基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、青 島 科 技 大 學(xué)本 科 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)-網(wǎng)絡(luò)資源管理題 目 _xxx指導(dǎo)教師_XXX學(xué)生姓名_1008030207學(xué)生學(xué)號(hào)_10級(jí)2通信工程信息科學(xué)技術(shù)_學(xué)院（部）_專業(yè)_班2014115_年 _月 _日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)弘A-401實(shí)驗(yàn)室課程設(shè)計(jì)時(shí)間2014.01.07-2014.01.16課程設(shè)計(jì)目的1. 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法；2. 提高信號(hào)處理算法編程能力；3. 掌握利用MATLAB GUI進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的技巧；4. 通過(guò)較為全面、進(jìn)一步加深對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程所學(xué)內(nèi)容的理解；掌握系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，初步掌握軟件設(shè)計(jì)方法，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及日后的實(shí)

2、際工作打好基礎(chǔ)。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 指導(dǎo)教師簽字：驗(yàn)收（答辯）意見(jiàn)驗(yàn)收（答辯）人員簽字：系（教研室）意 見(jiàn) 教研室主任簽字：成 績(jī)（百分制） 目錄1. 主要內(nèi)容2 需求分析3設(shè)計(jì)思想4實(shí)現(xiàn)方法5調(diào)試及實(shí)現(xiàn)過(guò)程6.總結(jié)7.參考文獻(xiàn)1主要內(nèi)容1.1語(yǔ)音信息部分 語(yǔ)音是人類獲取信息的重要來(lái)源和利用信息的重要手段。通過(guò)語(yǔ)言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語(yǔ)言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和記載幾千年人類文明史的根本手段，沒(méi)有語(yǔ)言就沒(méi)有今天的人類文明。語(yǔ)音是語(yǔ)言的聲學(xué)表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行

3、處理的一門學(xué)科，它是一門新興的學(xué)科，同時(shí)又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科。1.2數(shù)字信號(hào)處理部分本部分主要包括離散傅里葉變換，離散傅里葉級(jí)數(shù)，頻率分辨率分析和高密度譜分析。1.2.1離散傅里葉變換離散傅里葉變換（DFT），是連續(xù)傅里葉變換在時(shí)域和頻域上都離散的形式，將時(shí)域信號(hào)的采樣變換為在離散時(shí)間傅里葉變換（DTFT）頻域的采樣。在形式上，變換兩端（時(shí)域和頻域上）的序列是有限長(zhǎng)的，而實(shí)際上這兩組序列都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是離散周期信號(hào)的主值序列。即使對(duì)有限長(zhǎng)的離散信號(hào)作DFT，也應(yīng)當(dāng)將其看作經(jīng)過(guò)周期延拓成為周期信號(hào)再作變換。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用快速傅里葉變換以高效計(jì)算DFT。1.2.2 離散

4、傅里葉級(jí)數(shù)離散傅里葉級(jí)數(shù)（DFS）與連續(xù)傅立葉級(jí)數(shù)相比有很大的區(qū)別。最大的不同在于離散時(shí)間傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)序列是周期的。1.2.3 數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)：（1）精度高；（2）靈活性高；（3）可靠性強(qiáng)；（4）容易大規(guī)模集成；（5）時(shí)分復(fù)用；（6）可獲得高性能的指標(biāo)；（7）二維與多維處理等。1.2.4 數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用：（1）濾波與變換；（2）通信；（3）語(yǔ)音和語(yǔ)言；（4）處理圖像和圖形；（5）消費(fèi)電子（包括數(shù)字音頻、數(shù)字電視、音樂(lè)綜合器、電子玩具和游戲等）；（6）儀器（包括頻譜分析儀器、函數(shù)發(fā)生器等）；（7）工業(yè)控制和自動(dòng)化；（8）醫(yī)療和軍事等。1.2.5 數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展和方向；（1）數(shù)字匯

5、聚：即信號(hào)處理、通信和計(jì)算機(jī)的融合，其中數(shù)字信號(hào)處理是一種粘合劑，它把通信產(chǎn)業(yè)、消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)以及計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合在一起。（2）遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)；（3）融合網(wǎng)絡(luò)；把公眾電信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)更好地結(jié)合在一起，并與家庭娛樂(lè)信息設(shè)施相匹配的網(wǎng)絡(luò)；（4）數(shù)字圖書館；（5）圖像與文本合一的信息檢索業(yè)務(wù)；（6）多媒體通信；包括媒體的壓縮，媒體的綜合，媒體的識(shí)別，消息的轉(zhuǎn)換和自然查詢；（7）個(gè)人信息終端；把個(gè)人通信系統(tǒng)與個(gè)人數(shù)字助理非常自然地結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)無(wú)時(shí)不在無(wú)處不在的通信功能。1.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)部分1.3.1本部分包括 butterworth濾波器和數(shù)字低通濾波器巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻

6、率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。 在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上,從某一邊界角頻率開(kāi)始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負(fù)無(wú)窮大。1.3.2數(shù)字濾波器的研究背景和意義     當(dāng)今，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)正飛速發(fā)展，它不但自成一門學(xué)科，更是以不同形式影響和滲透到其他學(xué)科；它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國(guó)防建設(shè)緊密相連；它影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，因此受到人們普遍的關(guān)注。     數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，實(shí)際生活

7、中遇到的信號(hào)多種多樣，例如廣播信號(hào)、電視信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、通信信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)等等。上述這些信號(hào)大部分是模擬信號(hào)，也有小部分是數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一維的，也可以是二維或多維的。大多數(shù)情況下一維模擬信號(hào)的自變量是時(shí)間，經(jīng)過(guò)時(shí)間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號(hào)便成為一維數(shù)字信號(hào)。因此，數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是數(shù)字序列表示的信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)一維離散時(shí)間序列；而圖像信號(hào)的經(jīng)采樣和量化后，得到的是數(shù)字信號(hào)是一個(gè)二維離散空間序列。1.3.3數(shù)字濾波器的應(yīng)用及現(xiàn)狀 數(shù)字濾波器精確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設(shè)備所沒(méi)有

8、的許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，例如數(shù)字電視、語(yǔ)音、通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是，模擬電路技術(shù)存在很多難以解決的問(wèn)題，例如，模擬電路元件對(duì)溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術(shù)則避免很多類似的難題，當(dāng)然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，所以采用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理是目前的發(fā)展方向2 需求分析語(yǔ)音信號(hào)處理是一門比較實(shí)用的電子工程的專業(yè)技術(shù)，語(yǔ)音是人類獲取信息的重要來(lái)源和利用信息的重要手段。是利用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理與

9、分析，采集語(yǔ)音信號(hào)后，掌握語(yǔ)音信號(hào)處理可以有效處理語(yǔ)音信號(hào)，是進(jìn)行信息傳遞的最重要的手段，研究數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理，是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科。數(shù)字濾波器是按照程序計(jì)算信號(hào)，達(dá)到濾波的目的。通過(guò)對(duì)數(shù)字濾波器的存儲(chǔ)器編寫程序，就可以實(shí)現(xiàn)各種濾波功能。數(shù)字濾波器有高精度，高可靠性，可程控改變特性或復(fù)用，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在語(yǔ)音信號(hào)處理，圖像信號(hào)處理，醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)值計(jì)算的方式進(jìn)行加工的理論和技術(shù)，是研究有掛數(shù)字濾波技術(shù)，離散變換快速算法和譜分析方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展，

10、其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。3 設(shè)計(jì)思想3.1 語(yǔ)音信息加載一段語(yǔ)音后，通過(guò)編寫程序代碼，將語(yǔ)音加載，然后對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)程序的播放功能，將加載的語(yǔ)音播放。還可設(shè)計(jì)編寫代碼獲取語(yǔ)音的相關(guān)信息，并課進(jìn)行相關(guān)的信息修改。3.2 數(shù)字信號(hào)處理通過(guò)編寫相應(yīng)代碼，應(yīng)用信號(hào)的傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域和頻域之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行頻譜分析。并可以任意修改信號(hào)的頻率或取樣信號(hào)的頻率改變頻譜形狀；3.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器按照單位取樣響應(yīng)h(n)的時(shí)域特性可以分為無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）系統(tǒng)和有限脈沖響應(yīng)（FIR）系統(tǒng)。FIR 數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于它可以做成具有嚴(yán)格線性相位,而同時(shí)可以具有任意的幅度特性

11、;它的傳遞函數(shù)沒(méi)有極點(diǎn);這保證了設(shè)計(jì)出的FIR 數(shù)字濾波器一定是平穩(wěn)的。 所謂數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是要找到一組能滿足特定濾波要求的系數(shù)向量a和b。而濾波器設(shè)計(jì)完成后還需要進(jìn)一步考慮如何將其實(shí)現(xiàn)，即選擇什么樣的濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)完成濾波運(yùn)算。FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法很多，其中較為常用的是窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、頻率采樣設(shè)計(jì)法和最優(yōu)化設(shè)計(jì)法。本文討論利用窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋切比雪夫逼近法（調(diào)用remez函數(shù)）來(lái)分別實(shí)現(xiàn)各種FIR濾波器的設(shè)計(jì)。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想是把給定的頻率響應(yīng)通過(guò)IDTFT（Inverse Discrete Time Fou

12、rier Transform），求得脈沖響應(yīng)，然后利用加窗函數(shù)對(duì)它進(jìn)行截?cái)嗪推交?，以?shí)現(xiàn)一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)且具有線性相位的 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)目的。其核心是從給定的頻率特性，通過(guò)加窗確定有限長(zhǎng)單位取樣響應(yīng)()hn；頻率采樣法設(shè)計(jì)的基本思想是把給出的理想頻率響應(yīng)進(jìn)行取樣，通過(guò) IDFT 從頻譜樣點(diǎn)直接求得有限脈沖響應(yīng)；最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是指采用最優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)的方法，在 FIR DF的最優(yōu)化設(shè)計(jì)中 ,最優(yōu)化準(zhǔn)則有均方誤差最小化準(zhǔn)則和等波紋切比雪夫逼近準(zhǔn)則兩種。4 實(shí)現(xiàn)方法4.1 語(yǔ)音信息利用MATLAB程序編寫相應(yīng)的程

13、序代碼，在MATLAB的GUI界面中通過(guò)設(shè)置功能按鈕。實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的加載、播放及修改語(yǔ)音等功能；4.2 數(shù)字信號(hào)處理 根據(jù)離散傅里葉級(jí)數(shù)的定義式和離散傅里葉變換的定義式來(lái)編程實(shí)現(xiàn)；4.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)按照濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程用相應(yīng)的代碼完成設(shè)計(jì)，并使其完成相應(yīng)的功能。5 調(diào)試及實(shí)現(xiàn)過(guò)程5.1 語(yǔ)音信號(hào)設(shè)計(jì)框圖：5.2 數(shù)字信號(hào)處理5.2.1 離散傅里葉變換和離散傅里葉級(jí)數(shù)5.2.2 離散傅里葉變換參數(shù)設(shè)為f1=20,f2=200時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下5.2.3 離散傅里葉級(jí)數(shù)參數(shù)設(shè)置為f1=30,f2=300,運(yùn)行結(jié)果如下：5.2.4 高密度譜分析當(dāng)點(diǎn)擊高密度譜分析按鈕時(shí)，在圖框中輸入頻率，控制在頻域的頻

14、譜當(dāng)輸入f1=50,f2=60,fs=100時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下：5.2.5 頻率分辨率分析參數(shù)設(shè)置為fs=1000; N=1000; 運(yùn)行結(jié)果如下圖所示當(dāng)把頻率變小時(shí)頻譜間隔會(huì)增大，頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，當(dāng)頻率為400時(shí)，改變頻率周期，以改變頻譜間隔，一對(duì)頻譜進(jìn)行分析。在時(shí)域控制頻率的變化，在頻域變現(xiàn)為頻譜間隔結(jié)構(gòu)的變化。5.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)5.3.1 butterworth濾波器運(yùn)行結(jié)果如下：由運(yùn)行結(jié)果可清楚地分析出，巴特沃斯濾波器擁有平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。其過(guò)渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)，高階巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)近似于理想低通濾波器。對(duì)N=2階濾波器和N=20階濾波器的平方幅度響應(yīng)進(jìn)行比較后，證明了高階巴特沃斯濾波器有著更好的幅度特性，更接近理想低通濾波器5.3.2 數(shù)字低通濾波器運(yùn)行結(jié)果如下：6 總結(jié)總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我對(duì)語(yǔ)音信號(hào)有了全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)又