青島科技大學(xué)《數(shù)字信號(hào)處理》課程設(shè)計(jì)(一)

1、青 島 科 技 大 學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字信號(hào)分析及數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)題 目 _張淑軍指導(dǎo)教師_學(xué)生姓名_學(xué)生學(xué)號(hào)_院（部）_專(zhuān)業(yè)班_2014_年 _12_月 _25_日1. 目的與要求1.進(jìn)一步鞏固數(shù)字信號(hào)處理中的基本原理與方法，提高分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 2.熟練掌握一門(mén)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，訓(xùn)練基本技能，如查閱設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)、程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試等。3選擇的題目為（一）數(shù)字信號(hào)分析及數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)1.用以下方式產(chǎn)生三個(gè)不同頻段的信號(hào)：（1）自己錄制一段正常的語(yǔ)音文件；（2）錄制一段環(huán)境噪聲文件；（3）利用MATLAB產(chǎn)生一個(gè)不同于以上頻段的信號(hào)。2.對(duì)上述三個(gè)信

2、號(hào)，進(jìn)行頻譜分析，畫(huà)出三路信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，對(duì)進(jìn)行對(duì)比分析。3.根據(jù)三路信號(hào)的頻譜特點(diǎn)得到性能指標(biāo)，由性能指標(biāo)設(shè)計(jì)三個(gè)濾波器，并畫(huà)出各濾波器的頻域響應(yīng)。4.將三路信號(hào)疊加為一路信號(hào)。5.用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)合成的信號(hào)進(jìn)行濾波，分析得到信號(hào)的頻譜，并畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜。2.主要技術(shù)和原理2.1語(yǔ)音的輸入、處理以及信號(hào)的疊加 Matlab中語(yǔ)音信號(hào)的輸入為x,fs,bits=wavread('C:UserslenovoDesktop原始語(yǔ)音.wav',50000 60000);其中wavread函數(shù)讀取Microsoft的wav格式音頻文件，x為自己隨意定義的一個(gè)

3、輸出函數(shù)，fs 是采樣頻率 bits 表示每個(gè)樣點(diǎn)的位數(shù)，50000 60000表示讀取從50000到60000個(gè)點(diǎn)到x中。X_voice=x(:,1)因?yàn)橐纛l信號(hào)都有兩個(gè)聲道，所以提取出來(lái)一個(gè)聲道進(jìn)行分析Plot（x）為畫(huà)出當(dāng)前的波形，freqz（x）是求離散系統(tǒng)頻響特性的函數(shù)。隨機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)（2）信號(hào)的疊加本次實(shí)驗(yàn)需要將正常語(yǔ)音信號(hào)與噪音信號(hào)還有matlab產(chǎn)生的一個(gè)信號(hào)進(jìn)行疊加，生成一個(gè)新的信號(hào)，代碼如下f1=22000; f2=25000; fs=50000; t=1/fs; length_x=length(x); input_x=zeros(1,length_x);for i=1:1

4、:length_x input_x(i)=sin(2*pi*f1*i*t)+sin(2*pi*f2*i*t);input_x=input_x'end 正常語(yǔ)音信號(hào)的代碼：x,fs,bits=wavread('C:UserslenovoDesktop原始語(yǔ)音.wav',50000 60000);X_voice=x(:,1);input_x=X_voice;噪聲語(yǔ)音的代碼：x1,fs1,bits1=wavread('C:UserslenovoDesktopÔëÒô1.wav',50000 60000);X3_voice

5、=x1(:,1);input_x1=X3_voice;但是信號(hào)疊加有一個(gè)非常重要的條件就是點(diǎn)數(shù)必須相同，不僅點(diǎn)數(shù)相同而且點(diǎn)數(shù)矩陣得是同一類(lèi)型，在原始語(yǔ)音和噪聲語(yǔ)音的點(diǎn)數(shù)10001個(gè)，但他們產(chǎn)生的是10001行1列矩陣，而matlab產(chǎn)生的正弦信號(hào)卻是1行10001列矩陣，結(jié)果也不能疊加，這就需要將1行10001列矩陣變成10001行1列矩陣，input_x=input_x'反轉(zhuǎn)語(yǔ)句就是講input_x的行和列互換。疊加語(yǔ)句：for i=1:1:length_xy1=X_voice+X3_voice+input_x;end2.2FIR濾波器設(shè)計(jì)原理時(shí)間窗口設(shè)計(jì)法是從單位脈沖響應(yīng)序列著手，

6、使h(n)逼近理想的單位脈沖響應(yīng)序列hd(n)。我們知道hd(n)可以從理想頻響通過(guò)付氏反變換獲得但一般來(lái)說(shuō)，理想頻響是分段恒定，在邊界頻率處有突變點(diǎn)，所以，這樣得到的理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)往往都是無(wú)限長(zhǎng)序列，而且是非因果的。但FIR的h(n)是有限長(zhǎng)的，問(wèn)題是怎樣用一個(gè)有限長(zhǎng)的序列去近似無(wú)限長(zhǎng)的。最簡(jiǎn)單的辦法是直接截取一段hd(n)代替 h(n) 。這種截取可以形象地想象為h(n)是通過(guò)一個(gè)“窗口”所看到的一段hd(n)，因此 ，h(n)也可表達(dá)為h(n)和一個(gè)“窗函數(shù)”的乘積，即 h(n)=w(n) hd(n) 在這里窗口函數(shù)就是矩形脈沖函數(shù)RN（n），當(dāng)然以后我們還可看到，為了改善設(shè)

7、計(jì)濾波器的特性，窗函數(shù)還可以有其它的形式，相當(dāng)于在矩形窗內(nèi)對(duì)hd(n)作一定的加權(quán)處理。（2）本次實(shí)驗(yàn)只采用了矩形窗設(shè)計(jì)方法，由于hd(n)是無(wú)限長(zhǎng)的，故要用一個(gè)有限長(zhǎng)的“窗函數(shù)”序列w(n)將hd(n)加以截?cái)?，窗的點(diǎn)數(shù)是N點(diǎn)。截?cái)嗪蟮男蛄袨閔d(n) h(n)=w(n) hd(n)， 0<=n<=N-1窗的點(diǎn)數(shù)N及窗的形狀是兩個(gè)極其重要的參數(shù)。加窗后實(shí)際的頻率響應(yīng) =DTFTh(n)=DTFT=(3)FIR帶通、高通、帶阻、多通帶多阻帶濾波器的設(shè)計(jì)（1）N長(zhǎng)的FIR全通濾波器h（n）的函數(shù)表達(dá)當(dāng)，則低通濾波器變?yōu)槿V波器： （2）N長(zhǎng)的FIR高通濾波器h（n）的函數(shù)表達(dá)式由高

8、通的頻譜結(jié)構(gòu)可知，高通濾波器的頻譜=全通濾波器的頻譜-低通濾波器的頻譜。（3）N長(zhǎng)的FIR帶通濾波器h（n）的函數(shù)表達(dá)式帶通濾波器的頻譜=低通濾波器的頻譜-低通濾波器的頻譜。（3）N長(zhǎng)的FIR帶通濾波器h（n）的函數(shù)表達(dá)式帶阻濾波器的頻譜=全通濾波器的頻譜-帶通濾波器的頻譜。 （4）N長(zhǎng)的FIR帶阻濾波器h（n）的函數(shù)表達(dá)式 帶阻濾波器的頻譜=全通濾波器的頻譜-帶通濾波器的頻譜 （5）N長(zhǎng)的FIR多通帶多帶阻濾波器h（n）的函數(shù)表達(dá)式 多通帶多阻帶濾波器的頻譜=全通濾波器的頻譜-帶通濾波器的頻譜-帶通濾波器的頻譜。3.總體方案設(shè)計(jì)3.1開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具 Pc window8.1 matlab20

9、12a3.2具體框架Matlab產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)噪聲語(yǔ)音的錄入原始信號(hào)的錄入繪制時(shí)域頻域波形繪制時(shí)域頻域波形繪制時(shí)域頻域波形三路信號(hào)疊加成一路信號(hào)繪制時(shí)域頻域波形設(shè)計(jì)多通多阻濾波器設(shè)計(jì)高通濾波器設(shè)計(jì)低通濾波器與y1相卷積進(jìn)行濾波與y1相卷積進(jìn)行濾波與y1相卷積進(jìn)行濾波語(yǔ)音恢復(fù)成wav格式語(yǔ)音恢復(fù)成wav格式語(yǔ)音恢復(fù)成wav格式3.3設(shè)計(jì)過(guò)程 （1）信號(hào)的獲取采集（原始語(yǔ)音，噪聲，matlab產(chǎn)生的信號(hào)） 錄取一段語(yǔ)音信號(hào)，fs=44100赫茲，共抽樣10001個(gè)點(diǎn)錄取一段噪聲語(yǔ)音，本次噪聲語(yǔ)音就是用電腦自己錄的雜音當(dāng)做噪聲，且fs=44100，也是抽取了10001個(gè)點(diǎn)用matlab產(chǎn)生了一個(gè)正弦信

10、號(hào)抽樣頻率為50000，f1和f2分別為22000和25000赫茲。 （2）對(duì)做好的信號(hào)要進(jìn)行處理，用wavread函數(shù)將語(yǔ)音信號(hào)讀進(jìn)來(lái)，取他們的一列，對(duì)于正弦信號(hào)要進(jìn)行轉(zhuǎn)置input_x=input_x'以便于后面對(duì)信號(hào)的疊加做準(zhǔn)備。 （3）繪制語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形的頻域波形 （4）根據(jù)（3）設(shè)計(jì)出來(lái)的頻譜特性進(jìn)行分析，根據(jù)分析的結(jié)果設(shè)計(jì)濾波器，在畫(huà)出各個(gè)濾波器的頻譜以及時(shí)域波形。 （5）將做好的三路信號(hào)疊加成一路信號(hào)，在對(duì)疊加好的信號(hào)畫(huà)頻譜。 （6）將設(shè)計(jì)好的濾波器分別與此信號(hào)卷積進(jìn)行濾波，在畫(huà)出濾波后的信號(hào)的頻譜。 （7）最后將語(yǔ)音恢復(fù)，輸出到指定文件夾下。4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1

11、這部分是實(shí)現(xiàn)對(duì)原始語(yǔ)音的處理具體代碼如下：x,fs,bits=wavread('C:UserslenovoDesktop原始話音.wav',50000 60000); %對(duì)原始話音讀取到x中X_voice=x(:,1);%提取聲道1input_x=X_voice;%將聲道1賦給input_xfigure(1);plot(input_x);對(duì)input_x畫(huà)時(shí)域波形title('原始話音波形');figure(1);freqz(input_x);%對(duì)input_x畫(huà)頻譜波形title('原始話音頻譜');X1_voice=x(:,2);%提取聲道2

12、input_x=X1_voice;%將聲道2賦給input_xfigure(3);plot(input_x);title('原始話音波形');figure(4);freqz(input_x);title('原始話音頻譜');y=X_voice+X1_voice;&將兩個(gè)信號(hào)疊加為原始語(yǔ)音信號(hào)figure(5);plot(y);title('原始話音波形');figure(6);freqz(y);title('原始話音頻譜');主要用到的函數(shù)wavread是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的讀取，但只能是wav格式，plot(input_x);是

13、畫(huà)圖函數(shù)，將input_x畫(huà)出來(lái)，freqz(input_x);是求input_x的頻譜并將其畫(huà)出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如下：上圖為聲道1的波形和頻譜，只是提取了10001個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，此頻譜特點(diǎn)是圖上在f=2800,11250,21400赫茲處出現(xiàn)了尖峰。這里只對(duì)提取的一個(gè)聲道分析，代表了此信號(hào)。4.2實(shí)現(xiàn)對(duì)噪音信號(hào)的處理模塊及其實(shí)現(xiàn)代碼：x1,fs1,bits1=wavread('C:UserslenovoDesktopÔëÒô1.wav',50000 60000);X3_voice=x1(:,1);input_x1=X3_voice;figu

14、re(9);plot(input_x1);title('原始噪音波形');figure(10);freqz(input_x1);title('原始噪音頻譜圖');此模塊與正常語(yǔ)音的的處理大同小異，只是在噪音里我只提取了一個(gè)聲道，用到的函數(shù)與處理正常語(yǔ)音用到的函數(shù)一樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如下以下兩個(gè)圖一個(gè)是噪音頻譜，另一個(gè)是噪音波形，我也是對(duì)噪音提取了10001個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，從頻譜上看，在f=6700赫茲以前信號(hào)的頻率比較高，但不是很高，就設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器將較高的信號(hào)濾除，使產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的信號(hào)，此噪音不突出，一方面跟采樣點(diǎn)數(shù)有關(guān)系，另一方面錄制噪音的時(shí)候尖峰不夠，但主要

15、考察濾波器設(shè)計(jì)及其分析，不影響整體。4.3實(shí)現(xiàn)matlab產(chǎn)生的正弦信號(hào)及其代碼：f1=22000; % 輸入信號(hào)f1f2=25000; % 輸入信號(hào)f2fs=50000; % fs為抽樣頻率 t=1/fs; length_x=length(x); %輸入信號(hào)的長(zhǎng)度input_x=zeros(1,length_x);for i=1:1:length_x input_x(i)=sin(2*pi*f1*i*t)+sin(2*pi*f2*i*t);input_x=input_x'%將input_x轉(zhuǎn)置end figure(7); plot(input_x); title('產(chǎn)生信號(hào)的

16、時(shí)域波形');grid on;figure(8); freqz(input_x); title('產(chǎn)生信號(hào)的頻譜波形');此模塊先設(shè)置了兩個(gè)信號(hào)的頻率，抽樣頻率要大于等于2倍的f1和f2，i=1:1:length_x是從1開(kāi)始到length_x逐步取值賦給x，且步長(zhǎng)為1，input_x=input_x'是對(duì)input_x進(jìn)行轉(zhuǎn)置本來(lái)是100011矩陣轉(zhuǎn)置后變?yōu)?10001矩陣，grid on是畫(huà)圖時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)格，其他函數(shù)以上均有說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如下：以上兩個(gè)圖形是產(chǎn)生信號(hào)的波形及頻譜，由于采樣點(diǎn)數(shù)很大，導(dǎo)致時(shí)域波形看起來(lái)就是一個(gè)藍(lán)色矩形，點(diǎn)數(shù)少了能看見(jiàn)是一個(gè)正弦信號(hào)

17、。從頻譜上，在f=21000赫茲處出現(xiàn)了一個(gè)尖峰。4.4實(shí)現(xiàn)信號(hào)的疊加的代碼：for i=1:1:length_x y1=X_voice+X3_voice+input_x;endfigure(11);freqz(y1);title('疊加后信號(hào)的頻譜');信號(hào)疊加要考慮到長(zhǎng)度相同，且矩陣也要相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如下：綜合原始語(yǔ)音，噪聲語(yǔ)音，還有產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜分析，在0.9出出現(xiàn)了一個(gè)尖峰，原來(lái)的尖峰依舊存在，疊加信號(hào)的頻譜跟原始語(yǔ)音信號(hào)非常相似，產(chǎn)生的信號(hào)疊加后比原始信號(hào)頻譜多了一個(gè)尖峰，但不明顯，相反噪音信號(hào)無(wú)尖峰，對(duì)正常語(yǔ)音信號(hào)影響并不大，可能是點(diǎn)數(shù)沒(méi)有取好，但只要有影響就行

18、。后期處理好就行。而時(shí)域波形可以看見(jiàn)有很多蜂刺，那些蜂刺可能是噪音的影響。4.5由原始語(yǔ)音設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)疊加后的信號(hào)處理及實(shí)現(xiàn)其代碼：f_L1=2600;%其頻率值f_H1=3000;f_L2=11000; f_H2=11500;f_L3=21900;f_H3=22600;w_L1=2*pi*f_L1/fs;%轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率值w_H1=2*pi*f_H1/fs;w_L2=2*pi*f_L2/fs; w_H2=2*pi*f_H2/fs;w_L3=2*pi*f_L3/fs;w_H3=2*pi*f_H3/fs;N=22001;M=N-1;h=zeros(1,N);for i=0:N-1%多通多阻濾波

19、器的設(shè)計(jì) if i=M/2 h(i+1)=(pi-w_H1+w_L1-w_H2+w_L2-w_H3+w_L3)/pi; else h(i+1)=(sin(i-M/2)*pi)-sin(i-M/2)*w_H1)+sin(i-M/2)*w_L1)-sin(i-M/2)*w_H2)+sin(i-M/2)*w_L2)-sin(i-M/2)*w_H3)+sin(i-M/2)*w_L3)/(i-M/2)*pi); end end figure(16); plot(h);title('由原始語(yǔ)音設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜 ');figure(17);freqz(h); title('經(jīng)濾波后

20、的y1');y3=conv(y1,h);freqz(y3);其中for循環(huán)是設(shè)計(jì)多通多阻，兩個(gè)低通相減就是帶通，再用全通減去帶通就得到帶阻，帶通的代碼sin(i-M/2)*w_H1)-sin(i-M/2)*w_L1) /(i-M/2)*pi)，全通的代碼sin(i-M/2)*pi)/(i-M/2)*pi)，以上的頻率是分析其尖峰所選擇的頻率。其濾波器頻域波形及濾波后的時(shí)域波形、頻域波形：上圖是經(jīng)過(guò)濾波后y1的頻譜，從圖上可以看出有尖峰的地方已經(jīng)濾掉可以看出濾波器設(shè)計(jì)還算成功上圖是設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜，含有多通多阻，從圖中可以看出有三處是阻帶，就是為了濾掉y1的三個(gè)尖峰，其他可以安全通過(guò)。

21、下圖為濾波后y1的時(shí)域波形，波形大概成對(duì)稱(chēng)性4.5由噪音語(yǔ)音設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)疊加后的信號(hào)處理及實(shí)現(xiàn)其代碼：N=1001;M=N-1;wc=2*pi*6700/fs;%截至的角頻率for i=0:N-1 %設(shè)計(jì)的高通濾波器 if i=M/2 h(i+1)=(pi-wc)/pi; % 當(dāng)i=M/2時(shí)的極限值 else h(i+1)=(sin(i-M/2)*pi)-sin(i-M/2)*wc)/(i-M/2)*pi); % 高通濾波器的h(n)表達(dá)式 end end figure(12);freqz(h);title('由噪聲設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜');y=conv(y1,h);figur

22、e(13);freqz(y);title('經(jīng)過(guò)濾波后的y1')這是一個(gè)高通濾波器，高通濾波器=全通濾波器-低通濾波器，wc是濾波器的截止頻率在此處為過(guò)渡段，其濾波器頻域波形及濾波后的時(shí)域波形、頻域波形：上圖是設(shè)計(jì)的高通濾波器的頻譜圖上圖是經(jīng)過(guò)高通濾波器后y1的時(shí)域波形，高通對(duì)疊加信號(hào)的時(shí)域波形影響并不大只是尖峰變密了。上圖是經(jīng)過(guò)濾波后y1的頻譜波形，可以看見(jiàn)將噪音信號(hào)的較高頻率的濾掉了。4.5由matlab產(chǎn)生的信號(hào)設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)疊加后的信號(hào)處理及實(shí)現(xiàn)其代碼：N=1000;M=N-1;wc=2*pi*21000/fs;for i=0:N-1%設(shè)計(jì)的低通濾波器 if i=M/2

23、 h(i+1)=wc/pi; % 當(dāng)i=M/2時(shí)的極限值 else h(i+1)=sin(i-M/2)*wc)/(i-M/2)*pi); % 低通濾波器的h(n)表達(dá)式end end figure(14);freqz(h); %顯示低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)title('由產(chǎn)生的信號(hào)設(shè)計(jì)出的濾波器的頻譜');y2=conv(y1,h);figure(15);freqz(y2);title('經(jīng)過(guò)濾波后的y1');低通濾波器的函數(shù)表達(dá)為sin(i-M/2)*wc)/(i-M/2)*pi);其濾波器頻域波形及濾波后的時(shí)域波形、頻域波形：上圖是根據(jù)產(chǎn)生信號(hào)頻譜設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜此為低通濾波器。上圖為濾波后的y1時(shí)域波形，此時(shí)域圖跟疊加后時(shí)域波形變化巨大看上去更像正弦信號(hào)。上圖是經(jīng)過(guò)低通濾波器y1的頻譜?？梢钥吹綄a(chǎn)生信號(hào)頻譜的尖峰濾掉了。4.6