吳數(shù)字信號(hào)課程設(shè)計(jì)

1、三峽大學(xué)理學(xué)院數(shù)字信號(hào)處理 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 姓名：吳夢(mèng)洋 鐘曉杰 學(xué)號(hào)：2011142206 2011142217 專(zhuān)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)老師：黃瑤一設(shè)計(jì)要求（1）題目二：錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間小于30秒，引入高斯白噪聲，實(shí)驗(yàn)不同信噪比下IIR濾波器的濾波效果，分析濾波性能。（2）要求：1、給出濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，分析濾波性能；2、至少采用兩種窗函數(shù)設(shè)計(jì)。（3）設(shè)計(jì)方案：Windows自帶的錄音機(jī)聲音麥克風(fēng)聲卡濾波采樣A/D轉(zhuǎn)換 Wav首先，錄制一段語(yǔ)音信號(hào)（如圖）；然后，利用MATLAB中的wavread命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個(gè)

2、普通的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行FFT變換實(shí)現(xiàn)頻譜分析；隨后，利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜分析。最后；再依據(jù)實(shí)際情況對(duì)它進(jìn)行濾波。對(duì)于波形圖與頻譜h圖（包括濾波前后的對(duì)比圖）都可以用 MATLAB畫(huà)出。我們還可以通過(guò)sound命令來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，以便在聽(tīng)覺(jué)上來(lái)感受聲音的變化。二語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪（1）語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析 在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用MATLAB中的“wavread”命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再對(duì)其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。接下來(lái)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)welcome.wav進(jìn)行采樣。

3、其采樣程序如下： y,fs,nbits=wavered (welcome);即把語(yǔ)音信號(hào)加載入Matlab 仿真軟件平臺(tái)中。然后，畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計(jì)算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：Xk=fft(xn,N)參數(shù)xn為被變換的時(shí)域序列向量，N是DFT變換區(qū)間長(zhǎng)度，當(dāng)N大于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計(jì)中，利用fft對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。其程序如下：y,fs,nbits=wavread (

4、'welcome');sound(y,fs,nbits); %回放語(yǔ)音信號(hào)N = length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度Noise=0.01*randn(N,1); %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲Si=y+Noise; %語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲 sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');S=fft(Si); %傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(S); title('加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻域波形');程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：原始信號(hào)波形及頻譜（2）語(yǔ)音信號(hào)加噪和頻譜分析在本次課

5、程設(shè)計(jì)中，我們是利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜分析。Randn函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者產(chǎn)生n×n服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生m×n的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randn（m,n）函數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：close all;clear all;clc;y,fs,nbits=wavread ('E:welcome');N=length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度Noise=0.01*randn(N,

6、1); %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲Si=y+Noise; %語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲 sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');S=fft(Si); %傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(S); title('加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻域波形');程序運(yùn)行結(jié)果如下圖加噪后的波形及頻譜分析3 濾波器設(shè)計(jì)（1） 前提 FIR濾波器必須采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對(duì)于線(xiàn)性相位濾波器，經(jīng)常采用FIR濾波器。FIR濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)

7、函數(shù)H (z)在極點(diǎn)處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。如下：1.根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過(guò)渡帶的指標(biāo)要求，選擇串窗數(shù)類(lèi)型（矩形窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗、凱塞窗等），并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類(lèi)型。原則是在保證阻帶衰減滿(mǎn)足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。2.構(gòu)造希望逼近的頻率響

8、應(yīng)函數(shù)。3.計(jì)算h(n).。4.加窗得到設(shè)計(jì)結(jié)果。接下來(lái)，我們根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器的性能指標(biāo)：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB高通濾波器的性能指標(biāo)：fp=3500Hz，fc=4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；帶通濾波器的性能指標(biāo)：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB在Matlab中，可以利用函數(shù)fir1設(shè)計(jì)FIR濾波器，利用函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器，利用Matlab中的函數(shù)freqz畫(huà)出各步步器

9、的頻率響應(yīng)。hn=fir1(M，wc，window)，可以指定窗函數(shù)向量window。如果缺省window參數(shù)，則fir1默認(rèn)為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相應(yīng)的都有實(shí)現(xiàn)函數(shù)。函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線(xiàn)性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可（2）用FIR濾波器語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波1. 濾波器的程序設(shè)計(jì)由頻譜圖可以看出信號(hào)能量集中在低頻部分，為了減少無(wú)用的高頻分量我設(shè)計(jì)了以下的FIR低通濾波器將其濾除。通帶截頻fp=3000Hz，阻帶截頻fs=350

10、0Hz，通帶最大衰減0.3dB，阻帶最小衰減50dB，采樣頻率fs為信號(hào)源采樣頻率22050Hz。a.設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法（漢明窗）來(lái)設(shè)計(jì)低通濾波器。源程序如下：Wp=3000*2*pi;Ws=3500*2*pi;Ap=0.3;As=50;fs=22050;wp=Wp/fs;ws=Ws/fs; %歸一化通帶截頻，阻帶截頻wdelta=ws-wp; %過(guò)渡帶寬%由阻帶最小衰減指標(biāo)確定選用漢明窗，并確定其階數(shù)N=ceil(6.6*pi/wdelta); Nw=N; n=0:N-1;alpha=(N-1)/2; %求濾波器的相位延遲m=n-alpha+eps;%理想濾波器脈沖響應(yīng)wc=(wp+ws)/2

11、; %理想截頻 hd=sin(wc*m)./(pi*m); %采用漢明窗設(shè)計(jì)win=hamming(Nw);h=hd.*win' b=h; H,f=freqz(b,1,512,fs); %繪制濾波器的幅頻響應(yīng)圖plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率');ylabel('幅度');title('濾波器幅頻特性');grid on;幅頻特性曲線(xiàn)如下所示：漢明窗濾波器幅頻特性曲線(xiàn)b.設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法（Blackman窗）設(shè)計(jì)低通濾波器Wp=3000*2*pi;Ws=3500*2*pi;Ap=0.3;As=50;fs=2

12、2050;wp=Wp/fs;ws=Ws/fs; %歸一化通帶截頻，阻帶截頻wdelta=ws-wp; %過(guò)渡帶寬%由阻帶最小衰減指標(biāo)確定選用Blackman窗，并確定其階數(shù)N=ceil(6.6*pi/wdelta); Nw=N; n=0:N-1;alpha=(N-1)/2; %求濾波器的相位延遲m=n-alpha+eps;%理想濾波器脈沖響應(yīng)wc=(wp+ws)/2; %理想截頻 hd=sin(wc*m)./(pi*m); %采用Blackman窗設(shè)計(jì)win=blackman(Nw);h=hd.*win' b=h; H,f=freqz(b,1,512,fs); %繪制濾波器的幅頻響應(yīng)圖

13、plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率');ylabel('幅度');title('濾波器幅頻特性');grid on;幅頻特性曲線(xiàn)如下所示：Blackman窗濾波器幅頻特性曲線(xiàn)四濾波前后信號(hào)比較源程序如下：x,fs,bits=wavread('E:welcome.wav');%信號(hào)讀取sound(x,fs);y=fftfilt(b,x); %濾波輸出函數(shù)fftfilt的調(diào)用格式為y=fftfilt(b,x)該格式是利用基于FFT的重疊相加法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，這種頻域?yàn)V波技術(shù)只對(duì)FIR濾波器有效。該函數(shù)是通

14、過(guò)向量b描述的濾波器對(duì)x數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。figure(2);subplot(2,1,1); plot(x),title('輸入信號(hào)')%繪制輸入信號(hào)subplot(2,1,2);plot(y) % 繪制輸出信號(hào)xlabel('時(shí)間/s'),title('輸出信號(hào)')sound(y,fs);%輸入輸出頻譜X=fft(x);Y=fft(y);figure(3);subplot(2,1,1);plot(abs(X);xlabel('頻率');ylabel('幅度');title('輸入信號(hào)頻譜');grid

15、 on;subplot(2,1,2);plot(abs(Y);xlabel('頻率');ylabel('幅度');title('輸出信號(hào)頻譜');grid on;時(shí)域圖如下：頻譜圖如下：第三節(jié) 比較回放語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)以上的加噪聲濾波處理后，可在Matlab中用函數(shù)sound對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,bits)?？梢圆煊X(jué)濾波前后的聲音有明顯的變化。通過(guò)上面的頻譜圖可以很清晰地觀察到經(jīng)過(guò)濾波后與濾波前存在明顯差別，濾波后的頻譜比加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜清晰，濾波后的聲音顯得比較低沉，因?yàn)樵夹盘?hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，低通濾波器已經(jīng)把信號(hào)高頻部分濾掉了，只剩下低頻部分。五心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)雖然歷時(shí)不長(zhǎng)，但是可以學(xué)的到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的了解，讓我對(duì)它有了更加濃厚的興趣。但是在編寫(xiě)程序時(shí)，也遇到了不少問(wèn)題，特別是程序語(yǔ)法，總是有錯(cuò)誤，在細(xì)心的檢查下，終于找出了錯(cuò)誤和警告，排除困難后，程序編譯就通過(guò)了，心里終于舒了一口氣。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中