使用布萊克曼窗設(shè)計(jì)FIR濾波器正文

1、      XX 音樂(lè)信號(hào)濾波去噪-使用布萊克曼窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器    第頁(yè)共16 頁(yè)音樂(lè)信號(hào)濾波去噪使用布萊克曼窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器學(xué)生姓名:XX 指導(dǎo)老師:XXX摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要是用麥克風(fēng)采集一段語(yǔ)音信號(hào)，繪制其波形并觀察其頻譜。然后在該語(yǔ)言信號(hào)中加一個(gè)噪音，利用布萊克曼窗設(shè)計(jì)一個(gè)FIR濾波器，對(duì)該語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行慮噪處理，然后比較濾波前后的波形與頻譜。在本課程設(shè)計(jì)中，是用MATLAB的集成環(huán)境完成一系列的設(shè)計(jì)。首先對(duì)加噪的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行慮波去噪處理，再比較濾波前后的頻率響應(yīng)曲線，若一樣

2、則滿(mǎn)足所設(shè)計(jì)指標(biāo)，否則不滿(mǎn)足。也可以調(diào)用函數(shù)sound聽(tīng)濾波前后其語(yǔ)音信號(hào)是否帶有噪聲。若無(wú)噪聲也說(shuō)明該濾波器的設(shè)置也是成功的。關(guān)鍵詞 音樂(lè)信號(hào)；MATLAB； FIR濾波器；濾波去噪1 引 言人們?cè)谡Z(yǔ)音通信的過(guò)程中將不可避免的會(huì)受到來(lái)自周?chē)h(huán)境的干擾，例如傳輸媒介引入的噪聲，通信設(shè)備內(nèi)部的電噪聲，乃至其他講話(huà)者的話(huà)音等。正因?yàn)橛羞@些干擾噪聲的存在，接受者接受到的語(yǔ)音已不是原始的純凈語(yǔ)音信號(hào)，而是受噪聲干擾污染的帶噪聲語(yǔ)音信號(hào)。而本課程設(shè)計(jì)就是利用MATLAB集成環(huán)境用布萊克曼窗的方法設(shè)計(jì)一個(gè)FIR濾波器，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，并將慮噪前后的頻譜圖進(jìn)行對(duì)比。1.1 課程設(shè)計(jì)目的數(shù)字信號(hào)處

3、理課程設(shè)計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理課程的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校期間一次較全面的工程師能力訓(xùn)練，在實(shí)現(xiàn)學(xué)生總體培養(yǎng)目標(biāo)中占有重要地位。綜合運(yùn)用本課程的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析以及濾波器設(shè)計(jì)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固了課堂所學(xué)的理論知識(shí)，提高了對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，并從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。本課程設(shè)計(jì)能使學(xué)生對(duì)通信工程領(lǐng)域各種技術(shù)的DSP實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)有較熟練的掌握。且通過(guò)自身的實(shí)踐，對(duì)DSP的設(shè)計(jì)程序、內(nèi)容和方法有更深入的掌握，提高實(shí)際運(yùn)用的能力。并可綜合運(yùn)用這些知識(shí)解決一定的實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生在所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力上以及分析問(wèn)題、解

4、決問(wèn)題能力上得到一定的提高。 1.2課程設(shè)計(jì)的要求（1）濾波器指標(biāo)必須符合工程實(shí)際。（2）設(shè)計(jì)完后應(yīng)檢查其頻率響應(yīng)曲線是否滿(mǎn)足指標(biāo)。（3）處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。（4）獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)并按要求編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。1.3設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB名稱(chēng)是有兩個(gè)英文單詞Matrix和Laboratory的前三個(gè)字母組成。MATLAB7.0是美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀計(jì)算軟件MATLAB的最新版本。MATLAB自20世紀(jì)80年代面世以來(lái)，以其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力、優(yōu)秀的繪圖功能以及與其他軟件良好的交互功能在眾多的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，特別是它源代碼的開(kāi)放性使用戶(hù)可以二次開(kāi)發(fā)，受

5、到了廣大使用者的格外贊賞。MATLAB是一個(gè)為科學(xué)和工程計(jì)算機(jī)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的交互式大型軟件，是一個(gè)可以完成各種精確計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計(jì)算工具。它集圖和精確計(jì)算與一身，在應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化工、機(jī)電工程、醫(yī)藥、金融和其他需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它不僅是一個(gè)在各類(lèi)工程設(shè)計(jì)中便于使用的計(jì)算工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各類(lèi)工業(yè)應(yīng)用中更有不俗的表現(xiàn)。MATLAB可以幾乎所有的PC機(jī)和大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，適用于Window、UNIX等多種系統(tǒng)平臺(tái)。本課程設(shè)計(jì)我們就可以直接誒使用MATLAB提供的模塊，實(shí)現(xiàn)模擬通信系統(tǒng)的仿真。MATLAB軟件有很強(qiáng)的開(kāi)放性和適應(yīng)性。在保

6、持內(nèi)核不變的情況下，MATLAB可以針對(duì)不同的應(yīng)用學(xué)科推出相應(yīng)的工具箱，目前已經(jīng)推出了圖像處理工具箱、信號(hào)處理工具箱、小波工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱以及通信工具箱等多個(gè)學(xué)科的專(zhuān)用工具箱，極大的方便了不同學(xué)科的研究工作。國(guó)內(nèi)已有越來(lái)越多的科研和技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到MABLAB的強(qiáng)大作用，并在不同領(lǐng)域內(nèi)使用MATLAB來(lái)快速實(shí)現(xiàn)科研構(gòu)想和提高工作效率。2 設(shè)計(jì)原理2.1 FIR濾波器FIR(Finite Impulse Response)濾波器：有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因而濾波器是穩(wěn)定的系

7、統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。FIR數(shù)字濾波器以其良好的線性特性被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中，是數(shù)字信號(hào)處理的重要內(nèi)容之一。在實(shí)際信號(hào)處理中，往往要求系統(tǒng)兼具實(shí)時(shí)性和靈活性，而已有的一些軟件或硬件實(shí)現(xiàn)方案(如DSP)則難以同時(shí)達(dá)到這兩方面的要求。使用具有并行處理特性的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器，既有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，又兼顧了靈活性，為數(shù)字信號(hào)處理提供了一種很好的解決方案。FIR濾波器系數(shù)計(jì)算較為繁瑣，在設(shè)計(jì)時(shí)借助Matlab工具箱，選擇合適的窗函數(shù)，可以方便地計(jì)算濾波器系數(shù)，并分析其幅頻、相頻特性。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（FIR）濾波器有以下特點(diǎn)：(1)、系

8、統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h (n)在有限個(gè)n值處不為零；(2)、系統(tǒng)函數(shù)H (z)在|z|>0處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)）；(3)、 結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反饋，但有些結(jié)構(gòu)中（例如頻率抽樣結(jié)構(gòu)）也包含有反饋的遞歸部分。設(shè)FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)h (n)為一個(gè)N點(diǎn)序列，0 n N 1，則濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：H(z) = -n (2-1) 就是說(shuō)，它有（N1）階極點(diǎn)在z = 0處，有（N1）個(gè)零點(diǎn)位于有限z平面的任何位置因此H(z)是永遠(yuǎn)穩(wěn)定的。穩(wěn)定和香味特性是FIR濾波器突出的優(yōu)點(diǎn)。FIR濾波器有以下幾種基本結(jié)構(gòu)：橫截型（卷積型、直接型）、級(jí)聯(lián)型、頻率

9、抽樣型、快速卷積結(jié)構(gòu)。 FIRDF的設(shè)計(jì)方法主要分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是基于逼近理想濾波器特性的方法，包括窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法；第二類(lèi)是最優(yōu)設(shè)計(jì)法。2.2窗口設(shè)計(jì)法 數(shù)字信號(hào)處理的主要數(shù)學(xué)工具是博里葉變換而傅里葉變換是研究整個(gè)時(shí)間域和頻率域的關(guān)系。不過(guò)，當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析。做法是從信號(hào)中截取一個(gè)時(shí)間片段，然后用觀察的信號(hào)時(shí)間片段進(jìn)行周期延拓處理，得到虛擬的無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)，然后就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換、相關(guān)分析等數(shù)學(xué)處理。無(wú)線長(zhǎng)的信號(hào)被截?cái)嘁院?，其頻譜發(fā)生了畸變，原來(lái)集中在f(0)處的能量被分散到兩個(gè)

10、較寬的頻帶中去了(這種現(xiàn)象稱(chēng)之為頻譜能量泄漏)。為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行截?cái)啵財(cái)嗪瘮?shù)稱(chēng)為窗函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為窗。 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本思路是用FIRDF逼近希望的濾波特性。設(shè)希望逼近的濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為hd(ej)，其單位脈沖響應(yīng)用hd(n)表示。為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，通常選擇hd(ej)為具有片段常數(shù)特性的理想濾波器。因此hd(n)是無(wú)限長(zhǎng)非因果序列，不能直接作為FIRDF的單位脈沖響應(yīng)。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法就是截取hd(n)為有限長(zhǎng)的一段因果序列，并用合適的窗函數(shù)進(jìn)行加權(quán)做為FIRDF的單位脈沖響應(yīng)h(n)。下面介紹窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本設(shè)計(jì)過(guò)程。窗口設(shè)計(jì)法的主要工作是計(jì)算hd(

11、n)和w(n)，但當(dāng)Hd(ej)較為復(fù)雜時(shí)，hd(n)就不容易由反付里葉變換求得。這時(shí)一般可用離散付里葉變換代替連續(xù)付里葉變換，求得近似值。窗口法的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）、通過(guò)傅里葉變換忽的理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)hd(n)。 （2）、根據(jù)指標(biāo)選擇窗口形狀、大小和位置。確定窗口類(lèi)型的主要依據(jù)是過(guò)渡帶寬和阻帶最小衰耗的指標(biāo)。 （3）、給定理想頻響由hd(ej)和hd(n)，加窗得h(n)=w(n)hd(n)。 （4）、檢驗(yàn)濾波器的性能。由h（n）求H (ej) 是否在誤差容限之內(nèi)。如果不滿(mǎn)足，則返回第（2）步。 以上步驟中hd(n)、H(ej)的計(jì)算可采用傅氏變換的現(xiàn)成公式和程序，窗函數(shù)w(n)也

12、是現(xiàn)成的。但整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程不能一次完成，因?yàn)榇翱陬?lèi)型和大小的選擇沒(méi)有解析公式可一次算出。整個(gè)設(shè)計(jì)可用計(jì)算機(jī)編程來(lái)做。窗口法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，有閉合的公式可用，性能及參數(shù)都有表格資料可查，計(jì)算程序簡(jiǎn)單，較為實(shí)用。缺點(diǎn)是當(dāng)Hd(ej)較為復(fù)雜時(shí)，hd(n)就不容易由反付里葉變換求得。邊界頻率因?yàn)榧哟暗挠绊懚灰卓刂?。窗口函?shù)對(duì)理想特性的影響：改變了理想頻響的邊沿特性，形成過(guò)渡帶，寬為 , 等于WR()的主瓣寬度；過(guò)渡帶兩旁產(chǎn)生肩峰和余振（帶內(nèi)、帶外起伏），取決于 WR()的旁瓣，旁瓣多，余振多；旁瓣相對(duì)值大，肩峰強(qiáng)，與 N無(wú)關(guān)；N增加,過(guò)渡帶寬減小,肩峰值不變。因主瓣附近(2-2)其中x=N/2,所以N

13、的改變不能改變主瓣與旁瓣的比例關(guān)系，只能改變WR（）的絕對(duì)值大小和起伏的密度，當(dāng)N增加時(shí)，幅值變大，頻率軸變密，而最大肩峰永遠(yuǎn)為8.95%，這種現(xiàn)象稱(chēng)為吉布斯（Gibbs）效應(yīng)。肩峰值的大小決定了濾波器通帶內(nèi)的平穩(wěn)程度和阻帶內(nèi)的衰減，所以對(duì)濾波器的性能有很大的影響。改變窗函數(shù)的形狀，可改善濾波器的特性，窗函數(shù)有許多種，但要滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求:窗譜主瓣寬度要窄，以獲得較陡的過(guò)渡帶；相對(duì)于主瓣幅度，旁瓣要盡可能小，使能量盡量集中在主瓣中，這樣就可以減小肩峰和余振，以提高阻帶衰減和通帶平穩(wěn)性。但實(shí)際上對(duì)同樣長(zhǎng)度的窗這兩點(diǎn)不能兼得，一般總是通過(guò)增加主瓣寬度來(lái)?yè)Q取對(duì)旁瓣的抑制。2.3 布萊克曼窗布萊克曼窗

14、的時(shí)域形式可表示為：N(n) (2-3)它的頻域特性為：WRRRRR (2-4)其中為矩形窗函數(shù)的幅度頻率特性。增加一個(gè)二次諧波余弦分量，可進(jìn)一步降低旁瓣，但主瓣寬度進(jìn)一步增加，為。加N可減少過(guò)渡帶。布萊克曼窗函數(shù)的最大旁瓣之比主瓣值低57db，但是主瓣寬度是矩形窗函數(shù)的主瓣寬度的三倍。布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識(shí)別精度最低，但幅值識(shí)別精度最高。3設(shè)計(jì)步驟3.1 設(shè)計(jì)流程圖 本課程設(shè)計(jì)是對(duì)錄制的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪處理并分析加噪前后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖與頻域圖，再用布萊克曼窗設(shè)計(jì)一個(gè)FIR濾波器，而濾波器的設(shè)計(jì)必須符合其相應(yīng)的指標(biāo)，否則將不能濾掉加入的噪聲。最后將濾波前后的波形圖進(jìn)行比較看是否相同

15、。下面是整個(gè)課程設(shè)計(jì)的流程圖如圖3.1所示：開(kāi)始錄制語(yǔ)音信號(hào)分析語(yǔ)音信號(hào)的頻譜用布萊克曼窗設(shè)計(jì)FIR濾波器在語(yǔ)音信號(hào)中加入噪聲用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波比較濾波前后的波型及頻譜回放語(yǔ)音信號(hào)結(jié)束圖3.1語(yǔ)音信號(hào)的整個(gè)流程圖3.2 錄制語(yǔ)音信號(hào)點(diǎn)擊桌面上的“開(kāi)始”菜單，再選擇“程序”中的“附件”，在“附件“的菜單欄中選擇“娛樂(lè)”，最后點(diǎn)擊“錄音機(jī)”。就可以得到如圖3.2的圖。然后點(diǎn)擊開(kāi)始錄制語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間大約在23秒之間。圖3.2錄制語(yǔ)音的錄音機(jī)錄制好語(yǔ)音信號(hào)后，打開(kāi)MATLAB軟件平臺(tái)，利用函數(shù)waveread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率的和采樣點(diǎn)數(shù)。再調(diào)用函數(shù)sound此時(shí)可以聽(tīng)見(jiàn)錄制的語(yǔ)音。

16、采樣完后再語(yǔ)音信號(hào)中加入一個(gè)單頻噪聲，單頻的噪聲的頻率可以自己設(shè)置。按照加入噪聲后的采樣頻率調(diào)用sound函數(shù)，這時(shí)可以明顯的聽(tīng)見(jiàn)播放的語(yǔ)音信號(hào)中有尖銳的單頻嘯叫聲。下面是調(diào)用該語(yǔ)言信號(hào)以及加入噪聲的程序：x,fs,bits=wavread('e:yuyin.wav'); % 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個(gè)參數(shù)是每個(gè)樣本的值，fs是生成該波形文件時(shí)的采樣率，bits是波形文件每樣本的編碼位數(shù)sound(x,fs,bits); % 按指定的采樣率和每樣本編碼位數(shù)回放N=length(x); % 計(jì)算信號(hào)x的長(zhǎng)度f(wàn)n=2100; % 單頻噪聲頻率，此參數(shù)可改t=0:1

17、/fs:(N-1)/fs; % 計(jì)算時(shí)間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率x=x(:,1)'y=x+0.1*sin(fn*2*pi*t);sound (y,fs,bits); %明顯聽(tīng)出有尖銳的單頻嘯叫聲現(xiàn)在是對(duì)加入噪聲前后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，先對(duì)原始和加噪后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，再計(jì)算頻譜的頻率范圍和譜線間隔。最后就可以畫(huà)出未加入噪聲和加入噪聲后的時(shí)域圖和頻域圖。將所有未加和加入噪聲的時(shí)域圖和頻域圖畫(huà)在同一個(gè)圖中，便于比較和分析。下面是對(duì)未加和加入噪聲的頻譜分析的程序：X=abs(fft(x);Y=abs(fft(y); % 對(duì)原始信號(hào)和加噪信號(hào)進(jìn)行fft變換X=X(1:N/2);Y=

18、Y(1:N/2); % 截取前半部分deltaf=fs/N; % 計(jì)算頻譜的譜線間隔f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計(jì)算頻譜頻率范圍圖3.3語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖和頻率圖3.3 濾波器設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器慮掉加入的噪聲，使其恢復(fù)原始的語(yǔ)音信號(hào)。而設(shè)計(jì)濾波器的方法有很多，例如：窗函數(shù)法、頻率采樣法、脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。而本課程設(shè)計(jì)采用的是窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器。而FIR濾波器的設(shè)計(jì)也有很多方法。在Matlab中，可以利用矩形窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、凱塞窗等設(shè)計(jì)FIR濾波器。而本次采用的是布萊克曼窗來(lái)設(shè)計(jì)濾波器。在用布萊克曼窗設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候

19、，首先要確定濾波器的性能指標(biāo)。從六種窗函數(shù)的基本參數(shù)中我們可以得到旁瓣峰值n=-57，過(guò)度帶寬B=11,最小阻帶衰減s=74db，這就表明在設(shè)置這些值時(shí)其參數(shù)必須不大于這些值。而其它帶阻濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)則要根據(jù)加入噪聲的頻率來(lái)確定。若不能按照這些來(lái)設(shè)計(jì)濾波器則不可能慮掉噪聲。當(dāng)所有的指標(biāo)都設(shè)置完后，可以用這些數(shù)字來(lái)計(jì)算上下邊帶的中心頻率和頻率間隔，并計(jì)算布萊克曼窗設(shè)計(jì)該濾波器所需要的階數(shù)和產(chǎn)生幾階的布萊克曼窗。當(dāng)所有的準(zhǔn)備工作完成后就可以調(diào)用自編的函數(shù)計(jì)算理想帶阻濾波器的脈沖響應(yīng)和用窗函數(shù)法計(jì)算實(shí)際的濾波器的脈沖響應(yīng)。最后調(diào)用freqz函數(shù)得到濾波器的頻率特性。從畫(huà)出的圖中可以清楚的看見(jiàn)濾波器

20、的幅頻和相頻特性。下面是用布萊克曼窗設(shè)計(jì)濾波器的整個(gè)程序：fpd=1800;fsd=2050;fsu=1950;fpu=2000;Rp=1;As=70; % 帶阻濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)fcd=(fpd+fsd)/2;fcu=(fpu+fsu)/2;df=min(fsd-fpd),(fpu-fsu); % 計(jì)算上下邊帶中心頻率，和頻率間隔wcd=fcd/fs*2*pi;wcu=fcu/fs*2*pi;dw=df/fs*2*pi; % 將Hz為單位的模擬頻率換算為rad為單位的數(shù)字頻率wsd=fsd/fs*2*pi;wsu=fsu/fs*2*pi; M=ceil(10*pi/dw)+1; % 計(jì)算布萊克曼

21、窗設(shè)計(jì)該濾波器時(shí)需要的階數(shù)n=0:M-1; % 定義時(shí)間范圍w_black=blackman(M); % 產(chǎn)生M階的布萊克曼窗hd_bs=ideal_lp(wcd,M)+ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wcu,M); % 調(diào)用自編函數(shù)計(jì)算理想帶阻濾波器的脈沖響應(yīng)h_bs=w_black'.*hd_bs; % 用窗口法計(jì)算實(shí)際濾波器脈沖響應(yīng)db,mag,pha,grd,w=freqz_m(h_bs,1); % 調(diào)用自編函數(shù)計(jì)算濾波器的頻率特性圖3.4濾波器的頻率特性3.4 信號(hào)濾波處理對(duì)語(yǔ)音信號(hào)信號(hào)進(jìn)行濾波處理主要是濾掉加入的噪聲。不同的濾波器利用不同的函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行

22、濾波，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理要先利用函數(shù)filter對(duì)y進(jìn)行濾波，然后對(duì)y進(jìn)行傅里葉變換。而畫(huà)頻譜時(shí)只取前面一半。最后在同一個(gè)圖中畫(huà)出原始信號(hào)的、加入噪聲的語(yǔ)音信號(hào)以及濾波后語(yǔ)音信號(hào)的頻域圖和時(shí)域圖。這樣便于將所有的圖進(jìn)行對(duì)比和分析，而且還可以直觀的觀察該課程設(shè)計(jì)是否成功。當(dāng)將設(shè)計(jì)好的濾波器濾掉噪聲后我們也可以再一次調(diào)用函數(shù)sound，聽(tīng)此時(shí)的聲音是否與原始語(yǔ)音信號(hào)基本一樣，若沒(méi)有單頻嘯叫聲則說(shuō)明此次設(shè)計(jì)是成功的，否則應(yīng)重新設(shè)置指標(biāo)。下面是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波的程序：y_fil=filter(h_bs,1,y); %用設(shè)計(jì)好的濾波器對(duì)y進(jìn)行濾波Y_f

23、il=fft(y_fil); %對(duì)y進(jìn)行傅里葉變化Y_fil=Y_fil(1:length(Y_fil)/2); % 計(jì)算頻譜取前一半圖3.5濾波前后語(yǔ)音信號(hào)對(duì)比sound (x，fs，bits);可以感覺(jué)濾波前后的聲音有變化。3.5 結(jié)果分析 要確定本課程設(shè)計(jì)是否成功就得看原始信號(hào)的頻域圖和時(shí)域圖與經(jīng)過(guò)濾波器后的語(yǔ)音信號(hào)的頻域圖和時(shí)域圖是否一樣，若一樣則表示該設(shè)計(jì)是成功的，否則是不成功的。在第一個(gè)圖中：第一幅圖和第二幅圖是原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖,第三幅圖和第四幅圖是加入頻率為2100的噪聲。從圖中可以看出，第一圖和第三圖相比因?yàn)榧尤朐肼暤木壒仕缘谌龍Dy軸的幅度要比第一圖要大，但其形狀

24、還是基本沒(méi)有改變。而第二圖與第四圖相比較在頻率f=2100時(shí)多了一個(gè)尖銳脈沖。說(shuō)明原始語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲是成功的。在濾波器頻率特性的圖中可以看到：第一個(gè)圖是以db為單位的幅頻特性，第二圖是幅頻特性，第三個(gè)圖是濾波器的相頻特性，最后一個(gè)圖是濾波器的脈沖響應(yīng)。從圖中可以清楚的了解濾波器的幅頻和相頻特性。在濾波前后信號(hào)比較的圖中我們可以得到：原始的語(yǔ)音信號(hào)與濾波后的信號(hào)的圖基本一樣，只是濾波后的圖在原始信號(hào)的基礎(chǔ)上有所延遲。所以用布萊克曼窗設(shè)計(jì)的濾波器是符合要求的，也就是說(shuō)該課程設(shè)計(jì)是成功的。4出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法雖然課程設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了，但是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還是遇到了許多的問(wèn)題?？偨Y(jié)起來(lái)大概有以下幾個(gè)方

25、面：首先，最主要的是要把設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)設(shè)置正確才能濾除語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲。有幾次因?yàn)榍懊娴脑肼曨l率設(shè)置為f=2100，而后面的帶阻濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)沒(méi)有與前面的頻率相匹配導(dǎo)致畫(huà)出來(lái)的圖怎么也不能濾掉噪音。后來(lái)慢慢的改變指標(biāo)使其在噪聲頻率的左右，這時(shí)才能濾掉噪聲得到原始的語(yǔ)音信號(hào)。還有用布萊克曼窗設(shè)計(jì)的濾波器時(shí)期過(guò)渡帶寬度和阻帶最小衰減必須符合布萊克曼窗的基本參數(shù)否則也不可能得到所期望的結(jié)果。其次，在對(duì)加入噪聲后的信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)沒(méi)有使用正確的形式也不能濾去噪聲。后來(lái)在同學(xué)的幫助下解決了這些問(wèn)題。再次，在利用自編函數(shù)計(jì)算理想帶阻濾波器的脈沖響應(yīng)，如果在MATLAB軟件中的Work下沒(méi)有定義，那么不能調(diào)

26、用自編的函數(shù)，否則將會(huì)報(bào)錯(cuò)。最后，在MATLAB軟件下編程時(shí)最好新建一個(gè)File文檔。因?yàn)樵诰幊痰倪^(guò)程過(guò)有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果建一個(gè)文檔有助于程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)可以在文檔中直接修改，這樣可以省很多的時(shí)間，又這個(gè)課程設(shè)計(jì)的程序多而繁雜，一不小心就有可能寫(xiě)錯(cuò)，如果在工作環(huán)境下修改這樣利于將所有的程序復(fù)制在課程設(shè)計(jì)中，而且還要對(duì)復(fù)制后的程序進(jìn)行刪除。5 結(jié)束語(yǔ)為期兩周的數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，但在這次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了許多的東西。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，不僅加深了我對(duì)課本基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，而且增強(qiáng)了我的實(shí)踐能力，同時(shí)更加認(rèn)識(shí)到理論知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合的重要性。首先，更加深入理解了濾波器設(shè)計(jì)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括在什

27、么情況下使用哪種方法設(shè)計(jì)FIR濾波器最好以及在選擇特定的窗函數(shù)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)該怎樣確定其性能指標(biāo)；其次，更加深刻的認(rèn)識(shí)了語(yǔ)音原始信號(hào)與加噪后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜；再次，較大地提高了綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及軟件設(shè)計(jì)能力，在一定程度上對(duì)自己的動(dòng)手能力有很大的幫助。雖然這次課程設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了，但是遇到的困難也是很多的。其中最主要的問(wèn)題要屬怎樣設(shè)置濾波器的指標(biāo)問(wèn)題，如果指標(biāo)的設(shè)置有問(wèn)題那么后續(xù)的工作就不可能得到原始的語(yǔ)音信號(hào)。在設(shè)置過(guò)程中有很多次因?yàn)樵O(shè)置的參數(shù)不合適而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的濾波器不能慮出單頻噪聲信號(hào)。所以在設(shè)計(jì)指標(biāo)問(wèn)題時(shí)一定要結(jié)合布萊克曼本身的特點(diǎn)還要考慮加入噪聲的頻率。其次就是一些函數(shù)的

28、細(xì)節(jié)問(wèn)題。雖然在這次課程設(shè)計(jì)中遇到很多的困難，但通過(guò)自己查找有關(guān)資料以及老師和同學(xué)的幫助下都一一解決了，而且在與同學(xué)交流的過(guò)程中使同學(xué)之間的感情更進(jìn)一步。這次設(shè)計(jì)不僅讓我學(xué)會(huì)如何獨(dú)立完成一項(xiàng)工作，而且提高了獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，為以后的課程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。在此向幫助我的老師及熱心同學(xué)表示忠心的感謝！希望今后還能參加更多的課程設(shè)計(jì)，以鍛煉自己在各個(gè)方面的能力，尤其是綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合的能力。設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使我學(xué)到了不少的東西，雖然有許多的辛酸，但是看到自己課程設(shè)計(jì)完成后心中的那份激動(dòng)是無(wú)法用言語(yǔ)來(lái)形容的。參考文獻(xiàn)1丁

29、玉美,高西全，闊永紅.數(shù)字信號(hào)處理.第一版.西安：西安電子科技出版社,2001年2陳后金.數(shù)字信號(hào)處理.第三版.北京： 高等教育業(yè)出版社，2004年3程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程.第四版.北京：清華大學(xué)出版社，2002年4劉敏，魏玲.Matlab通信仿真與應(yīng)用.第二版. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001年5張圣勤.MATLAB7.0實(shí)用教程.第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006附錄：用布萊克曼窗設(shè)計(jì)FIR濾波器的整個(gè)源程序x,fs,bits=wavread('e:yuyin.wav'); % 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個(gè)參數(shù)是每個(gè)樣本的值，fs是生成該波形文件時(shí)的采

30、樣率，bits是波形文件每樣本的編碼位數(shù)sound(x,fs,bits); % 按指定的采樣率和每樣本編碼位數(shù)回放N=length(x); % 計(jì)算信號(hào)x的長(zhǎng)度f(wàn)n=2100; % 單頻噪聲頻率，此參數(shù)可改t=0:1/fs:(N-1)/fs; % 計(jì)算時(shí)間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率x=x(:,1)'y=x+0.1*sin(fn*2*pi*t);sound (y,fs,bits); %明顯聽(tīng)出有尖銳的單頻嘯叫聲X=abs(fft(x);Y=abs(fft(y); % 對(duì)原始信號(hào)和加噪信號(hào)進(jìn)行fft變換X=X(1:N/2);Y=Y(1:N/2); % 截取前半部分deltaf=fs/N; %

31、 計(jì)算頻譜的譜線間隔f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計(jì)算頻譜頻率范圍subplot(2,2,1);plot(t,x);xlabel('時(shí)間（單位：s）');ylabel('幅度');title('原始語(yǔ)音信號(hào)');subplot(2,2,2);plot(f,X);xlabel('頻率（單位：Hz）');ylabel('幅度譜');title('語(yǔ)音信號(hào)幅度譜');subplot(2,2,3);plot(t,y);xlabel('時(shí)間（單位：s）');ylabel(

32、'幅度');title(' 加入單頻干擾后的語(yǔ)音信號(hào)');subplot(2,2,4);plot(f,Y);xlabel('頻率（單位：Hz）');ylabel('幅度譜');title('加入單頻干擾后的語(yǔ)音信號(hào)幅度譜');fpd=1800;fsd=2050;fsu=1950;fpu=2000;Rp=1;As=70; % 帶阻濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)fcd=(fpd+fsd)/2;fcu=(fpu+fsu)/2;df=min(fsd-fpd),(fpu-fsu); % 計(jì)算上下邊帶中心頻率，和頻率間隔wcd=fcd/fs*

33、2*pi;wcu=fcu/fs*2*pi;dw=df/fs*2*pi; % 將Hz為單位的模擬頻率換算為rad為單位的數(shù)字頻率wsd=fsd/fs*2*pi;wsu=fsu/fs*2*pi; M=ceil(10*pi/dw)+1; % 計(jì)算布萊克曼窗設(shè)計(jì)該濾波器時(shí)需要的階數(shù)n=0:M-1; % 定義時(shí)間范圍w_black=blackman(M); % 產(chǎn)生M階的布萊克曼窗hd_bs=ideal_lp(wcd,M)+ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wcu,M); % 調(diào)用自編函數(shù)計(jì)算理想帶阻濾波器的脈沖響應(yīng)h_bs=w_black'.*hd_bs; % 用窗口法計(jì)算實(shí)際濾波器脈沖響應(yīng)db,mag,pha,grd,w=freqz_m(h_bs,1); % 調(diào)用自編函數(shù)計(jì)算濾波器的頻率特性subplot(2,2,1);plot(w/pi,db)