数字信号处理综合实验.

1、通信与信息工程学院数字信号处理课程设计班 级：电子信息工程13级03班姓名：学号：指导教师：张释如、李国民、张龙妹、王瑜设计时间:2015.12.28 - 2016.1.8成 绩：语:通信与信息工程学院二0一五年数字信号处理课程设计报告一、课程设计时间2015年12月28日至2016年1月8日二、课程设计目的数字信号处理主要研究如何对信号进行分析、变换、综合、估计与识别等加工处理 的基本理论和方法。通过课程设计，使学生巩固所学基本理论，掌握最基本的数字信号 处理的理论和方法，提高综合运用所学知识，提高计算机编程的能力。进一步加强学生 独立分析问题、解决问题的能力、综合设计及创新能力的培养，同时

2、注意培养学生实事 求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯，为今后的工作打下良好的基础。三、课程设计任务及要求1、掌握数字信号处理iir滤波器设计及fir滤波器设计原理和实现，能根据不同的应 用设计合理的滤波器；2、掌握多频率采样的原理，并能分析其频谱特性；3、了解语音信号处理的原理，并能根据实际情况设计合理的滤波器进行除燥处理；3、编程实现以下实验内容：(1)数字信号的基本运算(2)多采样率数字信号处理(3)数字滤波器的设计及仿真(4)语音信号滤波处理。20数字信号的基本运算一、实验目的:(1)掌握数字信号的时间翻转、上采样、下采样等基本运算；学会用matlab寸数字信号进行时间翻转、上采样

3、、下采样等运算;二、设计内容：(1) 利用windows下的录音机以采样频率8000hz录制语音“新年好”和“好”，在matlab 软件平台下，利用wavread函数得到两个语音数据(信号长度不够时信号补零使其长度 为 8000);(2) 对采样得到的语音数据x(k)分别进行处理模仿回音效果，演示回声的效果，数据 处理如下式：x(k)=x(k)+a*x(k-d)其中d为时延，a为时延信号的衰减幅度。(参数：时延d=0.4秒，衰减幅度a=0.5 对上述语音信号进行时间反转 x(-k)、上采样x(k/2)、下采样x(2k)操作，并演示运算 效果。三、设计过程：分析：对语音信号进行下采样得x(k/2

4、),可以看成是对x(k)隔点抽取一个点。在时域上其长度变短，幅度变化加快。在频域上频谱幅度减小，低频成分减少。对语音信号进行上采样得x(2k),可以看成是对x(k)内插一个零。在时域上其长 度变长，包络幅度变化减慢，故其在频谱图上低频成份有所增加。由于每两个点间内插 了一个零，具变化加快，故其在频谱图上高频成份也增加了很多。其它成份基本不变。信号进行时间反转得x(-k),其频谱和x(k)完全相同，因为反转只是改变信号在 时域上出现的先后顺序，其频率没有改变。0os11.522.5x 104语音,好，的时域波形010002000300040005000600070008000合回声的时域波形22

5、ji01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000x 10*:、多采样率数字信号处理一、设计目的：(1) 了解数字信号处理中的多采样率的抽取和插值处理；(2)学会用matlab寸信号进行多采样率的抽取和插值处理；(3)查找资料，掌握数字信号处理中的多采样率理论。二、设计内容：(1)对采集得到的语音信号“新年好”和“好”分别进行 fft ,分析信号频谱特性；(2)对语音信号“好”对进行下采样(每隔 4中抽取一个采样)，演示采样信号的声 音效果，分析信号的频谱特性，绘出其频谱并进行分析。(3)对语音信号“好”进行上采样(上采样系数为d=4 ,

6、演示上采样信号的声音效果，分析其频谱并进行分析。(4)先对语音信号“好”进行低通滤波(截止频率为 fs/d的线性相位fir滤波器，过 渡带宽度为0.04fs),再对其进行下采样；然后进行上采样(系数为d),对上采样信号进行低通滤波，比较该信号与原始信号的差别，并进行分析。(5)试用iir低通滤波器对语音信号做相同处理，比较结果的区别。三、设计过程：分析：对语音信号进行下采样得x(k/4),可以看成是对x(k)隔4点抽取一个点。在时域 上其长度变短，幅度变化加快。在频域上频谱幅度减小，低频成分减少。对语音信号进行上采样得x(4k),可以看成是对x(k)内插4个零。在时域上其长度变 长，包络幅度变

7、化减慢，故其在频谱图上低频成份有所增加。由于每两个点间内插了一个零，具变化加快，故其在频谱图上高频成份也增加了很多。其它成份基本不变 对于fir,iir滤波器的设计用凯赛尔窗和椭圆滤波器。运行结果：语音宣年好钠相新批批- - )-0100020003000400050006000700080009000，语音好冏时域波形ii语音好上采样的幅频特性250200150100500010002000300040005000600070008000语音好上采样的相频特性冲击函数波形图20406080100120140$4s 5损耗困凝曲线0.511.522.533.5frequency in rad/

8、sample5060-00里 tdpn-fs1乏o50好的波形好加窗后的波形好加窗后下采样的波形0500010000 0500010000 010002000好上的频谱好加窗后的频谙 好加窗后下采样的频谱250200150100500x 10卜图为用iir低通滤波器对语音信号处理好的波形好滤波后的波形好，滤波后下采样的波形1 2 1.5i。500010000 0500010000 010002000好的频谱好滤波后的频谱好滤波后下采样的频谱0500010000 0500010000 01000200q10.505-1250200150100500四、思考题:(1)语音信号进行下采样后的信号频谱

9、与原信号频谱有什么不同，为什么？答：经过采样系数为d=4的下采样后信号长度减小到1/5,即间隔4个点抽取一个 的。其频谱幅度减小，低频分量减少，中高频分量基本不变，声音变快。(2) fir滤波器滤波结果和iir滤波结果有什么不同，为什么？答：fir滤波器滤波滤波噪声效果比iir滤波器的好，fir滤波器具有线性相位结 构。三、数字滤波器的设计及仿真一、实验目的:(1)熟悉iir数字滤波器的设计原理和方法；(2)学会调用matlab1号处理工具箱中的滤波器设计函数设计各种iir数字滤波器，学会根据滤波要求确定滤波器指标参数；掌握用iir数字滤波器的matla映现方法，并能绘制滤波器的幅频特性、相频

10、特 性；(4)通过观察滤波器的输入、输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。二、设计内容：(1)调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st,观察st的时域波形和幅频特性曲线；(2)要求将st中的三路调幅信号分离，通过观察 st的幅频特性曲线，分别确定可以分 离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器(低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器)的通带截止频率和阻带截止频率，要求滤波器的通带最大衰减为0.1db,阻带最小衰减为60db(3)编程调用matlabg波器设计函数分别设计这三个数字滤波器，并绘图显示其幅频 特性曲线；(4)调用滤波函数filter ,用所

11、设计的三个滤波器分别对复合信号st进行滤波，分离出st中的三路不同载波频率的调幅信号，并绘图显示滤波后信号的时域波形和频谱， 观察分离效果。抑制载波信号资料：抑制载波单频调幅信号如下所示s(t) =cos(2二 f0t)cos(2二 fct) =1 cos(2二(fc 一1)。cos(2二(fc f0)t) 12其中,cos(2nfct)称为载波，fc为载波频率，cos(2nf0t)称为单频调制信号，f。为调制正 弦波信号频率，且满足fcf。由(4.1)式可见，所谓抑制载波单频调制信号，就是两 个正弦信号相乘，它有 2个频率成分：和频fc + f0,差频fc- f0,这两个频率成分关于载波频率

12、fc对称。复合信号st产生函数mstg清单：function st=mstg%产生信号序列st ,并显示st的时域波形和频谱%st=mstg返回三路调幅信号相加形成的混合信号,长度 n=800n=800;%fs=10000;t=1/fs;tp=n*t; % t=0:t:(n-1)*t;k=0:n-1;f=k/tp;fc1=fs/10;%fm1=fc1/10;%fc2=fs/20;%fm2=fc2/10;%fc3=fs/40;%fm3=fc3/10;%信号长度n为800米样频率fs=10khz, tp为米样时间第1路调幅信号载波频率fc1=1000hz第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100h

13、z第2路调幅信号载波频率fc2=500hz第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50hz第3路调幅信号载波频率fc3=250hz第3路调幅信号的调制信号频率fm3=25hzxt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t);%产生第1 路调幅信号xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t);%产生第2 路调幅信号xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t);%产生第3 路调幅信号st=xt1+xt2+xt3; %三路信号相加，得到复合信号fxt=fft(st,n); %计算信号st的频谱三、设计过程:分析：先将s信号三

14、路调幅信号分离，观察频谱，对三路分离信号设计滤波器，从频谱可以看出, 所设计的滤波器的过渡带需要比较窄的，故设计为椭圆滤波器，以下为三个滤波器的参数：彳氐通：fp=300;fs=320; 带通：fpl=400;fpu=580;fsl=300;fsu=700; 高通：fp=800;fs=780;运行结果:5a通滤，器4ip11i1aiiiiiai11- 三1uqal iiiiiiiiu ()2d04006008001000120014d0160018002000 hz四、思考题(1)请阅读信号产生函数mstg,确定三路调幅信号的载波频率和调制信号频率。第1路调幅信号载波频率fc1=1000hz,

15、调制信号频率fm1=100hz第2路调幅信号载波频率fc2=500hz,调制信号频率fm2=50hz第3路调幅信号载波频率fc3=250hz,调制信号频率fm3=25hz(2)信号产生函数mstg中采样点数n=160q xs st进行n点fft可以得到6根理想 谱线。如果取n=180q可否得到6根理想谱线？为什么？ n=2000呢？请改变函数 mstg中采样点数n的值，观察频谱图验证您的判断是否正确。答：如果取n=180q能彳4到6根理想谱线，n=2000也一样。四、语音信号滤波处理一、设计目的：(1) 了解语音信号的产生、采集，能绘制语音信号的频率响应曲线及频谱图;(2)学会用matlab寸

16、语音信号进行分析和处理；(3)掌握用滤波器去除语音信号噪声的方法，观察去噪前后的语音信号。二、设计内容：(1)利用windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在 1 s内。然后在matlab 软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。(2)对采样后的语音信号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，画出采样信号的时域波形和频谱图；(3)根据对语音信号谱分析的结果，确定滤除噪声所需滤波器的技术指标，设计合适的fir数字滤波器，并画出滤波器的频域响应；(4)用所设计的滤波器对采集的信号进行滤波，在同一个窗口画出滤波前后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号

17、进行对比，分析信号的变化；(5)回放语音信号；sound(x)(6)为使编制的程序操作方便，设计一个信号处理用户界面。在所设计的系统界面上 可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号三、设计过程：分析：先对语言信号添加噪声，再设计 fir滤波器，滤波器参数：hamming窗fs=8000;fc2=2000;wc2=2*pi*fc2/fs;wp2=2*pi*1700/fs;ws2=2*pi*2200/fs;用滤波器对加噪信号进行滤波处理，观察滤波前后信号的时域波形和频谱。运行结果：2001000原语音信号的频谙0500010000融信芦绛讨悒甬酒时黑 印啕1000 0

18、2000 4000 6000 8000 10000四、思考题：(1)信噪比对语音信号滤波效果有什么影响？答：高信噪比时语音信号滤波效果好(2)若语音信号噪声为高斯白噪声，出来使用传统的滤波器进行滤波外，还有没有其 他的方法？为什么？答：对于语音信号而言，有wiener滤波法、mmse lsa-mmse先验信噪比、听觉 掩蔽效应等不同白方法，或首先，对噪声、驱动项以及语音模型参数的估计；然后，用卡 尔曼滤波器得到增强的语音信号。五、设计心得上学期学了信号与线性系统分析，这学期又学了数字信号处理，学的时候 感觉很难、很枯燥，也感觉这只是理论上的东西，实际上没什么用。但经过这两周的课 程设计，我感觉

19、学过的理论是用的上的，也觉得实习的题目很有意思，也很有用。在本次课程设计的过程中，主要遇到的问题是原始音乐信号的选取。有些音乐信号 在matla计运行时出错，开始以为自己的操作问题，在跟同学商讨多次更换音乐信号 后得到了解决。其次就是在滤波器参数的选取上，开始时不清楚怎么选取，又在课本中 找了好久才找到。学习的过程是相互讨论共同进步的，多多讨论课题中遇到的问题，可以巩固我们的 知识掌握能力，增加熟练运用度。从本次课程设计的中心来看，课题是希望将数字信号处理技术应用于某一实际领 域，这里就是指对音乐的处理。作为存储于计算机中的音乐信号，其本身就是离散化了 的向量，我们只需将这些离散的量提取出来，就可以对其进行处理了。在这里，用到了处理数字信号的强有力工具 matlab通过matlab!几个命令函数 的调用，很轻易的在实际化音乐与数字信号的理论之间搭了一座桥。课题的特色在于它 将音乐看作了一个向量，于是音乐数字化了，则可以完全利用数字信号处理的知识来解 决。我们可以像给一般信号做频谱分析一样，来给音乐信号做频谱分析，也可以较容易 的用数字滤波器来对音乐进行滤波处理。改变参数，理论结合实际，分析各参数对图形 的影响，从而加深对各个参数的理解。在完成这次课程设计过程中学到了许多东西，进 一步理解了滤波器设计方法和各参数意义，通过分析信