《數(shù)字信號(hào)處理》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)13

1、.數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)一、 課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)與目的數(shù)字信號(hào)處理課程是通信專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是信息的數(shù)字化處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過該課程的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)信號(hào)與信息的采集、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用等有一個(gè)系統(tǒng)的掌握和理解；鞏固和運(yùn)用在數(shù)字信號(hào)處理課程中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，掌握數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論和處理方法，提高分析和解決信號(hào)與信息處理相關(guān)問題的能力，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。數(shù)字濾波器是一種用來過濾時(shí)間離散信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)，通過對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的。根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類：無限沖激響應(yīng)（ IIR ）濾波器和有限沖激響

2、應(yīng)（FIR）濾波器。.專業(yè)資料 .二、課程設(shè)計(jì)題目題目 1：數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及在語音信號(hào)分析中的應(yīng)用。1、設(shè)計(jì)步驟：（ 1）語音信號(hào)采集錄制一段課程設(shè)計(jì)學(xué)生的語音信號(hào)并保存為文件，要求長度不小于10 秒，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；錄制時(shí)可以使用Windows 自帶的錄音機(jī)，或者使用其它專業(yè)的錄音軟件，錄制時(shí)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。然后在 Matlab 軟件平臺(tái)下，利用函數(shù)wavread 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。（ 2）語音信號(hào)分析使用 MATLAB繪出采樣后的語音信號(hào)的時(shí)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(hào)的采樣

3、頻率不能低于多少赫茲。（ 3）含噪語音信號(hào)合成在 MATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：白噪聲；單頻噪色（正弦干擾）；多頻噪聲（多正弦干擾）；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(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號(hào)圖形對(duì)比，也可通過 Windows 播放軟件從聽覺上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語音信號(hào)頻譜和時(shí)域波形的改變。（ 4）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及濾波給定濾波器的規(guī)一化性能指標(biāo)（參考指標(biāo) , 實(shí)際中依據(jù)每個(gè)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*p

4、i; 通帶最大衰減Rp=1 dB; 阻帶最小衰減Rs=15 dB，每個(gè)題目至少設(shè)計(jì)出5 個(gè)用不同方法的不同類型濾波器。：采用窗函數(shù)法與等波紋法分別設(shè)計(jì)FIR 濾波器 來對(duì)疊加噪聲前后的語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，繪出濾波器的頻域響應(yīng)，繪出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，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；在相同的性能指標(biāo)下比較各方法的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析（或解釋）。.專業(yè)資料 .：采用雙線性變換法與脈沖響應(yīng)不變法，分別利用不同的原型低通濾波器（ Butterworth 型與切比雪夫 I 型）來設(shè)計(jì) IIR 濾波器 ，繪出濾波器的頻域響應(yīng)；并用這些數(shù)字濾波器對(duì)含噪語音信號(hào)分別進(jìn)行濾波處理，

5、比較不同方法下設(shè)計(jì)出來的數(shù)字濾波器的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析（或解釋）。（ 5）回放語音信號(hào)對(duì)濾波后的語音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺濾波前后語音信號(hào)的變化。（ 6）設(shè)計(jì)一個(gè)語音信號(hào)分析與處理系統(tǒng)界面 ( 選作 )利用 MATLAB的界面設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)一個(gè)MATLAB環(huán)境下的人機(jī)交互界面，完成上述濾波器的設(shè)計(jì)及濾波過程，要求能夠接收輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)，查看設(shè)計(jì)結(jié)果及濾波結(jié)果。.專業(yè)資料 .題目 2：基于 MATLAB數(shù)字音效處理器1、應(yīng)用背景利用所學(xué)習(xí)的數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)，自己動(dòng)手制作一個(gè)有趣的音效處理系統(tǒng)，看看能不能完成聲音的逐漸放大和逐漸衰減、看看能不能讓自己的聲音發(fā)生一些改變（變得尖聲尖氣或粗聲粗氣

6、）、看看改變聲音播放速度有什么方法等等，你還可以自己想想還有什么有趣的變化，可以通過我們已有的知識(shí)讓它實(shí)現(xiàn)。作為課程設(shè)計(jì)，以下要求分為基本必做部分和提高必做部分，在提高部分你可以選擇全部容和部分容。2、基本要求描述(1) 語音信號(hào)的采集要求利用 Windows自帶的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音，時(shí)間在 10s，存為*.WAV的文件。然后在 Matlab 軟件平臺(tái)下，利用函數(shù) wavread 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。(2) 語音信號(hào)的頻譜分析要求首先畫出語音信號(hào)的時(shí)域波形; 然后對(duì)語音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換, 得到信號(hào)的頻譜特性，分析基頻。(3) 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)給

7、出各濾波器的性能指標(biāo)：(i) 低通濾波器性能指標(biāo) fb 1000Hz，fc 1200Hz，As 80 dB ， Ap 1dB。(ii) 高通濾波器性能指標(biāo) fc 4800Hz，fb 5000Hz，As 80 dB ， Ap 1dB。(iii) 帶通濾波器性能指標(biāo) fb1 1200 Hz， fb2 3000 Hz， fc1 1000 Hz，fc2 3200 Hz，As 80 dB，Ap1 dB 。以上數(shù)據(jù)可做修改。(4) 用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波要求學(xué)生用自己設(shè)計(jì)的各濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，在Matlab中， FIR 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)fi

8、lter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。.專業(yè)資料 .(5) 比較濾波前后語音信號(hào)的波形及頻譜要求在一個(gè)窗口同時(shí)畫出濾波前后的波形及頻譜，做出分析。(6) 回放語音信號(hào)在 Matlab 中 , 函數(shù) sound 可以對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(x,fs,bits);可以感覺濾波前后的聲音有變化。(7) 實(shí)現(xiàn)慢錄快放和快錄慢放功能3、提高部分要求（選做）(1) 實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)放大和衰減功能(2) 實(shí)現(xiàn)對(duì)錄音容倒播放(3) 實(shí)現(xiàn)混音音效效果(4) 實(shí)現(xiàn)回音音效效果(5) 實(shí)現(xiàn)男女變聲音效效果(6) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面為了使編制的程序操作方便, 要求有能力的學(xué)生 , 設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面。.專業(yè)資料 .題目

9、 3：音樂聲處理1、設(shè)計(jì)目的幾乎所有的音樂節(jié)目都分兩階段產(chǎn)生，每個(gè)單獨(dú)的樂器聲音都錄制到單軌中，然后對(duì)每個(gè)軌道信號(hào)進(jìn)行處理，以增加特殊音效并合成。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的回聲生成、混響與和聲。2、基本原理(1) 單回聲濾波器回音可以由簡單的延時(shí)單元產(chǎn)生。直達(dá)聲和在R抽樣周期后出現(xiàn)的一種單個(gè)回音，可以用FIR 濾波器產(chǎn)生，微分方程為：yn=xn+xn - R|1傳輸函數(shù)為：-RH(z)=1+ z傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)形狀象梳子，這種濾波器又叫梳狀濾波器。(2) 多重回聲濾波器為了產(chǎn)生以間隔R個(gè)抽樣周期分開的具有指數(shù)衰減振幅的多重回聲，可用一個(gè)以下形式傳輸函數(shù)的FIR 濾波器：NNRH ( z

10、) =1 +zR22 RN 1z(N 1)R1 z+z+ +=1z R無限個(gè)振幅以指數(shù)衰減間隔為R個(gè)抽樣周期的多重回聲可用以下形式傳輸函數(shù)的 IIR 濾波器生成：H ( z) =1| |1z R1IIR 多重回聲濾波器的基本頻率FR=Fs/R，通常鎖定在伴音設(shè)備的基頻上，比如基鼓拍子。(3) 混響聲音在一個(gè)封閉的空間中到達(dá)聽眾時(shí)，包含幾個(gè)部分：直達(dá)聲、早期的反射和混響。早期的反射由幾個(gè)空間上鄰近的直達(dá)聲的基本延遲和衰減組成，而混響則由密集的回聲組成。上述多重回聲濾波器不能提供自然聲音混響。由其幅頻特性可知，其幅度響應(yīng)對(duì)于所有頻率不是常數(shù)，收聽效果不能令人滿意。其次每秒回聲數(shù)量太少會(huì)引起合成聲的

11、顫動(dòng)，需要每秒約1000 個(gè)回音才能生成.專業(yè)資料 .沒有顫動(dòng)的反射聲。為了生成更真實(shí)的混響，提出一種有全通結(jié)構(gòu)的混響器 ，傳輸函數(shù)為：H ( z)zRR| 11z自然聲音混響 可由全通混響器和多重回響互聯(lián)。系統(tǒng)框圖如下圖所示：多重回響 1衰減 1xnyn多重回響 2衰減 2全通全通混響 1混響2衰減多重回響 3衰減 3多重回響 4衰減 4(4) 和聲生成器當(dāng)幾個(gè)音樂家在同一時(shí)間演奏同一首樂曲而在振幅有少量變換并在他們的聲音之間有很少的時(shí)間差別時(shí)，會(huì)產(chǎn)生和聲效果。延時(shí)可用如下函數(shù)實(shí)現(xiàn)：(n)R (1 cos(0 n)2注意：在時(shí)刻 n 處 ( n) 的值通常是一個(gè)非整數(shù)值，實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，輸出樣本

12、值需要用到插法進(jìn)行計(jì)算。3、設(shè)計(jì)要求自己錄制一段語音信號(hào)，設(shè)計(jì)不同濾波器，編程實(shí)現(xiàn)單回聲效果、多重回聲效果、自然聲音混響及和聲效果。4、設(shè)計(jì)步驟(1) 利用 Windows 自帶的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音，時(shí)間在10s，存為 *.WAV 的文件。然后在Matlab 軟件平臺(tái)下，利用函數(shù)wavread 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)(2) 設(shè)計(jì)單回聲濾波器，實(shí)現(xiàn)單回聲效果。給出單回聲濾波器沖激響應(yīng)及幅頻響應(yīng)。給出加入單回聲前后信號(hào)頻譜。(3) 設(shè)計(jì)多重回聲濾波器，實(shí)現(xiàn)多重回聲效果。給出多重回聲濾波器沖激響應(yīng)及幅頻響應(yīng)。給出加入多重回聲后信號(hào)頻譜。.專業(yè)資料 .設(shè)計(jì)全通混響器，實(shí)現(xiàn)混

13、響效果。給出全通濾波器沖激響應(yīng)及幅頻響應(yīng)。給出加入全通濾波器后信號(hào)頻譜。.專業(yè)資料 .題目 4：多采樣率數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)字語音系統(tǒng)中的應(yīng)用1、設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)多采樣率數(shù)字信號(hào)處理原理，采用整數(shù)因子抽取與整數(shù)因子插來解決數(shù)字語音系統(tǒng)中的信號(hào)采樣過程中存在的問題，并用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，加深對(duì)多采樣率數(shù)字信號(hào)處理的理解。2、設(shè)計(jì)要求編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音系統(tǒng)中改進(jìn)的發(fā)送端A/D 轉(zhuǎn)換方案；編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音系統(tǒng)中改進(jìn)的接收端D/A 轉(zhuǎn)換器方案；給出各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)信號(hào)的時(shí)域圖及頻域圖。模擬3、 設(shè)前計(jì)置步取驟A/D數(shù)字信號(hào)D/A模擬模擬樣濾波變換器處理器變換器濾波器xa(t) (1)設(shè)計(jì)模擬預(yù)濾波器，其過渡帶為

14、4 f 12 kHz 。ya(t)DSP(2) 以 采16樣kHz量的采化樣率進(jìn)行語音采樣。 轉(zhuǎn)換為模擬電平(3)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器濾掉采樣后頻譜在4 12 kHz 的頻帶中發(fā)生的混疊。(4) 按抽取因子 D=2進(jìn)行抽取，降低采樣率，使得數(shù)據(jù)量不增加。(5) 按插因子 I=2 進(jìn)行插，將采樣率提高 2 倍。(6) 設(shè)計(jì)模擬恢復(fù)低通濾波器恢復(fù)的語音信號(hào)。.專業(yè)資料 .三、課程設(shè)計(jì)要求1、在一周學(xué)生須上機(jī)16 小時(shí)以上，程序調(diào)試完后，須由指導(dǎo)老師在機(jī)器上檢查運(yùn)行結(jié)果，經(jīng)教師認(rèn)可后的源程序可通過打印機(jī)輸出，并請(qǐng)教師在程序清單上簽字。2、課程設(shè)計(jì)報(bào)告容和格式：設(shè)計(jì)題目，設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟，設(shè)計(jì)過程中的結(jié)果、圖形等，設(shè)計(jì)總結(jié)。3、每組每人必須獨(dú)立完成，成績的考核按設(shè)計(jì)結(jié)果