《數(shù)字信號(hào)處理》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)1281

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(mén)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(guò)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(wèn)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(lái)過(guò)濾時(shí)間離散信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來(lái)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(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限沖激響應(yīng)（

2、FIR）濾波器。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(yǔ)音信號(hào)分析中的應(yīng)用。1、 設(shè)計(jì)步驟：（1）語(yǔ)音信號(hào)采集錄制一段課程設(shè)計(jì)學(xué)生的語(yǔ)音信號(hào)并保存為文件，要求長(zhǎng)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(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。（2）語(yǔ)音信號(hào)分析使用MATLAB繪出采樣后的語(yǔ)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(shuō)明語(yǔ)音信號(hào)的采樣頻率不能低于多少赫茲。（3）含噪語(yǔ)

3、音信號(hào)合成在MATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺(jué)上與原始語(yǔ)音信號(hào)圖形對(duì)比，也可通過(guò)Windows播放軟件從聽(tīng)覺(jué)上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語(yǔ)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*pi; 通帶最大衰減Rp=1 dB; 阻帶最小衰減Rs=1

4、5 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(lái)對(duì)疊加噪聲前后的語(yǔ)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）。：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(lái)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(yǔ)音信號(hào)分別進(jìn)行濾波處理，比較不同方法下設(shè)計(jì)出來(lái)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(yǔ)音

5、信號(hào)對(duì)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺(jué)濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的變化。（6）設(shè)計(jì)一個(gè)語(yǔ)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(guò)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。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）、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(guò)我們已有的知識(shí)讓它實(shí)現(xiàn)。作為課程設(shè)

6、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?jī)?nèi)容和部分內(nèi)容。2、 基本要求描述(1) 語(yǔ)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內(nèi)，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(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。(2) 語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析 要求首先畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形;然后對(duì)語(yǔ)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(huà)出其頻率響應(yīng) 給出各濾波器的性能指標(biāo)：(i) 低通濾波器性能指標(biāo)fb1000Hz，fc1200Hz，As80 dB，Ap1dB。(ii)

7、高通濾波器性能指標(biāo)fc4800Hz，fb5000Hz，As80 dB，Ap1dB。(iii) 帶通濾波器性能指標(biāo)fb11200 Hz，fb23000 Hz，fc11000 Hz，fc23200 Hz，As80 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，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。(5) 比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜 要求在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后的波形及頻譜，做出分析。(6) 回放語(yǔ)音信號(hào) 在Matlab中,函數(shù)sound

8、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(jué)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)錄音內(nèi)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。在使用巴特沃斯函數(shù)獲取其階數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，調(diào)用函數(shù)時(shí)有點(diǎn)思路要理清，對(duì)于其函數(shù)  N,Wn = buttord(wp2,ws2,Rp,Rs,'s')，若有后面的s，

9、N=4；而缺省時(shí)，N=6；經(jīng)查資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有s時(shí)，其表示的是模擬Butterworth濾波器，而缺省時(shí)是數(shù)字Butterworth濾波器。   一個(gè)線性是不變系統(tǒng)的典型表達(dá)式有狀態(tài)空間型、傳遞函數(shù)型、零極增益型、極點(diǎn)留數(shù)型共四種，在開(kāi)始的設(shè)計(jì)過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)在把零極點(diǎn)增益型向傳遞函數(shù)型的轉(zhuǎn)換過(guò)程中多用了一步，即先把零極點(diǎn)增益型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間型，進(jìn)行相應(yīng)的頻率變換和雙線性變換后，再由狀態(tài)空間型轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)型，進(jìn)而繪制出其頻率響應(yīng)圖，但是經(jīng)仿真分析后發(fā)現(xiàn)，性能并不理想，所以并沒(méi)有采用。   freqs(Bbs,Abs)與freqz(Bbz,

10、Abz,512,FS)剛開(kāi)始時(shí)分得不是很清楚，后來(lái)發(fā) 現(xiàn)前者是求模擬域頻率響應(yīng)的，而后者是求數(shù)字域頻率響應(yīng)的。后者的用法如下：  h,w=freqz(b,a,n,whole); 或h,f=freqz(b,a,n,whole,Fs);  式中，b,a為數(shù)字濾波器分子和分母多項(xiàng)式的系數(shù)，n為復(fù)數(shù)頻率的響應(yīng)點(diǎn)數(shù)，為整數(shù)，最好為2的冪，缺省時(shí)為512；Fs為采樣頻率，單位Hz。如果給定該值，則f位置輸出為頻率Hz，若沒(méi)有給定，則按角頻率（Angular frequency）給定f的頻率矢量；whole表示返回的頻率f或w值包含z平面

11、整個(gè)單位圓頻率矢量，即02p；缺省時(shí)，頻率f或w值包含z平面上半單位圓（0p）之間等間距n個(gè)點(diǎn)頻率矢量。h為復(fù)頻率響應(yīng)；w為n點(diǎn)頻率向量（單位rad）；f為n點(diǎn)頻率向量(Hz)。函數(shù)返回值缺省時(shí)，繪制幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)圖。 題目3：音樂(lè)聲處理1、 設(shè)計(jì)目的幾乎所有的音樂(lè)節(jié)目都分兩階段產(chǎn)生，每個(gè)單獨(dú)的樂(lè)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(jiǎn)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 |<

12、;1傳輸函數(shù)為：H(z)=1+z-R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(kāi)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：無(wú)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：IIR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(tīng)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

13、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(tīng)效果不能令人滿意。其次每秒回聲數(shù)量太少會(huì)引起合成聲的顫動(dòng)，需要每秒約1000個(gè)回音才能生成沒(méi)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：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：xn多重回響1多重回響2多重回響3多重回響4全通混響1全通混響2yn衰減1衰減2衰減3衰減4衰減(4) 和聲生成器當(dāng)幾個(gè)音樂(lè)家在同一時(shí)間演奏同一首樂(lè)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)：注意：在時(shí)刻n處的值通常是一個(gè)非整數(shù)值，實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，輸出樣本值需要用到內(nèi)

14、插法進(jìn)行計(jì)算。3、 設(shè)計(jì)要求自己錄制一段語(yǔ)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內(nèi)，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(yǔ)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。設(shè)計(jì)全通混響器，實(shí)現(xiàn)混響效果。給出全通濾波器沖激響應(yīng)

15、及幅頻響應(yīng)。給出加入全通濾波器后信號(hào)頻譜。題目4：多采樣率數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)字語(yǔ)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)因子內(nèi)插來(lái)解決數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)中的信號(hào)采樣過(guò)程中存在的問(wèn)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(yǔ)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(yǔ)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。前置取樣濾波A/D變換器數(shù)字信號(hào)處理器D/A變換器模擬濾波器模擬xa(t)模擬ya(t)采樣量化轉(zhuǎn)換為模擬電平DSP3、 設(shè)計(jì)步驟(1) 設(shè)計(jì)模擬預(yù)濾波器，其過(guò)渡帶為4f12 kHz。(2) 以16 kHz的采樣率進(jìn)行語(yǔ)音采樣。(3) 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器濾掉采樣后頻譜在412 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) 按內(nèi)插因子I=2進(jìn)行內(nèi)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(yǔ)音信號(hào)。三、課程設(shè)計(jì)要求1、在一周內(nèi)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(guò)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)告內(nèi)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(guò)程中的結(jié)果、