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1、XX大学数字信号处理课程设计报告王二校徽学院XXX专业通信工程班级XXX学号 XX学生姓名王二指导教师 XXX课程成绩完成日期 2012年 3月 2日课程设计成绩评定学院 XXX 专业通信工程 班级 XXX 学号_XX 学生姓名王二指导教师 XXX完成日期XXXX年X月X日指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见课程设计任务书XXX 系XXX 专业课程名称数字信号处理课程设计时间XXXXXX学年第X学期XX周学生姓名王二指导老师XXX
2、题目吹管音乐滤波去噪一一使用BARTHANNWIN设计的FIR滤波器主要内容：从网站上下载 段吹管乐器演奏音乐，绘制波形并观察其频谱特点，加 入 个带外单频噪声，用BARTHANNWIN窗设计 个满足指标的FIR滤波 器，对该含噪音乐信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并 进行分析，根据结果和学过的理论得出合理的结论。与不同信源相同滤波 方法的同学比较各种信源的特点，与相同信源不同滤波方法的同学比较各 种滤波方法性能的优劣。要求：(1) 滤波器指标必须符合工程实际。(2) 设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。(3) 处理结果和分析结论应该致，而且应符合理论。(4) 独立完成课程
3、设计并按要求编写课程设计报告书。应当提交的文件：(1) 课程设计学年论文。(2) 课程设计附件(主要是源程序)。吹管音乐滤波去噪使用BARTHANNWIN窗设计的FIR滤波器学生姓名：王二指导老师：XXX摘 要 本课程设计主要是利用 Barthannwin 窗设计满足指标的 FIR 滤波器对一段含噪 吹管乐器音频进行滤波去噪处理。以 Matlab 为设计平台，利用 wavread 函数对音频信 号进行采样，获取参数，对音频信号进行读取和加噪，根据相应技术指标，设计 Barthannwin FIR 滤波器，对该音频信号进行滤波去噪处理，还原原始信号。通过比较 滤波前后的波形和频谱图并进行分析，回
4、放滤波后音乐信号，滤波后音乐信号与原始 音乐信号一样清晰。本课程设计成功地对吹管音乐音频信号进行了滤波去噪，初步完 成了设计指标。关键词 课程设计；滤波去噪；FIR滤波器；Barthannwin窗；MATLAB目录1 引 言 31.1课程设计目的 31.2课程设计的要求 41.3设计平台 42 设计原理 52.1 FIR滤波器52.2窗口设计法 62.3 BARTHANNWIN 窗83 设计步骤 93.1 设计流程图 93 .2录制语音信号 103.3 滤波器设计 113.4信号滤波处理 133.5 结果分析 144 出现的问题及解决方法 165 结束语 17参考文献 19附录 1：吹管音乐音
5、频信号提取和加噪源程序清单 20附录2：使用BARTHANNWIN窗设计的FIR滤波器源程序清单22附录3：信号滤波处理源程序清单 24附录 4： freqz_m 的定义源程序清单 25附录 5： ideal_lp的定义源程序清单261 引 言本课程设计是采用Barthannwin窗设计的FIR滤波器对含噪吹管音乐信号进行滤波 去噪。通过课程设计了解FIR滤波器设计的原理和步骤，掌握用MATLAB语言设计滤 波器的方法，了解DSP对FIR滤波器的设计及编程方法。通过观察音乐信号滤波前后 的时域波形的比较，加深对滤波器作用的理解。通过对比滤波前后波形图的比较和放 滤波前后音乐信号的对比，可以看出
6、滤波器对有用信号无失真放大具有重大意义。1.1课程设计目的在本次课程设计中，最主要的设计是设计FIR滤波器，FIR滤波器的设计方法主要 分为两类：第一类是基于逼近理想滤波器器特性的方法包括窗函数法、频率采样法、 和等波纹最佳逼近法；第二类是最优设计法。本次的课程设计主要采用的是第一类设计方法，是利用Barthannwin窗函数法设计 FIR滤波器对一段语音进行滤波去噪，并绘制滤波前后的时域波形形和频谱图，对滤波 前后波形进行对比分析得到结论。通过这一过程能够熟悉MATLAB语言环境，掌握 MATLAB语言的编程规则。通过本次课程设计熟悉利用Barthannwin窗函数法设计 FIR 滤波器的过
7、程增强自己独立解决问题的能力，提高自己独立解决问题的动手能力同 时加深对理论知识联系实际的理解，为以后的工作奠定坚实的基础。1.2 课程设计的要求下载一段吹管乐器演奏音乐，绘制观察波形及其频谱图特点，加入一个带外单频 噪声，用Barthannwin窗设计一个满足指标的FIR滤波器，对该含噪音乐信号进行滤波 去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱图并进行分析。再回放音乐信号对比原音乐信 号，看滤波器是否对音乐信号进行了滤波去噪。（1）滤波器指标必须符合工程实际。（2）设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报
8、告书。1.3 设计平台本课程 设计的主 要 设计平台 式 MATLAB7.0， MATLAB 是 矩阵实 验室（ Matrix Laboratory ）的简称。MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序 设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态 系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、 工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并 在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表 了当今国际科学计算软件的先进水平。MAT
9、LAB和Mathematical Maple并称为三大数 学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩 矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序 等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融 建模设计与分析等领域1。MATLAB 在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。由于信号与 系统课程的许多内容都是基于公式演算，而MATLAB借助符号数学工具箱提供的符号 运算功能能基本满足信号与系统课程的需求。例如，解微分方程、傅里叶正反变换、 拉普拉斯正反变换、 z 正反变换等。 MATL
10、AB 在信号与系统中的另一主要应用是数值 计算与仿真分析，主要包括函数波形绘制、函数运算、冲激响应与阶跃响应仿真分 析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的 S 域分析、零极点图绘制等内容。数 值计算仿真分析可以帮助学生更深入理解信号与系统的理论知识，并为将来使用 MATLAB进行信号处理领域的各种分析和实际应用打下基础21。2 设计原理2.1 FIR滤波器数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为 2 种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。FIR（Finite Impulse Response）滤波 器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号系统中最基本的
11、元件，它可以在保证任 意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而 滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广 泛的应用。FIR系统有自己突出的优点：（1）可以很容易地设计线性相位的滤波器。线性相位滤波器延时输入信号，却并 不扭曲其相位。（ 2）实现简单。在大多数 DSP 处理器，只需要对一个指令积习循环就可以完成 FIR计算。（3）适合于多采样率转换 ,它包括抽取（降低采样率），插值（增加采样率）操作。无 论是抽取或者插值，运用 FIR 滤波器可以省去一些计算，提高计算效率。相反，如果 使用IIR滤波器，每个输出都要逐一计算，
12、不能省略，即使输出要丢弃。（4）具有理想的数字特性。在实际中，所有的 DSP 滤波器必须用有限精度（有限 bit 数目）实现，而在 IIR 滤波器中使用有限精度会产生很大的问题，由于采用的是反 馈电路，因此IIR通常用非常少的bit实现，设计者就能解决更少的与非理想算术有关 的问题。（5）可以用小数实现。不像IIR滤波器，FIR滤波器通常可能用小于1的系数来 实现。（如果需要， FIR 滤波器的总的增益可以在输出调整）。当使用定点 DSP 的时 候，这也是一个考虑因素，它能使得实现更加地简单3。FIR数字滤波器设计的基本步骤如下：（ 1）确定技术指标 在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际
13、的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频 域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以 2 种方式给出。第一种是绝对指标。他提 供对幅度响应函数的要求，一般应用于 FIR 滤波器的设计。第二种指标是相对指标。 他以分贝值的形式给出要求。本文中滤波器的设计就以线性相位 FIR 滤波器的设计为 例。(2) 逼近 确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型(通常采用理想的数 字滤波器模型)。之后，利用数字滤波器的设计方法(窗函数法、频率采样法等)， 设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。(3) 性能分析和计算机仿真 上两步的结果是
14、得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述 就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计 算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。FIR 滤波器的设计问题实际上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数 的问题，设计方法主要有窗函数、频率响应法和等波纹最佳逼近法等。FIR滤波器的缺 点在于它的性能不如同样阶数的 IIR 滤波器，不过由于数字计算硬件的飞速发展，这一 点已经不成为问题。再加上引入计算机辅助设计， FIR 滤波器的设计也得到极大的简 化。基于上述原因，FIR滤波器比IIR滤波器的应用更广。2.2窗口设计法FIR滤波器的设计方法有
15、许多种，如窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计 法等。窗函数法是设计FIR数字滤波器的最简单的方法。它在设计FIR数字滤波器中 有很重要的作用，正确地选择窗函数可以提高设计数字滤波器的性能，或者在满足设 计要求的情况下，减小 FIR 数字滤波器的阶次。常用的窗函数有以下几种：矩形窗 (Rectangular window)、三角窗(Triangular window)、汉宁窗(Hanning window)、汉明窗 (Hamming window)、布拉克曼窗(Blackman window)等等。窗函数设计法的基本原理是用一定宽度窗函数截取无限脉冲响应序列获得有限长 的脉冲响应序列，主要设计步骤为：(1) 通过傅里叶逆变换获得理想滤波器的单位脉冲响应hd(n)。hd(n)=丄宀 ejwdw =刑叫( 7)(2-1)d2兀 _ax兀(n-a)(2) 由性能指标确定窗函数W(n)和窗口长度N。(3) 求得
