基于MATLAB的数字信号处理系统设计

青岛科技大学本科课程设计报告题目__________________________________指导教师__________________________学生姓名__________________________学生学号_________________________________________________________学院（部）____________________________专业________________班______年___月___日基于MATLAB的数字信号处理系统设计----网络资源管理xxxXXX1008030207信息科学技术通信工程10级22014115课程设计地点弘A-401实验室课程设计时间2014.01.07-2014.01.16课程设计目的1.数字滤波器设计方法；2.提高信号处理算法编程能力；3.掌握利用MATLABGUI进行系统界面设计的技巧；4.通过较为全面、进一步加深对数字信号处理课程所学内容的理解；掌握系统的程序设计训练，初步掌握软件设计方法，为毕业设计及日后的实际工作打好基础。指导教师评语指导教师签字：验收（答辩）意见验收（答辩）人员签字：系（教研室）意见教研室主任签字：成绩（百分制）目录1.主要内容………………………………………2．需求分析………………………………………3设计思想………………………………………4实现方法…………………………………………5．调试及实现过程…………………………………6.总结…………………………………………………7.参考文献……………………………………………1主要内容1.1语音信息部分语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段。通过语言相互传递信息是人类最重要的基本功能之一。语言是人类特有的功能，它是创造和记载几千年人类文明史的根本手段，没有语言就没有今天的人类文明。语音是语言的声学表现，是相互传递信息的最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科，它是一门新兴的学科，同时又是综合性的多学科领域和涉及面很广的交叉学科。1.2数字信号处理部分本部分主要包括离散傅里叶变换，离散傅里叶级数，频率分辨率分析和高密度谱分析。1.2.1离散傅里叶变换离散傅里叶变换（DFT），是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换（DTFT）频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换以高效计算DFT。1.2.2离散傅里叶级数离散傅里叶级数（DFS）与连续傅立叶级数相比有很大的区别。最大的不同在于离散时间傅里叶级数的系数序列是周期的。1.2.3数字信号处理的特点：（1）精度高；（2）灵活性高；（3）可靠性强；（4）容易大规模集成；（5）时分复用；（6）可获得高性能的指标；（7）二维与多维处理等。1.2.4数字信号处理的应用：（1）滤波与变换；（2）通信；（3）语音和语言；（4）处理图像和图形；（5）消费电子（包括数字音频、数字电视、音乐综合器、电子玩具和游戏等）；（6）仪器（包括频谱分析仪器、函数发生器等）；（7）工业控制和自动化；（8）医疗和军事等。1.2.5数字信号处理的发展和方向；（1）数字汇聚：即信号处理、通信和计算机的融合，其中数字信号处理是一种粘合剂，它把通信产业、消费电子产业以及计算机产业紧密结合在一起。（2）远程会议系统；（3）融合网络；把公众电信网络与计算机网络更好地结合在一起，并与家庭娱乐信息设施相匹配的网络；（4）数字图书馆；（5）图像与文本合一的信息检索业务；（6）多媒体通信；包括媒体的压缩，媒体的综合，媒体的识别，消息的转换和自然查询；（7）个人信息终端；把个人通信系统与个人数字助理非常自然地结合在一起，以实现无时不在无处不在的通信功能。1.3数字滤波器设计部分1.3.1本部分包括butterworth滤波器和数字低通滤波器巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。1.3.2数字滤波器的研究背景和意义当今，数字信号处理技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科；它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连；它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们普遍的关注。数字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号等等。上述这些信号大部分是模拟信号，也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维或多维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化（采样）和幅度上的离散化（量化），这类模拟信号便成为一维数字信号。因此，数字信号实际上是数字序列表示的信号，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个一维离散时间序列；而图像信号的经采样和量化后，得到的是数字信号是一个二维离散空间序列。1.3.3数字滤波器的应用及现状数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛应用于各个学科技术领域，例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向2需求分析语音信号处理是一门比较实用的电子工程的专业技术，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段。是利用MATLAB对语音信号进行数字信号处理与分析，采集语音信号后，掌握语音信号处理可以有效处理语音信号，是进行信息传递的最重要的手段，研究数字信号处理技术对语音信号进行处理，是综合性的多学科领域和涉及面很广的交叉学科。数字滤波器是按照程序计算信号，达到滤波的目的。通过对数字滤波器的存储器编写程序，就可以实现各种滤波功能。数字滤波器有高精度，高可靠性，可程控改变特性或复用，便于集成等优点。数字滤波器在语音信号处理，图像信号处理，医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。数字信号处理就是用数值计算的方式进行加工的理论和技术，是研究有挂数字滤波技术，离散变换快速算法和谱分析方法。随着计算机技术的发展，数字信号处理技术也得到相应的发展，其应用领域十分广泛。3设计思想3.1语音信息加载一段语音后，通过编写程序代码，将语音加载，然后对语音进行相应的处理，通过程序的播放功能，将加载的语音播放。还可设计编写代码获取语音的相关信息，并课进行相关的信息修改。3.2数字信号处理通过编写相应代码，应用信号的傅里叶变换，实现信号时域和频域之间的转换，进行频谱分析。并可以任意修改信号的频率或取样信号的频率改变频谱形状；3.3数字滤波器设计数字滤波器按照单位取样响应h(n)的时域特性可以分为无限脉冲响应（IIR）系统和有限脉冲响应（FIR）系统。FIR数字滤波器的优点在于它可以做成具有严格线性相位,而同时可以具有任意的幅度特性;它的传递函数没有极点;这保证了设计出的FIR数字滤波器一定是平稳的。所谓数字滤波器设计，简单地说，就是要找到一组能满足特定滤波要求的系数向量a和b。而滤波器设计完成后还需要进一步考虑如何将其实现，即选择什么样的滤波器结构来完成滤波运算。FIR数字滤波器的设计方法很多，其中较为常用的是窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计法。本文讨论利用窗函数法、频率采样法和等波纹切比雪夫逼近法（调用remez函数）来分别实现各种FIR滤波器的设计。窗函数法设计的基本思想是把给定的频率响应通过IDTFT（InverseDiscreteTimeFourierTransform），求得脉冲响应，然后利用加窗函数对它进行截断和平滑，以实现一个物理可实现且具有线性相位的FIR数字滤波器的设计目的。其核心是从给定的频率特性，通过加窗确定有限长单位取样响应()hn；频率采样法设计的基本思想是把给出的理想频率响应进行取样，通过IDFT从频谱样点直接求得有限脉冲响应；最优化设计方法是指采用最优化准则来设计的方法，在FIRDF的最优化设计中,最优化准则有均方误差最小化准则和等波纹切比雪夫逼近准则两种。4实现方法4.1语音信息利用MATLAB程序编写相应的程序代码，在MATLAB的GUI界面中通过设置功能按钮。实现语音的加载、播放及修改语音等功能；4.2数字信号处理根据离散傅里叶级数的定义式和离散傅里叶变换的定义式来编程实现；4.3数字滤波器设计按照滤波器的设计过程用相应的代码完成设计，并使其完成相应的功能。5调试及实现过程5.1语音信号设计框图：5.2数字信号处理5.2.1离散傅里叶变换和离散傅里叶级数5.2.2离散傅里叶变换参数设为f1=20,f2=200时，运行结果如下5.2.3离散傅里叶级数参数设置为f1=30,f2=300,运行结果如下：5.2.4高密度谱分析当点击高密度谱分析按钮时，在图框中输入频率，控制在频域的频谱当输入f1=50,f2=60,fs=100时，运行结果如下：5.2.5频率分辨率分析参数设置为fs=1000;N=1000;运行结果如下图所示当把频率变小时频谱间隔会增大，频谱结构发生变化，当频率为400时，改变频率周期，以改变频谱间隔，一对频谱进行分析。在时域控制频率的变化，在频域变现为频谱间隔结构的变化。5.3数字滤波器设计5.3.1butterworth滤波器运行结果如下：由运行结果可清楚地分析出，巴特沃斯滤波器拥有平滑的频率响应，在截止频率以外，频率响应单调下降。其过渡带的陡峭程度正比于滤波器的阶数，高阶巴特沃斯滤波器的频率响应近似于理想低通滤波器。对N=2阶滤波器和N=20阶滤波器的平方幅度响应进行比较后，证明了高阶巴特沃斯滤波器有着更好的幅度特性，更接近理想低通滤波器5.3.2数字低通滤波器运行结果如下：6总结总的来说，通过这次的课程设计我对语音信号有了全面的认识，对数字信号处理的知识又有了深刻的理解，让我感受到只有在充分理解课本知识的前提下，才能更好的应用这个工具；并且熟练的应用MATLAB也可以很好的加深我对课程的理解，方便我的思维。这次设计使我了解了MATLAB的使用方法，学会分析滤波器的优劣和性能，提高了分析和动手实践能力。同时我相信，进一步加强对MATLAB的学习与研究对我今后的学习将会起到很大的帮助！参考文献【1】程佩青编著《数字信号处理教程》北京：清华大学出版社【2】门爱东苏菲等编著《数字信号处理》北京：科学出版社