數(shù)字信號處理課程設計指導書

1、數(shù)字信號處理課程設計指導書l 設計題目：語音信號的數(shù)字濾波×數(shù)字濾波器的×設計【說明】題目中的“×”主要有以下幾種：² IIR數(shù)字濾波器的沖激響應不變法設計² IIR數(shù)字濾波器的雙線性變換法設計² FIR數(shù)字濾波器的（矩形）窗函數(shù)法設計² FIR數(shù)字濾波器的（三角）窗函數(shù)法設計² FIR數(shù)字濾波器的（漢寧）窗函數(shù)法設計² FIR數(shù)字濾波器的（海明）窗函數(shù)法設計² FIR數(shù)字濾波器的（Bartlett）窗函數(shù)法設計² FIR數(shù)字濾波器的（凱澤）窗函數(shù)法設計l 設計步驟及要求一、 語音信號

2、的采集：1. 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（2） 用麥克風錄入自己的聲音信號并保存成文件（語音信號的長度不得少于1秒）（3） 記錄以下內(nèi)容：l 語音信號文件保存的文件名、格式（擴展名，一般應為“.wav”）l 語音信號的采樣速率（建議保存語音文件時選擇采樣頻率等于8000Hz）l 語音信號的時間長度2. 利用MP3等設備采集：（1） 用MP3等設備的麥克風錄入自己的聲音信號并保存成文件（2） 記錄以下內(nèi)容：l 語音信號文件保存的文件名、格式（擴展名，一般應為“.wav”，若不是，需轉(zhuǎn)換成“.wav”格式）l 語音

3、信號的采樣速率l 語音信號的時間長度二、 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“*.wav”復制到計算機裝有Matlab軟件的磁盤中相應Matlab目錄中的“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”或是點擊快捷按鈕，打開m文件編輯器4. 在m文件編輯器中輸入相應的指令將自己的語音信號導入Matlab工作臺說明：l 比較常用的語音文件導入指令為：wavread（），具體使用方法可以在Matlab命令窗口中鍵入“help”指令查詢；l 一般情況下錄入的雙聲道語音信號中（主要指.wav

4、文件）右導入交保存為變量后，其變量應當是一個二列的二維數(shù)組，其中每一列對應一個聲道，數(shù)組的行數(shù)等于采樣速率與時間的乘積（即單聲道的采樣點數(shù)）；l 有的同學對利用fft( )函數(shù)求取信號頻譜的形式不太清楚，我這里說明一下：（以下面這段程序為例）s, fs=wavread(' speech.wav '); %將語音文件“speech.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fsL=2floor(log2(length(s) ; %取被處理信號的長度為小于語音信號長度的最大的2整數(shù)次冪s1=s(200:200+L-1); %舍棄語音信號起首空白部分，取被處理信號s1

5、的長度為Lwavwrite(s1, fs,'s1.wav'); %將被處理信號s1輸出為語音文件“s1.wav”s2=awgn(s1,15); %在被處理信號s1上迭加15dB的AWGN，并賦值給數(shù)組s2wavwrite(s2,fs,'s2.wav'); %將含噪聲的信號s2輸出為語音文件“s2.wav”S1=fft(s1); %將被處理信號s1求取L點的FFT，其頻譜賦值給數(shù)組S1n=0:L-1; %定義時間序號n，長度與被處理信號s1相同subplot(311); %把一個圖形窗口中分三行一列，在第一個分區(qū)中畫圖plot(n,s1); %繪制被處理的語音信號

6、的時間域波形k=0:L-1; %定義頻譜序號k，長度與被頻譜S1相同subplot(312); %在圖形窗口第二個分區(qū)中畫圖plot(k,abs(S1); %繪制被處理的語音信號的FFT幅頻特性|DFTs1(n)|detf=fs/L; %計算頻率分辨率，并賦值給變量detfsubplot(313); %在圖形窗口第三個分區(qū)中畫圖plot(k(1:L/2)*detf,abs(S1(1:L/2); %繪制被處理的語音信號s1的實際幅頻特性（正頻率段）FFT與實際連續(xù)信號頻譜的對應關系：上圖是程序程序執(zhí)行結果，其中第二個圖是信號的FFT結果，其橫坐標的具體值是X(k)中的序號k；第三個圖是確定濾波頻

7、率范圍的參考圖，其橫坐標的具體值應當是遵循DFT定義式和頻率分辨率求得的：，當k等于0時， ，從數(shù)字角頻率上看，對應的正好是即直流的位置，也就是說，大家在取濾波頻段時，應當將主要能量（即紅色框框住的部分）保留，其余頻段部分的信號濾除。至于對于主要能量具體值的確定由大家自己設定。頻率分辨率：X(k)=DFTx(n)相當于是信號x(n)的實際頻譜X(ej)=DTFTx(n)的采樣，而x(n)又是連續(xù)時間語音信號x(t)的采樣。X(k)的每兩個相鄰取值之間的頻率間隔大小對應到語音信號x(t)的頻譜中去，其頻率間隔大小正好是，稱頻率分辨率。5. 編寫程序段，利用Matlab中已有的FFT程序函數(shù)和畫圖

8、程序函數(shù)對導入的語音信號進行分析，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說明：l 比較常用的FFT求取命令函數(shù)為fft（），具體使用方法可以在Matlab命令窗口中鍵入“help”指令查詢l 比較常用的繪圖指令為：plot（）和subplot( )，具體使用方法可以在Matlab命令窗口中鍵入“help”指令查詢6. 記錄以下內(nèi)容：² 你在信號頻譜分析時所截取的語音信號的長度N² 利用fft( )函數(shù)和繪圖指令分析你自己語音信號的頻譜圖（可以直接在Matlab繪圖窗口保存）² 你所認為你的讀音信號的能量主要頻段（）三、 濾波器的設

9、計：1. 確定濾波器的參數(shù)：l 根據(jù)上一步驟中設定的自己語音信號主要能量分布的頻段（）設定要設計的濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率（注意模擬角頻率和數(shù)字角頻率之間的轉(zhuǎn)換關系）l 確定你所要設計的濾波器的通帶允許最大衰減（）和阻帶必須達到的最小衰減（）l 確定你所要設計的濾波器的類型（LPF、BPF、HPF、BSF）2. 設計濾波器：（1） 確定你所要設計濾波器采用哪一種方法（IIR還中FIR）（2） 根據(jù)上一步驟所設定的濾波器參數(shù)進行濾波器的設計（起到數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H（z）求出）（3） 驗證自己所設計的數(shù)字濾波器的頻率響應是否滿足要求3. 用matlb編程語句實現(xiàn)并寫入你所編寫的m文件

10、中，命名，保存4. 在設計說明書中記錄以下內(nèi)容：l 設計的濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率l 設計過程l 設計結果（主要有數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H（z）、數(shù)字濾波器的頻率響應說明：l 以上濾波器設計過程中的所有相關的計算基本上在Matlab中都能找到相應的函數(shù)來輔助計算，充分利用matlab所提供的各種運算函數(shù)可以大大地簡化設計運算，具體使用方法可以參見相關的參考書。四、 疊加噪聲：1. 產(chǎn)生一個長度為N的噪聲信號2. 將噪聲信號迭加到語音信號上，導出，保存成“*.wav”文件。（具體方法可參見第2頁程序段）說明：l 比較常用的語音文件導出指令為：wavwrite（），具體使用方法可以在Mat

11、lab命令窗口中鍵入“help”指令查詢l 比較常用的噪聲生成疊加指令為：awgn（），具體使用方法可以在Matlab命令窗口中鍵入“help”指令查詢3. 將語音與噪聲合成的信號送入你所設計的濾波器中進行濾波說明：l 若你所設計的濾波器是用單位采樣響應h(n)表示的，可以利用帶噪聲語音與h(n)做時域卷積，即：。在Matlab中，卷積運算可以用函數(shù)“conv( )”實現(xiàn)，具體用法可用“help conv”命令在Matlab命令窗口下查詢l 若你所設計的濾波器是用頻率響應表示的，可以利用帶噪聲語音的頻譜（即快速傅里葉變換的結果）與做頻域乘積，即：，先得到濾波結果的頻譜，再取離散傅里葉反變換，得

12、到濾波結果的時域波形采樣。相乘時，要注意濾波器的頻率響應函數(shù)的采樣與帶噪聲語音的頻譜二者必須具有相同的頻率分辨率，否則濾波結果不會正確。4. 將濾波結果導出保存成“*.wav”文件。五、 濾波效果分析：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2. 計算濾波前后的信噪比（可以用能量比來進行計算）3. 記錄以下內(nèi)容：l 濾波前（含噪聲信號）的文件名稱和濾波后的文件名稱l 濾波前（含噪聲）的信號和濾波后信號的信噪比l 信號采樣的頻率分辨率。附件1：課程設計任務書附件2：課程設計說明書模板課 程 設 計 任 務 書專 業(yè)班 級姓 名設 計 起 止 日 期2010-7-52010-7-

13、11設計題目：語音信號的數(shù)字濾波×數(shù)字濾波器的×設計設計任務（主要技術參數(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)字濾波器的設計（，濾波器的階數(shù)）；5. 濾波結果輸出及效果分析（）指導教師評語：成績： 簽字：年 月 日設計題目語音信號的數(shù)字濾波×數(shù)字濾波器的×設計一、課程設計的目的通過對常用數(shù)字濾波器的設計和實現(xiàn)，掌握數(shù)字信號處理的工作原理及設計方法；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計結果加以分析。二、設計步驟（參考前面指導書“一四”內(nèi)容，要求至少包括：² 語音信號的

14、采樣錄音（記錄、N，含單位）；² 語音信號的頻譜分析（記錄，含單位）；頻譜分析部分要有截圖說明；² 語音信號的加噪（記錄，含單位）；² 數(shù)字濾波器的具體設計（計算）過程（記錄，含單位；濾波器的階數(shù)）；² 程序清單² ）   三、設計結果與分析 （參考前面指導書“五”的內(nèi)容，要求至少包括：² 原始語音信號波形圖² 加噪聲以后的語音信號波形圖² 濾波后的語音信號波形圖² 加噪聲以后的語音信號的信噪比（SNR1）² 濾波后的語音信號的信噪比（SNR2）² 效果分

15、析總結）四、設計體會 五、參考文獻參考文獻要列出3篇以上，格式如下：1 謝宋和, 甘 勇. 單片機模糊控制系統(tǒng)設計與應用實例M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1999.5：20-25（參考書或?qū)Ｖ袷綖?著者. 書名M. 版本(第1版不注). 出版地:出版者, 出版年月：引文所在頁碼）2 潘新民, 王燕芳. 微型計算機控制技術M, 第2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.4：305-350（1本書只能作為1篇參考文獻，不能將1本書列為多個參考文獻）3 范立南, 謝子殿. 單片機原理及應用教程M. 北京: 北京大學出版社, 2006.1：123-1304 Newman W M, Sbroull R F. Principles of Interactive Computer GraphicsM. New York: McGraw Hill, 1979.10：10-255卜小明, 龍全求. 一種薄板彎曲問題的四邊形位移單元J. 力學學報, 1991,23(1):53-60（參考期刊雜志格式為: 作者. 論文題目J. 期刊名, 出版年, 卷號(期號): 頁碼）（期刊名前不寫出版地）6 Mastri A R. Neuropathy of diabetic neurogenic bladderJ. Ann Intern Med, 1980, 92