聲完全消除。3.7設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面為了使編制的程序操作方便，要求學(xué)生設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的用戶界面。在所設(shè)計(jì)的用戶界面上可以選擇濾波器的響應(yīng)類型，如低通，高通；可以選擇濾波器的設(shè)計(jì)方法，如IIR和FIR，其中IIR下又可選butter，chebyI,chebyII和ellip，F(xiàn)IR可根據(jù)輸入的參數(shù)，選擇不同的窗函數(shù)。

結(jié)果分析以高頻噪聲的濾波處理為例：1選取帶高頻噪聲的音頻文件2對(duì)音頻的時(shí)域及功率譜分析3選定各參數(shù)，設(shè)計(jì)濾波器4濾波器的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)、群延遲響應(yīng)及零極點(diǎn)分布5濾波前后波形的時(shí)域/頻域比較心得體會(huì)在這次課程設(shè)計(jì)之前我其實(shí)是沒(méi)有過(guò)圖形界面的編程經(jīng)驗(yàn)的，因此在起初時(shí)對(duì)于完成這個(gè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)中的的困難有過(guò)不小的擔(dān)心，但真正開(kāi)始做界面編程，仔細(xì)閱讀了matlab官方文檔和網(wǎng)絡(luò)上找到的一些例程之后，發(fā)現(xiàn)matlab的界面編程實(shí)際上還是比較容易掌握的，不用花很多時(shí)間就能把課程設(shè)計(jì)中需要的界面元素運(yùn)用起來(lái)。實(shí)操中的這一經(jīng)歷讓我體會(huì)到可能有更多的知識(shí)和技術(shù)就像這樣，雖然看上去令人生畏，但只要花時(shí)間去研究運(yùn)用，也是可以比較順利的掌握的。Matlab的官方幫助文檔非常強(qiáng)大，在設(shè)計(jì)整個(gè)程序的過(guò)程中，大多數(shù)關(guān)于內(nèi)置函數(shù)的使用、數(shù)據(jù)的存放和調(diào)用等的問(wèn)題都可以在幫助文檔中尋找到答案，偶有漏網(wǎng)之魚(yú)也可以通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上搜索相關(guān)問(wèn)題加以解決，這時(shí)英語(yǔ)閱讀的能力以及觸類旁通舉一反三的能力就顯得相當(dāng)重要了。任何程序的開(kāi)發(fā)編寫(xiě)都需要持續(xù)的思考、優(yōu)化和耐心的調(diào)試排錯(cuò)，用matlab編寫(xiě)程序也是如此。在編寫(xiě)這個(gè)信號(hào)分析及濾波的程序的過(guò)程中，需要我們持續(xù)的思考，以進(jìn)一步地優(yōu)化程序的邏輯流程，提高運(yùn)行效率和可靠性，以及精簡(jiǎn)代碼量。另一方面，在編程的過(guò)程中由于自身的疏忽或matlab語(yǔ)言本身的限制，我們會(huì)經(jīng)常遇到一些bug或者執(zhí)行結(jié)果與預(yù)想