中南大学数字信号处理课程设计

1、中南大学数字信号处理课程设计报告 专业班级: 电信1303 指导老师： 姓 名: 学 号: 目 录一、课程设计要求二、设计过程（1）设计题目（2）设计源代码（3）设计结果（4）结果分析三、设计总结与心得体会四、课程设计指导书一、课程设计要求1、课程设计指导书数字信号处理（第二版），丁玉美等，西安电子科技大学出版社；MATLAB 及在电子信息课程中的应用，陈怀琛等，电子工业出版社。2、课程设计题目、信号发生器 用户根据测试需要，可任选以下两种方式之一生成测试信号： 、直接输入（或从文件读取）测试序列； 、输入由多个不同频率正弦信号叠加组合而成的模拟信号公式（如式 1-1 所示）、采 样频率（Hz

2、）、采样点数，动态生成该信号的采样序列，作为测试信号。、频谱分析 使用 FFT 对产生的测试信号进行频谱分析并展示其幅频特性与相频特性，指定需要滤除的频带，通过选择滤波器类型（IIR / FIR），确定对应的滤波器（低通、高通）技术指标。、滤波器设计 根据以上技术指标（通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减） ，设计数字滤波器，生成相应的滤波器系数，并画出对应的滤波器幅频特性与相频特性。IIR DF 设计：可选择滤波器基型（巴特沃斯或切比雪夫型）；FIR DF 设计：使用窗口法（可选择窗口类型，并比较分析基于不同窗口、不同阶数所设计数字滤波器的特点） 。、数字滤波 根据设计的滤

3、波器系数， 对测试信号进行数字滤波， 展示滤波后信号的幅频特性与相频特性，分析是否满足滤波要求（对同一滤波要求，对比分析各类滤波器的差异） 。 IIR DF：要求通过差分方程迭代实现滤波（未知初值置零处理） ； FIR DF：要求通过快速卷积实现滤波（对于长序列，可以选择使用重叠相加或重叠保留法进行卷积运算） 。、选做内容 将一段语音作为测试信号， 通过频谱展示和语音播放，对比分析滤波前后语音信号的变化，进一步加深对数字信号处理的理解。3、具体要求 、使用 MATLAB（或其它开发工具）编程实现上述内容，写出课程设计报告。 、课程设计报告的内容包括： 课程设计题目和题目设计要求； 设计思想和系

4、统功能结构及功能说明； 设计中关键部分的详细描述和介绍，采用流程图描述关键模块的设计思路； 总结，包括设计过程中遇到的问题和解决方法，心得体会等； 参考文献； 程序源代码清单。4、考核方式 课程考核分三部分，一部分是上机率，占 20%；第二部分是检查成绩，最后两次上机为检查时间，占 50%；第三部分为课程设计报告，占 30%。注意：、使用 GUI 界面或混合编程实现仿真程序，酌情加分；、若发现程序或课程设计报告雷同，一律不及格。、 主要参考资料1 S. K. Mitra. Digital Signal Processing: A Computer Based Approach, 3rd Edi

5、tion M, New York, USA: McGraw-Hill, 20002 R. G . Lyons. Understanding Digital Signal Processing, 2nd Edition M. New Jersey, USA:Prentice Hall, 20053 程佩青. 数字信号处理教程, 第二版M. 北京: 清华大学出版社, 20014 赵树杰等. 数字信号处理M. 西安: 西安电子科技大学出版社, 19975 丁玉美等. 数字信号处理时域离散随机信号处理M. 西安: 西安电子科技大学出版社,20026 陈怀琛等. MATLAB 及在电子信息课程中的应用M

6、, 北京: 电子工业出版社出版, 2002、 课程设计进度安排序号 阶段内容 合计（天）一 设计准备 1二 方案选择及初步设计 2三 目标项目设计实现及调试 3四 撰写课程设计报告 2五 上机检查成绩 2总计 （2 周） 10二.设计过程第一题: 多个不同频率sin函数叠加 动态生成信号 信号 直接从txt文档中读取数据 静态生成信号、信号发生器 用户根据测试需要，可任选以下两种方式之一生成测试信号： 、直接输入（或从文件读取）测试序列；、输入由多个不同频率正弦信号叠加组合而成的模拟信号公式（如式 1-1 所示）、采 样频率（Hz）、采样点数，动态生成该信号的采样序列，作为测试信号。100si

7、n(2f1t) +100sin(2f2t ) +.+100sin(2fnt ) p + + +（1-1）、源代码1.动态获得function ft,t = sig(fs)figure;t=0:1/fs:0.1;f1=50;f2=150;f3=250;ft=100*sin(2*pi*f1*t)+100*sin(2*pi*f2*t)+100*sin(2*pi*f3*t);plot(t,ft);grid on;xlabel('t'),ylabel('ft');title('原信号波形')end2.静态获得 ft=load('E:test.txt

8、'); figure; subplot(2,1,1); plot(ft);title('信号原波形');、结果 动态 静态分析 对于动态生成信号的方式，在给定的时域内，生成了含有三个不同频率的混合信号波形。对于静态生成信号的方式，先在txt文档中输入数据，通过load函数读取txt文档到ft中，得到的ft相当于经过采样后的信号。第二题FFT变化后使用freqz()得到频率调用FFT工具箱函数用stem画出采样信号确定采样频率FFT变化后使用angle()得到相位角、频谱分析使用 FFT 对产生的测试信号进行频谱分析并展示其幅频特性与相频特性，指定需要滤除的频带，通过选择

9、滤波器类型（IIR / FIR），确定对应的滤波器（低通、高通）技术指标。、源代码1.function = DFT(ft,t,fs)figure;w,m=freqz(ft,512);h=abs(w);plot(m/pi*fs/2,h);N=5000;subplot(3,1,1);stem(t,ft,'.');grid on;xlabel('t'),ylabel('ft');title('实际抽样信号');k=0:N-1;Fw=fft(ft,N);subplot(3,1,2);w,m=freqz(ft,512);h=abs(w);p

10、lot(m/pi*fs/2,h);title('抽样信号幅度谱')subplot(3,1,3);plot(k-1)*fs/N,angle(Fw);grid on;axis(0 350 -4 4);title('抽样信号相位谱')end、结果分析 谱分析即对信号做DFT处理，再根据得到的频率谱和相位谱分析信号，找到需要的频率段，滤除不需要的。通过对原信号（这里以动态信号为例）进行谱分析可知，信号中存在三种频率的信号，50Hz、150Hz、250Hz，可以对其进行滤波消除其中的一个或者几个频率。第三题选择高/低/带通/带阻计算相关参数选择汉宁窗/矩形窗选择FIR/I

11、IR得到滤波器选择高/低/带通/带阻计算相关参数选择切比雪夫/巴特沃斯、题目滤波器设计 根据以上技术指标（通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减） ，设计数字滤波器，生成相应的滤波器系数，并画出对应的滤波器幅频特性与相频特性。IIR DF 设计：可选择滤波器基型（巴特沃斯或切比雪夫型）；FIR DF 设计：使用窗口法（可选择窗口类型，并比较分析基于不同窗口、不同阶数所设计数字滤波器的特点）。、源代码1.FIRfunction hd,N = FIR(windows,freq)figure;switch freq case 0 frq='high' wp=pi*0.

12、45; ws=pi*0.40; wc=(wp+ws)/2/pi; Bt=wp-ws; case 1 frq='stop' wpu=pi*0.44; wpl=pi*0.14; wsu=pi*0.40; wsl=pi*0.18; wc=(wsl+wpl)/2/pi,(wsu+wpu)/2/pi; Bt=wsl-wpl; case 2 wp=pi*0.2; ws=pi*0.15; wc=(wp+ws)/2/pi; Bt=wp-ws; case 3 wsu=pi*0.44; wsl=pi*0.14; wpu=pi*0.40; wpl=pi*0.18; wc=(wsl+wpl)/2/pi

13、,(wsu+wpu)/2/pi; Bt=wpl-wsl; otherwiseendswitch windows case 0 N0=ceil(6.2*pi/Bt); N=N0+mod(N0+1,2); if freq>1 hd=fir1(N-1,wc,hanning(N); else hd=fir1(N-1,wc,frq,hanning(N); end wn=hanning(N); n=0:1:N-1; subplot(2,1,1) stem(n,hd,'.') title('汉宁窗 ') ylabel('h(n)') subplot(2,

14、1,2) stem(n,wn,'.') ylabel('w(n)') case 1 N0=ceil(1.8*pi/Bt); N=N0+mod(N0+1,2); if freq>1 hd=fir1(N-1,wc,boxcar(N); else hd=fir1(N-1,wc,frq,boxcar(N); end wn=boxcar(N); n=0:1:N-1; subplot(2,1,1) stem(n,hd,'.') title('矩形窗 ') ylabel('h(n)') subplot(2,1,2) ste

15、m(n,wn,'.') ylabel('w(n)') otherwiseendfigure;freqz(hd);end2.IIRfunction BH,AH = IIR(rp,rs,pattern,freq)figure;if pattern=0 if freq=0 wpz=0.45; wsz=0.40; N,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs); BH,AH=butter(N,wc,'high'); elseif freq=1 wpz=0.15,0.44; wsz=0.18,0.40; N,wc=buttord(wpz,wsz,r

16、p,rs); BH,AH=butter(N,wc,'stop'); elseif freq=2 wpz=0.2; wsz=0.15; N,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs); BH,AH=butter(N,wc); elseif freq=3 wsz=0.15,0.44; wpz=0.18,0.40; N,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs); BH,AH=butter(N,wc); end Bk,Bw=freqs(BH,AH); plot(Bw,20*log10(abs(Bk); grid on; xlabel('频率(kHz)'

17、); ylabel('幅度(dB)');elseif pattern=1 N1,wp1=cheb1ord(wp,ws,rp,rs'); B1,A1=cheby1(N1,rp,wp1,'high'); Bk,Bw=freqs(B1,A1); plot(Bw,20*log10(abs(Bk); grid on; xlabel('频率(kHz)'); ylabel('幅度(dB)');endend、结果 FIR FIR IIR、分析 根据谱分析的结果进行滤波，可选择高通、低通、带通、带阻，汉宁窗、矩形窗、切比雪夫、巴特沃斯。根据

18、w=f*2*pi/fs计算参数，通过查看工具箱文档，带阻与带通的w与高通、低通不同，需要用两个个矩阵表示，设置过渡带，设计滤波器。第四题与滤波器系统函数卷积得到滤波后函数选择FIR/IIR调用工具箱函数filtic（1） 题目数字滤波 根据设计的滤波器系数， 对测试信号进行数字滤波， 展示滤波后信号的幅频特性与相频特性，分析是否满足滤波要求（对同一滤波要求，对比分析各类滤波器的差异） 。 IIR DF：要求通过差分方程迭代实现滤波（未知初值置零处理） ； FIR DF：要求通过快速卷积实现滤波（对于长序列，可以选择使用重叠相加或重叠保留法进行卷积运算） 。（2） 源代码1.FIRfunctio

19、n yn = flit(hd,ft,freq,t,windows)figure;subplot(2,1,1);yn=conv(hd,ft);plot(yn);if windows=0 axis(70 155 1.1*min(yn) 1.1*max(yn);elseif windows=1 axis(40 100 1.1*min(yn) 1.1*max(yn);end title('滤波后图像')subplot(2,1,2);if freq=0 yy=100*sin(2*pi*250*t); plot(t,yy); title('理想滤波后图像')elseif f

20、req=1 yy=100*sin(2*pi*250*t)+100*sin(2*pi*50*t); plot(t,yy); title('理想滤波后图像')elseif freq=2 yy=100*sin(2*pi*50*t); plot(t,yy); title('理想滤波后图像')elseif freq=3 yy=100*sin(2*pi*100*t); plot(t,yy); title('理想滤波后图像')endend2.IIRfunction yn = flit1(ft,BH,AH)ys=0;xi=filtic(BH,AH,ys);yn=

21、filter(BH,AH,ft,xi);n=0:length(yn)-1;figure;plot(n,yn);xlabel('n');ylabel('y(n)');end（3） 结果 FIR FIR IIR （4） 分析FIR通过对信号和生成的窗函数进行卷积，得到滤波后的波形，可以画出理想滤波的波形，对比两幅图可以看出滤波效果较为理想IIR将生成的滤波器系数A、B与原信号输入filter函数中可得到滤波后图像对比理想滤波波形，可以看出滤波效果较为理想第五题（1） 题目将一段语音作为测试信号， 通过频谱展示和语音播放，对比分析滤波前后语音信号的变化，进一步加深对数

22、字信号处理的理解。（2） 源代码function = voice()x,fs=audioread('E:test.wav'); %原信号n=size(x,1); %提取采样信号的长度t=(0:length(x)-1)/fs; %计算样本时刻figure;subplot(2,1,1);stem(t,x,'.');grid on;xlabel('t'),ylabel('x');title('实际抽样信号');k=0:n-1;Fw=fft(x,n);subplot(2,1,2);plot(k-1)*fs/n,abs(Fw

23、);grid on;title('抽样信号幅度谱')pp=7000;ss=5000;wp=pi*pp*2/fs;ws=pi*ss*2/fs;wc=(wp+ws)/2/pi;Bt=wp-ws;N0=ceil(6.2*pi/Bt); N=N0+mod(N0+1,2); hd=fir1(N-1,wc,hanning(N);wn=hanning(N);n=0:1:N-1;subplot(2,1,1)stem(n,hd,'.')title('汉宁窗 ')ylabel('h(n)') subplot(2,1,2)stem(n,wn,'

24、.') ylabel('w(n)')figure;X=x(:,1)',x(:,2)'yn=conv(hd,X);plot(yn);DFT2(yn,fs);sound(yn);（3） 结果（4） 分析使用audioread读入wav音频文件，将声音信息存储在一个矩阵中，对信号进行谱分析和滤波的步骤与动态信号相同。使用sound函数播放滤波后的音频比较与原音频的区别第六题（1） 题目设计GUI界面（2） 源代码clear allclose allclcglobal h_axes1;global h_axes2;interface=figure('na

25、me','信号滤波演示系统','position',100,40,1200,800);clf reset;set(interface, 'defaultuicontrolfontsize' ,12); set(interface, 'defaultuicontrolfontname' , '宋体' ); h_axes1=axes('parent',interface,'position',0.2 0.28 0.25 0.56,'Unit','norma

26、lized','visible','off');h_axes2=axes('parent',interface,'position',0.55 0.28 0.25 0.56,'Unit','normalized','visible','off'); figcolor=get(interface,'color');button_voice=uicontrol(interface,'style','radio',&#

27、39;string','音频信号','position',190 50 100 30,'callback','wav_sig=0');button_sig=uicontrol(interface,'style','radio','string','普通信号','position',320 50 100 30,'callback','wav_sig=1'); button_pick_way=uicontrol(in

28、terface,'style','popup','string','选择读入信号方式|动态|静态','position',450 50 100 30,'callback',. 'pick_way = GUI_order(button_pick_way);');button_freq=uicontrol(interface,'style','popup','string','选择频率|高通|带阻|低通|带通','p

29、osition',570 50 100 30,'callback',. 'freq = GUI_order(button_freq);');button_FIR_IIR=uicontrol(interface,'style','popup','string','选择滤波器|FIR|IIR','position',690 50 100 30,'callback',. 'choose = GUI_order(button_FIR_IIR);');button_windows=uicontrol(interface,'style','popup','string','FIR相关设置|汉宁窗|矩形窗','position',810 50 100 30,'callback',. 'windows = GUI_order(button_windows);');button_pattern=ui