數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、淮 陰 工 學(xué) 院數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱 :基于 matlab 的語(yǔ)音信號(hào)分析和處理- 低通部分姓名： xx 學(xué)號(hào)： 1234567890 班級(jí)：電子 0000 專業(yè)：電子信息工程歸口系部：電子與電氣工程學(xué)院起迄日期 : 2014 年 12 月 22 日 2014 年 12 月 26 日設(shè)計(jì)地點(diǎn) : 13306 指導(dǎo)教師 :數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組提交報(bào)告日期 : 2014 年 12 月 29 日一、設(shè)計(jì)目的與任務(wù)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)信號(hào)的采集，處理，傳輸，顯示，存儲(chǔ)和分析等有一個(gè)系統(tǒng)的掌握和理解。鞏固和運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理課程中的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，掌握最基本的數(shù)字

2、信號(hào)處理的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。二、基本要求1基本要求：設(shè)計(jì)一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)分析和處理系統(tǒng)，要求學(xué)生對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)在 matlab 軟件平臺(tái)下進(jìn)行頻譜分析和處理；2提高要求：對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)疊加干擾噪聲進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號(hào)。3基本教學(xué)要求： 每組一臺(tái)電腦 （附話筒和耳機(jī)） ，電腦安裝 matlab 軟件。三、設(shè)計(jì)要求本次課程設(shè)計(jì)最終要求提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，由以下各部分組成：1理論依據(jù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析系統(tǒng)功能， 掌握設(shè)計(jì)中所需的理論 （采樣頻率， 采樣位數(shù)的概念，采樣定理；時(shí)域信號(hào)的dft ，fft及頻譜分析；數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理和方

3、法，各種不同性能的濾波器的性能比較），闡述設(shè)計(jì)原理。2信號(hào)采集采集語(yǔ)音信號(hào)，畫(huà)出信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻譜圖。3數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)iir 低通數(shù)字濾波器； fir 低通數(shù)字濾波器；畫(huà)出各種數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)圖。4信號(hào)處理1）利用設(shè)計(jì)的 iir 數(shù)字濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理；2）利用設(shè)計(jì)的 fir 數(shù)字濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理；3）在原始的語(yǔ)音信號(hào)3000hz以上頻段疊加白噪聲， 選擇所設(shè)計(jì)的一種對(duì)疊加白噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)處理，濾除白噪聲；4）畫(huà)出處理過(guò)程中所得的各種波形及頻譜圖。5信號(hào)分析對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放， 感覺(jué)濾波前后聲音的變化。 比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的

4、波形及頻譜，對(duì)所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析，闡明原因得出結(jié)論。四、理論依據(jù)4.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集和頻譜分析利用 windows下的錄音機(jī)，用單聲道錄制一段自己的聲音，時(shí)間在1s內(nèi)。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)。 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻譜圖，分析語(yǔ)音信號(hào)的頻譜特點(diǎn)。4.2 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器低通濾波器性能指標(biāo)： fp=2670hz,fs=3300hz,ap=1db,as=30db,采樣頻率為10000hz。4.3 用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波1）利用自己設(shè)計(jì)的iir 數(shù)字濾波器對(duì)采集的信

5、號(hào)進(jìn)行濾波處理，在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。2）利用自己設(shè)計(jì)的fir 數(shù)字濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。在 matlab 中，fir 濾波器利用 fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波， iir 濾波器利用filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜，對(duì)所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析。4.4 回放語(yǔ)音信號(hào)對(duì)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。4.5 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲后的頻譜分析和濾波在 matlab 軟件平臺(tái)下， 在 3000hz以上頻段產(chǎn)生一個(gè)白噪聲， 疊加到采集的原始語(yǔ)音信號(hào)中， 在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出白

6、噪聲的時(shí)域波形及頻譜，在另一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出疊加噪聲前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜；設(shè)計(jì)一種濾波器疊加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理， 濾除疊加的白噪聲， 在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜；比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行頻譜分析；對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺(jué)濾波前后聲音的變化。五、基于 matlab 的語(yǔ)音信號(hào)分析和處理5.1 信號(hào)采集我們利用函數(shù) wavread 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集， 原始語(yǔ)音信號(hào)及其頻譜如下圖，信號(hào)采集程序見(jiàn)附錄。圖 1 原始語(yǔ)音信號(hào)及其頻譜5.2 根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)低通濾波器性能指標(biāo)： fp=2670hz,fs=3300hz,ap=1db,as=

7、30db,采樣頻率為10000hz。1）fir 低通濾波器的設(shè)計(jì)：fir 低通濾波器的幅頻特性如下圖，設(shè)計(jì)程序見(jiàn)附錄。圖 2 fir低通濾波器的幅頻特性2）iir 低通濾波器的設(shè)計(jì)：iir 低通濾波器的幅頻特性如下圖，設(shè)計(jì)程序見(jiàn)附錄。圖 3 iir低通濾波器的幅頻特性5.3 用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波1）fir 低通濾波：圖 4 fir低通濾波前后的頻譜2）iir 低通濾波：圖 5 iir低通濾波前后的頻譜5.4 回放語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)加噪聲處理后，可在matlab 中用函數(shù) sound 對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,fs) ，sound(y) 和 sound(y,fs,bits)?？梢圆?/p>

8、覺(jué)濾波前后的聲音有明顯的變化。5.5 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲后的頻譜分析和濾波加入噪聲后的波形和頻譜如下圖：圖 6 加噪聲后波形和頻譜六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)數(shù)字濾波器是一種對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到期望的響應(yīng)特性的離散時(shí)間系統(tǒng)。它能夠有效的對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾數(shù)字信號(hào)中的干擾和多余成分，保證通信過(guò)程的正常實(shí)現(xiàn)。在這次的數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)里， 比較重要的函數(shù)有wavread 函數(shù)、 sound函數(shù)等，通過(guò)上網(wǎng)和翻閱相關(guān)書(shū)籍， 我了解了它們的基本用法。關(guān)于濾波也是很重要的一部分， 有 fir 濾波器和 iir 濾波器的設(shè)計(jì)。 通過(guò)自主學(xué)習(xí)， 我很快地掌握了編程方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我也遇到了理論知識(shí)的

9、忘記、編程過(guò)少導(dǎo)致的不熟練、軟件運(yùn)用不自如等問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)思考、請(qǐng)教同學(xué)和老師、查閱相關(guān)資料，最終這些問(wèn)題都得到了解決，最終設(shè)計(jì)出了符合要求的濾波器并通過(guò)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)matlab 這個(gè)軟件有了更深的認(rèn)識(shí)，也進(jìn)一步熟悉了 matlab 的使用，感覺(jué)到 matlab 軟件功能的強(qiáng)大，大大增加了我對(duì) matlab 的興趣。經(jīng)過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)， 使我發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足，為了在今后的學(xué)習(xí)和生活中注意改進(jìn)自己的不足，我要更加努力，學(xué)習(xí)好專業(yè)知識(shí)并注重運(yùn)用到實(shí)際，同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)還提高了自己的動(dòng)手能力、思維能力和學(xué)習(xí)的積極性， 為我今后的學(xué)習(xí)和工作都提供了不小的

10、幫助，讓我受益匪淺。七、主要參考文獻(xiàn)1 數(shù)字信號(hào)處理季秀霞 國(guó)防工業(yè)出版社 2013 2 數(shù)字信號(hào)處理與應(yīng)用李正周 清華大學(xué)出版社 2008 3 數(shù)字信號(hào)處理教程 matlab 釋義與實(shí)現(xiàn)陳懷琛 電子工業(yè)出版社 2004. 4 數(shù)字信號(hào)處理原理及matlab 實(shí)現(xiàn) 叢玉良 電子工業(yè)出版社 2009 5 百度文庫(kù)附錄：matlab 程序：1. 語(yǔ)音采集部分：y,fs,nbits=wavread (d:userdatalenovodesktopcccc.wav); sound(y,fs,nbits); n= length (y) ; y=fft(y,n); subplot(2,1,1); plot

11、(y);title(原始信號(hào)波形 ); subplot(2,1,2); plot(abs(y); title(原始信號(hào)頻譜 ) 2. fir 濾波器設(shè)計(jì)部分：ft=10000; fp=2670; fs=3300; wp=2*fp/ft; ws=2*fs/ft; rp=1; rs=40; p=1-10.(-rp/5); s=10.(-rs/15); fpts=wp ws; mag=1 0; dev=p s; n,wn,beta,ftype=kaiserord(fpts,mag,dev); b=fir1(n,wn,kaiser(n+1,beta); h,w=freqz(b,1); plot(w/p

12、i,abs(h); title(fir低通濾波器 ); grid; 3. fir 濾波部分：ws=2*fs/ft; rp=1; rs=30; p=1-10.(-rp/5); s=10.(-rs/15); fpts=wp ws; mag=1 0; dev=p s; n,wn,beta,ftype=kaiserord(fpts,mag,dev); b=fir1(n,wn,kaiser(n+1,beta); h,w=freqz(b,1); y,fs,nbits=wavread (d:userdatalenovodesktopcccc.wav); n = length (y) ; noise=0.01

13、*randn(n,2); s=y+noise; s=fft(s,n); z=fftfilt(b,s); sound(z); m=fft(z); subplot(2,2,1); plot(abs(s),g); title(濾波前信號(hào)的頻譜 ); grid; subplot(2,2,2); plot(abs(m),r); title(濾波后信號(hào)的頻譜 ); grid; subplot(2,2,3); plot(s); title(濾波前信號(hào)的波形 ); grid; subplot(2,2,4); plot(z); title(濾波后的信號(hào)波形 ); grid; 4iir 濾波器設(shè)計(jì)部分：fp=26

14、70;fs=3300;as=30;ap=1;ft=10000; wp=2*pi*fp/ft; ws=2*pi*fs/ft; fp=2*ft*tan(wp/2); fs=2*fs*tan(wp/2); n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,s); b11,a11=butter(n11,wn11,s); num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5); h,w=freqz(num11,den11); plot(w*8000*0.5/pi,abs(h); legend(用 butter設(shè)計(jì)); 5.iir濾波部分：fp=2670;fs=3300;as=30;ap

15、=1;ft=10000; wp=2*pi*fp/ft; ws=2*pi*fs/ft; fp=2*ft*tan(wp/2); fs=2*fs*tan(wp/2); n,wn=buttord(wp,ws,1,40,s); b,a=butter(n,wn,s); num,den=bilinear(b,a,0.5); h,w=freqz(num,den); y,fs,nbits=wavread (d:userdatalenovodesktopcccc.wav); n = length (y) ; noise=0.01*randn(n,2); s=y+noise; s=fft(s,n); z=filter(num,den,s); sound(z) m=fft(z); subplot(2,2,1); plot(abs(s),g); title(濾波前信號(hào)的頻譜 ); grid; subplot(2,2,2); plot(abs(m),r); title(濾波后信號(hào)的頻譜 ); grid; subplot(2,2,3); plot(s); title(濾波前信號(hào)的波形 ); grid; subplot(2,2,4); plot(z); title(濾波后的信號(hào)波形 ); grid ; 6. 加噪聲部分：y, fs, nbits = wavread(d:userdatale