數(shù)字信號(hào)濾波的設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理 課題名稱 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2011年 12月 25日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理 課 題 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2011 年12月 19 日任務(wù)完成日期 2011 年 12月 25日數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一 、設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，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(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念。二、設(shè)計(jì)要求1、 M

2、ATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計(jì)方法。2、 Windows 環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法。3、數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法。4、TLAB 設(shè)計(jì) FIR 和 nR 數(shù)字濾波器的方法。5、用 MATLAB 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理6、計(jì)報(bào)告4000以上，含程序設(shè)計(jì)說明，用戶使用說明，源程序清單及程序框圖。7、機(jī)演示。8、有詳細(xì)的文檔。文檔中包括設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)仿真程序、仿真結(jié)果及相應(yīng)的分析與結(jié)論。三、進(jìn)度安排第一周 星期一： 課題講解，查閱資料 星期二: 總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)星期三： 編程，上機(jī)調(diào)試、修改程序星期四： 上機(jī)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(jì)

3、報(bào)告 目 錄一、 課題的主要功能1二.、課題的功能模塊的劃分11、主要功能模塊的劃分12、語(yǔ)音信號(hào)的采集13、語(yǔ)音信號(hào)的分析24、含噪語(yǔ)音信號(hào)的合成25、濾波器的設(shè)計(jì)及濾波26、回放語(yǔ)音信號(hào)3三、主要功能的實(shí)現(xiàn)31、語(yǔ)音信號(hào)的采集32、語(yǔ)音信號(hào)分析33、含噪語(yǔ)音信號(hào)合成44、數(shù)字信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)5四、程序調(diào)試7五、總結(jié)13六、附件14七、評(píng)分表20 一、 課題的主要功能 熟悉并掌握利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器（低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型）來對(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。利用MA

4、TLAB工具箱函數(shù)，fir1是利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的線性相位FIR數(shù)字濾波器的工具箱函數(shù)，實(shí)現(xiàn)線性相位FIR數(shù)字濾波器的標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法設(shè)計(jì)。二.、課題的功能模塊的劃分1、主要功能模塊的劃分 語(yǔ)音信號(hào)的采集語(yǔ)音信號(hào)的分析含噪語(yǔ)音信號(hào)的合成數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)加高斯白噪 聲加單頻余弦信 號(hào)加多頻余弦信 號(hào)低通帶通阻帶高通 圖（一） 2、語(yǔ)音信號(hào)的采集 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。3、語(yǔ)音信號(hào)的分析

5、語(yǔ)音信號(hào)處理可以分為時(shí)域分析和頻域分析，使用MATLAB可繪出采樣后的語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。提取語(yǔ)音信號(hào)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻域分析 圖（二）4、含噪語(yǔ)音信號(hào)的合成 在MATLAB下，給原始的語(yǔ)音信號(hào)疊加上噪聲，噪聲的類型分為以下幾種：（1）單頻噪聲（正弦干擾）；（2）高斯隨機(jī)噪聲；（3）多頻噪聲。 原始語(yǔ)音信號(hào) 單頻噪聲高斯白噪聲多頻噪聲加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào) 圖（三）5、濾波器的設(shè)計(jì)及濾波窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟根據(jù)對(duì)阻帶衰減以及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)的類型，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣窄的窗函數(shù)，然后根據(jù)過渡帶寬估計(jì)窗口

6、長(zhǎng)度N。構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)H（e），即 H（e）=H（w）e 計(jì)算h(n)。加窗得到設(shè)計(jì)的結(jié)果：h(n)= h(n)w(n)。 計(jì)算過渡帶寬帶計(jì)算哈明窗所需的階數(shù)計(jì)算截至頻率FIR的數(shù)字濾波器高通濾波低通濾波帶通濾波帶阻濾波 圖（四）6、回放語(yǔ)音信號(hào) 對(duì)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的變化。 三、主要功能的實(shí)現(xiàn)1、語(yǔ)音信號(hào)的采集 語(yǔ)音信號(hào)的采集是利用Windows中的錄音機(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。Windows附件的娛樂中有個(gè)錄音機(jī)程序，簡(jiǎn)稱錄音機(jī)，通過它可以驅(qū)動(dòng)聲卡采集、播放和簡(jiǎn)單處理

7、語(yǔ)音信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)的采集可以通過麥克風(fēng)直接錄制人的聲音，可通過對(duì)文件屬性設(shè)置文件的格式、采樣頻率、位數(shù)等。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。在MATLAB中，y,fs,bits= wavread('d:/lij)用于讀取語(yǔ)音信號(hào)，采樣值放在y中，fs表示采樣頻率，bits表示采樣位數(shù)。Sound(y)表示對(duì)聲音的回放，向量y就代表了一個(gè)信號(hào)，也即一個(gè)復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式”，也可以說像處理一個(gè)信號(hào)的表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)信號(hào)。x1,fs,bits=wavread('e:/肖彬2');y1=fft(x1,32768);subplot

8、(221)plot(x1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(222)plot(abs(y1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜') 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域、頻域分析模塊功能圖：開始提取語(yǔ)音信號(hào)傅立葉變換時(shí)域波形頻域波形結(jié)束 圖（五）3、含噪語(yǔ)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：（1）白噪聲；（2）單頻噪色（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；繪出疊加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺上與原始語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)頻譜和時(shí)域波

9、形的改變。（1）加高斯白噪聲的程序如下： x2=awgn(x1,10);y2=fft(x2,32768);subplot(221)plot(x2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形')subplot(222)plot(abs(y2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜')（2）加單頻余弦噪聲程序如下： N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'x3=x1+d;subplot(3,2,3)plot(x3)title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y3=f

10、ft(x3,32768);subplot(3,2,4)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜')（3）添加多頻噪聲N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d1=0.8*cos(2*pi*1200*t)' %單頻余弦噪聲d2=0.8*cos(2*pi*1500*t)' %單頻余弦噪聲x4=x1+d1+d2;subplot(2,1,1)plot(x4)title('加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')plot(abs(y3);subplot(2,1,2)title('加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜

11、')4、數(shù)字信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì) 對(duì)于不同的加躁波我們對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)是不同的。對(duì)于加高斯白噪聲的信號(hào)，噪聲在每個(gè)部分都有故無論用什么濾波器都無法將噪聲完全濾去，所以選擇用帶通濾波器；對(duì)于低頻的加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)用高通濾波器時(shí)只有高頻的通過，低頻的則被濾去；對(duì)于高頻的加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)用低通濾波器時(shí)只有低高頻的通過，高頻的則被濾去；對(duì)于加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)分析其噪聲分布在什么地方就用什么波濾去，若高頻低頻都有則用帶阻和帶通比較適合，若集中在高頻或者低頻則用低通或帶通。（1） 帶通濾波器的設(shè)計(jì)程序如下： f1s=0;f1p=1000;f2p=2500;f2s=3500 Bt=(

12、f1p*2/fs-f1s*2/fs)*pi;N1=ceil(6.6*pi/Bt); wn1=(f1s+f1p)/2,(f2s+f2p)/2;wn=wn1*2/fs hn=fir1(N1-1,wn); %帶通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù) plot(w/pi,abs(h);title('FIR帶通濾波器的幅頻')（2）帶阻濾波器的設(shè)計(jì)程序如下： f1s=0;f1p=450;f2p=3400;f2s=3850 Bt=(f1p*2/fs-f1s*2/fs)*pi;N1=ceil(6.1*pi/Bt); wn1=(f1s+f1p)/2,(f2s+f2p)/2;wn=wn1*2/fs h

13、n=fir1(N1-1,wn,'stop'); %帶阻濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)plot(w/pi,abs(h);title('FIR帶阻濾波器的幅頻') （3）低通濾波器的設(shè)計(jì)程序如下： fp=500,fc=800; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長(zhǎng)度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc); %理想低通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)plot(w/pi,

14、abs(h);title('FIR低通濾波器的幅頻') （4）高通濾波器的設(shè)計(jì)程序如下： fp=2200,fc=4500; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長(zhǎng)度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc,'high'); %理想高通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)plot(w/pi,abs(h);title('FIR高通濾波器的幅頻')四、程序調(diào)試（1

15、）原始信號(hào)波形如下： 圖（六）（2） 加單頻余弦信號(hào) 圖（七）（3） 加多頻余弦信號(hào) 圖（八）（4） 加高斯白噪聲的波形： 圖（九）（5）低通濾波器的設(shè)計(jì)波形對(duì)比分析： 圖（十） 圖（十一）（5） 高通的濾波器的設(shè)計(jì)分析對(duì)比： 圖（十二） 圖（十三）（6） 帶通濾波器的設(shè)計(jì)分析對(duì)比 圖（十四） 圖（十五）（7） 帶阻的濾波器的設(shè)計(jì)分析對(duì)比： 圖（十六） 圖（十七）五、總結(jié) 這次課程設(shè)計(jì)主要的內(nèi)容是讓我們利用MATLAB軟件根據(jù)不同的加噪波設(shè)置濾波器，通過這次課程設(shè)計(jì)讓我們對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波器的設(shè)置掌握的更加深刻同時(shí)對(duì)MATLAB軟件的應(yīng)用也更加的熟練。我的題目是語(yǔ)音信號(hào)的采集、語(yǔ)音信號(hào)分析、噪聲合

16、成、設(shè)置FIR的哈明窗濾波器。在看到課題時(shí)有些搞不懂方向，畢竟數(shù)字信號(hào)處理的課程是上個(gè)學(xué)期學(xué)的記憶不是很深刻了。查了半天資料后才初步有了一些了解，但是還是屬于半懂半不懂的狀態(tài)開始了我的實(shí)驗(yàn)。剛開始的時(shí)候是按照老師給的程序開始慢慢的調(diào)試，剛開始的時(shí)候在加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)波形不能顯示出來，提示錯(cuò)誤：x3=x1+d處有錯(cuò)誤，自己不知道到底哪里出了錯(cuò)誤，最后在老師的指導(dǎo)下才發(fā)現(xiàn)自己在采集語(yǔ)音信號(hào)時(shí)不是單弦信號(hào)，那樣造成x3和x1不是同種類型的波形故此處出了錯(cuò)誤，開始自己完全不知道如何去解決和看分析這種錯(cuò)誤，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤是自己應(yīng)該及時(shí)去分析x3和x1的值有什么不同才會(huì)出錯(cuò)。在設(shè)置濾波器時(shí)我注意了，要

17、根據(jù)不同的加噪波設(shè)置濾波器，如果加的是高斯白噪聲那么噪聲怎么樣設(shè)置都是不會(huì)濾去的此時(shí)用帶通效果相對(duì)會(huì)好一些，如果加的是低頻的加單頻余弦信號(hào)時(shí)用高通濾波器可以濾去噪音，如果是高頻的則用低通濾波器，如果加的是多頻的余弦信號(hào)時(shí)則用帶阻或者帶通濾波器濾去噪音。在設(shè)置濾波器時(shí)不同的窗函數(shù)設(shè)置是不同，開始設(shè)置時(shí)我就是根據(jù)自己的理解一個(gè)一個(gè)去調(diào)節(jié)頻率，這樣做雖然可以得到效果較好的波形但是工作量確實(shí)很大而且我自己沒真正的懂得為什么那么設(shè)置頻率才是最佳的，后來答辯的時(shí)候老師問了我一個(gè)問題我設(shè)置的波N是多少，我說就是程序上計(jì)算出來的自己沒去看，老師說如果你設(shè)置一個(gè)濾波器連是幾階的窗函數(shù)都不知道怎么設(shè)置波形的。后來

18、我回去自習(xí)看了書才發(fā)現(xiàn)設(shè)置FIR濾波器的關(guān)鍵就是根據(jù)要求找N個(gè)傅立葉級(jí)數(shù)系數(shù)h(n).。N是根據(jù)過渡帶寬度Bt求出的，那么再設(shè)置濾波器的頻率時(shí)應(yīng)該是根據(jù)N去調(diào)節(jié)頻率。再接下來的濾波器的設(shè)置時(shí)我就先把書上的原理弄透徹了才去寫代碼而不是盲目的因做課設(shè)而做課設(shè)。這次實(shí)驗(yàn)讓我收獲頗豐，雖然老師的答辯讓我們覺得出乎意料但是實(shí)際上是因?yàn)槲覀冏约簺]有真正的對(duì)書上的知識(shí)理解透徹，只要以為做出來就可以了。課設(shè)的目的不是讓我們完成一個(gè)課程設(shè)計(jì)而是讓我們將書本的知識(shí)掌握透徹學(xué)會(huì)分析和處理問題。 六、附件（1）低通濾波器的設(shè)置：x1,fs,bits=wavread('f:/肖彬2');%sound(x

19、1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768)*1:32768;figure(1)subplot(3,2,1)plot(x1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(3,2,2)plot(abs(y1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'x3=x1+d;%sound(x3,fs,bits);subplot(3,2,3)plot(x3)title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y

20、3=fft(x3,32768);subplot(3,2,4)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜')fp=500,fc=1000; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長(zhǎng)度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc); %理想低通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)X=conv(hn,x3); %過濾后的信號(hào)sound(X,fs,bits);X1=fft(X,

21、32768)subplot(325);plot(X);title('處理后的信號(hào)波形');subplot(326);plot(n(1:32768),abs(X1(1:32768); title('處理后的信號(hào)頻譜')h,w=freqz(hn,1);figure(3)subplot(211)plot(w/pi,abs(h);title('FIR低通濾波器的幅頻')grid;subplot(212)plot(w/pi,angle(h);title('FIR低通濾波器的相頻')grid;（2）高通濾波器：x1,fs,bits=wavre

22、ad('f:/肖彬2');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768)*1:32768;figure(1)subplot(3,2,1)plot(x1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(3,2,2)plot(abs(y1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*500*t)'x3=x1+d;%sound(x3,fs,bits);subplot(3,2,3)plot(x3)title(

23、'加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y3=fft(x3,1024);subplot(3,2,4)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜')fp=2200,fc=4000; %設(shè)置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hzwp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fc/fs;Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬M=ceil(6.6*pi/Bt)-1; %求濾波器長(zhǎng)度wc=(wp+ws)/2/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 hn=fir1(M,wc,'high'); %理想高通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)X=con

24、v(hn,x3); %過濾后的信號(hào)sound(X,fs,bits);X1=fft(X,32768)subplot(325);plot(X);title('處理后的信號(hào)波形');subplot(326);plot(n(1:32768),abs(X1(1:32768); title('處理后的信號(hào)頻譜')h,w=freqz(hn,1);figure(3)subplot(211)plot(w/pi,abs(h);title('FIR高通濾波器的幅頻')grid;subplot(212)plot(w/pi,h);title('FIR高通濾波器的相

25、頻')grid;（3）帶通濾波器：x1,fs,bits=wavread('f:/肖彬2');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768)*1:32768;figure(4)subplot(3,2,1)plot(x1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(3,2,2)plot(abs(y1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜')x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);subplot(3,2,3)plot(x2);

26、title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形')subplot(3,2,4)plot(abs(y2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜')f1s=500;f1p=1000;f2p=3000;f2s=3500 Bt=(f1p*2/fs-f1s*2/fs)*pi;N1=ceil(6.1*pi/Bt); wn1=(f1s+f1p)/2,(f2s+f2p)/2;wn=wn1*2/fs hn=fir1(N1-1,wn); %帶通濾波器脈沖響應(yīng)并形成了哈明函數(shù)X=conv(hn,x1); %過濾后的信號(hào)sound(X,fs,bits);X1=fft(X,32768)subplot(325);plot(X);title('處理后的信號(hào)波形');subplot(326);plot(n(1:32768),abs(X1(1:32768); title('處理后的信號(hào)頻譜')h,w=freqz(hn,1);figure(3)%subplot(211)plot(w/pi,abs(h);title('FIR帶通濾波器的幅頻')grid;（4）帶阻濾波器：x1,fs,bits=wavread('f:/肖彬2');sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);n=(fs/32768