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1、数字信号处理课程设计报告题 目： 语音信号频谱分析仪的设计 专业：电子信息工程 班级： 电信 11-01 姓名： 武政磊 学号：311108000925 指导老师：王科平 2015 年 1 月 7 日目 录1.课程设计目的及意义 .12. 课程设计题目描述要求及理论基础 .12.1 题目要求 .12.2 数字滤波器的简介及发展 .22.3 FIR 数字滤波器的特点 .32.4 FIR 滤波器具有的优点 .32.5 MATLAB 软件简介 .43. 课程设计报告内容 .53.1 设计方案的选定与原理 .53.2 用窗函数法设计 FIR 滤波器 .73.3 设计方案程序及图表 .84.总结 .12
2、参考书目： .1311.课程设计目的及意义（1）学会 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序设计方法；（2）掌握在 Windows 环境下语音信号采集的方法；（3）掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法；（4）掌握 MATLAB 设计 FIR 滤波器；（5）学会用 MATLAB 对信号进行分析和处理。2. 课程设计题目描述要求及理论基础2.1 题目要求（1）语音信号的采集；要求利用 windows 下的录音机（开始程序附件娱乐录音机，文件属性立即转换8000KHz，8 位，单声道）或其他软件，录制一段自己的话音，时间控制在 1 秒左右。然后在 MATLAB 软件平台下，利用函
3、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，要求理解采样频率、采样位数等概念。wavread 函数调用格式：y=wavread(file)，读取 file 所规定的 wav 文件，返回采样值放在向量 y 中。y,fs,nbits=wavread(file)，采样值放在向量 y 中，fs 表示采样频率（Hz） ，nbits 表示采样位数。y=wavread(file,N)，读取前 N 点的采样值放在向量 y 中。y=wavread(file,N1,N2)，读取从 N1 点到 N2 点的采样值放在向量 y 中。（2）语音信号的频谱分析；要求首先画
4、出语音信号的时域波形；然后对语音信号进行频谱分析，在MATLAB 中，可以利用函数 fft 对信号进行快速付立叶变换，得到信号的频谱特性；从而加深对频谱特性的理解。（3）数字滤波器的设计；带通滤波器性能指标 fb11 200 Hz，fb23 000 Hz，fc11 000 Hz， fc23 200 Hz，As 100 dB，Ap1 dB。在 MATLAB 中，可以利用函数fir1 设计 FIR 滤波器（4）对语音信号进行滤波处理；2（5）对滤波前后的语音信号频谱进行对比分析；2.2 数字滤波器的简介及发展数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是
5、一组数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。因此，数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用的数字计算机，也可以将所需要的运算编成程序，让通用计算机来执行。从数字滤波器的单位冲击响应来看，可以分为两大类:有限冲击响应(FIR)数字滤波器和无限冲击响应(IIR)数字滤波器。滤波器按功能上分可以分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等，这些优势决定了数字滤波器的应用将会越来越广泛。同时 DSP 处理器的
6、出现和FPGA 的迅速发展也促进了数字滤波器的发展，并为数字滤波器的硬件实现提供了更多的选择。数字滤波器具有以下显著优点:精度高:模拟电路中元件精度很难达到 10-3，以上，而数字系统 17 位字长就可以达到 10-5 精度。因此在一些精度要求很高的滤波系统中，就必须采用数字滤波器来实现。 1灵活性大:数字滤波器的性能主要取决于乘法器的各系数，而这些系数是存放在系数存储器中的，只要改变存储器中存放的系数，就可以得到不同的系统，这些都比改变模拟滤波器系统的特性要容易和方便的多，因而具有很大的灵活性。可靠性高:因为数字系统只有两个电平信号：“1” 和“0” ，受噪声及环境条件的影响小，而模拟滤波器
7、各个参数都有一定的温度系数，易受温度、振动、电磁感应等影响。并且数字滤波器多采用大规模集成电路，如用 CPLD 或FPGA 来实现，也可以用专用的 DSP 处理器来实现，这些大规模集成电路的故障率远比众多分立元件构成的模拟系统的故障率低。易于大规模集成：因为数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，且数字滤波电路主要工作在截止或饱和状态，对电路参数要求不严格。因此产品的成品率高，价格也日趋降低。相对于模拟滤波器，数字滤波器3在体积、重量和性能方面的优势己越来越明显。比如在用一些用模拟网络做的低频滤波器中，网络的电感和电容的数值会大到惊人的程度，甚至不能很好地实现，这时候若采用数字滤
8、波器则方便的多。并行处理数字滤波器的另外一个最大优点就是可以实现并行处理，比如数字滤波器可采用 DSP 处理器来实现并行处理。在很多实际应用中如语音和音频信号处理中，数字滤波器来实现选频功能。因此，指标的形式应为频域中的幅度和相位响应。在通带中，通常希望具有线性相位响应。在FIR 滤波器中可以得到精确的线性相位。FIR 滤波器传递函数的极点是固定在原点，是不能动的，它只能靠改变零点位置来改变它的性能，所以要达到高的选择性，必须用高的阶数，对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可能比IIR滤波器高5-10倍，结果成本高信号延时也较大，如果按线性相位要求来说，则IIR滤波器就必须加全通
9、网络进行相位校正，同样大大增加了滤波器的阶数和复杂性。而FIR滤波器却可以得到严格的线性相位。 2从结构上看，FIR 滤波器只要采用非递归结构，不论在理论上还是实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题，因此造成的频率特性误差也较小。此外FIR滤波器可以采用快速傅立叶变换算法，在相同的阶数条件下运算速度可以快的多。2.3 FIR 数字滤波器的特点在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器，FIR 滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性。FIR 滤波器不断地对输入样本 x(n)延时后，再作乘法累加算法，将滤波结果 y(n)输出，因此，FIR 实际上是一种乘法累加运
10、算。在数字滤波器中，FIR 滤波器的最主要的特点是没有反馈回路，故不存在不稳定的问题，同时，可以在幅度特性是随意设置的同时，保证精确的线性相位。稳定和线性相位特性是 FIR 滤波器的突出优点。另外，它还有以下特点：设计方式是线性的;硬件容易实现；滤波器过渡过程具有有限区间；相对 IIR 滤波器而言，阶次较高，其延迟也要比同样性能的 IIR 滤波器大得多。42.4 FIR 滤波器具有的优点可在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位；由于 FIR 滤波器的单位脉冲 h(n)是有限长序列，因此 FIR 滤波器没有不稳定的问题；由于FIR 滤波器一般为非递归结构，因此，在有限运算下不会出现递
11、归型结构中的极限振荡等不稳定现象误差较小；FIR 滤波器可以采用 FFT 算法实现，从而提高了运算效率。2.5 MATLAB 软件简介20 世 纪 70 年 代 ， 美 国 新 墨 西 哥 大 学 计 算 机 科 学 系 主 任 Cleve Moler 为了 减 轻 学 生 编 程 的 负 担 ， 用 FORTRAN 编 写 了 最 早 的 MATLAB。 1984 年由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合 作 成 立 了 的 MathWorks 公 司 正 式 把MATLAB 推 向 市 场 。 到 20 世 纪 90 年 代 ， MATLAB 已 成 为 国 际
12、控 制 界 的标 准 计 算 软 件 。 MATLAB 是矩阵实验室(Matrix Laboratory)之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多，工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充 MATLAB 的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。M
13、ATLAB 具有许多的优点比如：语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富；MATLAB 既具有结构化的控制语句(如 for 循环，while 循环，break 语句和 if 语句)，又有面向对象编程的特性;程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行，等等优点。MATLAB 的 应 用 范 围 非 常 广 ， 包 括 信 号 和 图 像 处 理 、 通 讯 、 控 制 系 统设 计 、 测 试 和 测 量 、 财 务 建 模 和 分 析 以 及 计 算 生 物 学 等 众 多 应 用 领 域 。 附 加的 工 具 箱 （ 单 独 提 供 的 专 用 MATLAB
14、 函 数 集 ） 扩 展 了 MATLAB 环 境 ，以 解 决 这 些 应 用 领 域 内 特 定 类 型 的 问 题 。（ 1） MATLAB 常 用 基 本 数 学 函 数 ：5abs(x)： 纯 量 的 绝 对 值 或 向 量 的 长 度 、 angle(z)： 复 数 z 的 相 角 (Phase angle)、 sqrt(x)： 开 平 方 、 real(z)： 复 数 z 的 实 部 、 imag(z)： 复 数 z 的 虚部 、 conj(z)： 复 数 z 的 共 轭 复 数 、 round(x)： 四 舍 五 入 至 最 近 整 数 、 fix(x)：无 论 正 负 ， 舍 去 小 数 至 最 近 整 数 、 floor(x)： 地 板 函 数 ， 即 舍 去 正 小 数 至 最近 整 数 、 ceil(x)： 天 花 板 函 数 ， 即 加 入 正 小 数 至 最 近 整 数 、 rat(x)： 将 实 数x 化 为 多 项 分 数 展 开 、 rats(x)： 将 实 数 x 化 为 分 数 表 示 、 sign(x)： 符 号 函数 (Signum function)。 当 x0时 ， sign(x)=1。 rem(x,y)： 求 x 除 以 y 的 馀 数 gcd(x,y)： 整 数 x 和 y 的
