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1、.专业整理.课程设计报告书数字信号处理课程设计报告书基于Matlab对语音信号进行频谱分析及滤波学 院： 专 业： 设 计 者： 学 号： 设计周数： 完成日期： 目录目录2一、课程设计目的2二、课程设计题目3三、课程设计题目描述和要求3五、课程设计流程5六、基于MATLAB的滤波器设计结果分析18八、设计经验总结4七、参考资料及网址4八、附录4作 者 钟伟雄机 构 广东工业大学在校本科生摘要：数字信号处理是通信工程专业的一门相当重要的学科，对日后就业和科研有重大意义，通过MATLAB，我们可以清晰地理解数字信号处理中难以理解的一面，对理论的知识加以深化。关键字：MATLAB 数字信号处理 G
2、UI 频谱 相位 滤波器一、课程设计题目应用Matlab对语音信号进行频谱分析及滤波二、课程设计目的数字信号处理是一门以算法为核心，理论和实践性较强的学科。是电子信息工程、通信工程专业、电子信息科学与技术专业的一门重要的专业技术基础课。数字信号处理课程是在学习完数字信号处理的相关理论后，进行的综合性训练课程，其目的是：1. 使学生进一步巩固数字信号处理的基本概念、理论、分析方法和实现方法；2. 增强学生应用Matlab语言编写数字信号处理的应用程序及分析、解决实际问题的能力；三、课程设计内容描述和要求为了巩固所学的数字信号处理理论知识，使学生对信号的采集、处理、传输、显示和存储等有一个系统的掌
3、握和理解，安排了以下的课程设计的内容：录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；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。下面对各步骤加以具体说明。21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1 s内。然后基于Matlab软件平台下，利用函数x,fs,bits = wavread(filename)对语音信号进行采
4、样，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用，理解采样频率、采样位数等概念。22语音信号的频谱分析首先播放读入的语音信号，画出语音信号的时域波形；然后调用FFT函数对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，调用plot，从而加深对频谱特性的理解。23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： (1)低通滤波器性能指标fb1 000 Hz，fc1 200 Hz，As100 dB，Ap1 dB。(2)高通滤波器性能指标fc4 800 Hz，fb5 000 Hz As100 dB，Ap1 dB。(3)带通滤波器性能指标fb11 200 Hz，fb23 000 Hz，fc
5、11 000 Hz，fc23 200 Hz，As100 dB，Ap1 dB。要求用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。在Matlab中，可以利用函数fir1设计FIR滤波器，可以利用函数butte，cheby1和ellip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。24用滤波器对信号进行滤波要求用自己设计的各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。25比较滤波前后语音信号的波形及频谱要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。26回放语音信号在
6、Matlab中，调用函数sound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。27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，滤波方式，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择音频信号等。这里选用matlab的GUI工具进行界面设计。四、课程设计进度安排序号设计内容所用时间1熟悉Matlab程序设计方法，了解数字信号处理工具箱使用1天2分析题目，设计程序框图，编写程序代码1天3上机调试程序，修改并完善设计，并完成设计报告1天合 计3天五、课程设计基本流程51熟悉MATLAB基本操作，
7、基本语法，以及GUI界面设计中各控件的调用方式。MATLAB是一款功能超强的数学软件，应用于各个行业。而其基本操作却很大众化，操作起来很人性化。其中所附带的GUI面向对象的友好编程方式更便于学术交流和设计开发。52熟悉各种滤波器设计方案以及和收集与滤波器相关的MATLAB函数及其调用格式。一IIR数字滤波器（一）IIR数字滤波器的传递函数及特点设IIR滤波器的输入序列为x(n)，则IIR滤波器的输入序列x(n)与输出序列y(n)之间的关系可以用下面的方程式表示：其中，和是滤波器的系数，其中中至少有一个非零。与之相对应的差分方程为：由传递函数可以发现无限常单位冲激响应滤波器有如下特点：a.单位冲
8、激响应h(n)是无限长的。 b.系统传递函数H(z)在有限z平面上有极点存在。c.结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型的。(二) IIR数字滤波器的设计与实现IIR数字滤波器的设计有多种方法，如频率变换法、数字域直接设计以及计算辅助设计等。下面只介绍频率变换设计法。首先考虑由模拟低通滤波器到数字低通滤波器的转换，其基本的设计过程如下:A.将数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器的技术指标；B.设计模拟滤波器G(S)；C.将G(S)转换成数字滤波器H(Z)；在低通滤波器的设计基础上，可以得到数字高通、带通、带阻滤波器的设计流程如下：A.给定数字滤波器的设计要求（高通、带阻、带通）；B
9、.转换为模拟（高通、带阻、带通）滤波器的技术指标；C.转换为模拟低通滤波器的指标；D.设计得到满足第三步要求的低通滤波器传递函数；E.通过频率转换得到模拟（高通、带阻、带通）滤波器；F.变换为数字（高通、带阻、带通）滤波器。(三)在matlab中设计IIR滤波器的方法及其它们所用到的函数如表所示。表1. 基于matlab中设计IIR滤波器的方法列表方法描述函数模拟原型法采用经典低通滤波器作为连续域上的设计模型，通过频率变换得到IIR数字滤波器，最后进行离散化处理完整设计函数：Beself,butter,cheby1,cheby2,ellip滤波器的阶估计函数：Buttord,cheb1ord,
10、cheb2ord,ellipord低通模拟滤波器原型函数：beselap,buttap,cheb1ap,cheb2ap,ellipap频域变换函数：Lp2bp,lp2bs,lp2hp,lp2lp其他函数：Bilinear,impinvar直接设计方法直接在离散时域上估计线性的幅度响应yulewalk通用butterworth设计方法使用butterworth设计低通数字滤波器Maxflat参数建模方法寻找接近于所需要设计的滤波器的通用原型时域上的建模函数：Lpc,prony,stmcb频域上的建模函数：Invfreqs,invfreqz 表2 频率转换函数列表频率转换转换函数低通到低通numt
11、,dent=lp2lp(num.den,w0)At,Bt,Ct,Dt=lp2lp(A,B,C,D,w0)低通到高通numt,dent=lp2hp(num.den,w0)At,Bt,Ct,Dt=lp2hp(A,B,C,D,w0)低通到带通numt,dent=lp2bp(num.den,w0)At,Bt,Ct,Dt=lp2bp(A,B,C,D,w0)低通到带阻numt,dent=lp2bs(num.den,w0)At,Bt,Ct,Dt=lp2bs(A,B,C,D,w0)（四）标准数字滤波器设计函数Matlab提供了一组标准的数字滤波器设计函数，大大简化了滤波器的设计过程。butter功能：Butt
12、erworth模拟/数字滤波器设计格式：b,a=butter(n,wn,ftype,s)b,a=butter(n,wn,ftype)说明：选项中加入S用于设计各种模拟Butterworth滤波器；不加设计各种数字Butterworth滤波器Ftype为缺省，设计低通滤波器Ftypehign，设计高通滤波器Ftypestop，设计带阻滤波器【实例1】设计一个5阶Butterworth数字高通滤波器，阻带截止频率为250Hz。设采样频率为1000Hz。源代码如下：b,a=butter(5,250/500,high)z,p,k=butter(5,250/500,high)freqz(b,a,512,
13、1000)程序运行后，产生结果如下所示。b = 0.0528 -0.2639 0.5279 -0.5279 0.2639 -0.0528a = 1.0000 -0.0000 0.6334 -0.0000 0.0557 -0.0000z = 1 1 1 1 1 p = 0.0000 + 0.7265i 0.0000 - 0.7265i 0.0000 + 0.3249i 0.0000 - 0.3249i 0.0000 k = 0.0528图1 5阶Butterworth数字高通滤波器Cheby1、Cheby2功能：chebyshevI、chebyshevII型模拟/数字滤波器设计格式：b,a= c
14、heby1(n,Rp,wn,ftype,)b,a= cheby2(n,Rs,wn,ftype)【实例2】设计一个7阶chebyshevII型数字低通滤波器，截止频率为3000Hz，Rs30dB。设采样频率为1000Hz。解：源程序如下：b,a=cheby2(7,30,300/500)；z,p,k=butter(5,250/500,high)；freqz(b,a,512,1000) 程序运行后，产生如图62所示的波形。图2 7阶chebyshevII型数字低通滤波器（五） 冲激响应不变法一般来说，在要求时域冲激响应能模仿模拟滤波器的场合，一般使用冲激响应不变法。冲激响应不变法一个重要特点是频率坐标的变换是线性的，因此如果模拟滤波器的频响带限于折叠频率的话，则通过变换后滤波器的频响应可不失真的反映原响应与频率的关系。【实例3】设计一个中心频率为500HZ，带宽为600Hz的数字带通滤波器，采样频率为1000Hz。解：源代码如下：z,p,k=bu
