數(shù)字信號處理課程設(shè)計--數(shù)字濾波器設(shè)計及在語音信號分析中的應(yīng)用

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文檔簡介

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)字濾波器設(shè)計及在語音信號分析中的應(yīng)用 　　專業(yè) 通信工程

2、班級通信工程1101 　　學(xué) 號 　　姓名 　　指導(dǎo)教師 &l

3、t;/p>　　2013年 9月 8日　　課程設(shè) 計任務(wù) 書　　課程名稱數(shù)字信號處理 　　課題數(shù)字信號濾波器設(shè)計及在語音信號中的　　分析中的應(yīng)用

4、　　專業(yè)班級通信工程1101 　　學(xué)生姓名 　　學(xué) 號 　　指導(dǎo)老師 　　審

5、批 　　任務(wù)書下達日期 2013 年 9月 1 日　　任務(wù)完成日期 2013 年 9月 8日　　《數(shù)字信號處理》課程設(shè)計任務(wù)書　　一、設(shè)計目的</p&g

6、t;　　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、 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計方法。<p&

7、gt;　　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

8、，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<

9、/p>　　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)計報告<

10、p>　　附：　　課程設(shè)計報告裝訂順序：封面、任務(wù)書、目錄、正文、評分、附件（A4大小的圖紙及程序清單）。 　　正文的格式:一級標題用3號黑體,二級標題用四號宋體加粗,正文用小四號宋體;行距為22。　　正文的內(nèi)容:一、課題的主要功能；二、課題的功能模塊的劃分；三、主要功

11、能的實現(xiàn)；四、程序調(diào)試；五、總結(jié)；六、附件（所有程序的原代碼，要求對程序?qū)懗霰匾淖⑨專?；七、評分表。　　目錄　　1、課題的主要功能1　　1.1 問題描述1　　1.2 功能要求1

12、　　2、課題的功能模塊的劃分2　　3、濾波器實現(xiàn)的原理3　　3.1 FIR濾波器3　　3.2 窗函數(shù)設(shè)計法3　　4、程序調(diào)試4　　4.1 對原始信號進行時域和頻域的分析4&l

13、t;/p>　　4.2 含噪語音信號的合成5　　4.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計及濾波8　　5、總結(jié)16　　6、附件16　　7、評分表21<

14、;/b>　　課題的主要功能　　1.1 問題描述　　語音信號采集（每個同學(xué)必須錄制本人的語音信號）　　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；

15、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。　　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。根據(jù)頻譜圖求出其帶寬，并說明語音信號的采樣頻率不能低于多少赫茲。&l

16、t;p>　　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）；（4）其它干擾，可設(shè)置為低頻、高頻、帶限噪聲，或Chirp干擾、沖激干擾。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

17、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形的改變。　　1.2 功能要求　　給定濾波器的規(guī)一化性能指標（參考指標,實際中依據(jù)每個同學(xué)所疊加噪聲情況而定）例如：通帶截止頻率wp=0.25*pi, 阻通帶截止頻率ws=0.3*pi; 通帶最大衰減Rp=1 dB; 阻帶最小衰減Rs=15 dB。</p&g

18、t;　　采用窗函數(shù)法（至少采用兩種以上不同的窗函數(shù)）分別設(shè)計各型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；在相同的性能指標下比較各方法的濾波效果，并從理論上進行分析（或解釋）。　　2、課題的功能模塊的劃分

19、　　根據(jù)設(shè)計的要求，首先自己錄制一段語音信號，對語音信號加入噪聲干擾，再利用矩形窗和哈明窗設(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)計流程圖如圖所示：　　否　　是　　圖

20、 1 設(shè)計流程圖　　本次濾波器設(shè)計分為原始語音信號模塊，噪音模塊，濾波器設(shè)計模塊，濾波器濾波模塊。其中噪音模塊加的有高斯白噪聲，單頻余弦信號，多頻余弦信號噪音。濾波器設(shè)計模塊，我選用的是矩形窗的低通和帶通濾波器設(shè)計，哈明窗的低通和帶通濾波器設(shè)計。濾波器濾波模塊經(jīng)過多次調(diào)整，濾波效果已趨完善。　　濾波器實現(xiàn)的原理<

21、;/b>　　3.1 FIR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。在設(shè)計一個濾波器之前，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

22、。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。它以分貝值的形式給出要求。　　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

23、逼近給定的目標。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。　　3.2 窗函數(shù)設(shè)計法　　窗函數(shù)設(shè)計法是一種通過截斷和計權(quán)的方法使無限

24、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值給出的相對幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。　　窗函數(shù)設(shè)計法步驟如下：　?。?）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

25、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)。　?。?）由性能指標確定窗函數(shù)W(n)和長度N。　?。?）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)。　　程序調(diào)試<

26、;/b>　　4.1 對原始信號進行時域和頻域的分析　　[x1,fs,bits]=wavread('d:/text');　　%sound(x1,fs,bits);　　y1=fft(x1,32768);<

27、b>　　figure(1)　　subplot(2,1,1)　　plot(x1);　　title('原始語音信號時域波形');　　subplot(2,1,2)<p&

28、gt;　　plot(abs(y1));　　title('原始語音信號頻譜')　　圖 2 原始信號波形　　4.2 含噪語音信號的合成　　x2=awgn(x1,10);　　%sound(x2,fs,bits)<

29、/p>　　y2=fft(x2,32768);　　figure(2)　　subplot(2,1,1)　　plot(x2);　　title('加高斯白噪聲語音信號的

30、時域波形')　　subplot(2,1,2)　　plot(abs(y2));　　title('加高斯白噪聲語音信號的頻譜')　　N=length(x1)-1;　　t=0:1/fs:N/fs;</p&g

31、t;　　d=[0.8*cos(2*pi*5000*t)]';　　d2=[0.8*cos(2*pi*20*t)]';　　x3=x1+d;　　x4=x1+d2+d;　　%sound(x3,fs,bit

32、s);　　figure(3)　　subplot(2,1,1)　　plot(x3)　　title('加單頻余弦信號的語音信號時域波形')

33、y3=fft(x3,32768);　　subplot(2,1,2)　　plot(abs(y3));　　title('加單頻余弦信號的語音信號頻譜')　　figure(12)　　subplot(2,1,1)</

34、p>　　plot(x4)　　title('加多頻余弦信號的語音信號時域波形')　　y4=fft(x4,32768);　　subplot(2,1,2);　　plot(abs(y4));<

35、/p>　　title('加多頻余弦信號的語音信號頻譜')　　圖3 高斯白噪聲波形　　圖 4 加單頻噪聲波形　　圖 5 加多頻余弦信號波形　　4.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計及濾波　　矩形窗低

36、通濾波器設(shè)計及濾波結(jié)果　　%矩形窗 %低通　　wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;　　Bt=ws-wp;　　N=ceil(1.8*pi/Bt);　　w

37、c=(wp+ws)/2/pi;　　hn=fir1(N,wc,boxcar(N+1));　　[H,f]=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)　　figure(4)　　subplot(2,1

38、,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)))　　xlabel('頻率/Hz'

39、;);ylabel('相位/^o');grid on;　　y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　%sound(y4,fs,bits);　　figure(5)

40、　subplot(2,1,1), plot(t,x3),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y4) %繪出輸出信號波形　　圖 6 矩形窗低通濾波器　　圖 7 矩形窗低通濾波結(jié)果&l

41、t;p>　　矩形帶通濾波器設(shè)計及濾波結(jié)果　　wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*pi;whp=0.7*pi;　　delta_w=whp-whs;　　wp=[0.35 0.66];N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)

42、　　Fs=8000;　　b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器　　figure(6)　　[H,f]=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應(yīng)</p&

43、gt;　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)))<p

44、>　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o');grid on;　　y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　%sound(y5,fs,bits);　　figure(7)</b

45、>　　subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y5) %繪出輸出信號波形　　hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim,

46、'r') %繪制延遲到的時刻　　title('輸出信號'),xlabel('時間/s')　　圖 8 矩形窗帶通濾波器設(shè)計　　圖 9 矩形窗帶通濾波器濾波結(jié)果　　哈明窗低通濾波器設(shè)計及濾波結(jié)果&

47、lt;p>　　%哈明窗 %低通　　wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;　　Bt=ws-wp;　　N=ceil(6.6*pi/Bt);　　wc=(wp+ws)/2/pi;

48、;　　hn=fir1(N,wc,hamming(N+1));　　[H,f]=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)　　figure(8)　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs

49、(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o

50、9;);grid on;　　y6=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　%sound(y6,fs,bits);　　figure(9)　　subplot(2,1,1), plot(t

51、,x3),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y6) %繪出輸出信號波形　　title('輸出信號'),xlabel('時間/s')　　圖 10 哈明窗低通濾波器</p

52、>　　圖 11 哈明窗低通濾波器濾波結(jié)果　　哈明窗帶通濾波器設(shè)計及濾波結(jié)果　　%哈明窗 %帶通　　%Samp7_6　　wp=[0.35 0.65];N=48;

53、%通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)　　Fs=8000;　　b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器　　figure(10)　　[H,f]=freqz(b,1,512,Fs); %以50

54、Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應(yīng)　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angl

55、e(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o');grid on;　　y7=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　sound(y7,fs,bits);　　fi

56、gure(11)　　subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y7) %繪出輸出信號波形　　hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),yl

57、im, 'r') %繪制延遲到的時刻　　title('輸出信號'),xlabel('時間/s')　　圖 12 哈明窗帶通濾波器　　圖13 哈明窗帶通濾波器濾波結(jié)果　　總結(jié)<

58、;/p>　　這次課設(shè)是我自己辛辛苦苦做出的，雖然限于時間短暫濾波器還有一些問題，低通濾波器濾波結(jié)果很不理想，但是那種努力換得成功的感覺還是讓我著實讓我開心了許久?？偟母杏X：首先從以前對濾波器設(shè)計，語音信號降噪幾乎完全不懂慢慢有了一定了解，感覺它不再那么神秘和難以理解，自信心增長了不少；其次，對于matlab的使用更加得心應(yīng)手，增強了專業(yè)與工具的聯(lián)系。最后，真心感覺很多課設(shè)是我自己可以做出來的，只是你在成功之前

59、就已經(jīng)放棄，也就是說你過不了自己這關(guān)，而不是課設(shè)。　　附件　　源程序代碼：　　[x1,fs,bits]=wavread('d:/text');　　%sound(x1,fs,bits

60、);　　y1=fft(x1,32768);　　figure(1)　　subplot(2,1,1)　　plot(x1);　　title('原始語音信

61、號時域波形');　　subplot(2,1,2)　　plot(abs(y1));　　title('原始語音信號頻譜')　　x2=awgn(x1,10);　　%sound(x2,fs,bits)</p&

62、gt;　　y2=fft(x2,32768);　　figure(2)　　subplot(2,1,1)　　plot(x2);　　title('加高斯白噪聲語音信號的時域波

63、形')　　subplot(2,1,2)　　plot(abs(y2));　　title('加高斯白噪聲語音信號的頻譜')　　N=length(x1)-1;　　t=0:1/fs:N/fs;

64、　　d=[0.8*cos(2*pi*5000*t)]';　　d2=[0.8*cos(2*pi*20*t)]';　　x3=x1+d;　　x4=x1+d2+d;　　%sound(x3,fs,bits);

65、　　figure(3)　　subplot(2,1,1)　　plot(x3)　　title('加單頻余弦信號的語音信號時域波形')　　y3=

66、fft(x3,32768);　　subplot(2,1,2)　　plot(abs(y3));　　title('加單頻余弦信號的語音信號頻譜')　　figure(12)　　subplot(2,1,1)</p&g

67、t;　　plot(x4)　　title('加多頻余弦信號的語音信號時域波形')　　y4=fft(x4,32768);　　subplot(2,1,2);　　plot(abs(y4));</p&

68、gt;　　title('加多頻余弦信號的語音信號頻譜')　　%矩形窗 %低通　　wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;　　Bt=ws-wp;　　N=ceil

69、(1.8*pi/Bt);　　wc=(wp+ws)/2/pi;　　hn=fir1(N,wc,boxcar(N+1));　　[H,f]=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)　　figure(4)</b&g

70、t;　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)))</p&g

71、t;　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o');grid on;　　y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　%sound(y4,fs,bits);　　figur

72、e(5)　　subplot(2,1,1), plot(t,x3),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y4) %繪出輸出信號波形　　title('輸出信號'),xlabel

73、('時間/s')　　%矩形窗 %帶通　　wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*pi;whp=0.7*pi;　　delta_w=whp-whs;　　wp=[0.35 0.66];N=48;

74、 %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)　　Fs=8000;　　b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器　　figure(6)　　[H,f]=freqz(b,1,

75、512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應(yīng)　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(2,1,2),plot(

76、f,180/pi*unwrap(angle(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o');grid on;　　y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　%sound(y5,fs,bits);<

77、/p>　　figure(7)　　subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y5) %繪出輸出信號波形<p&

78、gt;　　hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, 'r') %繪制延遲到的時刻　　title('輸出信號'),xlabel('時間/s')　　%哈明窗 %低通　　wp=0.5*pi;ws

79、=0.6*pi;　　Bt=ws-wp;　　N=ceil(6.6*pi/Bt);　　wc=(wp+ws)/2/pi;　　hn=fir1(N,wc,hamming(N+1));　　[H,f]=fr

80、eqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)　　figure(8)　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB

81、9;);grid on;　　subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o');grid on;　　y6=fftfilt(hn,x3); %采用fftf

82、ilt對輸入信號濾波　　%sound(y6,fs,bits);　　figure(9)　　subplot(2,1,1), plot(t,x3),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2)

83、,plot(t,y6) %繪出輸出信號波形　　title('輸出信號'),xlabel('時間/s')　　%哈明窗 %帶通　　%Samp7_6<

84、;p>　　wp=[0.35 0.65];N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)　　Fs=8000;　　b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器　　figure(10)　　[H,f

85、]=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應(yīng)　　subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;　　subplot(

86、2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)))　　xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/^o');grid on;　　y7=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾波　　sound(y7,fs

87、,bits);　　figure(11)　　subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入信號')%繪出輸入信號波形　　subplot(2,1,2),plot(t,y7) %繪出輸出信號波形　　ho

88、ld on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, 'r') %繪制延遲到的時刻　　title('輸出信號'),xlabel('時間/s')　　7、評分表　　計算機與通信學(xué)院課程設(shè)計評分表</p&

眾賞文庫> 全部分類> 畢業(yè)設(shè)計

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數(shù)字信號處理課程設(shè)計--數(shù)字濾波器設(shè)計及在語音信號分析中的應(yīng)用

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