数字信号处理课程设计报告.docx

1、数字信号处理课程设计报告课设题目：语音信号的采集与处理学院：专业：班级：姓名：学号： 指导教师：2011 年7 月1 日课程设计报告撰写要求1、页面设置纸张大小设置为纵向 A4，页边距设置为：上 3.8 厘米，下 3.5 厘米，左 3 厘米，右 3 厘米，页眉设置为 3 厘米，页脚设置为 2.7 厘米，文档网络设置为指定行和字符网格，每行 34 字，每页 34 行。2、段落及字体设置除各级标题外，首行缩进 2 字符；图、表及图题、表题首行不缩进，居中放置；图表不应超出版心范围；行距采用单倍行距。正文中文采用小四号宋体，英文采用新罗马字体（Times New Roman），段前 0 磅，断后 0

2、 磅；一级标题采用小二号黑体，段前 12 磅，段后 12 磅二级标题采用小三号黑体，段前 6 磅，段后 6 磅三级标题采用四号黑体，段前 6 磅，段后 0 磅3、装订要求采用左侧装订，订两钉。哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告目录一. 课程设计任务1二. 课程设计原理及设计方案2三. 课程设计的步骤和结果3四. 课程设计总结4五. 设计体会5六. 参考文献6- I -哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告一. 课程设计任务1、语音信号的采集利用 Windows 下的录音机，录制一段自己的话音，时间在 1s 内，然后在Matlab 软件平台下，利用函数 wavread 对语音信号进行采样，记住采样频

3、率和采样点数。2、语音信号的频谱分析在 Matlab 中，可以利用函数 fft 对信号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，要求学生首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。3、设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标； 给定滤波器的性能指标如下：(1)低通滤波器的性能指标：fb=1000Hz,fc=1200Hz,As=100dB,Ap=1dB. (2)高通滤波器的性能指标：fc=4800Hz,fb=5000Hz,As=100dB,Ap=1dB.(3)带通滤波器的性能指标：fb1=1200Hz,fb2=3000Hz,fc1=1000Hz, fc2=3200Hz,As

4、=100dB,Ap=1dB.采用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的 3 种滤波器，并画出滤波器的频率响应；4、用滤波器对信号进行滤波然后用自己设计的滤波器对采集到的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形及频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；5、回放语音信号，分析滤波前后的语音变化；6、设计系统界面为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面，在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数、显示滤波器的频率响应， 选择信号等。- 42 -二. 课程设计原理及设计方案1. 用窗函数法设计 FIR 滤波器根据过渡带宽及阻带衰减要求，选择窗函数的类型并估计窗口长度 N（

5、或阶数M=N-1），窗函数类型可根据最小阻带衰减 As 独立选择，因为窗口长度 N 对最小阻带衰减 As 没有影响，在确定窗函数类型以后，可根据过渡带宽小于给定指标确定所拟用的窗函数的窗口长度 N，设待求滤波器的过渡带宽为 w，它与窗口长度 N 近似成反比，窗函数类型确定后，其计算公式也确定了，不过这些公式是近似的，得出的窗口长度还要在计算中逐步修正，原则是在保证阻带衰减满足要求的情况下，尽量选择较小的 N，在 N 和窗函数类型确定后，即可调用 MATLAB 中的窗函数求出窗函数 wd（n）。根据待求滤波器的理想频率响应求出理想单位脉冲响应 hd(n)，如果给出待求滤波器频率应为 Hd，则理想

6、的单位脉冲响应可以用下面的傅里叶反变换式求出：ph (n) = 1H (e jw)e jwndwd2p-pd在一般情况下，hd(n)是不能用封闭公式表示的，需要采用数值方法表示；从w=0 到 w=2 采样 N 点，采用离散傅里叶反变换（IDFT）即可求出。用窗函数 wd(n)将 hd(n)截断，并进行加权处理，得到h(n) = hd (n)w(n)如果要求线性相位特性， 则 h(n)还必须满足：h(n) = h(N - 1 - n)根据上式中的正、 负号和长度 N 的奇偶性又将线性相位 FIR 滤波器分成四类。要根据所设计的滤波特性正确选择其中一类。 例如， 要设计线性相位低通特性可选择 h(

7、n)=h(N-1-n)一类，而不能选 h(n)=-h(N-1-n)一类。验算技术指标是否满足要求，为了计算数字滤波器在频域中的特性，可调用freqz 子程序，如果不满足要求，可根据具体情况，调整窗函数类型或长度， 直到满足要求为止。2. 用双线性变换法设计 IIR 数字滤波器脉冲响应不变法的主要缺点是产生频率响应的混叠失真。这是因为从 S 平面到平面是多值的映射关系所造成的。为了克服这一缺点，可以采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到-/T/T 之间，再用 z=esT 转换到 Z 平面上。也就是说，第一步先将整个 S 平面压缩映射到 S1 平面的- /T/T 一条横带里；第二步

8、再通过标准变换关系 z=es1T 将此横带变换到整个 Z 平面上去。这样就使 S 平面与 Z 平面建立了一一对应的单值关系，消除了多值变换性，也就消除了频谱混叠现象，映射关系如图 1 所示。图 1 双线性变换的映射关系为了将 S 平面的整个虚轴 j 压缩到 S1 平面 j1 轴上的-/T 到 /T 段上， 可以通过以下的正切变换实现（1）式中,T 仍是采样间隔。当 1 由-/T 经过 0 变化到 /T 时， 由-经过 0 变化到+，也即映射了整个 j 轴。将式（1）写成将此关系解析延拓到整个 S 平面和 S1 平面，令 j=s，j1=s1，则得再将 S1 平面通过以下标准变换关系映射到 Z 平

9、面z=es1T从而得到 S 平面和 Z 平面的单值映射关系为：(2)(3)式（2）与式（3）是 S 平面与 Z 平面之间的单值映射关系，这种变换都是两个线性函数之比，因此称为双线性变换式（1）与式（2）的双线性变换符合映射变换应满足的两点要求。首先,把 z=ej，可得(4)即 S 平面的虚轴映射到 Z 平面的单位圆。其次，将 s=+j 代入式（4），得因此由此看出，当 0 时，|z|0 时，|z|1。也就是说，S 平面的左半平面映射到 Z 平面的单位圆内，S 平面的右半平面映射到 Z 平面的单位圆外， S 平面的虚轴映射到 Z 平面的单位圆上。因此，稳定的模拟滤波器经双线性变换后所得的数字滤波

10、器也一定是稳定的。双线性变换法优缺点双线性变换法与脉冲响应不变法相比，其主要的优点是避免了频率响应的混叠现象。这是因为 S 平面与 Z 平面是单值的一一对应关系。S 平面整个 j 轴单值地对应于 Z 平面单位圆一周，即频率轴是单值变换关系。这个关系如式（4） 所示，重写如下：上式表明，S 平面上 与 Z 平面的 成非线性的正切关系，如图 2 所示。由图 2 看出，在零频率附近，模拟角频率 与数字频率 之间的变换关系接近于线性关系；但当 进一步增加时， 增长得越来越慢，最后当 时， 终止在折叠频率 = 处，因而双线性变换就不会出现由于高频部分超过折叠频率而混淆到低频部分去的现象，从而消除了频率混

11、叠现象。图 2 双线性变换法的频率变换关系但是双线性变换的这个特点是靠频率的严重非线性关系而得到的，如式（4）及图 2 所示。由于这种频率之间的非线性变换关系，就产生了新的问题。首先， 一个线性相位的模拟滤波器经双线性变换后得到非线性相位的数字滤波器，不 再保持原有的线性相位了；其次，这种非线性关系要求模拟滤波器的幅频响应 必须是分段常数型的，即某一频率段的幅频响应近似等于某一常数（这正是一般典型的低通、高通、带通、带阻型滤波器的响应特性），不然变换所产生的数字滤波器幅频响应相对于原模拟滤波器的幅频响应会有畸变，如图 3 所示。图 3 双线性变换法幅度和相位特性的非线性映射对于分段常数的滤波器

12、，双线性变换后，仍得到幅频特性为分段常数的滤波器，但是各个分段边缘的临界频率点产生了畸变，这种频率的畸变，可以通过频率的预畸来加以校正。也就是将临界模拟频率事先加以畸变，然后经变换后正好映射到所需要的数字频率上。三. 课程设计的步骤和结果1、语音信号的采集利用 Windows 下的录音机，录制一段自己的话音，时间在 1s 内，然后在Matlab 软件平台下，利用函数 wavread 对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。程序：y,fs,nbits=wavread( E:matlab_yuyinmy voice.wav )得到：fs =22050nbits =16由此可知，采样频率为 22

13、050Hz，采样点数为 16bit2、语音信号的频谱分析在 Matlab 中，利用函数 fft 对信号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。程 序 ： y,fs,nbits=wavread(E:matlab_yuyinmy voice.wav); sound(y,fs,nbits);y = y - mean(y);%去直流成分Y = fftshift(abs(fft(y);w = linspace(-fs/2,fs/2,length(Y); subplot(2,1,1),plot(y);title(原始信号波形);subplot(2,1

14、,2),plot(w,Y);title(原始信号频谱);axis(0,2000,-inf,inf); 一 一 一 一 一0.20.10-0.1-0.20200040006000800010000 12000 14000 1600018000 一 一 一 一 一150100500-1.5-1-0.500.511.5x 1043、设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标； 给定滤波器的性能指标如下：(1) 低通滤波器的性能指标：fb=1000Hz,fc=1200Hz,As=100dB,Ap=1dB. (2)高通滤波器的性能指标：fc=4800Hz,fb=5000Hz,As=100dB,Ap=1dB.(3)带通滤波器的性能指标：fb1=1200Hz,fb2=3000Hz,fc1=1000Hz, fc2=3200Hz,As=100dB,Ap=1dB.采用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的 3 种滤波器，并画出滤波器的频率响应；4、用滤波器对信号进行滤波用自己设计的滤波器对采集到的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形及频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；窗函数法设计 FIR 滤波器：（1） 低通滤波器clear all;Ft=22050;Fp=1000;Fs=1200;y,fs,nbits=wav