數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)報告

1、淮 陰 工 學(xué) 院數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)報告課題名稱 :基于 matlab 的語音信號分析和處理- 低通部分姓名： xx 學(xué)號： 1234567890 班級：電子 0000 專業(yè)：電子信息工程歸口系部：電子與電氣工程學(xué)院起迄日期 : 2014 年 12 月 22 日 2014 年 12 月 26 日設(shè)計(jì)地點(diǎn) : 13306 指導(dǎo)教師 :數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組提交報告日期 : 2014 年 12 月 29 日一、設(shè)計(jì)目的與任務(wù)通過數(shù)字信號處理的課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生對信號的采集，處理，傳輸，顯示，存儲和分析等有一個系統(tǒng)的掌握和理解。鞏固和運(yùn)用數(shù)字信號處理課程中的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，掌握最基本的數(shù)字

2、信號處理的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。二、基本要求1基本要求：設(shè)計(jì)一個語音信號分析和處理系統(tǒng)，要求學(xué)生對所采集的語音信號在 matlab 軟件平臺下進(jìn)行頻譜分析和處理；2提高要求：對所采集的語音信號疊加干擾噪聲進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。3基本教學(xué)要求： 每組一臺電腦 （附話筒和耳機(jī)） ，電腦安裝 matlab 軟件。三、設(shè)計(jì)要求本次課程設(shè)計(jì)最終要求提交設(shè)計(jì)說明書，由以下各部分組成：1理論依據(jù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析系統(tǒng)功能， 掌握設(shè)計(jì)中所需的理論 （采樣頻率， 采樣位數(shù)的概念，采樣定理；時域信號的dft ，fft及頻譜分析；數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理和方

3、法，各種不同性能的濾波器的性能比較），闡述設(shè)計(jì)原理。2信號采集采集語音信號，畫出信號的時域波形圖和頻譜圖。3數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)根據(jù)語音信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)iir 低通數(shù)字濾波器； fir 低通數(shù)字濾波器；畫出各種數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)圖。4信號處理1）利用設(shè)計(jì)的 iir 數(shù)字濾波器分別對采集的信號進(jìn)行濾波處理；2）利用設(shè)計(jì)的 fir 數(shù)字濾波器分別對采集的信號進(jìn)行濾波處理；3）在原始的語音信號3000hz以上頻段疊加白噪聲， 選擇所設(shè)計(jì)的一種對疊加白噪聲后的語音信號處理，濾除白噪聲；4）畫出處理過程中所得的各種波形及頻譜圖。5信號分析對語音信號進(jìn)行回放， 感覺濾波前后聲音的變化。 比較濾波前后語音信號的

4、波形及頻譜，對所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析，闡明原因得出結(jié)論。四、理論依據(jù)4.1 語音信號的采集和頻譜分析利用 windows下的錄音機(jī)，用單聲道錄制一段自己的聲音，時間在1s內(nèi)。然后在 matlab 軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。 對語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換，在一個窗口同時畫出信號的時域波形圖和頻譜圖，分析語音信號的頻譜特點(diǎn)。4.2 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器低通濾波器性能指標(biāo)： fp=2670hz,fs=3300hz,ap=1db,as=30db,采樣頻率為10000hz。4.3 用濾波器對信號進(jìn)行濾波1）利用自己設(shè)計(jì)的iir 數(shù)字濾波器對采集的信

5、號進(jìn)行濾波處理，在一個窗口同時畫出濾波前后語音信號的波形及頻譜。2）利用自己設(shè)計(jì)的fir 數(shù)字濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波處理，在一個窗口同時畫出濾波前后語音信號的波形及頻譜。在 matlab 中，fir 濾波器利用 fftfilt對信號進(jìn)行濾波， iir 濾波器利用filter對信號進(jìn)行濾波。比較濾波前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析。4.4 回放語音信號對語音信號進(jìn)行回放，感覺濾波前后語音信號的變化。4.5 對語音信號加入噪聲后的頻譜分析和濾波在 matlab 軟件平臺下， 在 3000hz以上頻段產(chǎn)生一個白噪聲， 疊加到采集的原始語音信號中， 在一個窗口同時畫出白

6、噪聲的時域波形及頻譜，在另一個窗口同時畫出疊加噪聲前后語音信號的波形及頻譜；設(shè)計(jì)一種濾波器疊加噪聲后的語音信號進(jìn)行處理， 濾除疊加的白噪聲， 在一個窗口同時畫出濾波前后語音信號的波形及頻譜；比較濾波前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果進(jìn)行頻譜分析；對語音信號進(jìn)行回放，感覺濾波前后聲音的變化。五、基于 matlab 的語音信號分析和處理5.1 信號采集我們利用函數(shù) wavread 對語音信號進(jìn)行采集， 原始語音信號及其頻譜如下圖，信號采集程序見附錄。圖 1 原始語音信號及其頻譜5.2 根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)低通濾波器性能指標(biāo)： fp=2670hz,fs=3300hz,ap=1db,as=

7、30db,采樣頻率為10000hz。1）fir 低通濾波器的設(shè)計(jì)：fir 低通濾波器的幅頻特性如下圖，設(shè)計(jì)程序見附錄。圖 2 fir低通濾波器的幅頻特性2）iir 低通濾波器的設(shè)計(jì)：iir 低通濾波器的幅頻特性如下圖，設(shè)計(jì)程序見附錄。圖 3 iir低通濾波器的幅頻特性5.3 用濾波器對信號進(jìn)行濾波1）fir 低通濾波：圖 4 fir低通濾波前后的頻譜2）iir 低通濾波：圖 5 iir低通濾波前后的頻譜5.4 回放語音信號經(jīng)過加噪聲處理后，可在matlab 中用函數(shù) sound 對聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,fs) ，sound(y) 和 sound(y,fs,bits)?？梢圆?/p>

8、覺濾波前后的聲音有明顯的變化。5.5 對語音信號加入噪聲后的頻譜分析和濾波加入噪聲后的波形和頻譜如下圖：圖 6 加噪聲后波形和頻譜六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)數(shù)字濾波器是一種對數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理以得到期望的響應(yīng)特性的離散時間系統(tǒng)。它能夠有效的對數(shù)字信號進(jìn)行過濾，過濾數(shù)字信號中的干擾和多余成分，保證通信過程的正常實(shí)現(xiàn)。在這次的數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)里， 比較重要的函數(shù)有wavread 函數(shù)、 sound函數(shù)等，通過上網(wǎng)和翻閱相關(guān)書籍， 我了解了它們的基本用法。關(guān)于濾波也是很重要的一部分， 有 fir 濾波器和 iir 濾波器的設(shè)計(jì)。 通過自主學(xué)習(xí)， 我很快地掌握了編程方法。在設(shè)計(jì)過程中，我也遇到了理論知識的

9、忘記、編程過少導(dǎo)致的不熟練、軟件運(yùn)用不自如等問題，但是經(jīng)過思考、請教同學(xué)和老師、查閱相關(guān)資料，最終這些問題都得到了解決，最終設(shè)計(jì)出了符合要求的濾波器并通過相關(guān)信號進(jìn)行了驗(yàn)證?？偟膩碚f，通過這次的課程設(shè)計(jì)，我對matlab 這個軟件有了更深的認(rèn)識，也進(jìn)一步熟悉了 matlab 的使用，感覺到 matlab 軟件功能的強(qiáng)大，大大增加了我對 matlab 的興趣。經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)， 使我發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足，為了在今后的學(xué)習(xí)和生活中注意改進(jìn)自己的不足，我要更加努力，學(xué)習(xí)好專業(yè)知識并注重運(yùn)用到實(shí)際，同時，這次課程設(shè)計(jì)還提高了自己的動手能力、思維能力和學(xué)習(xí)的積極性， 為我今后的學(xué)習(xí)和工作都提供了不小的

10、幫助，讓我受益匪淺。七、主要參考文獻(xiàn)1 數(shù)字信號處理季秀霞 國防工業(yè)出版社 2013 2 數(shù)字信號處理與應(yīng)用李正周 清華大學(xué)出版社 2008 3 數(shù)字信號處理教程 matlab 釋義與實(shí)現(xiàn)陳懷琛 電子工業(yè)出版社 2004. 4 數(shù)字信號處理原理及matlab 實(shí)現(xiàn) 叢玉良 電子工業(yè)出版社 2009 5 百度文庫附錄：matlab 程序：1. 語音采集部分：y,fs,nbits=wavread (d:userdatalenovodesktopcccc.wav); sound(y,fs,nbits); n= length (y) ; y=fft(y,n); subplot(2,1,1); plot

11、(y);title(原始信號波形 ); subplot(2,1,2); plot(abs(y); title(原始信號頻譜 ) 2. fir 濾波器設(shè)計(jì)部分：ft=10000; fp=2670; fs=3300; wp=2*fp/ft; ws=2*fs/ft; rp=1; rs=40; p=1-10.(-rp/5); s=10.(-rs/15); fpts=wp ws; mag=1 0; dev=p s; n,wn,beta,ftype=kaiserord(fpts,mag,dev); b=fir1(n,wn,kaiser(n+1,beta); h,w=freqz(b,1); plot(w/p

12、i,abs(h); title(fir低通濾波器 ); grid; 3. fir 濾波部分：ws=2*fs/ft; rp=1; rs=30; p=1-10.(-rp/5); s=10.(-rs/15); fpts=wp ws; mag=1 0; dev=p s; n,wn,beta,ftype=kaiserord(fpts,mag,dev); b=fir1(n,wn,kaiser(n+1,beta); h,w=freqz(b,1); y,fs,nbits=wavread (d:userdatalenovodesktopcccc.wav); n = length (y) ; noise=0.01

13、*randn(n,2); s=y+noise; s=fft(s,n); z=fftfilt(b,s); sound(z); m=fft(z); subplot(2,2,1); plot(abs(s),g); title(濾波前信號的頻譜 ); grid; subplot(2,2,2); plot(abs(m),r); title(濾波后信號的頻譜 ); grid; subplot(2,2,3); plot(s); title(濾波前信號的波形 ); grid; subplot(2,2,4); plot(z); title(濾波后的信號波形 ); grid; 4iir 濾波器設(shè)計(jì)部分：fp=26

14、70;fs=3300;as=30;ap=1;ft=10000; wp=2*pi*fp/ft; ws=2*pi*fs/ft; fp=2*ft*tan(wp/2); fs=2*fs*tan(wp/2); n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,s); b11,a11=butter(n11,wn11,s); num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5); h,w=freqz(num11,den11); plot(w*8000*0.5/pi,abs(h); legend(用 butter設(shè)計(jì)); 5.iir濾波部分：fp=2670;fs=3300;as=30;ap

15、=1;ft=10000; wp=2*pi*fp/ft; ws=2*pi*fs/ft; fp=2*ft*tan(wp/2); fs=2*fs*tan(wp/2); n,wn=buttord(wp,ws,1,40,s); b,a=butter(n,wn,s); num,den=bilinear(b,a,0.5); h,w=freqz(num,den); y,fs,nbits=wavread (d:userdatalenovodesktopcccc.wav); n = length (y) ; noise=0.01*randn(n,2); s=y+noise; s=fft(s,n); z=filter(num,den,s); sound(z) m=fft(z); subplot(2,2,1); plot(abs(s),g); title(濾波前信號的頻譜 ); grid; subplot(2,2,2); plot(abs(m),r); title(濾波后信號的頻譜 ); grid; subplot(2,2,3); plot(s); title(濾波前信號的波形 ); grid; subplot(2,2,4); plot(z); title(濾波后的信號波形 ); grid ; 6. 加噪聲部分：y, fs, nbits = wavread(d:userdatale