數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)-FIR數(shù)字濾波器的凱澤窗函數(shù)法設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)專 業(yè)電子信息工程班 級(jí)姓 名設(shè) 計(jì) 起 止 日 期2013-1-72013-1-11設(shè)計(jì)題目：語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字濾波FIR數(shù)字濾波器的凱澤窗函數(shù)法設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)（主要技術(shù)參數(shù)）：1. 語(yǔ)音信號(hào)的采樣錄音（、N）；2. 語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析（）3. 語(yǔ)音信號(hào)的加噪（）；4. 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)（，濾波器的階數(shù)）；5. 濾波結(jié)果輸出及效果分析（）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 簽字：年 月 日1 / 26設(shè)計(jì)題目語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字濾波FIR數(shù)字濾波器的凱澤函數(shù)法設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)的目的通過(guò)對(duì)常用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，掌握數(shù)字信號(hào)處理的工作原理及設(shè)計(jì)方法；掌握利用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法。

2、并能夠?qū)υO(shè)計(jì)結(jié)果加以分析。二、設(shè)計(jì)步驟1.語(yǔ)音信號(hào)的采集利用Windows系統(tǒng)采集：1、 按“開(kāi)始程序附件娛樂(lè)錄音機(jī)”的順序操作打開(kāi)Windows系統(tǒng)中的錄音機(jī)軟件圖1錄音機(jī)2、 采集語(yǔ)音信號(hào)信息：（將所錄wma格式轉(zhuǎn)換為wav格式）(1) 語(yǔ)音內(nèi)容：天青色等煙雨，而我在等你(2) 語(yǔ)音格式：*.wav(3) 語(yǔ)音名稱：青花瓷(4) 語(yǔ)音長(zhǎng)度：4.00(s)(5) 語(yǔ)音屬性：44.1kHz 8位 雙聲道 128kb/s圖2、語(yǔ)音信號(hào)信息圖2.語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析1、將上一步驟中保存下來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)文件“青花瓷.wav”復(fù)制到計(jì)算機(jī)裝有Matlab軟件的磁盤(pán)中相應(yīng)Matlab目錄中的“work”文件

3、夾中。2、雙擊桌面上Matlab軟件的快捷圖標(biāo) ，打開(kāi)Matlab軟件3、在菜單欄中選擇“FilenewM-File” 打開(kāi)*.m文件編輯器并命名為Untitled1。4、打入命令close all、clc、clear all。5、輸入命令s,fs=wavread('青花瓷.wav')，將語(yǔ)音文件“青花瓷.wav”中的波形信號(hào)值賦值給數(shù)組s,將采樣速率賦值給變量fs6、通過(guò)“L=2floor(loglength(s);”命令，求信號(hào)長(zhǎng)度賦值給L，L=131072。7、定義一個(gè)向量:n=0:L-1,用“ plot(n,s)”命令，畫(huà)出采集信號(hào)的時(shí)域圖圖3原始聲音信號(hào)波形8、根據(jù)時(shí)

4、域波形，為將信號(hào)前面的空白部分去掉，用“LQ1=s(500:500+L-1)”命令將S信號(hào)截短并賦值給LQ1.9、將原始語(yǔ)音信號(hào)和截短語(yǔ)音信號(hào)在同一圖上畫(huà)出來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼為：wavwrite(LQ1, fs,'LQ1.wav');figure(2)subplot(2,1,1);plot(s);title('原始語(yǔ)音信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(LQ1);title('截短語(yǔ)音信號(hào)'); 圖4原始聲音信號(hào)及加噪后波形10、編寫(xiě)程序段，利用Matlab軟件中已有的FFT程序函數(shù)和畫(huà)圖程序函數(shù)對(duì)導(dǎo)入的語(yǔ)音信號(hào)“LQ.wav”進(jìn)行分析，并

5、根據(jù)自己的語(yǔ)音信號(hào)頻譜中主要能量的分布特征確定自己的語(yǔ)音信號(hào)所在的頻段為下面的濾波器設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。程序代碼如下：S1=fft(LQ1);n=0:L-1; figure(3)subplot(3,1,1);plot(n,LQ1);title('截短預(yù)處理語(yǔ)音信號(hào)');k=0:L-1; subplot(3,1,2);plot(k,abs(S1);detf=fs/L; title('截短預(yù)處理語(yǔ)音頻譜');subplot(3,1,3);plot(k(1:L/2)*detf,abs(S1(1:L/2);title('截短預(yù)處理語(yǔ)音頻譜單邊');得出截短信號(hào)頻

6、譜圖如下：圖5 截短信號(hào)頻譜圖由圖5可以看出主要能量集中在0-1500HZ頻率段。設(shè)通帶截止頻率為1500HZ,阻帶截止頻率為2500HZ 。一般希望窗函數(shù)滿足以下兩個(gè)要求：窗譜主瓣盡可能地窄，以獲得陡峭的過(guò)渡帶；盡量減少窗譜的最大旁瓣的相對(duì)幅度，也就是能量盡量集中于主瓣，這樣使肩峰和波紋減小，就可增大阻帶的衰減。3.語(yǔ)音信號(hào)的加噪(1)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度與你所截取的語(yǔ)音信號(hào)等長(zhǎng)的噪聲信號(hào)，為“LQ2.wav”，所用指令為wavewrite(),所加噪聲如圖6所示。疊加噪聲可以用awgn()語(yǔ)句，在疊加噪聲時(shí)，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)闹?，盡量能體現(xiàn)出能量主要集中的頻段。(2)將語(yǔ)音與噪聲合成的信號(hào)“LQ2.wa

7、v”送入所設(shè)計(jì)的基于凱澤窗的FIR數(shù)字濾波器中進(jìn)行濾波。(3)將濾波結(jié)果導(dǎo)出保存成文件“LQ3.wav”.加噪程序?yàn)椋篖Q2=awgn(LQ1,15,'measured');wavwrite(LQ2,fs,'LQ2.wav'); figure(4)subplot(2,1,1);plot(LQ1);title('截短語(yǔ)音信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(sLQ2);title('加噪后截短語(yǔ)音信號(hào)');S2=fft(LQ2);figure(5)subplot(2,1,1);plot(abs(S1);title(

8、9;預(yù)處理語(yǔ)音信號(hào)頻譜');subplot(2,1,2);plot(abs(S2);title('加噪后截短語(yǔ)音信號(hào)頻譜)得出加噪后信號(hào)如下：圖6 加噪后的語(yǔ)音信號(hào)圖7 加噪信號(hào)頻譜 4.濾波器的設(shè)計(jì)(1)確定濾波器的參數(shù)：根據(jù)上一步驟中設(shè)定的自己語(yǔ)音信號(hào)主要能量分布的頻段設(shè)定要設(shè)計(jì)的濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率。通帶和過(guò)渡帶可以通過(guò)主瓣和旁瓣的寬度轉(zhuǎn)化，由此得和，設(shè)定通帶截止頻率為3.5dB阻帶衰減不小于-80dB，查表知可選用凱澤窗，并通過(guò)轉(zhuǎn)化可得以下參數(shù)： （r/sec） （r/sec）（r/sec）（r/sam）（r/sam）（r/sam）(2)設(shè)計(jì)濾波器：采用F

9、IR數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)上一步驟所設(shè)定的濾波器參數(shù)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)是否滿足要求。a. 給定所要求的頻率響應(yīng)函數(shù) b.求單位采樣響應(yīng) c.求窗函數(shù)。選用的是凱澤窗，根據(jù)通、阻帶截止頻率計(jì)算過(guò)渡帶寬度。由于凱澤窗過(guò)渡帶滿足 又因?yàn)?所以 N即 N=710d.計(jì)算線性相位延遲凱澤窗，0nN-1e. 濾波器的單位采樣響應(yīng)：=0.0176Sa0.0176(n-)根據(jù)以上內(nèi)容，編寫(xiě)濾波器設(shè)計(jì)程序如下：wp=1500*2*pi/fs;wst=2500*2*pi/fs;wc=(wp+wst)/2/pi;N=ceil(5.5*2*pi/(wst-wp);r=(N-1)/2;

10、hn1=fir1(N-1,wc,'low',Kaiser(N);figure(6)freqz(hn1);title('濾波器幅頻特性與相頻特性')figure(7)subplot('111')stem(hn1);title('濾波器單位采樣響應(yīng)');得到濾波器幅頻特性與相頻特性圖如下：圖8濾波器幅頻特性與相頻特性圖三、設(shè)計(jì)結(jié)果與分析1. 比較濾波前（含噪聲信號(hào)的文件）和濾波后的語(yǔ)音信號(hào)效果濾波前（含噪聲信號(hào)）的文件名稱為：LQ2.wav.濾波后的文件名稱為L(zhǎng)Q3.wav對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波代碼如下濾波結(jié)果導(dǎo)出程序?yàn)長(zhǎng)Q3=conv(

11、LQ2,hn1);wavwrite(LQ3,fs,'LQ3.wav');S3=fft(LQ3);figure(7)subplot(221)plot(LQ2);title('加噪后語(yǔ)音信號(hào)');subplot(222)plot(LQ3)title('濾波器處理之后信號(hào)圖')subplot(223);plot(abs(S2);title('濾波器處理之前頻譜');subplot(224);plot(abs(S3);title('濾波器處理之后頻譜');圖9 濾波后與原始波形進(jìn)行比較對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波代碼如下：s4=co

12、nv(LQ1,hn1);S4=fft(LQ4);figuresubplot(221);plot(LQ1);title('濾波器處理之前');subplot(222);plot(LQ4);title('濾波器處理之后');subplot(223);plot(abs(S1);title('濾波器處理之前');subplot(224);plot(abs(S4);title('濾波器處理之后');圖10 濾波后與原始波形進(jìn)行比較濾波效果圖形分析：比較圖9中的加噪前后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖與濾波器處理后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖可以看出，語(yǔ)音信號(hào)的幅度走向相差

13、不大，但濾波后語(yǔ)音信號(hào)的幅度明顯小于濾波前的加噪語(yǔ)音信號(hào)和原始語(yǔ)音信號(hào)。上圖說(shuō)明經(jīng)過(guò)我設(shè)計(jì)的基于凱澤的FIR濾波器后加噪信號(hào)的噪聲被濾掉了一部分，使濾出信號(hào)的效果比加噪后好一些。其他相關(guān)的重要數(shù)據(jù)截圖如下：圖11 相關(guān)數(shù)據(jù)圖2. 計(jì)算濾波前后的信噪比信噪比定義：在規(guī)定的條件下，傳輸信道特定點(diǎn)上的有用功率與和它同時(shí)存在的噪聲功率之比，常用分貝數(shù)表示，設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。一般來(lái)說(shuō)，信噪比越大，說(shuō)明混在信號(hào)里的噪聲越小，聲音回放的音質(zhì)量越高，否則相反。依據(jù)此定義設(shè)：SNR1表示濾波前的信噪比SNR2表示濾波后的信噪比在Matlab中的程序及如下：p1=sum(LQ1.2); p2=

14、sum(LQ2.2)-sum(LQ1.2);SNR1=10*log10(p1/p2);p3=sum(LQ4.2);p4=sum(LQ3.2)-sum(LQ4.2);SNR2=10*log10(p3/p4);disp('SNR1=',num2str(SNR1);disp('SNR2=',num2str(SNR2);得出信噪比 SNR1 =15.2014dBSNR2 =27.7486dB 濾波器效果信噪比分析： SNR1（濾波前的信噪比）為15.2014dB，SNR2（濾波后的信噪比）為27.7486dB，將SNR1與SNR2對(duì)比得出濾波后的信噪比比濾波前

15、得信噪比增加了12.5472dB，濾波后的信道有用功率與噪聲功率的比相較于濾波器處理之前增大了。說(shuō)明濾波后信道的噪聲功率與濾波前相比小了一部分，即表示這部分的噪聲被濾波器濾掉了，本濾波器的濾波效果不好，濾波前后信噪比差距較小，濾除噪音較少，但是將噪聲信號(hào)從疊加噪聲的語(yǔ)音信號(hào)中濾除，說(shuō)明該濾波器已經(jīng)成功濾波。結(jié)論：此基于凱澤函數(shù)法設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)濾波后的信道的有用功率與噪聲功率的比比濾波前增大，說(shuō)明濾波后的信噪比比濾波前信噪比增大，表明該濾波器成功濾除噪聲，此濾波器設(shè)計(jì)成功。3.信號(hào)采樣的頻率分辨率信號(hào)采樣的頻率分辨率，此次設(shè)計(jì)中采樣結(jié)果的長(zhǎng)度N取為，因此 Hz。四、設(shè)計(jì)

16、體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，通過(guò)對(duì)常用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，掌握數(shù)字信號(hào)處理的工作原理及設(shè)計(jì)方法；掌握利用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法，并能夠?qū)υO(shè)計(jì)結(jié)果加以分析。我設(shè)計(jì)的是FIR數(shù)字濾波器并選擇凱澤窗函數(shù)法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的是matlab軟件。在完成這次課程設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)，復(fù)習(xí)了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，并且熟練掌握了利用matlab軟件編程來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器的方法和步驟，進(jìn)一步熟悉了matlab的使用方法。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)讓我有了很多收獲，首先，我對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行更深一層次的理解，對(duì)書(shū)中原來(lái)學(xué)到的理論，僅知道了其表面，且知其原因。其次，在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，我也認(rèn)識(shí)到在課程設(shè)計(jì)中每一次的數(shù)據(jù)輸入都有其重要意義，用MATLAB編譯程序時(shí)，可以根據(jù)濾波器指標(biāo)的要求實(shí)時(shí)知道對(duì)濾波器的影響。完成整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程后，學(xué)到的東西已經(jīng)不僅僅上面的那些東西，還有同組員的共同努力和探討和設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，學(xué)習(xí)不能急，一定要冷靜，不放過(guò)任何一個(gè)細(xì)節(jié)。五、參考文獻(xiàn)1董長(zhǎng)虹 matlab信號(hào)