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1、长安大学数字信号处理综合设计专业电子信息工程班级_24030602姓名张舒学号2403060203指导教师陈玲日期_2008-12-27一、课程设计目的：1. 进一步理解数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法；2. 熟悉在 Windows 环境下语音信号采集的方法；3. 学会用MATLAB软件对信号进行分析和处理；4. 综合运用数字信号处理理论知识，掌握用MATLAB软件设计FIR和IIR数 字滤波器的方法；5. 提高依据所学知识及查阅的课外资料来分析问题解决问题的能力。二、课程设计内容：1. 语音信号的采集利用 windows 下的录音机录制一段自己的话音，时间控制在 1秒左右；并对语音
2、信号进 行采样，理解采样频率、采样位数等概念。2. 语音信号的频谱分析利用函数 fft 对采样后语音信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。3. 设计数字滤波器 采用窗函数法和双线性变换法设计下列要求的三种滤波器，根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标：1) 低通滤波器性能指标，fp=1000Hz, fc=1200Hz, As=100dB, Ap=ldB；2) 高通滤波器性能指标，fc=4800Hz, fp=5000Hz，As=100dB，Ap=1dB；3) 带通滤波器性能指标， fp=1200Hz， fp=3000Hz， fc=1000Hz， fc=3200Hz， As=100dB，
3、 Ap=1dB。4. 对语音信号进行滤波 比较用两种方法设计的各滤波器的性能，然后用性能好的滤波器分别对采集的语音信号进行滤波；并比较滤波前后语音信号的波形及频谱，分析信号的变化。5. 回放语音信号，感觉滤波前后的声音变化。三、实验原理(一)基于双线性 Z 变换法的 IIR 数字滤波器设计由于如=阻的频率映射关系是根据尹推导的，所以使jQ轴每隔2n /Ts便映射到 单位圆上一周，利用冲激响应不变法设计数字滤波器时可能会导致上述的频域混叠现象。为 了克服这一问题，需要找到由 s 平面到 z 平面的另外的映射关系，这种关系应保证：1) s平面的整个jQ轴仅映射为z平面单位圆上的一周；2) 若G(s
4、)是稳定的，由G(s)映射得到的H(z)也应该是稳定的；3) 这种映射是可逆的，既能由G(s)得到H(z)，也能由H(z)得到G(s)；4) 如果G(j0)=1，那么刃&1双线性Z变换满足以上4个条件的映射关系，其变换公式为_ 2 z-1双线性Z变换的基本思路是：首先将整个s平面压缩到一条从- n /Ts到n /Ts的带宽 为2n /Ts的横带里，然后通过标准的变换关系二严将横带变换成整个z平面上去，这样 就得到 s 平面与 z 平面间的一一对应的单值关系。在MATLAB中，双线性Z变换可以通过bilinear函数实现，其调用格式为：Bz, Az =bilinear(B, A， Fs)；其中B
5、，A为模拟滤波器传递函数G(s)的分子分母多项式的系数向量，而Bz，Az为数 字滤波器的传递函数H(z)的分子分母多项式的系数向量。(二)窗函数法设计FIR数字滤波器窗函数法就是设计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)、海明窗(Hamming window)、布拉 克曼窗(Blackman win
6、dow)、切比雪夫窗(Chebyshev window)、巴特里特窗(Bartlett window) 及凯塞窗(Kaiser window) 0在MATLAB中，实现矩形窗的函数为boxcar和rec twin,其调用格式如下：w=boxcar(N)w=rectwin(N)其中N是窗函数的长度，返回值w是一个N阶的向量，它的元素由窗函数的值组成。实 际上，w=boxcar(N)等价于 w=ones(N,l)。在MATLAB中，实现三角窗的函数为triang，调用格式为：w=triang(N)在MATLAB中，实现汉宁窗的函数为hann，调用格式如下：w=hann(N)w=hann(N,sfl
7、ag)Hann函数中的参数sflag为采样方式，其值可取symmetric(默认值)或periodic。当 sflag=symmetrie时，为对称采样；当sflag=periodic时，为周期采样，此时hann函数 计算N+1个点的窗，但是仅返回前N个点。在MATLAB中，实现海明窗的函数为hamming，调用格式分别如下：w=hamming (N)w=hamming (N,sflag)其中sflag的用法同上。在MATLAB中，实现布拉克曼窗的函数为blackman，调用格式如下：w=blackman (N)w=blackman (N,sflag)在MATLAB中，实现切比雪夫窗的函数为c
8、hebwin，调用格式为：w=chebwin (N,r)其中r表示切比雪夫窗函数的傅里叶变换旁瓣幅度比主瓣低rdB(其默认值为lOOdB), 且旁瓣是等纹波的。在MATLAB中，实现巴特里特窗的函数为bartlett,调用格式为：w=bartlett (N)在MATLAB中，实现凯塞窗的函数为kaiser，调用格式为： w=kaiser (N,beta) 其中beta为窗函数的参数B。四、设计及仿真实现过程：(一)语音信号的采集在 matlab 平台下，利用函数 wavread 对语音信号进行采样。 程序如下： 说明：(1)用电脑录音的过程及进行了数据的时域采集，故其中的设置已经决定 了以下参
9、数 8000KHz， 8 位，单声道。 y,fs,bits=wavread 中的采样频率 fs 是指单位时 间内的采样次数。采样位数bits是记录每次采样值数值大小的位数.(2)、fft函数用于计 算矢量或矩阵的离散傅立叶变换。格式：fft=(x,n)采用n点FFT。plot是线性绘 图函数；abs是求绝对值的函数。246810 12x 1048642020 0 0 0 0-4600-80-edutilpmaedutilpma原频谱特性352.o 5150 10500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 frequency(hz)二）双线性变换法设计滤波器1）
10、双向性变换法设计巴特沃斯低通滤波器，程序和频率响应如下2）双向性变换法设计巴特沃斯高通滤波器，程序和频率响应如下Figure 1二o冈Eile EditYi ewInzer t Tools Heik tup Itindciw Help Qa和題釦运|口困|口双线性变换法高通Frequency (Hz)mp) mpn-EwFrequency (Hz)msELId0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1co/g三）窗函数设计滤波器由于所给滤波器的模拟指标要求阻带的最小衰减As=100dB,所以只能选择kaiser窗，且kaiser 窗的参数a=10.056,过渡带宽w为10.8*pi,选取阶数N
11、=49。（1）窗函数法低通滤波器设计程序及频率响应如下:Figure 1 ,H , XZile Edit Ili ew Ins er t Tools Ilezk tup itiniiow Help Q a te 殘 Q 鋼 逼口 B h 窗函数低通滤波器频率响应m耳lllPEcg乏(3cdcdkcdp) mcnELId(2)窗函数法带通滤波器设计程序及频率响应如下:wn=kaiser(49);fc1=1000;fc2=3200;fs=8000;wc1=2*fc1/fs;wc2=2*fc2/fs;b=fir1(48,wc1 wc2,wn);freqz(b,1)title(窗函数带通滤波器响应)窗
12、函数带通滤波器响应3）窗函数法高通滤波器设计程序及频率响应如下:Eile Edit lex t Cell Tols D ehug iLEwktop JtirLdowHelp1 -im=kaiser (49);2 -fc=4800;fs=22050;wc=2*fc/fs;3 -b=f irl (48j wc3 ? high? j wn) ;f reqz(b3 1);4 -figure(1);5 -freqz(b);6 -titled窗函数高通滤波器频率响应图) H 需龜 gc S #4 fT 档老1q Jntitled6 xUntitled7.m xUntitledS* xUntitled9.m
13、 xUntitledlO.m xUntitledl 1 .m*scriptLn 5Col 28OVR RJpigure 2Eile Edit Yi ew Ins er t IooIe iLesk top itirniow Help qa| k|Qn|nE|Hn00 o dSITI穿耳一sFdL oo,x（四）用滤波器对信号滤波，比较滤波前后语音信号波形频谱（1）滤波程序1.巴特沃斯低通滤波器滤波程序2.巴特沃斯高通滤波器滤波程序3.切比雪夫带通滤波器滤波程序4.窗函数设计低通滤波器滤波程序5.窗函数高通滤波器滤波程序6.窗函数设计带通滤波器程序(2) FIR和IIR滤波效果的比较3窗函数低通滤波前频谱5001000150020002500300035004000窗函数低通滤波后频谱劣。对比图 1 低通滤波由上图窗函数滤波后频谱阻带的波纹较大一些，但基本不易看出两种滤波器的性能
