數(shù)字信號處理課程設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的凱澤窗函數(shù)法設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 任 務 書專 業(yè)電子信息工程班 級姓 名設(shè) 計 起 止 日 期2013-1-72013-1-11設(shè)計題目：語音信號的數(shù)字濾波FIR數(shù)字濾波器的凱澤窗函數(shù)法設(shè)計設(shè)計任務（主要技術(shù)參數(shù)）：1. 語音信號的采樣錄音（、N）；2. 語音信號的頻譜分析（）3. 語音信號的加噪（）；4. 數(shù)字濾波器的設(shè)計（，濾波器的階數(shù)）；5. 濾波結(jié)果輸出及效果分析（）指導教師評語：成績： 簽字：年 月 日課程設(shè)計說明書 NO.15設(shè)計題目語音信號的數(shù)字濾波FIR數(shù)字濾波器的凱澤函數(shù)法設(shè)計一、課程設(shè)計的目的通過對常用數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)，掌握數(shù)字信號處理的工作原理及設(shè)計方法；掌握利用數(shù)字濾波器對信號進

2、行濾波的方法。并能夠?qū)υO(shè)計結(jié)果加以分析。二、設(shè)計步驟1.語音信號的采集利用Windows系統(tǒng)采集：1、 按“開始程序附件娛樂錄音機”的順序操作打開Windows系統(tǒng)中的錄音機軟件圖1錄音機2、 采集語音信號信息：（將所錄wma格式轉(zhuǎn)換為wav格式）(1) 語音內(nèi)容：天青色等煙雨，而我在等你(2) 語音格式：*.wav(3) 語音名稱：青花瓷(4) 語音長度：4.00(s)(5) 語音屬性：44.1kHz 8位 雙聲道 128kb/s圖2、語音信號信息圖2.語音信號的頻譜分析1、將上一步驟中保存下來的語音信號文件“青花瓷.wav”復制到計算機裝有Matlab軟件的磁盤中相應Matlab目錄中的“

3、work”文件夾中。2、雙擊桌面上Matlab軟件的快捷圖標 ，打開Matlab軟件3、在菜單欄中選擇“FilenewM-File” 打開*.m文件編輯器并命名為Untitled1。4、打入命令close all、clc、clear all。5、輸入命令s,fs=wavread('青花瓷.wav')，將語音文件“青花瓷.wav”中的波形信號值賦值給數(shù)組s,將采樣速率賦值給變量fs6、通過“L=2floor(loglength(s);”命令，求信號長度賦值給L，L=131072。7、定義一個向量:n=0:L-1,用“ plot(n,s)”命令，畫出采集信號的時域圖圖3原始聲音信號

4、波形8、根據(jù)時域波形，為將信號前面的空白部分去掉，用“LQ1=s(500:500+L-1)”命令將S信號截短并賦值給LQ1.9、將原始語音信號和截短語音信號在同一圖上畫出來實現(xiàn)代碼為：wavwrite(LQ1, fs,'LQ1.wav');figure(2)subplot(2,1,1);plot(s);title('原始語音信號');subplot(2,1,2);plot(LQ1);title('截短語音信號'); 圖4原始聲音信號及加噪后波形10、編寫程序段，利用Matlab軟件中已有的FFT程序函數(shù)和畫圖程序函數(shù)對導入的語音信號“LQ.wav

5、”進行分析，并根據(jù)自己的語音信號頻譜中主要能量的分布特征確定自己的語音信號所在的頻段為下面的濾波器設(shè)計做準備。程序代碼如下：S1=fft(LQ1);n=0:L-1; figure(3)subplot(3,1,1);plot(n,LQ1);title('截短預處理語音信號');k=0:L-1; subplot(3,1,2);plot(k,abs(S1);detf=fs/L; title('截短預處理語音頻譜');subplot(3,1,3);plot(k(1:L/2)*detf,abs(S1(1:L/2);title('截短預處理語音頻譜單邊');

6、得出截短信號頻譜圖如下：圖5 截短信號頻譜圖由圖5可以看出主要能量集中在0-1500HZ頻率段。設(shè)通帶截止頻率為1500HZ,阻帶截止頻率為2500HZ 。一般希望窗函數(shù)滿足以下兩個要求：窗譜主瓣盡可能地窄，以獲得陡峭的過渡帶；盡量減少窗譜的最大旁瓣的相對幅度，也就是能量盡量集中于主瓣，這樣使肩峰和波紋減小，就可增大阻帶的衰減。3.語音信號的加噪(1)產(chǎn)生一個長度與你所截取的語音信號等長的噪聲信號，為“LQ2.wav”，所用指令為wavewrite(),所加噪聲如圖6所示。疊加噪聲可以用awgn()語句，在疊加噪聲時，應選取適當?shù)闹?，盡量能體現(xiàn)出能量主要集中的頻段。(2)將語音與噪聲合成的信號

7、“LQ2.wav”送入所設(shè)計的基于凱澤窗的FIR數(shù)字濾波器中進行濾波。(3)將濾波結(jié)果導出保存成文件“LQ3.wav”.加噪程序為：LQ2=awgn(LQ1,15,'measured');wavwrite(LQ2,fs,'LQ2.wav'); figure(4)subplot(2,1,1);plot(LQ1);title('截短語音信號');subplot(2,1,2);plot(sLQ2);title('加噪后截短語音信號');S2=fft(LQ2);figure(5)subplot(2,1,1);plot(abs(S1);ti

8、tle('預處理語音信號頻譜');subplot(2,1,2);plot(abs(S2);title('加噪后截短語音信號頻譜)得出加噪后信號如下：圖6 加噪后的語音信號圖7 加噪信號頻譜 4.濾波器的設(shè)計(1)確定濾波器的參數(shù)：根據(jù)上一步驟中設(shè)定的自己語音信號主要能量分布的頻段設(shè)定要設(shè)計的濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率。通帶和過渡帶可以通過主瓣和旁瓣的寬度轉(zhuǎn)化，由此得和，設(shè)定通帶截止頻率為3.5dB阻帶衰減不小于-80dB，查表知可選用凱澤窗，并通過轉(zhuǎn)化可得以下參數(shù)： （r/sec） （r/sec）（r/sec）（r/sam）（r/sam）（r/sam）(2)設(shè)計

9、濾波器：采用FIR數(shù)字濾波器進行設(shè)計。根據(jù)上一步驟所設(shè)定的濾波器參數(shù)進行濾波器的設(shè)計，驗證所設(shè)計的數(shù)字濾波器的頻率響應是否滿足要求。a. 給定所要求的頻率響應函數(shù) b.求單位采樣響應 c.求窗函數(shù)。選用的是凱澤窗，根據(jù)通、阻帶截止頻率計算過渡帶寬度。由于凱澤窗過渡帶滿足 又因為 所以 N即 N=710d.計算線性相位延遲凱澤窗，0nN-1e. 濾波器的單位采樣響應：=0.0176Sa0.0176(n-)根據(jù)以上內(nèi)容，編寫濾波器設(shè)計程序如下：wp=1500*2*pi/fs;wst=2500*2*pi/fs;wc=(wp+wst)/2/pi;N=ceil(5.5*2*pi/(wst-wp);r=(

10、N-1)/2;hn1=fir1(N-1,wc,'low',Kaiser(N);figure(6)freqz(hn1);title('濾波器幅頻特性與相頻特性')figure(7)subplot('111')stem(hn1);title('濾波器單位采樣響應');得到濾波器幅頻特性與相頻特性圖如下：圖8濾波器幅頻特性與相頻特性圖三、設(shè)計結(jié)果與分析1. 比較濾波前（含噪聲信號的文件）和濾波后的語音信號效果濾波前（含噪聲信號）的文件名稱為：LQ2.wav.濾波后的文件名稱為LQ3.wav對原始信號進行濾波代碼如下濾波結(jié)果導出程序為LQ

11、3=conv(LQ2,hn1);wavwrite(LQ3,fs,'LQ3.wav');S3=fft(LQ3);figure(7)subplot(221)plot(LQ2);title('加噪后語音信號');subplot(222)plot(LQ3)title('濾波器處理之后信號圖')subplot(223);plot(abs(S2);title('濾波器處理之前頻譜');subplot(224);plot(abs(S3);title('濾波器處理之后頻譜');圖9 濾波后與原始波形進行比較對原始信號進行濾波代碼如

12、下：s4=conv(LQ1,hn1);S4=fft(LQ4);figuresubplot(221);plot(LQ1);title('濾波器處理之前');subplot(222);plot(LQ4);title('濾波器處理之后');subplot(223);plot(abs(S1);title('濾波器處理之前');subplot(224);plot(abs(S4);title('濾波器處理之后');圖10 濾波后與原始波形進行比較濾波效果圖形分析：比較圖9中的加噪前后語音信號時域圖與濾波器處理后語音信號時域圖可以看出，語音信號

13、的幅度走向相差不大，但濾波后語音信號的幅度明顯小于濾波前的加噪語音信號和原始語音信號。上圖說明經(jīng)過我設(shè)計的基于凱澤的FIR濾波器后加噪信號的噪聲被濾掉了一部分，使濾出信號的效果比加噪后好一些。其他相關(guān)的重要數(shù)據(jù)截圖如下：圖11 相關(guān)數(shù)據(jù)圖2. 計算濾波前后的信噪比信噪比定義：在規(guī)定的條件下，傳輸信道特定點上的有用功率與和它同時存在的噪聲功率之比，常用分貝數(shù)表示，設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。一般來說，信噪比越大，說明混在信號里的噪聲越小，聲音回放的音質(zhì)量越高，否則相反。依據(jù)此定義設(shè)：SNR1表示濾波前的信噪比SNR2表示濾波后的信噪比在Matlab中的程序及如下：p1=sum(LQ1.

14、2); p2=sum(LQ2.2)-sum(LQ1.2);SNR1=10*log10(p1/p2);p3=sum(LQ4.2);p4=sum(LQ3.2)-sum(LQ4.2);SNR2=10*log10(p3/p4);disp('SNR1=',num2str(SNR1);disp('SNR2=',num2str(SNR2);得出信噪比 SNR1 =15.2014dBSNR2 =27.7486dB 濾波器效果信噪比分析： SNR1（濾波前的信噪比）為15.2014dB，SNR2（濾波后的信噪比）為27.7486dB，將SNR1與SNR2對比得出濾波后的

15、信噪比比濾波前得信噪比增加了12.5472dB，濾波后的信道有用功率與噪聲功率的比相較于濾波器處理之前增大了。說明濾波后信道的噪聲功率與濾波前相比小了一部分，即表示這部分的噪聲被濾波器濾掉了，本濾波器的濾波效果不好，濾波前后信噪比差距較小，濾除噪音較少，但是將噪聲信號從疊加噪聲的語音信號中濾除，說明該濾波器已經(jīng)成功濾波。結(jié)論：此基于凱澤函數(shù)法設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過濾波后的信道的有用功率與噪聲功率的比比濾波前增大，說明濾波后的信噪比比濾波前信噪比增大，表明該濾波器成功濾除噪聲，此濾波器設(shè)計成功。3.信號采樣的頻率分辨率信號采樣的頻率分辨率，此次設(shè)計中采樣結(jié)果的長度N取為，因此

16、Hz。四、設(shè)計體會本次課程設(shè)計任務是設(shè)計一個數(shù)字濾波器，通過對常用數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)，掌握數(shù)字信號處理的工作原理及設(shè)計方法；掌握利用數(shù)字濾波器對信號進行濾波的方法，并能夠?qū)υO(shè)計結(jié)果加以分析。我設(shè)計的是FIR數(shù)字濾波器并選擇凱澤窗函數(shù)法來進行設(shè)計。在設(shè)計過程中使用的是matlab軟件。在完成這次課程設(shè)計任務的同時，復習了數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，并且熟練掌握了利用matlab軟件編程來設(shè)計一個濾波器的方法和步驟，進一步熟悉了matlab的使用方法。通過本次課程設(shè)計讓我有了很多收獲，首先，我對濾波器的設(shè)計原理進行更深一層次的理解，對書中原來學到的理論，僅知道了其表面，且知其原因。其次，在整個過程當中，我也認識到在課程設(shè)計中每一次的數(shù)據(jù)輸入都有其重要意義，用MATLAB編譯程序時，可以根據(jù)濾波器指標的要求實時知道對濾波器的影響。完成整個設(shè)計過程后，學到的東西已經(jīng)不僅僅上面的那些東西，還有同組員的共同努力和探討和設(shè)計過程中的每一個細