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：评 语：通信与信息工程学院二一五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，

2、同时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。3、 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。0一、 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；(2) 学会用MATLAB对数字信号进行

3、时间翻转、上采样、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。3、 设计过程： 分析：对语音信号进行下采样得x

4、(k/2)，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，其变化加快，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。运行结果：二、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对信

5、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），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

6、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，其变化加快，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：下图为用IIR低通滤波器对语音信号处理4、 思考题：

7、（1） 语音信号进行下采样后的信号频谱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MATLAB信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；(3) 掌握用IIR数字滤波

8、器的MATLAB实现方法，并能绘制滤波器的幅频特性、相频特性；(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MATLAB滤波器设计函数分别设计这三个数字滤波器，并绘图

9、显示其幅频特性曲线；(4) 调用滤波函数filter，用所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 其中，称为载波，为载波频率，称为单频调制信号，为调制正弦波信号频率，且满足>。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+，差频-，这两个频率成分关于载波频率对称。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

10、路调幅信号相加形成的混合信号，长度N=800N=800; %信号长度N为800Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采样频率Fs=10kHz，Tp为采样时间t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp; fc1=Fs/10; %第1路调幅信号载波频率fc1=1000Hzfm1=fc1/10; %第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100Hzfc2=Fs/20; %第2路调幅信号载波频率fc2=500Hzfm2=fc2/10; %第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50Hzfc3=Fs/40; %第3路调幅信号载波频率fc3=250Hzfm3=fc3/10; %第3路调幅

11、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3、 设计过程：分析：先将s(t)信号三路调幅信号分离，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

12、下为三个滤波器的参数：低通：fp=300;fs=320; 带通：fpl=400;fpu=580;fsl=300;fsu=700; 高通：fp=800;fs=780;运行结果：4、 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，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=1600，对st进行N点FFT可以得到6根理想谱线。如果取N=1800，可

13、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=1800，能得到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对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

14、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，选择信号等。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：

15、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：4、 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的方法，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

16、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MATLAB中运行时出错，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

17、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里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

18、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，通过分析信号时域和频域的关系等，加深了对滤波性能的理解，而且学会了使用Matlab一些基本函数，增加了进一步学习Matlab软件的兴趣。同时，通过本次课程设计，锻炼了我的动手能力，和提高了我分析问题，解决问题的能力。在本次课程设计中,将一大堆的数字经过各种变换，就会产生不同的效果，实现不同的功能。这次的课程设计是理论与实践的结合，在设计的过程中，我们不断的看课本查阅资料同别人探讨，这不仅使自己的理论知识得到了巩固，同时也提高了自己分析问题解决问题的能力。这次的课程设计使我对学习的兴趣有了很大的提高，在此我非常感谢各位老师的辛勤培育。设计工程中所遇到的问题及解决方法：1、 语言信号的采集：自己所用的电脑系统是Windows旗舰版的，用自己的电脑录音机录得语音信号不是设计所要求的.wav格式的，频率是44kHz的，不符合设计要求所要求的8k