中南大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 專業(yè)班級(jí): 電信1303 指導(dǎo)老師： 姓 名: 學(xué) 號(hào): 目 錄一、課程設(shè)計(jì)要求二、設(shè)計(jì)過(guò)程（1）設(shè)計(jì)題目（2）設(shè)計(jì)源代碼（3）設(shè)計(jì)結(jié)果（4）結(jié)果分析三、設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì)四、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)一、課程設(shè)計(jì)要求1、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)數(shù)字信號(hào)處理（第二版），丁玉美等，西安電子科技大學(xué)出版社；MATLAB 及在電子信息課程中的應(yīng)用，陳懷琛等，電子工業(yè)出版社。2、課程設(shè)計(jì)題目、信號(hào)發(fā)生器 用戶根據(jù)測(cè)試需要，可任選以下兩種方式之一生成測(cè)試信號(hào)： 、直接輸入（或從文件讀取）測(cè)試序列； 、輸入由多個(gè)不同頻率正弦信號(hào)疊加組合而成的模擬信號(hào)公式（如式 1-1 所示）、采 樣頻率（Hz

2、）、采樣點(diǎn)數(shù)，動(dòng)態(tài)生成該信號(hào)的采樣序列，作為測(cè)試信號(hào)。、頻譜分析 使用 FFT 對(duì)產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并展示其幅頻特性與相頻特性，指定需要濾除的頻帶，通過(guò)選擇濾波器類型（IIR / FIR），確定對(duì)應(yīng)的濾波器（低通、高通）技術(shù)指標(biāo)。、濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)（通帶截止頻率、通帶最大衰減、阻帶截止頻率、阻帶最小衰減） ，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，生成相應(yīng)的濾波器系數(shù)，并畫(huà)出對(duì)應(yīng)的濾波器幅頻特性與相頻特性。IIR DF 設(shè)計(jì)：可選擇濾波器基型（巴特沃斯或切比雪夫型）；FIR DF 設(shè)計(jì)：使用窗口法（可選擇窗口類型，并比較分析基于不同窗口、不同階數(shù)所設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的特點(diǎn)） 。、數(shù)字濾波 根據(jù)設(shè)計(jì)的濾

3、波器系數(shù)， 對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波， 展示濾波后信號(hào)的幅頻特性與相頻特性，分析是否滿足濾波要求（對(duì)同一濾波要求，對(duì)比分析各類濾波器的差異） 。 IIR DF：要求通過(guò)差分方程迭代實(shí)現(xiàn)濾波（未知初值置零處理） ； FIR DF：要求通過(guò)快速卷積實(shí)現(xiàn)濾波（對(duì)于長(zhǎng)序列，可以選擇使用重疊相加或重疊保留法進(jìn)行卷積運(yùn)算） 。、選做內(nèi)容 將一段語(yǔ)音作為測(cè)試信號(hào)， 通過(guò)頻譜展示和語(yǔ)音播放，對(duì)比分析濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的變化，進(jìn)一步加深對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的理解。3、具體要求 、使用 MATLAB（或其它開(kāi)發(fā)工具）編程實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容包括： 課程設(shè)計(jì)題目和題目設(shè)計(jì)要求； 設(shè)計(jì)思想和系

4、統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及功能說(shuō)明； 設(shè)計(jì)中關(guān)鍵部分的詳細(xì)描述和介紹，采用流程圖描述關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)思路； 總結(jié)，包括設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方法，心得體會(huì)等； 參考文獻(xiàn)； 程序源代碼清單。4、考核方式 課程考核分三部分，一部分是上機(jī)率，占 20%；第二部分是檢查成績(jī)，最后兩次上機(jī)為檢查時(shí)間，占 50%；第三部分為課程設(shè)計(jì)報(bào)告，占 30%。注意：、使用 GUI 界面或混合編程實(shí)現(xiàn)仿真程序，酌情加分；、若發(fā)現(xiàn)程序或課程設(shè)計(jì)報(bào)告雷同，一律不及格。、 主要參考資料1 S. K. Mitra. Digital Signal Processing: A Computer Based Approach, 3rd Edi

5、tion M, New York, USA: McGraw-Hill, 20002 R. G . Lyons. Understanding Digital Signal Processing, 2nd Edition M. New Jersey, USA:Prentice Hall, 20053 程佩青. 數(shù)字信號(hào)處理教程, 第二版M. 北京: 清華大學(xué)出版社, 20014 趙樹(shù)杰等. 數(shù)字信號(hào)處理M. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 19975 丁玉美等. 數(shù)字信號(hào)處理時(shí)域離散隨機(jī)信號(hào)處理M. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社,20026 陳懷琛等. MATLAB 及在電子信息課程中的應(yīng)用M

6、, 北京: 電子工業(yè)出版社出版, 2002、 課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排序號(hào) 階段內(nèi)容 合計(jì)（天）一 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 1二 方案選擇及初步設(shè)計(jì) 2三 目標(biāo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及調(diào)試 3四 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2五 上機(jī)檢查成績(jī) 2總計(jì) （2 周） 10二.設(shè)計(jì)過(guò)程第一題: 多個(gè)不同頻率sin函數(shù)疊加 動(dòng)態(tài)生成信號(hào) 信號(hào) 直接從txt文檔中讀取數(shù)據(jù) 靜態(tài)生成信號(hào)、信號(hào)發(fā)生器 用戶根據(jù)測(cè)試需要，可任選以下兩種方式之一生成測(cè)試信號(hào)： 、直接輸入（或從文件讀?。y(cè)試序列；、輸入由多個(gè)不同頻率正弦信號(hào)疊加組合而成的模擬信號(hào)公式（如式 1-1 所示）、采 樣頻率（Hz）、采樣點(diǎn)數(shù)，動(dòng)態(tài)生成該信號(hào)的采樣序列，作為測(cè)試信號(hào)。100si

7、n(2f1t) +100sin(2f2t ) +.+100sin(2fnt ) p + + +（1-1）、源代碼1.動(dòng)態(tài)獲得function ft,t = sig(fs)figure;t=0:1/fs:0.1;f1=50;f2=150;f3=250;ft=100*sin(2*pi*f1*t)+100*sin(2*pi*f2*t)+100*sin(2*pi*f3*t);plot(t,ft);grid on;xlabel('t'),ylabel('ft');title('原信號(hào)波形')end2.靜態(tài)獲得 ft=load('E:test.txt

8、'); figure; subplot(2,1,1); plot(ft);title('信號(hào)原波形');、結(jié)果 動(dòng)態(tài) 靜態(tài)分析 對(duì)于動(dòng)態(tài)生成信號(hào)的方式，在給定的時(shí)域內(nèi)，生成了含有三個(gè)不同頻率的混合信號(hào)波形。對(duì)于靜態(tài)生成信號(hào)的方式，先在txt文檔中輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)load函數(shù)讀取txt文檔到ft中，得到的ft相當(dāng)于經(jīng)過(guò)采樣后的信號(hào)。第二題FFT變化后使用freqz()得到頻率調(diào)用FFT工具箱函數(shù)用stem畫(huà)出采樣信號(hào)確定采樣頻率FFT變化后使用angle()得到相位角、頻譜分析使用 FFT 對(duì)產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并展示其幅頻特性與相頻特性，指定需要濾除的頻帶，通過(guò)選擇

9、濾波器類型（IIR / FIR），確定對(duì)應(yīng)的濾波器（低通、高通）技術(shù)指標(biāo)。、源代碼1.function = DFT(ft,t,fs)figure;w,m=freqz(ft,512);h=abs(w);plot(m/pi*fs/2,h);N=5000;subplot(3,1,1);stem(t,ft,'.');grid on;xlabel('t'),ylabel('ft');title('實(shí)際抽樣信號(hào)');k=0:N-1;Fw=fft(ft,N);subplot(3,1,2);w,m=freqz(ft,512);h=abs(w);p

10、lot(m/pi*fs/2,h);title('抽樣信號(hào)幅度譜')subplot(3,1,3);plot(k-1)*fs/N,angle(Fw);grid on;axis(0 350 -4 4);title('抽樣信號(hào)相位譜')end、結(jié)果分析 譜分析即對(duì)信號(hào)做DFT處理，再根據(jù)得到的頻率譜和相位譜分析信號(hào)，找到需要的頻率段，濾除不需要的。通過(guò)對(duì)原信號(hào)（這里以動(dòng)態(tài)信號(hào)為例）進(jìn)行譜分析可知，信號(hào)中存在三種頻率的信號(hào)，50Hz、150Hz、250Hz，可以對(duì)其進(jìn)行濾波消除其中的一個(gè)或者幾個(gè)頻率。第三題選擇高/低/帶通/帶阻計(jì)算相關(guān)參數(shù)選擇漢寧窗/矩形窗選擇FIR/I

11、IR得到濾波器選擇高/低/帶通/帶阻計(jì)算相關(guān)參數(shù)選擇切比雪夫/巴特沃斯、題目濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)（通帶截止頻率、通帶最大衰減、阻帶截止頻率、阻帶最小衰減） ，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，生成相應(yīng)的濾波器系數(shù)，并畫(huà)出對(duì)應(yīng)的濾波器幅頻特性與相頻特性。IIR DF 設(shè)計(jì)：可選擇濾波器基型（巴特沃斯或切比雪夫型）；FIR DF 設(shè)計(jì)：使用窗口法（可選擇窗口類型，并比較分析基于不同窗口、不同階數(shù)所設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的特點(diǎn)）。、源代碼1.FIRfunction hd,N = FIR(windows,freq)figure;switch freq case 0 frq='high' wp=pi*0.

12、45; ws=pi*0.40; wc=(wp+ws)/2/pi; Bt=wp-ws; case 1 frq='stop' wpu=pi*0.44; wpl=pi*0.14; wsu=pi*0.40; wsl=pi*0.18; wc=(wsl+wpl)/2/pi,(wsu+wpu)/2/pi; Bt=wsl-wpl; case 2 wp=pi*0.2; ws=pi*0.15; wc=(wp+ws)/2/pi; Bt=wp-ws; case 3 wsu=pi*0.44; wsl=pi*0.14; wpu=pi*0.40; wpl=pi*0.18; wc=(wsl+wpl)/2/pi

13、,(wsu+wpu)/2/pi; Bt=wpl-wsl; otherwiseendswitch windows case 0 N0=ceil(6.2*pi/Bt); N=N0+mod(N0+1,2); if freq>1 hd=fir1(N-1,wc,hanning(N); else hd=fir1(N-1,wc,frq,hanning(N); end wn=hanning(N); n=0:1:N-1; subplot(2,1,1) stem(n,hd,'.') title('漢寧窗 ') ylabel('h(n)') subplot(2,

14、1,2) stem(n,wn,'.') ylabel('w(n)') case 1 N0=ceil(1.8*pi/Bt); N=N0+mod(N0+1,2); if freq>1 hd=fir1(N-1,wc,boxcar(N); else hd=fir1(N-1,wc,frq,boxcar(N); end wn=boxcar(N); n=0:1:N-1; subplot(2,1,1) stem(n,hd,'.') title('矩形窗 ') ylabel('h(n)') subplot(2,1,2) ste

15、m(n,wn,'.') ylabel('w(n)') otherwiseendfigure;freqz(hd);end2.IIRfunction BH,AH = IIR(rp,rs,pattern,freq)figure;if pattern=0 if freq=0 wpz=0.45; wsz=0.40; N,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs); BH,AH=butter(N,wc,'high'); elseif freq=1 wpz=0.15,0.44; wsz=0.18,0.40; N,wc=buttord(wpz,wsz,r

16、p,rs); BH,AH=butter(N,wc,'stop'); elseif freq=2 wpz=0.2; wsz=0.15; N,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs); BH,AH=butter(N,wc); elseif freq=3 wsz=0.15,0.44; wpz=0.18,0.40; N,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs); BH,AH=butter(N,wc); end Bk,Bw=freqs(BH,AH); plot(Bw,20*log10(abs(Bk); grid on; xlabel('頻率(kHz)'

17、); ylabel('幅度(dB)');elseif pattern=1 N1,wp1=cheb1ord(wp,ws,rp,rs'); B1,A1=cheby1(N1,rp,wp1,'high'); Bk,Bw=freqs(B1,A1); plot(Bw,20*log10(abs(Bk); grid on; xlabel('頻率(kHz)'); ylabel('幅度(dB)');endend、結(jié)果 FIR FIR IIR、分析 根據(jù)譜分析的結(jié)果進(jìn)行濾波，可選擇高通、低通、帶通、帶阻，漢寧窗、矩形窗、切比雪夫、巴特沃斯。根據(jù)

18、w=f*2*pi/fs計(jì)算參數(shù)，通過(guò)查看工具箱文檔，帶阻與帶通的w與高通、低通不同，需要用兩個(gè)個(gè)矩陣表示，設(shè)置過(guò)渡帶，設(shè)計(jì)濾波器。第四題與濾波器系統(tǒng)函數(shù)卷積得到濾波后函數(shù)選擇FIR/IIR調(diào)用工具箱函數(shù)filtic（1） 題目數(shù)字濾波 根據(jù)設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)， 對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波， 展示濾波后信號(hào)的幅頻特性與相頻特性，分析是否滿足濾波要求（對(duì)同一濾波要求，對(duì)比分析各類濾波器的差異） 。 IIR DF：要求通過(guò)差分方程迭代實(shí)現(xiàn)濾波（未知初值置零處理） ； FIR DF：要求通過(guò)快速卷積實(shí)現(xiàn)濾波（對(duì)于長(zhǎng)序列，可以選擇使用重疊相加或重疊保留法進(jìn)行卷積運(yùn)算） 。（2） 源代碼1.FIRfunctio

19、n yn = flit(hd,ft,freq,t,windows)figure;subplot(2,1,1);yn=conv(hd,ft);plot(yn);if windows=0 axis(70 155 1.1*min(yn) 1.1*max(yn);elseif windows=1 axis(40 100 1.1*min(yn) 1.1*max(yn);end title('濾波后圖像')subplot(2,1,2);if freq=0 yy=100*sin(2*pi*250*t); plot(t,yy); title('理想濾波后圖像')elseif f

20、req=1 yy=100*sin(2*pi*250*t)+100*sin(2*pi*50*t); plot(t,yy); title('理想濾波后圖像')elseif freq=2 yy=100*sin(2*pi*50*t); plot(t,yy); title('理想濾波后圖像')elseif freq=3 yy=100*sin(2*pi*100*t); plot(t,yy); title('理想濾波后圖像')endend2.IIRfunction yn = flit1(ft,BH,AH)ys=0;xi=filtic(BH,AH,ys);yn=

21、filter(BH,AH,ft,xi);n=0:length(yn)-1;figure;plot(n,yn);xlabel('n');ylabel('y(n)');end（3） 結(jié)果 FIR FIR IIR （4） 分析FIR通過(guò)對(duì)信號(hào)和生成的窗函數(shù)進(jìn)行卷積，得到濾波后的波形，可以畫(huà)出理想濾波的波形，對(duì)比兩幅圖可以看出濾波效果較為理想IIR將生成的濾波器系數(shù)A、B與原信號(hào)輸入filter函數(shù)中可得到濾波后圖像對(duì)比理想濾波波形，可以看出濾波效果較為理想第五題（1） 題目將一段語(yǔ)音作為測(cè)試信號(hào)， 通過(guò)頻譜展示和語(yǔ)音播放，對(duì)比分析濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的變化，進(jìn)一步加深對(duì)數(shù)

22、字信號(hào)處理的理解。（2） 源代碼function = voice()x,fs=audioread('E:test.wav'); %原信號(hào)n=size(x,1); %提取采樣信號(hào)的長(zhǎng)度t=(0:length(x)-1)/fs; %計(jì)算樣本時(shí)刻figure;subplot(2,1,1);stem(t,x,'.');grid on;xlabel('t'),ylabel('x');title('實(shí)際抽樣信號(hào)');k=0:n-1;Fw=fft(x,n);subplot(2,1,2);plot(k-1)*fs/n,abs(Fw

23、);grid on;title('抽樣信號(hào)幅度譜')pp=7000;ss=5000;wp=pi*pp*2/fs;ws=pi*ss*2/fs;wc=(wp+ws)/2/pi;Bt=wp-ws;N0=ceil(6.2*pi/Bt); N=N0+mod(N0+1,2); hd=fir1(N-1,wc,hanning(N);wn=hanning(N);n=0:1:N-1;subplot(2,1,1)stem(n,hd,'.')title('漢寧窗 ')ylabel('h(n)') subplot(2,1,2)stem(n,wn,'

24、.') ylabel('w(n)')figure;X=x(:,1)',x(:,2)'yn=conv(hd,X);plot(yn);DFT2(yn,fs);sound(yn);（3） 結(jié)果（4） 分析使用audioread讀入wav音頻文件，將聲音信息存儲(chǔ)在一個(gè)矩陣中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析和濾波的步驟與動(dòng)態(tài)信號(hào)相同。使用sound函數(shù)播放濾波后的音頻比較與原音頻的區(qū)別第六題（1） 題目設(shè)計(jì)GUI界面（2） 源代碼clear allclose allclcglobal h_axes1;global h_axes2;interface=figure('na

25、me','信號(hào)濾波演示系統(tǒng)','position',100,40,1200,800);clf reset;set(interface, 'defaultuicontrolfontsize' ,12); set(interface, 'defaultuicontrolfontname' , '宋體' ); h_axes1=axes('parent',interface,'position',0.2 0.28 0.25 0.56,'Unit','norma

26、lized','visible','off');h_axes2=axes('parent',interface,'position',0.55 0.28 0.25 0.56,'Unit','normalized','visible','off'); figcolor=get(interface,'color');button_voice=uicontrol(interface,'style','radio',&#

27、39;string','音頻信號(hào)','position',190 50 100 30,'callback','wav_sig=0');button_sig=uicontrol(interface,'style','radio','string','普通信號(hào)','position',320 50 100 30,'callback','wav_sig=1'); button_pick_way=uicontrol(in

28、terface,'style','popup','string','選擇讀入信號(hào)方式|動(dòng)態(tài)|靜態(tài)','position',450 50 100 30,'callback',. 'pick_way = GUI_order(button_pick_way);');button_freq=uicontrol(interface,'style','popup','string','選擇頻率|高通|帶阻|低通|帶通','p

29、osition',570 50 100 30,'callback',. 'freq = GUI_order(button_freq);');button_FIR_IIR=uicontrol(interface,'style','popup','string','選擇濾波器|FIR|IIR','position',690 50 100 30,'callback',. 'choose = GUI_order(button_FIR_IIR);');button_windows=uicontrol(interface,'style','popup','string','FIR相關(guān)設(shè)置|漢寧窗|矩形窗','position',810 50 100 30,'callback',. 'windows = GUI_order(button_windows);');button_pattern=ui