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1、 数字信号处理课程设计1 课程设计的主要目的和内容及要求课程设计目的：1. 通过本次课程设计，综合运用数字信号处理技术课程和其他有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题，并使所学知识得到进一步巩固、深化和发展。2. 初步培养学生对工程设计的独立工作能力，学习设计的一般方法。3. 通过课程设计树立正确的设计思想，提高学生分析问题、解决问题的能力。4. 进行设计基本技能的训练，如查阅设计资料和手册、程序的设计、调试等。本课题设计内容：1. 利用Windows下的录音机或其他软件，选择Windows系统的“叮”（ding.wav），并对该信号进行采样；2. 语音信号的频谱分析，画出采样后
2、语音信号的时域波形和频谱图；3. 产生噪声信号并加到语音信号中，得到被污染的语音信号，并回放语音信号；4. 污染信号的频谱分析，画出被污染的语音信号时域波形和频谱； 5. 根据有关的频谱特性，采用Kaiser窗设计FIR数字低通，高通，带通，带阻滤波器并画出4种滤波器的幅频、相频图；6. 用自己设计的4种滤波器分别对被不同噪声污染的信号进行滤波；7. 分析得到信号的频谱，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；8. 回放语音信号。设计要求：1. 熟悉离散信号和系统的时域特性。2. 掌握数字信号处理的基本概念，基本理论和基本方法。3. 掌握序列快速傅里叶变换方
3、法。4. 学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法。5. 掌握利用MATLAB对语音信号进行频谱分析。6. 掌握MATLAB设计FIR数字滤波器的方法和对信号进行滤波的方法。2 课程设计的总体方案2.1设计框图加入噪声信号noise4加入噪声信号noise3加入噪声信号noise2加入噪声信号noise1信号采样并画频域图画信号的时域图 获取原始信号x xxxx x x x对信号采样画频域图画信号的时域图对信号采样画频域图画信号的时域图对信号采样画频域图画信号的时域图对信号采样画频域图画信号的时域图低通滤波器带阻滤波器带通滤波器高通滤波器画y4的时域图并采样画频域图画y2的时域图
4、并采样画频域图画y1的时域图并采样画频域图画y3的时域图并采样画频域图 低通滤波器幅频与相频图带通滤波器幅频与相频图带阻滤波器幅频与相频图高通滤波器幅频与相频图2.2总体设计概述本次课程设计所采用的主要软件为Matlab。设计中用到的函数主要有wavread,sound,fft,subplot,plot,fir1,freqz,filter。设计的主要内容为数字滤波器的设计。从功能上分可把滤波器分为低通，高通，带阻，带通滤波器。同时数字滤波器的设计又可分为无限脉冲响应（IIR）数字滤波器设计和有限脉冲响应（FIR）数字滤波器。IIR数字滤波器设计方法主要可分为脉冲响应不变法和双线性变换法，其中主
5、要有巴特沃斯滤波器，切比雪夫I型滤波器，切比雪夫II型滤波器，椭圆滤波器以及贝塞尔滤波器等五种模拟滤波器做为原型；而对于FIR数字滤波器设计方法主要有窗函数法，频率采样法和等波纹最佳逼近法，其中窗函数法中主要有六种典型的窗函数，它们分别是矩形窗，三角形窗，汉宁（Hanning）窗，哈明（Hamming）窗，布莱克曼（Blackman）窗以及凯塞贝塞尔窗（Kaiser-Basel Window）。本课程设计采用的是FIR数字滤波器中的窗函数法，选用的是凯塞贝塞尔窗.主要的设计思路为首先获取原始信号x。其次在画出x的时域图和经采样后的频域图后分别加入四种噪声信号noise1,noise2,nois
6、e3,noise4分别获得X1,X2,X3,X4四种带噪声信号。然后分别画出X1,X2,X3,X4的时域图并进行采样画出频域图。再次，利用Matlab中的函数fir1,Kaiser,freqz,filter分别设计出低通，高通，带阻，带通四种数字滤波器并分别画出它们的幅频特性和相频特性。最后分别让X1，X2，X3，X4四种信号分别通过四种滤波器得到四种滤波后的信号y1,y2,y3,y4，分别画出y1,y2,y3,y4四种信号的时域图和经采样后的频域图与X1,X2,X3,X4进行比较。3 设计的详细原理设计主要可分为原始信号部分，噪声信号部分，低通滤波部分，高通滤波部分，带阻滤波部分，带通滤波部
7、分等六个部分。3.1原始信号部分本次使用的原始信号是windows系统的“叮”（ding.wav）语音信号，可利用Windows下的录音机（wavread）或其他软件进行获取。利用sound函数进行试听。其中wavread的主要参数有采样频率（Fs），采样信号（x），采样位数（bits），本次设计中Fs10000，bits16从而可获得时间长为1s的语音信号x。sound函数调用格式为sound(x,Fs,bits) 。对x信号进行采样y=fft(x,m)，其中m=length(x)。最后利用plot函数分别画出x信号的时域图和频域图subplot(211);plot(t,x);title(原
8、始信号波形);xlabel(time(s);subplot(212);plot(f,abs(y);title(原始信号频谱);xlabel(frequency(hz);便可完成原始信号部分的设计。同时通过图像可观察x的特性，其频率在800Hz左右。3.2噪声信号部分本次课程设计中主要有四种噪声信号，它们分别是高频噪声信号noise1=0.01*sin(2*pi*6000*t) 低频噪声信号noise2=0.01*sin(2*pi*200*t) 带阻噪声信号noise3=0.01*sin(2*pi*4000*t)+0.01*sin(2*pi*5000*t) 带通噪声信号noise4=0.01*s
9、in(2*pi*5000*t)+0.01*sin(2*pi*200*t) 。其中noise1为一个频率为5000Hz的高频信号可作为低通滤波中x的噪声输入得到X1信号，noise2为频率为200Hz的低频信号可作为高通滤波中x的噪声输入得到X2信号，noise3为频率分别为4000Hz和5000Hz的带阻信号可作为带阻滤波中x的噪声输入得到X3信号，noise4为频率分别为200Hz和5000Hz的带通信号可作为带通滤波中x的噪声输入得到X4信号。3.3低通滤波部分低通滤波部分可分两小部分：噪声部分和低通滤波器设计部分。噪声部分低通滤波的噪声信号为noise1，使X1=x+noise1获得噪声
10、污染后的信号X1，并利用sound回放信号X1与原始信号x进行比较。然后利用plot函数画X1的时域图和经采样后的频域图，与原信号时域图和频域图进行比较。低通滤波器设计部分所谓低通滤波器是当信号频率（w）大于通带边界频率（wp）时将无法通过此滤波器，而当wwp时信号便可通过。高通滤波器设计的主要参数有通带边界频率wp2，阻带截止频率ws2，3dB通带截止频率wc2。其中wp22*pi*fp2/Fs，ws22*pi*fs2/Fs（其中fp2，fs2为模拟频率）wc2(wp2+ws2)/2。本次设计中fp2500，fs2300。选定参数后利用b2=fir1(N,wc2,high,kaiser(N+
11、1) ，hn2 w2=freqz(b2,1,512)语句实现低通滤波器的设计,其中N为滤波器的阶数，本次设计中假定N=38。在通过x2get=filter(b2,1,X2); 语句进行对X2信号的滤波得到信号x2get，再利用Y2get=fft(x2get,m);语句进行x2get的采样。同时运用subplot(323);plot(w2/pi,20*log10(abs(hn2);title(高通滤波器幅频);xlabel(w);subplot(324);plot(w2/pi,unwrap(angle(hn2);title(高通滤波器相频);xlabel(w);语句绘出滤波器的幅频和相频图，并同
12、时画出x2get的时域图和频域图与X2信号进行比较。3.5带阻滤波部分带阻滤波部分可分两小部分：噪声部分和带阻滤波器设计部分。噪声部分带阻滤波的噪声信号为noise3，使X3=x+noise3获得噪声污染后的信号X3，并利用sound回放信号X3与原始信号x进行比较。然后利用plot函数画X3的时域图和经采样后的频域图，与原信号时域图和频域图进行比较。带阻滤波器设计部分所谓带阻滤波器是当信号频率（w）大于通带边界频率（wpl）小于通带边界频率（wph）时将无法通过此滤波器，而当wwph或wwpl时信号便可通过。带阻滤波器设计的主要参数有通带边界频率wp3l，wp3h，阻带截止频率ws3l，ws3h，3dB通带截止频率wc3。其中wp3=2*fpl3/Fs 2*fph3/Fs;ws3=2*fsl3/Fs 2*fsh3/Fs;（其中fp3，fs3为模拟频率）wc3(wp3+ws3)/2。本次设计中fpl32000，fph38000，fsl33000，fsh37000。选定参数后利用b3=fir1(N,wc3,stop,kaiser(N+1)，hn3 wp3=freqz(b3,1,512)语句实现低通滤波器的设计,其中N为滤波器
