青岛科技大学数字信号处理课程设计一.doc
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青岛科技大学
《数字信号处理》课程设计报告
数字信号分析及数字滤波器设计
题目__________________________________
______________________________________
张淑军
指导教师__________________________
学生姓名__________________________
学生学号__________________________
_______________________________院（部）_____________________专业＿＿班
____2014__年_12__月__25_日
1.目的与要求
1.进一步巩固数字信号处理中的基本原理与方法，提高分析、解决实际问题的能力。
2.熟练掌握一门计算机语言，进行数字信号处理应用的开发设计，训练基本技能，如查阅设计资料和手册、程序的设计、调试等。
3选择的题目为
（一）《数字信号分析及数字滤波器设计》
1.用以下方式产生三个不同频段的信号：
（1）自己录制一段正常的语音文件；
（2）录制一段环境噪声文件；（3）利用MATLAB产生一个不同于以上频段的信号。
2.对上述三个信号，进行频谱分析，画出三路信号的时域波形和频谱图，对进行对比分析。
3.根据三路信号的频谱特点得到性能指标，由性能指标设计三个滤波器，并画出各滤波器的频域响应。
4.将三路信号叠加为一路信号。
5.用自己设计的滤波器对合成的信号进行滤波，分析得到信号的频谱，并画出滤波后信号的时域波形和频谱。
2.主要技术和原理
2.1语音的输入、处理以及信号的叠加
⑴Matlab中语音信号的输入为
[x,fs,bits]=wavread（'C:
\Users\lenovo\Desktop\原始语音.wav',[5000060000]）;其中wavread函数读取Microsoft的wav格式音频文件，x为自己随意定义的一个输出函数，fs是采样频率bits表示每个样点的位数，[5000060000]表示读取从50000到60000个点到x中。
X_voice=x（:
1）因为音频信号都有两个声道，所以提取出来一个声道进行分析
Plot（x）为画出当前的波形，freqz（x）是求离散系统频响特性的函数。
随机产生的信号
（2）信号的叠加
本次实验需要将正常语音信号与噪音信号还有matlab产生的一个信号进行叠加，生成一个新的信号，代码如下
f1=22000;
f2=25000;
fs=50000;
t=1/fs;
length_x=length（x）;input_x=zeros（1,length_x）;
fori=1:
1:
length_x
input_x（i）=sin（2*pi*f1*i*t）+sin（2*pi*f2*i*t）;
input_x=input_x';
end
正常语音信号的代码：
[x,fs,bits]=wavread（'C:
\Users\lenovo\Desktop\原始语音.wav',[5000060000]）;
X_voice=x（:
1）;
input_x=X_voice;
噪声语音的代码：
[x1,fs1,bits1]=wavread（'C:
\Users\lenovo\Desktop\ÔëÒô1.wav',[5000060000]）;
X3_voice=x1（:
1）;
input_x1=X3_voice;
但是信号叠加有一个非常重要的条件就是点数必须相同，不仅点数相同而且点数矩阵得是同一类型，在原始语音和噪声语音的点数10001个，但他们产生的是10001行1列矩阵，而matlab产生的正弦信号却是1行10001列矩阵，结果也不能叠加，这就需要将1行10001列矩阵变成10001行1列矩阵，input_x=input_x';反转语句就是讲input_x的行和列互换。
叠加语句：
fori=1:
1:
length_x
y1=X_voice+X3_voice+input_x;
end
2.2FIR滤波器设计原理
⑴时间窗口设计法是从单位脉冲响应序列着手，使h（n）逼近理想的单位脉冲响应序列hd（n）。
我们知道hd（n）可以从理想频响通过付氏反变换获得
但一般来说，理想频响是分段恒定，在边界频率处有突变点，所以，这样得到的理想单位脉冲响应hd（n）往往都是无限长序列，而且是非因果的。
但FIR的h（n）是有限长的，问题是怎样用一个有限长的序列去近似无限长的。
最简单的办法是直接截取一段hd（n）代替h（n）。
这种截取可以形象地想象为h（n）是通过一个“窗口”所看到的一段hd（n），因此，h（n）也可表达为h（n）和一个“窗函数”的乘积，即
h（n）=w（n）hd（n）
在这里窗口函数就是矩形脉冲函数RN（n），当然以后我们还可看到，为了改善设计滤波器的特性，窗函数还可以有其它的形式，相当于在矩形窗内对hd（n）作一定的加权处理。
（2）本次实验只采用了矩形窗设计方法，由于hd（n）是无限长的，故要用一个有限长的“窗函数”序列w（n）将hd（n）加以截断，窗的点数是N点。
截断后的序列为hd（n）
h（n）=w（n）hd（n），0<=n<=N-1
窗的点数N及窗的形状是两个极其重要的参数。
加窗后实际的频率响应
=DTFT[h（n）]=DTFT[]==
（3）FIR带通、高通、带阻、多通带多阻带滤波器的设计
（1）N长的FIR全通滤波器h（n）的函数表达当，则低通滤波器变为全通滤波器：
（2）N长的FIR高通滤波器h（n）的函数表达式
由高通的频谱结构可知，
高通滤波器的频谱=全通滤波器的频谱-低通滤波器的频谱。
（3）N长的FIR带通滤波器h（n）的函数表达式
带通滤波器的频谱=低通滤波器的频谱-低通滤波器的频谱。
（3）N长的FIR带通滤波器h（n）的函数表达式
带阻滤波器的频谱=全通滤波器的频谱-带通滤波器的频谱。
（4）N长的FIR带阻滤波器h（n）的函数表达式
带阻滤波器的频谱=全通滤波器的频谱-带通滤波器的频谱
（5）N长的FIR多通带多带阻滤波器h（n）的函数表达式
多通带多阻带滤波器的频谱=全通滤波器的频谱-带通滤波器的频谱-带通滤波器的频谱。
3.总体方案设计
3.1开发环境和工具
Pcwindow8.1matlab2012a
3.2具体框架
Matlab产生一个信号
噪声语音的录入
原始信号的录入
绘制时域频域波形
绘制时域频域波形
绘制时域频域波形
三路信号叠加成一路信号
绘制时域频域波形
设计多通多阻滤波器
设计高通滤波器
设计低通滤波器
与y1相卷积进行滤波
与y1相卷积进行滤波
与y1相卷积进行滤波
语音恢复成wav格式
语音恢复成wav格式
语音恢复成wav格式
3.3设计过程
（1）信号的获取采集（原始语音，噪声，matlab产生的信号）
①录取一段语音信号，fs=44100赫兹，共抽样10001个点②录取一段噪声语音，本次噪声语音就是用电脑自己录的杂音当做噪声，且fs=44100，也是抽取了10001个点③用matlab产生了一个正弦信号抽样频率为50000，f1和f2分别为22000和25000赫兹。
（2）对做好的信号要进行处理，用wavread函数将语音信号读进来，取他们的一列，对于正弦信号要进行转置input_x=input_x';以便于后面对信号的叠加做准备。
（3）绘制语音信号的时域波形的频域波形
（4）根据（3）设计出来的频谱特性进行分析，根据分析的结果设计滤波器，在画出各个滤波器的频谱以及时域波形。
（5）将做好的三路信号叠加成一路信号，在对叠加好的信号画频谱。
（6）将设计好的滤波器分别与此信号卷积进行滤波，在画出滤波后的信号的频谱。
（7）最后将语音恢复，输出到指定文件夹下。
4.实验结果与分析
4.1这部分是实现对原始语音的处理具体代码如下：
[x,fs,bits]=wavread（'C:
\Users\lenovo\Desktop\原始话音.wav',[5000060000]）;%对原始话音读取到x中
X_voice=x（:
1）;%提取声道1
input_x=X_voice;%将声道1赋给input_x
figure
（1）;
plot（input_x）;对input_x画时域波形
title（'原始话音波形'）;
figure
（1）;
freqz（input_x）;%对input_x画频谱波形
title（'原始话音频谱'）;
X1_voice=x（:
2）;%提取声道2
input_x=X1_voice;%将声道2赋给input_x
figure（3）;
plot（input_x）;
title（'原始话音波形'）;
figure（4）;
freqz（input_x）;
title（'原始话音频谱'）;
y=X_voice+X1_voice;&将两个信号叠加为原始语音信号
figure（5）;
plot（y）;
title（'原始话音波形'）;
figure（6）;
freqz（y）;
title（'原始话音频谱'）;
主要用到的函数wavread是对语音信号的读取，但只能是wav格式，plot（input_x）;是画图函数，将input_x画出来，freqz（input_x）;是求input_x的频谱并将其画出。
实验结果图如下：
上图为声道1的波形和频谱，只是提取了10001个点进行分析，此频谱特点是图上在f=2800,11250,21400赫兹处出现了尖峰。
这里只对提取的一个声道分析，代表了此信号。
4.2实现对噪音信号的处理模块及其实现代码：
[x1,fs1,bits1]=wavread（'C:
\Users\lenovo\Desktop\ÔëÒô1.wav',[5000060000]）;
X3_voice=x1（:
1）;
input_x1=X3_voice;
figure（9）;
plot（input_x1）;
title（'原始噪音波形'）;
figure（10）;
freqz（input_x1）;
title（'原始噪音频谱图'）;
此模块与正常语音的的处理大同小异，只是在噪音里我只提取了一个声道，用到的函数与处理正常语音用到的函数一样。
实验结果图如下
以下两个图一个是噪音频谱，另一个是噪音波形，我也是对噪音提取了10001个点进行分析，从频谱上看，在f=6700赫兹以前信号的频率比较高，但不是很高，就设计一个高通滤波器将较高的信号滤除，使产生一个平稳的信号，此噪音不突出，一方面跟采样点数有关系，另一方面录制噪音的时候尖峰不够，但主要考察滤波器设计及其分析，不影响整体。
4.3实现matlab产生的正弦信号及其代码：
f1=22000;
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