数字信号处理课程设计说明书范文.docx

1、数字信号处理课程设计说明书范文长 沙 学 院数字信号处理课程设计说明书题目数字信号处理课程设计系（部）专业（班级）电子与通信工程系11 级通信 1 班姓学名号指导老师起止日期李广柱、谢志宇王路露、冯 璐2013.6.17-2013.6.211数字信号处理设计任务书一课程设计的目的通过数字信号处理的课程设计，使学生对信号的采集，处理，传输，显示，存储和分析等有一个系统的掌握和理解。巩固和运用数字信号处理课程中的理论知识和实验技能，掌握最基本的数字信号处理的理论和方法，培养学生发现问题，分析问题和解决问题的能力。二课程设计的题目语音信号的采集、分析与处理。三设计内容（主要技术关键的分析、解决思路和

2、方案比较等）对一段语音信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；回放语音信号；最后，设计一个信号处理系统界面。设计内容：采样一段语音信号；画出语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，设计数字滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱。关键技术：频谱图的理解；设计数字滤波器；数字滤波的方法；解决思路：对语音号进行快速傅

3、里叶变换，得到信号的频谱特性；在 MATLAB 环境中可以利用函数 fir1 设计 FIR 滤波器，可以利用函数 butter 设计 IIR 滤波器；利用 MATLAB 中的函数 freqz 画出各滤波器的频率响应。四设计步骤1. 语音信号的采集对一段语音信号，时间在 2s 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。通过 wavread 函数的使用，要求理解掌握采样频率、采样位数等概念。2. 语音信号的频谱分析要求首先画出采样后语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，从而加深对频谱特性的理解。3.

4、 设计数字滤波器和画出其频率相映给出各滤波器的性能指标：(1) 低通滤波器性能指标 fb1000Hz，fc1200Hz，As20dB，Ap1dB。(2) 高通滤波器性能指标 fc4800Hz，fb5000Hz，As30dB，Ap1dB。（注意：以上性能指标只具有参考价值，同学们可以灵活更改，以适应具体应用的要求。）要求用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的 2 种滤波器。在 MATLAB 中，可以利用函数 fir1基于 Kaiser 窗设计 FIR 滤波器，可以利用函数 butter 设计 IIR 滤波器；利用 MATLAB 中的函数 freqz2画出各滤波器的频率响应。4. 用滤波器对信号进

5、行滤波要求用自己设计的各种滤波器分别对采集的信号进行滤波，在 MATLAB 中，FIR 滤波器利用函数fftfilt 对信号进行滤波，IIR 滤波器利用函数 filter 对信号进行滤波。5. 比较滤波前后语音信号的波形及频谱并回放语音信号要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。在 MATLAB 中，函数 sound 可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x，fs，bits)；可以感觉滤波前后的声音有变化。6. 编制实现上述任务的相应的程序。7. 撰写 5000-8000 字课程设计报告。五设计要点1. 参考“数字信号处理”教材掌握频谱分析的意义。2. 参考“数字信号处理”教材掌握数

6、字滤波器的设计方法。3. 学会使用 MATLAB 的帮助。六设计进度安排本次课程设计共计 2 周时间(7 周8 周)：第 7 周星期一，分析问题、查阅资料；第 7 周星期二到第8 周星期三，编写程序、调试、修改；第 8 周星期四到星期五，演示、答辩、写设计报告。七考核标准1. 同学平时表现占总成绩 30，若迟到扣 5 分，无故旷课每次扣 10 分，二次不到者总成绩以 0分计。2. 课程设计报告占总成绩 70，在规定时间内上交。3. 严禁抄袭，复制设计内容，查出后相关同学设计成绩以零分处理。八参考资料1. 高西全, 丁玉美. 数字信号处理. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2008.2. 黄文

7、梅, 熊桂林, 杨勇. 信号分析与处理Matlab 语言及其应用. 长沙: 国防科技大学出版社,2000.3. 余成波. 数字信号处理及 Matlab 实现. 北京: 清华大学出版社, 2008.3长沙学院课程设计鉴定表4目录1、绪论 . 12、课程设计的具体内容 . 12.1、原始语音信号的读取和分析 . 22.1.1、读取语音信号的任务 . 22.1.2、任务分析和解决方案 . 22.1.3、编程得到的MATLAB代码. 22.1.4、运行结果和相应的分析 . 22.2、IIR滤波器设计和滤波处理. 32.2.1、设计任务 . 32.2.2、任务分析和解决方案 . 32.2.3、编程得到的

8、MATLAB代码. 42.2.4、运行结果和相应的分析 . 52.3、FIR滤波器设计和滤波处理 . 82.3.1、设计任务 . 82.3.2、任务分析和解决方案 . 82.3.3、编程得到的MATLAB代码. 92.3.4、运行结果和相应的分析 . 103、总结 . 134、存在的不足及建议 . 145、参考文献 . 145语音信号的采集、分析与处理摘要本文利用 Windows 操作系统提供的录音机录制了一段声音，针对该声音文件，利用MATLAB 读取文件获得语音信号，利用 FFT 算法对该信号进行谱分析。同时设计得到了IIR、FIR 滤波器，每种形式的滤波器分别都设计了低通、高通和带通三种

9、类型，利用滤波器对运用信号进行处理，并对处理的结果进行了分析。通过对语音信号的采集、分析和处理，掌握了利用 FFT 进行谱分析的基本原理和基本方法；掌握了滤波器设计的基本理论和基本方法，并学会了对信号进行时域分析和频域分析的基本原理和基本方法。关键词：语音信号；谱分析；IIR 滤波器；FIR 滤波器61、绪论通过语音传递信息是人类交换信息最方便、最快捷的一种形式，在高度发达的信息化时代，用数字化的方法进行语音处理是整个数字化通信网中最重要、最基本的组成部分之一。数字电话通信、高音质的窄带语音系统、语音学习机、声控打字机、自动翻译机、智能机器人、新一代计算机语音智能终端以及许多军事上的应用等，都

10、要用到语音信号处理技术。随着集成电路和微电子技术的飞速发展，语音信号处理技术已融入人们的日常生活中。语音信号处理的目的是要得到某些语音特征参数以便高效地传输或存储；或者是通过某种处理运算以达到某种用途的要求，例如人工合成语音、辨识出讲话者、识别出讲话者的内容等。MATLAB 是一款功能强大、易于使用的高校数值计算和可视化软件，可以用数学形式的语言编程，又有大量的库函数，所以编程简单、编程效率高12。本次课程设计主要是利用 MATLAB 对数字化的语音信号进行时域和频域的分析，同时在 MATLAB 中设计滤波器，并利用滤波器对语音信号进行滤波处理，分析滤波前后语音信号的变化，对理解滤波器在语音信

11、号处理过程中的作用是很重要的。下面介绍课程设计的具体内容，在介绍的过程中，紧密结合课程设计任务书，首先分析课程设计的任务；提出解决任务的思路和方法；然后提供解决方案：MATLAB 程序；并对运行 MATLAB 程序得到的结果进行分析。2、课程设计的具体内容根据课程设计任务书，首先需要录制一段声音文件；在 MATLAB 下读取该文件得到数字语音信号，利用 FFT 对数字语音信号进行谱分析；设计滤波器，并利用滤波器对语音信号进行处理，对滤波结果进行分析，得出结论。这里的范文，没有在 Windows 下实际录制声音文件，而是采用 Windows 自身提供的声音文件 Windows Shutdown.

12、wav。Windows 提供的声音文件都是双声道的，即既有左声道，又有右声道的声音。因此，下面具体设计的过程中仅取出了一个声道进行分析和处理。下面按课程设计任务书，分别阐述设计的具体内容。12.1、原始语音信号的读取和分析2.1.1、读取语音信号的任务根据课程设计任务书，首先需要录制一段声音文件；在 MATLAB 下读取该文件得到数字语音信号，并利用 FFT 对数字语音信号进行谱分析。2.1.2、任务分析和解决方案这里采用 Windows 自身提供的声音文件 Windows Shutdown.wav。MATLAB 提供了读取语音文件的函数：y, Fs, nbits = wavread(file

13、name);该函数读取名为 filename 的文件，并将读取得到的数字语音信号放在了变量 y 中；语音的采样率用 Fs 表示；nbits 则表示语音变量的位数。这样一来，利用该函数即可完成语音信号的读取。在得到数字语音信号之后，即可利用 MATLAB 提供的 FFT 函数对该语音信号进行处理，得到语音信号的频谱。2.1.3、编程得到的MATLAB代码解决以上问题，编程得到的代码如下：x, fs, nbits = wavread(C:WindowsMediaWindows Shutdown.wav);x1 = x(:,1);datlen = length(x1);Time = (0:datle

14、n-1)/fs;freq = (-datlen/2:datlen/2-1)/datlen*fs;xfft = fftshift(fft(x1);% 读取一个声道的声音% 获取声音序列的长度% 声音持续对应的时间% 频率指标% 求得声音序列的频谱2.1.4、运行结果和相应的分析运行以上代码得到的结果如图 1所示：2声音的时域波形0.040.030.020.010-0.01-0.02-0.0300.20.40.60.811.21.4声音的持续时间s声音的频域波形80706050403020100-25-20-15-10-50510152025频率kHz图 1 语音信号的时域和频域波形通过图 1可以

15、看出，语音信号中有两个十分明显的谱线，一个频率约为 1.318kHz，另一个频率大约为 2.64kHz。在 1.318kHz以内还有若干个低频的谱线。从时域上看，先有一个高频的声音，然后出现一个低频的声音。2.2、IIR滤波器设计和滤波处理2.2.1、设计任务根据课程设计任务书，要求用双线性变换法设计 butterworth 型 IIR 滤波器，且滤波器的技术指标满足：(1) 低通滤波器性能指标 fb1000Hz，fc1200Hz，As20dB，Ap1dB。(2) 高通滤波器性能指标 fc4800Hz，fb5000Hz，As30dB，Ap1dB。在设计滤波器之后，利用滤波器对语音信号进行处理，

16、并分析滤波前后的差别。2.2.2、任务分析和解决方案在 MATLAB 中，有几种设计 IIR 滤波器的方法，可以首先设计出模拟滤波器，再利用双线性变换法转换成相应的数字滤波器；也可以直接利用 MATLAB 提供的函数设计得到数字滤波器，设计 Butterworth 滤波器的基本原理，可以参见文献3。MATLAB 提供了 butter 函数，可以直接按双线性变换法设计 IIR 滤波器，在运行 butter函数之前，需要根据技术指标要求计算滤波器的阶数和 3dB 截止频率，MATLAB 提供了3声音的幅度声音频谱幅度以下函数：n,Wn = buttord(Wp,Ws,Rp,Rs);其中 Wp、Ws

17、 分别为通带截止频率和阻带截止频率；Rp 和 Rs 为通带最大衰减和阻带最小衰减。在计算得到阶数 n 和 3dB 截止频率 Wn 之后，可以运行：b,a = butter(n,Wn)得到滤波器系数 b 和 a。高通滤波器的设计是一样的。在设计得到滤波器系数之后，可以运行：y = filter(b,a,x)对输入信号 x 进行滤波，得到结果 y。2.2.3、编程得到的MATLAB代码解决以上问题，编程得到的代码如下，其中低通 IIR 滤波器的代码为：fp = 1350;ft = 2500;wp = 2*pi*fp;ws = 2*pi*ft;Rp = 1;Rs = 20;N,Wn = buttor

18、d(wp,ws,Rp,Rs,s);Z,P,K = buttap(N);Bap,Aap = zp2tf(Z,P,K);b,a = lp2lp(Bap,Aap,Wn);型低通滤波器bzlp,azlp = bilinear(b,a,fs);% 通带截止频率，单位：Hz% 阻带截止频率，单位：Hz% 通带截止频率，单位：rad/s% 阻带截止频率，单位：rad/s% 通带最大衰减，单位：dB% 阻带最小衰减，单位：dB% 计算滤波器的阶数和 3dB 截止频率% 计算 butterworth 归一化滤波器的零极点% 将零极点转化为滤波器系数% 将归一化滤波器转换为满足技术指标的原% 用双线性变换法实现模

19、拟滤波器到数字滤波器的转换通过以上代码可以发现，在设计低通 IIR 滤波器的时候，采用了先设计模拟滤波器，再通过双线性变换法得到数字低通滤波器的办法。高通滤波器的设计代码为：ft = 1350;fp = 2500;% 通带截止频率，单位：Hz% 阻带截止频率，单位：Hz4wpz = fp/(fs/2);wsz = ft/(fs/2);Rp = 1;Rs = 30;N,Wn = ellipord(wpz,wsz,Rp,Rs);Bzhp,Azhp = ellip(N,Rp,Rs,Wn,high);% 数字通带截止频率，单位：rad% 数字通带截止频率，单位：rad% 通带最大衰减，单位：dB% 阻

20、带最小衰减，单位：dB% 计算数字滤波器的阶数和 3dB 截止频率% 直接设计数字滤波器在设计高通滤波器的时候，采用直接设计数字滤波器的方法，实际上在 MATLAB 中直接设计数字 IIR 滤波器默认采用双线性变换法。通过以上代码可以看出，在设计高通滤波器的时候，有意使用了椭圆滤波器，这样可以降低滤波器的阶数，同学们在设计过程中可以依然根据任务书的要求采用 Butterworth 滤波器。2.2.4、运行结果和相应的分析设计得到的低通IIR滤波器的频率响应函数如图 2所示：0-50-100-150-200-250-300IIR低通滤波器的幅频响应-3500510152025频率kHz0-1-2

21、-3-4-5-6-7IIR低通滤波器的相频响应-80510152025频率kHz图 2IIR 低通滤波器的频率响应通过图 2可以看出，设计得到的IIR低通滤波器满足课程设计的技术指标要求。设计得到的高通IIR滤波器的频率响应函数如图 3所示：5幅度dB相位rad0-50-100-150-200-250IIR高通滤波器的幅频响应-3000510152025频率kHz54321IIR高通滤波器的相频响应00510152025频率kHz图 3IIR 高通滤波器的频率响应通过图 3可以看出，设计得到的IIR高通滤波器满足课程设计的技术指标要求。利用图 2设计的滤波器对语音信号进行滤波处理，得到的滤波结果与原始信号的比较如图 4和图 5所示：声音的时域波形0.040.030.020.010-0.01-0.02-0.0300.20.40.60.811.21.4声音的持续时间s