第13章_數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例

1、 2 n數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在 等方面都有廣 泛的應(yīng)用 n本章介紹數(shù)字信號(hào)處理的兩種典型應(yīng) 用舉例 n數(shù)字信號(hào)處理在中的應(yīng) 用 n數(shù)字信號(hào)處理在中的應(yīng)用 3 n13.1 數(shù)字信號(hào)處理在 中應(yīng)用 n電話系統(tǒng)中的雙音多頻信號(hào) n雙音多頻信號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè) n戈澤爾算法 n檢測(cè)DTMF信號(hào)的DFT參數(shù)選擇 nDTMF信號(hào)系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn) 4 n雙音多頻雙音多頻（Dual Tone Multi Frequency, DTMF)信號(hào)是音頻電話中的撥號(hào)信號(hào)， 由美國(guó)AT4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68; %DTMF信號(hào)代表的16個(gè)數(shù) N=205;K=18,20,22,24,31,34,38

2、,42; %8個(gè)基頻對(duì)應(yīng)的8個(gè)k值 f1=697,770,852,941; %行頻率向量 f2=1209,1336,1477,1633; %列頻率向量 TN=input(輸入6位電話號(hào)碼=1); %輸入6位數(shù)字 TNr=0; %接收端電話號(hào)碼初值為零 for m=1:6 %分別對(duì)每位號(hào)碼數(shù)字處理:產(chǎn)生信號(hào),發(fā)聲,檢測(cè) d=fix(TN/10(6-m); %計(jì)算出第m位號(hào)碼數(shù)字 TN=TN-d*10(6-m); for p=1:4; for q=1:4; if tm(p,q)=abs(d);break,end %檢測(cè)與第m位號(hào)碼相符的列號(hào)q end end 24 n=0:1023; %為了發(fā)聲,

3、加長(zhǎng)序列 x=sin(2*pi*n*fl(p)/8000)+sin(2*pi*n*f2(q)/8000); %構(gòu)成雙音頻信號(hào) sound(x,8000); %發(fā)出聲音 pause(0.1); %相鄰號(hào)碼響聲之間加0.1s停頓 %接收檢測(cè)端的程序 X=goertzel(x(1:N),K+1); %用Goertzel算法計(jì)算8點(diǎn)DFT樣本 val=abs(X); %列出8點(diǎn)DFT的模 subplot(3,2,1);stem(K,val,.);xlabel(k);ylabel(|X(k)|)%畫出8點(diǎn)DFT的幅度 axis(10 50 0 120); 1imit=80; %基頻檢測(cè)門限為80 for

4、 s=5:8; if val(s)1imit,break,end %查找列號(hào) end for i=1:4; if val(s)1imit,break,end %查找行號(hào) end 25 TNr=TNr+tm(r,s-4)*10(6-m); %將6位電話號(hào)碼表示成一個(gè)6位數(shù),以便顯示 end disp(接收端檢測(cè)到的號(hào)碼為: ) disp(TNr) %顯示接收到的6位電話號(hào)碼 運(yùn)行程序，根據(jù)提示輸入6位電話號(hào)碼 123456，回車后可以聽(tīng)見(jiàn)6位電話號(hào)碼對(duì)應(yīng)的 DTMF信號(hào)的聲音，并輸出響應(yīng)的6幅頻譜圖， 如圖13.1.2所示 26 圖13.1.2 6位電話號(hào)碼123456的DTMF信號(hào)在8個(gè)近似基

5、頻點(diǎn)的DFT幅度 27 n13.2 數(shù)字信號(hào)處理在 中的應(yīng)用 n時(shí)域處理 n頻域處理 一階濾波器和斜坡濾波器 二階濾波器和均衡器 圖形均衡器 28 n在音樂(lè)廳中，聽(tīng)眾接收的聲音信號(hào)有三種 n直達(dá)聲直達(dá)聲：直接傳播到聽(tīng)眾的聲音信號(hào) n早期反射早期反射：接下來(lái)收到的一些比較近的回音 早期反射通過(guò)房間各方向進(jìn)行反射，到達(dá)聽(tīng)眾的時(shí) 間是不定的 n混響混響：早期反射以后，由于多次反復(fù)反射， 越來(lái)越多的密集反射波傳給聽(tīng)眾，這部分反 射群被稱為混響 混響的振幅隨時(shí)間呈指數(shù)衰減 29 n上面的概念可以用圖13.2.1描述 圖圖13.2.1 13.2.1 房間內(nèi)一個(gè)單聲源產(chǎn)生的各種混響房間內(nèi)一個(gè)單聲源產(chǎn)生的各種

6、混響 30 n早期反射基本上是直達(dá)聲的延時(shí)和衰減，時(shí) 間波形和直達(dá)聲一樣 n混響由密集的回聲組成，可以用數(shù)字濾波器 實(shí)現(xiàn)這種回聲 n假設(shè)直接聲音信號(hào)用x(n)表示,直接聲音的 一次反射波形僅是幅度衰減和時(shí)間延遲，收 到的信號(hào)為 式中R表示延遲時(shí)間，將上式進(jìn)行Z變換，得到 ( )( )()1y nx nx nR ( )( ) /( )1 R H zY zX zz （13.2.1） （13.2.2） 31 nH(z)是一個(gè)FIR濾波器，也是個(gè)R階的梳狀濾波 器 nx(n)經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)濾波器便得到了它和它的一次 反射音的合成聲音，該濾波器稱為單回聲濾波器 n單回聲濾波器的結(jié)構(gòu)、單位脈沖響應(yīng)及幅度特性

7、 如圖13.2.2所示 圖13.2.2 單回聲濾波器 32 n多重回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可表示為 n 上式是一個(gè)R濾波器 n 設(shè) ,多重回聲濾波器的結(jié)構(gòu)、 單位脈沖響應(yīng)如圖13.2.3所示 22231(1) ( )1 RRRNNR H zzzzz 1 1 NNR R z z 0.8,6,4NR （13.2.3） 13.2.3 13.2.3 多重回聲濾波器多重回聲濾波器 33 n當(dāng)產(chǎn)生無(wú)窮多個(gè)回聲時(shí)，式(13.2.3)中 同時(shí)再延時(shí)R，此時(shí)IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 設(shè)R=4，其結(jié)構(gòu)圖、單位脈沖響應(yīng)和幅度特性如 圖13.2.4所示 0 N () 1 R R z Hz z 1 （13.2.4） 13.

8、2.4 產(chǎn)生無(wú)限個(gè)回聲的IIR濾波器 34 n由圖13.2.4(c)可見(jiàn)，該幅度特性不夠平穩(wěn)， 且回波也不夠密集，會(huì)引起回聲顫動(dòng) n為得到一種比較接近實(shí)際的混響，提出一種 有全通結(jié)構(gòu)的混響器，它的系統(tǒng)函數(shù)為 n這種全通混響濾波器的結(jié)構(gòu)及單位脈沖響應(yīng)如圖 13.2.5所示 n其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是只用一個(gè)乘法器和一個(gè)延時(shí)器 n將圖13.2.4(a)和全通混響器進(jìn)行組合，可以達(dá)到 令人滿意的一種聲音混響器，如圖13.2.6 1( ) 1 R R z H z z 35 圖13.2.5 全通混響器 圖13.2.6 一種自然聲音混響器的方案 36 n如果用一個(gè)低通FIR濾波器或者R濾波器 G(z)函數(shù)替換式(1

9、3.2.4)中的,形成系 統(tǒng)函數(shù)為 該濾波器稱為齒狀濾波器，可以用于 人為地產(chǎn)生自然音調(diào) ( ) 1( ) R R z H z G z z 1（13.2.5） 37 n1.一階濾波器和斜坡濾波器 n一階低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 n一階高通數(shù)字濾波器用下式表示 n它們的3dB截止頻率用下式計(jì)算 1 1 11 ( ) 21 LP z Hz z 1 1 11 ( ) 21 HP z Hz z 2 2 arccos 1 c （13.2.6） （13.2.8） （13.2.7） 38 n式(13.2.6)和式(13.2.7)也可以寫成下面 兩式 式中 n利用式(13.2.9)和(13.2.10)進(jìn)行組合，

10、 形成如圖13.2.7所示的濾波器 1 1 ( )1( ) 2 LP HzAz 1 1 ( )1( ) 2 HP HzA z 1 1 1 ( ) 1 z A z z （13.2.10） （13.2.11） （13.2.9） 39 A1(z)A1(z)是一個(gè)一階全通是一個(gè)一階全通 函數(shù)函數(shù) 該濾波器有一個(gè)輸入和該濾波器有一個(gè)輸入和 兩個(gè)輸出，上端是高通兩個(gè)輸出，上端是高通 輸出，下端是低通輸出輸出，下端是低通輸出 3dB3dB截止頻率可以用全截止頻率可以用全 通濾波器的系數(shù)進(jìn)行調(diào)通濾波器的系數(shù)進(jìn)行調(diào) 整整 圖13.2.7 有一個(gè)參數(shù)可 調(diào)的一階低通/高通濾波器 40 n如果將圖13.2.7中的兩

11、個(gè)輸出進(jìn)行組合， 形成下面的系統(tǒng)函數(shù) 式中K是一個(gè)常數(shù) 其結(jié)構(gòu)圖如圖13.2.8所示 增益特性如圖13.2.9所示 該濾波器稱為低頻斜坡濾波器 11 1 ( )1( )1( ) 22 LP K GzA zA z 41 圖13.2.8 低頻斜坡濾波器圖13.2.10 高頻斜坡濾波器 圖13.2.9 低頻斜坡濾波器增益特性 42 n高頻斜通濾波器系統(tǒng)函數(shù)為 其結(jié)構(gòu)圖如圖13.2.10所示 增益特性如圖13.2.11所示 11 1 ( )1( )1( ) 22 HP K GzA zA z 圖13.2.11 高頻斜通濾波器增益特性 43 n高、低頻斜坡濾波器都可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)K控 制通帶的強(qiáng)弱 K1，

12、通帶增強(qiáng) K1，通帶減弱 K=1，通帶保持原幅度 n高、低頻斜坡濾波器都可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)a 控制帶寬 44 n2. 二階濾波器和均衡器 n二階帶通和二階帶阻濾波器的系統(tǒng)函數(shù)分 別為 n帶通濾波器的中心頻率和帶阻濾波器的陷 波頻率用 計(jì)算 n它們的3dB帶寬用下式計(jì)算 2 12 11 ( ) 21(1) BP z Hz zz 12 12 112 ( ) 21(1) BS zz Hz zz （13.2.12） （13.2.13） 0 arccos w 2 2 arccos 1 B （13.2.15） 45 n二階帶通和二階帶阻濾波器的系統(tǒng)函數(shù) 還可寫成 2 1 ( )1( ) 2 BP HzA z

13、 2 1 ( )1( ) 2 BS HzA z 12 2 12 (1) ( ) 1(1) zz A z zz （13.2.16） （13.2.17） （13.2.18） 其中 46 n和前面方法類似，將上面兩式組合成一 個(gè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖13.2.12(a)所示 圖中上臂是帶阻輸出，下臂是帶通輸出 全通部分A2(z)用如圖13.2.12(b)所示的格型結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)，特點(diǎn)是可以獨(dú)立地調(diào)諧中心頻率及3dB帶寬 圖圖13.2.12 13.2.12 二階帶通二階帶通/ /帶阻濾波器帶阻濾波器 47 n和一階的情況一樣，用二階帶通/帶阻濾波 器上臂和下臂組合成下面的二階均衡器 式中K是一個(gè)正常數(shù) 二階均衡器的結(jié)構(gòu)圖如圖13.2.13所示 中心頻率用參數(shù) 獨(dú)立調(diào)整 3dB帶寬由參數(shù) 單獨(dú)決定 幅度響應(yīng)的峰值或者谷值由 給出 通過(guò)改變參數(shù)K, 和 得到的增益響應(yīng)如圖 13.2.14圖13.2.16所示 222 1 ( )1( )1( ) 22 K G zA zA z （13.2.19） 0 2( ) j KG e 48 圖13.2.1