数字信号课 程 设 计 报 告

课程设计报告课程名称数字信号处理课程设计课题名称数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业通信工程班级学号姓名指导教师2009年9月20日湖南工程学院课程设计任务书课程名称数字信号处理课程设计课题数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期2009年9月7日任务完成日期2009年9月18日《数字信号处理》课程设计任务书一、课程设计的性质与目的《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。二、课程设计要求1、在一周内学生须上机16小时以上，程序调试完后，须由指导老师在机上检查运行结果，经教师认可后的源程序可通过打印机输出，并请教师在程序清单上签字。2、课程设计报告内容和格式：设计题目，设计的详细步骤，设计过程中的结果、图形等，设计总结。3、每组每人必须独立完成，成绩的考核按设计结果、答辩成绩及课程设计报告来综合评定。成绩分为优、良、中、及格、不及格五级分评定。4、指导教师：张细政等。三、课程设计进度安排第1周周一第5－6节课，E-412,任务讲解与布置，学生分组选题，查找相关资料，准备课程设计；第1周周二下午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；第1周周三下午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；第1周周四下午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；第2周周一下午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；第2周2周二下午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；第2周周三下午，E-412,学生上机，答辩并提交课程设计报告。第2周周四下午，E-412,学生上机，答辩并提交课程设计报告。附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分、附件（A4大小的图纸及程序清单）。正文的格式:一级标题用3号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为22。正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模块的划分（要求画出模块图）；三、主要功能的实现；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释）；七、评分表。目录1课题名称.....................................................................................................................12课程设计的详细步骤.................................................................................................12.1语音信号采集...................................................................................................12.2语音信号分析...................................................................................................12.3含噪语音信号合成...........................................................................................12.4数字滤波器设计及滤波,完成以下的两个题目..............................................12.5回放语音信号...................................................................................................22.6设计一个语音信号分析与处理系统界面(选作)............................................22.7课程设计的参考文献.......................................................................................23课题系统功能模块.....................................................................................................24主要功能的实现.........................................................................................................34.1绘出源信号的时域波形图和频域波形图.......................................................34.2加入噪声干扰...................................................................................................45总结...........................................................................................................................116附件...........................................................................................................................116.1导入源声音信号代码.....................................................................................116.2加入噪声干扰.................................................................................................116.3实现对干扰信号的滤波作用的代码.............................................................147评分表......................................................................................................................1911课题名称数字滤波器设计及在语音信号中的应用2课程设计的详细步骤2.1语音信号采集录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样；录制时可以使用Windows自带的录音机，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。2.2语音信号分析使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。根据频谱图求出其带宽，并说明语音信号的采样频率不能低于多少赫兹。2.3含噪语音信号合成在MATLAB软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：（1）白噪声；（2）单频噪色（正弦干扰）；（3）多频噪声（多正弦干扰）；（4）其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或Chirp干扰、冲激干扰。绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号图形对比，也可通过Windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。2.4数字滤波器设计及滤波,完成以下的两个题目给定滤波器的规一化性能指标（参考指标,实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定）例如：通带截止频率wp=0.25*pi,阻通带截止频率ws=0.3*pi;通带最大衰减Rp=1dB;阻带最小衰减Rs=15dB，每个题目至少设计出4个用不同方法的不同类型滤波器。题目（1）：采用窗函数法与等波纹法分别设计各型FIR滤波器（低通、高通、2带通、带阻中的至少3种类型）来对叠加噪声前后的语音信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应，绘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；在相同的性能指标下比较各方法的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。题目（2）：采用双线性变换法与脉冲响应不变法，分别利用不同的原型低通滤波器（Butterworth型与切比雪夫I型）来设计各型IIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型），绘出滤波器的频域响应；并用这些数字滤波器对含噪语音信号分别进行滤波处理，比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。2.5回放语音信号对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。2.6设计一个语音信号分析与处理系统界面(选作)利用MATLAB的界面设计功能，设计一个MATLAB环境下的人机交互界面，完成上述滤波器的设计及滤波过程，要求能够接收输入的设计参数，查看设计结果及滤波结果。2.7课程设计的参考文献【1】丁玉美、高全西。数字信号处理第2版。西安：西安电子科技大学出版社，2001【2】楼顺天、李博菡。基于MATLAB的系统分析与设计——信号处理。西安：西安电子科技大学出版社，1998【3】胡广书。数字信号处理——理论、算法与实现。北京：清华大学出版社，19983课题系统功能模块3课题系统功能模块如下添加噪声干扰4主要功能的实现4.1绘出源信号的时域波形图和频域波形图导入源数据，绘出源信号的时域波形图和频域波形图白噪声干扰单频正弦函数干扰Chirp噪声干扰多个正弦噪声干扰用双线性变换法设计Butterworth低通滤波器，实现对白噪声的滤波作用用脉冲响应不变法设计切比雪夫低通滤波器，实现对正弦函数干扰波的滤波作用用布莱克曼窗设计带阻滤波器，实现对chirp噪声干扰的滤波作用用等波纹法设计带阻滤波器，实现多个正弦函数干扰波的滤波作用4图1原始语音信号的时域及频域波形图导入源声音信号[x,fs,bits]=wavread('E:\liuzan.wav');然后求x的1024点的DFT。从而得到图1所得的原始语音信号的时域及频域波形图，由此图我们可知信号的时域与频域之间的关系，时域无限则频域有限。同时也了解该语音信号的谱线主要集中在0~2000Hz之间。将此图与加噪后的信号的时域及频域波形图进行对比，从而了解用何种滤波器能达到滤波作用。4.2加入噪声干扰4.2.1加入白噪声图2加入白噪声后的时域及频域波形图由图1、图2的频谱图可知，让我真正意义上理解了白噪声的频谱特性：是5一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。换句话说，此信号在各个频段上的功率是一样的，加入白噪声后原本谱线只分布在0-2000Hz之间，现在却均匀分布在整个频率域上。而白噪声的频谱在整个频段上均匀分布，对于与源信号共存的低频部分用选频滤波器无法滤除，因此用低通滤波器将噪声信号的高频部分滤除，从而达到减小干扰的作用。图3Butterworth幅频特性图比较图1、