數字信號處理課程設計報告

1、現代信號處理課程設計任務實驗報告 班級：通信080*姓名：*學號：*指導老師：*目 錄第一部分：實驗設計目的第二部分：實驗設計原理第三部分：實驗設計方案第四部分：實驗設計過程第五部分：個人小結參考文獻第一部分：實驗設計目的1全面復習課程所學理論知識，鞏固所學知識重點和難點，將理論與實踐很好地結合起來。2提高綜合運用所學知識獨立分析和解決問題的能力；3熟練使用一種高級語言進行編程實現。第二部分：實驗設計原理（一）信號分析1、編制信號生成程序，產生下述各序列，繪出它們的時域波形1） 三角波序列2）反三角波序列3） gaussian序列4） 衰減正弦序列 對連續(xù)信號 進行采樣，可得到測試序列令a=5

2、0,采樣周期t=1ms,即fs=1000hz,f0=62.5,a=1005）已調信號 ，其中調制信號，載波為。6）無限長序列2. 對上述信號完成下列信號分析1）對三角波序列和反三角波序列，作n=8點的fft，觀察比較它們的幅頻特性，說明它們有什么異同？繪出兩序列及其它們的幅頻特性曲線。 在和的尾部補零，作n=16點的fft，觀察它們的幅頻特性發(fā)生了什么變化？分析說明原因。2)、觀察高斯序列，固定信號中的參數p=8，令q分別等于2，4，8，觀察它們的時域和幅頻特性，了解當q取不同值時，對信號序列的時域幅頻特性的影響；固定q=8，令p分別等于8，13，14，觀察參數p變化對信號序列的時域及幅頻特性

3、的影響，觀察p等于多少時，會發(fā)生明顯的泄漏現象，混疊是否也隨之出現？記錄實驗中觀察到的現象，繪出相應的時域序列和幅頻特性曲線。3）觀察衰減正弦序列的時域和幅頻特性，繪出幅頻特性曲線，改變采樣頻率fs,使fs=300hz， 觀察此時的頻譜的形狀和譜峰出現位置？說明產生現象的原因。4）觀察已調信號的時域與頻域特性，繪出其幅頻特性曲線，并對它進行解調，以恢復原調制信號。5）對序列 ，截取序列長度m=10點，計算其頻譜，畫出幅頻特性曲線；截取序列長度m=20點，計算其頻譜，畫出幅頻特性曲線；（二）、數字濾波器的設計與實現設計和實現iir或fir數字濾波器：要求：輸入數字濾波器的濾波指標,包括通帶截止頻

4、率,通帶最大衰減,阻帶截止頻率,阻帶最小衰減。設計出相應的數字濾波器。顯示得到的濾波器的系數和階數，求出系統(tǒng)的單位脈沖響應h(n)。并畫出設計得到的濾波器的幅頻特性圖(要有坐標標度)和相頻特性。1對于iir數字濾波器：使用雙線性變換法?？蛇x用bw型、cb型和橢圓型等濾波器類型來進行設計2對于fir數字濾波器：要對多種窗口（三種及以上）、不同階數設計結果進行分析比較。（三）、數字濾波1）根據設計的濾波器，選擇2到3個測試信號進行濾波。展示濾波后信號的幅頻與相頻特性，分析是否滿足濾波要求。對同一濾波要求，根據輸出信號頻譜，對比分析各類濾波器的差異。2）將一段語音作為測試信號，通過頻譜展示和語音播放

5、，對比分析濾波前后語音信號的變化，進一步加深對數字信號處理的理解。第三部分：實驗設計方案模擬帶通濾波器在信號的檢測和傳輸過程中起著很重要的作用，但在傳統(tǒng)模擬帶通濾波器的設計過程中需要大量繁瑣的數值計算，如果手工計算則費時費力。也有許多公司開發(fā)了相關的濾波器設計軟件，但是它們大多數使用起來不容易上手，而且價格比較昂貴。matlab中的圖形界面編程環(huán)境guide為用戶開發(fā)軟件界面提供了強有力的工具。在圖形界面編程環(huán)境guide下，設計好濾波器的設計工具界面后，對界面上各個控件的回調函數進行編寫就能設計出交互式濾波器的分析設計軟件。本文在matlab gui基礎上設計了針對chebyshev型模擬帶

6、通濾波器的設計分析軟件。用戶在使用時只需輸入要設計的濾波器設計指標值，選擇要設計的濾波器類型，即可在分析濾波器特性時只需選擇相應菜單就能得出對應的特性。該工具解決了用戶在設計chebyshe型模擬帶通濾波器時大量繁瑣的數值計算，不僅可以作為研究設計chebyshev型模擬帶通濾波器的輔助工具，還可以作為設計濾波器等相關課程的輔助教學軟件。1 模擬帶通濾波器的設計理論目前，模擬高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器的設計方法都是先將要設計的濾波器技術指標通過某種頻率轉換關系轉換成模擬低通濾波器的技術指標，并依據這些技術指標設計出低通濾波器的轉移函數，然后再依據頻率轉換關系變成所要設計的濾波器的轉移函

7、數。工程實際中，設計高通、帶通、帶阻濾波器的常用方法是借助低通原型濾波器，經頻率變換和元件變換得到。在matlab中，圖形用戶界面(graphical user interface，gui)是matlab中一個專用于gui程序設計的向導設計器，而gui是由各種圖形對象，如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構建的用戶界面，是人機交互的有效工具和方法。通過guide可以很方便地設計出各種符合要求的圖形用戶界面。用戶通過一定的方法(如鼠標或鍵盤)選擇、激活這些圖形對象，使計算機產生某種動作或變化，比如實現計算、繪圖等。gui設計既能以基本的matlab程序設計為主，也能以鼠標為主，利用guide工

8、具進行設計，也可綜合以上兩種方法進行設計。guide主要是一個界面設計工具集。matlab將所有gul支持的用戶控件都集成在這個環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為相應方式的設置方法。guide將用戶保存設計好的圖形用戶界面保存在一個fig資源文件中，同時自動生成包含圖形用戶界面初始化和組件界面布局控制代碼的m文件，這個m文件為實現回調函數的編寫提供了一個參考框架。fig文件是一個二進制文件，包含系列化的圖形窗口對象。所有對象的屬性都是用戶創(chuàng)建圖形窗口時保存的屬性。該文件最主要的功能是對象句柄的保存。m文件包含gui設計、控制函數及控件的回調函數，主要用來控制gui展開時的各種特征。該文件基本上可

9、以分為gui初始化和回調函數2個部分，控件的回調函數可根據用戶與gui的具體交互行為分別調用。第四部分：實驗設計過程（一）信號分析1、利用matlab編制信號生成程序，產生下述各序列，繪出它們的時域波形，并對各信號進行相關分析：（1）三角波序列、反三角波序列及其fft三角波序列matlab源程序：subplot(1,1,1); n1=0:3;x1=n1+1;n2=4:7;x2=8-n2; stem(n1,n2,x1,x2,.);axis(-1,9,0,7);反三角波序列matlab源程序：subplot(1,1,1); n1=0:3;x1=4-n1;n2=4:7;x2=n2-3; stem(n

10、1,n2,x1,x2,.);axis(-1,9,0,10);它們的fft變換的matlab源程序：n1=8,n2=16;n1=0:n1-1;x1=1,2,3,4,4,3,2,1;subplot(4,2,1);stem(n1,x1,.);axis(0,10,0,5);title(x3(n);y1=fft(x1,n1);subplot(4,2,2);stem(n1,abs(y1),.);axis(0,10,0,8);title(fft,n=8);x2=4,3,2,1,1,2,3,4;subplot(4,2,3);stem(n1,x2,.);axis(0,10,0,5);title(x4(n);y2

11、=fft(x2,n1);subplot(4,2,4);stem(n1,abs(y2),.);axis(0,10,0,8);title(fft,n=8);n2=0:n2-1;x3=x1,zeros(1,8);subplot(4,2,5);stem(n2,x3,.);axis(0,20,0,5);title(x3(n);y3=fft(x3,n2);subplot(4,2,6);stem(n2,abs(y3),.);axis(0,20,0,20);title(fft,n=16);x4=x2,zeros(1,8);subplot(4,2,7);stem(n2,x4,.);axis(0,20,0,5);

12、title(x4(n);y4=fft(x4,n2);subplot(4,2,8);stem(n2,abs(y4),.);axis(0,20,0,20);title(fft,n=16)生成波形為：（2） gaussian序列及其fftp為定值：matlab源程序：n=0:15;x1=exp(-(n-8).2/2);subplot(3,2,1);stem(n,x1,.);axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=8,q=2); y1=fft(x1,16);subplot(3,2,2);stem(n,abs(y1),.);axis(0,20,0,3);title(fft,p=8,q=

13、2);x2=exp(-(n-8).2/4);subplot(3,2,3);stem(n,x2,.);axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=8,q=4);y2=fft(x2,16);subplot(3,2,4);stem(n,abs(y2),.);axis(0,20,0,4);title(fft,p=8,q=4); x3=exp(-(n-8).2/8);subplot(3,2,5);stem(n,x3,.);axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=8,q=8);y3=fft(x3,16);subplot(3,2,6);stem(n,abs(y3),.);ax

14、is(0,20,0,6);title(x5(n),p=8,q=8);生成波形為：q為定值：n=0:15;x1=exp(-(n-8).2/8);subplot(4,2,1);stem(n,x1,.);axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=8,q=8);y1=fft(x1,16);subplot(4,2,2);stem(n,abs(y1),.);axis(0,20,0,6);title(fft,p=8,q=8);x2=exp(-(n-13).2/8);subplot(4,2,3);stem(n,x2,.);axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=13,q=8)

15、;y2=fft(x2,16);subplot(4,2,4);stem(n,abs(y2),.);axis(0,20,0,6);title(fft,p=13,q=8);x3=exp(-(n-14).2/8);subplot(4,2,5);stem(n,x3,.);axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=14,q=8);y3=fft(x3,16);subplot(4,2,6);stem(n,abs(y3),.);axis(0,20,0,4);title(x5(n),p=14,q=8);x4=exp(-(n-15).2/8);subplot(4,2,7);stem(n,x4,.);

16、axis(0,20,0,1);title(x5(n),p=15,q=8);y4=fft(x4,16);subplot(4,2,8);stem(n,abs(y4),.);axis(0,20,0,4);title(fft,p=15,q=8);生成波形為：（3）衰減正弦序列及其不同采樣頻率時的fft：n=0:50;x1=50*exp(-0.1.*n).*sin(62.5*pi/500*n);subplot(2,2,1);stem(n,x1,.);axis(0,50,-20,40);title(x7(n),fs=1000hz);y1=fft(x1,51);subplot(2,2,2);stem(n,a

17、bs(y1),.);axis(0,50,0,250);title(fft,fs=1000hz);x2=50*exp(-1/3.*n).*sin(62.5*pi/150*n);subplot(2,2,3);stem(n,x2,.);axis(0,50,-20,40);title(x7(n),fs=300hz);y2=fft(x2,51);subplot(2,2,4);stem(n,abs(y2),.);axis(0,50,0,150);title(fft,fs=300hz生成波形為：（4）載波調制解調信號t=0:0.01:3; x=cos(pi*t).*cos(9*pi*t); plot(t,x

18、); axis(0 3 -2 2); grid; title(x5(t)=cos(pi*t)*cos(9*pi*t) t=0:0.01:3; x=cos(pi*t); plot(t,x); axis(0 3 -1 1); grid; title(解調信號)（5）無限長序列n=0:100; x=0.8.n; subplot(1,1,1);stem(n,x,.);axis(0 100 0 1);title(x6(n)=0.8n)n=0:9 x1=0.8.n; subplot(2,2,1);stem(n,x1,.);axis(0,20,0,1);title(序列x6(n),m=10); y1=fft

19、(x1,10); subplot(2,2,2);stem(n,abs(y1),.);axis(0,20,0,3);title(m=10,fft,幅頻特性);m=0:19 x2=0.8.m; subplot(2,2,3);stem(m,x2,.);axis(0,20,0,1);title(序列x6(n),m=20); y2=fft(x2,20); subplot(2,2,4);stem(m,abs(y2),.);axis(0,20,0,3);title(m=20,fft,幅頻特性)（二）、數字濾波器的設計與實現采用雙線性變換法設計iir數字濾波器：源程序：低通：global fpglobal f

20、sglobal apglobal asglobal fs wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;ts=1/fs;wp1=2/ts*tan(wp/2); ws1=2/ts*tan(ws/2); n,wn=buttord(wp1,ws1,ap,as,s); z,p,k=buttap(n); bap,aap=zp2tf(z,p,k);b,a=lp2lp(bap,aap,wn); bz,az=bilinear(b,a,fs); figure(1)freqz(bz,az); y,t=impz(bz,az,50);figure(2)stem(t,y,.);高通：global fpglob

21、al fsglobal apglobal asglobal fs wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;ts=1/fs;wp1=2/ts*tan(wp/2); ws1=2/ts*tan(ws/2); n,wn=buttord(wp1,ws1,ap,as,s); z,p,k=buttap(n); bap,aap=zp2tf(z,p,k);b,a=lp2hp(bap,aap,wn); bz,az=bilinear(b,a,fs);figure(1)freqz(bz,az); y,t=impz(bz,az,50);figure(2)stem(t,y,.);帶通：global fp1

22、global fp2global fs1global fs2global apglobal asglobal fs wp1=2*pi*fp1/fs;wp2=2*pi*fp2/fs;ws1=2*pi*fs1/fs;ws2=2*pi*fs2/fs;b=ws2-ws1;w0=sqrt(ws1*ws2);wp=max(abs(wp1),abs(wp2);ws=1;n,wc=buttord(wp,ws,ap,as,s);num,den=butter(n,wc,s);numt,dent=lp2bp(num,den,w0,b);numd,dend=bilinear(numt,dent,1);w=linspa

23、ce(0,pi,512);figure(1)freqz(numd,dend,w);y,t=impz(numd,dend,50);figure(2)stem(t,y,.)；帶阻：global fp1global fp2global fs1global fs2global apglobal asglobal fs wp1=2*pi*fp1/fs;wp2=2*pi*fp2/fs;ws1=2*pi*fs1/fs;ws2=2*pi*fs2/fs;b=ws2-ws1;w0=sqrt(ws1*ws2);wp=max(abs(wp1),abs(wp2);ws=1;n,wc=buttord(wp,ws,ap,a

24、s,s);num,den=butter(n,wc,s);numt,dent=lp2bs(num,den,w0,b);numd,dend=bilinear(numt,dent,1);w=linspace(0,pi,512);figure(1)freqz(numd,dend,w);y,t=impz(numd,dend,50);figure(2)stem(t,y,.);生成波形為：低通及其單位脈沖響應：高通及其單位脈沖響應：帶通及其單位脈沖序列：帶阻及其單位脈沖響應：（三）、綜合應用語音信號的分析處理源程序：讀入語音信號：x1,fs=wavread(c:tada.wav);sound(x1,fs);

25、fs y1=fft(x1,1024); f=fs*(0:511)/1024;figure(1)plot(x1) title(原始語音信號);xlabel(time n);ylabel(fuzhi n);figure(2)freqz(x1) title(頻率響應圖)figure(3)subplot(2,1,1);plot(abs(y1(1:512) title(原始語音信號fft頻譜)subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512);title(原始語音信號頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);語音信號低通處理：global fpglobal fsglob

26、al apglobal asx1,fs=wavread(c:tada.wav);t=0:1/fs:(size(x1)-1)/fs;fswp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;ts=1/fs;wp1=2/ts*tan(wp/2); ws1=2/ts*tan(ws/2); n,wn=buttord(wp1,ws1,ap,as,s); z,p,k=buttap(n); bap,aap=zp2tf(z,p,k);b,a=lp2lp(bap,aap,wn); bz,az=bilinear(b,a,fs); h,w=freqz(bz,az); figure(1)plot(w*fs/(2*p

27、i),abs(h)gridxlabel(頻率hz)ylabel(頻率響應幅度)title(butterworth)f1=filter(bz,az,x1);figure(2)subplot(2,1,1)plot(t,x1); title(濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(t,f1); title(濾波后的時域波形);sound(f1,22050); f0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512); title(濾波前的頻譜)xlab

28、el(hz);ylabel(fuzhi);subplot(2,1,2)f1=plot(f,abs(f0(1:512); title(濾波后的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);語音信號高通處理：global fpglobal fsglobal apglobal asx1,fs=wavread(c:tada.wav);t=0:1/fs:(size(x1)-1)/fs;fswp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;ts=1/fs;wp1=2/ts*tan(wp/2); ws1=2/ts*tan(ws/2); n,wn=buttord(wp1,ws1,ap,as,s

29、); z,p,k=buttap(n); bap,aap=zp2tf(z,p,k);b,a=lp2hp(bap,aap,wn); bz,az=bilinear(b,a,fs); h,w=freqz(bz,az); figure(1)plot(w*fs/(2*pi),abs(h)gridxlabel(頻率hz)ylabel(頻率響應幅度)title(butterworth)f1=filter(bz,az,x1);figure(2)subplot(2,1,1)plot(t,x1); title(濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(t,f1); title(濾波后的時域波形);s

30、ound(f1,22050); f0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512); title(濾波前的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);subplot(2,1,2)f1=plot(f,abs(f0(1:512); title(濾波后的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);語音信號帶通處理：global fp1global fp2global fs1global fs2global apglobal asx1,fs=

31、wavread(c:tada.wav);t=0:1/fs:(size(x1)-1)/fs;wp1=2*pi*fp1/fs;wp2=2*pi*fp2/fs;ws1=2*pi*fs1/fs;ws2=2*pi*fs2/fs;b=ws2-ws1;w0=sqrt(ws1*ws2);wp=max(abs(wp1),abs(wp2);ws=1;n,wc=buttord(wp,ws,ap,as,s);num,den=butter(n,wc,s);numt,dent=lp2bp(num,den,w0,b);numd,dend=bilinear(numt,dent,1);w=linspace(0,pi,512);

32、figure(3)h,w=freqz(numd,dend,w); figure(1)plot(w*fs/(2*pi),abs(h)gridxlabel(頻率hz)ylabel(頻率響應幅度)title(butterworth)f1=filter(numd,dend,x1);figure(2)subplot(2,1,1)plot(t,x1) title(濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(t,f1); title(濾波后的時域波形);sound(f1,22050); f0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x1,1

33、024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512); title(濾波前的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);subplot(2,1,2)f1=plot(f,abs(f0(1:512); title(濾波后的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);語音信號帶阻處理：global fp1global fp2global fs1global fs2global apglobal asx1,fs=wavread(c:tada.wav);t=0:1/fs:(size(x1)-1)/fs;wp1=2*pi*fp1/fs;wp2=2*pi*

34、fp2/fs;ws1=2*pi*fs1/fs;ws2=2*pi*fs2/fs;b=ws2-ws1;w0=sqrt(ws1*ws2);wp=max(abs(wp1),abs(wp2);ws=1;n,wc=buttord(wp,ws,ap,as,s);num,den=butter(n,wc,s);numt,dent=lp2bs(num,den,w0,b);numd,dend=bilinear(numt,dent,1);w=linspace(0,pi,512);figure(3)h,w=freqz(numd,dend,w); figure(1)plot(w*fs/(2*pi),abs(h)gridx

35、label(頻率hz)ylabel(頻率響應幅度)title(butterworth)f1=filter(numd,dend,x1);figure(2)subplot(2,1,1)plot(t,x1) title(濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(t,f1); title(濾波后的時域波形);sound(f1,22050); f0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512); title(濾波前的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);subplot(2,1,2)f1=plot(f,abs(f0(1:512); title(濾波后的頻譜)xlabel(hz);ylabel(fuzhi);生成