数字信号处理课程设计报告

1、 数字信号处理课程设计报告姓名:张亮学 号：1121302114学 院:计算机工程学院专 业:通信工程(1122)题 目:数字调音台2014年11月目 录1 引言（或绪论）32 课程设计题目描述和要求32.1 题目描述32.2 设计要求33 课程设计报告内容43.1 总体设计43.2 详细设计43.2.1 播放器设计43.2.2 噪声模块43.2.3 滤波模块43.2.4关键代码设计43.3 结果分析63.3.1程序运行结果图63.3.2结果分析18结 论20致 谢21参 考 文 献221 引言（或绪论）数字调音台是一种常见的语音信号处理的工具，在处理数字音乐信号时祈祷相当重要的作用。它主要可

2、实现多路信号的输入、每路信号可单独处理，可以实现对信号在高音、中音、低音方面的音质补偿或增强等。在本设计中主要针对一路信号进行处理，采用以matlab为主要设计工具，设计高通、带通、低通、带阻几种滤波器，对语音信号进行信号波形、频域等信息的观察和滤波处理，对语音信号的特点进行研究，以观察信号处理前后的特征，巩固课程中学过的关于滤波器设计的方法。其中关键技术是：1.matlab中音乐信号的读取和播放等功能；2. 高通、带通、低通、带阻几种滤波器的设计方法的编程实现。2 课程设计题目描述和要求2.1 题目描述本设计中用matlab进行仿真设计，要求如下：1、请任选一首你喜爱的歌曲（最好歌曲可以通过

3、菜单选择），采用已经学过的信号处理知识，设计高通、带通、低通、带阻几种滤波器，对其进行数字信号滤波，观察信号的变化； 2、实时显示处理前的信号频谱和处理后的信号频谱；3、设计系统界面：为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面，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等；4、通过扬声器播放处理过的信号，听信号有什么变化。2.2 设计要求1）研究语音信号的特点；2）探讨语音分析与识别、处理的基本理论基础、关键技术；3）写出各步骤的MATLAB的程序代码；4）分析信号的时域波形与频谱；分析滤波前后信号的波形与频谱；5）解释为什么电话中唱歌，不好听？ 6

4、）滤波器的设计可采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool。3 课程设计报告内容3.1 总体设计按照设计要求，主程序的模块可分为如下几个部分：播放器、加噪声、滤波器，对应的功能结构如下图所示：图3-1 总程序框图主程序播放器加噪声滤波器打 开 文 件 播放、暂停、继续音 量 、语 速 简 单 噪 声高 斯 噪 声IIR滤 波 器FIR 滤 波 器3.2 详细设计3.2.1 播放器设计播放器的主体功能有：1.文件的打开、播放、暂停、继续等；2.音频信号的音量调节、语速调节等。相关的matlab函数有uigetfile; wavread; audioplayer (x,F

5、s); play(player); pause(player) resume(player)等，音量大小可以通过调整audioplayer (x,Fs)中的参数x和Fs来调节。3.2.2 噪声模块噪声主要有简单噪声和随机噪声（高斯白噪声），产生噪声函数后加到原信号x上，然后播放加噪后即可。3.2.3 滤波模块常见的数字滤波器主要有IIR滤波器和FIR滤波器两种，按损耗特性又分为低通、高通、带通、带阻四种。本次设计中用到的IIR滤波器采用椭圆形滤波器设计；FIR滤波器采用窗函数法设计（hanning hamming blackman kaiser各一种）。3.2.4关键代码设计1） 文件操作部分

6、filename,pathname=uigetfile('*.wav','');%打开文件x,Fs,nbits=wavread(pathname filename);player=audioplayer(x,Fs);%获取文件信息play(player);%播放pause(player);%暂停resume(player);%继续2） 加入噪声部分noise=10*sin(2000*pi*t);%简单噪声的产生，高斯噪声为noise=0.01*randn(N,1);x2=noise(:,1);x3=x1+x2;%合成加噪信号cn=1;%将加入简单噪声标记为1，高

7、斯噪声为2，为后面作图做准备player=audioplayer(x3,Fs);%高斯噪声为x5play(player);%播放音乐对比效果3） IIR滤波器部分（一）fp=3500;fs=4000;%设置滤波器参数wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=1;rs=40;N=length(x);T=1/Fs;Tp=N*T;t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp;N1,wpo=ellipord(wp,ws,rp,rs);%用椭圆形滤波器设计低（高）通滤波器B,A=ellip(N1,rp,rs,wpo);%默认低通 B,A=ellip(N1,rp,rs,wpo,'

8、;high');为高通%省略绘图部分3） IIR滤波器部分（二）fpl=2000;fpu=3000;fsl=1750;fsu=3250; %设置滤波器参数wp=2*fpl/Fs,2*fpu/Fs;ws=2*fsl/Fs,2*fsu/Fs;rp=1;rs=40;N=length(x);T=1/Fs;Tp=N*T;t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp;N1,wpo=ellipord(wp,ws,rp,rs); %用椭圆形滤波器设计带通（阻）滤波器B,A=ellip(N1,rp,rs,wpo);%默认带通B,A=ellip(N1,rp,rs,wpo,'stop&#

9、39;);为带阻4） FIR滤波器部分（一）ws=2*pi*4000/Fs;wp=2*pi*4100/Fs;Bt=wp-ws;N0=ceil(6.2*pi/Bt);%hanning窗特性，hamming窗为6.6*piN=N0+mod(N0+1,2);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N-1,wc,hanning(N);%默认低通hn=fir1(N-1,wc,'high',hamming(N);为高通5） FIR滤波器部分（二）wlp=2*pi*1550/Fs; wls=2*pi*2000/Fs;wus=2*pi*4500/Fs; wup=2*pi*5450/Fs

10、;wc=(wlp+wls)/2/pi,(wus+wup)/2/pi;B=wls-wlp;M=ceil(12*pi/B)-1;hn=fir1(M,wc,blackman(M+1);%默认带通，写stop为带阻；3.3 结果分析3.3.1程序运行结果图图3-1 系统界面设计图3-2 原信号与加噪声后信号波形图3-3 原信号与加噪声后信号频谱图图3-4 原信号与加噪声后信号语谱图图3-5 IIR低通滤波器特性和处理后信号信息图3-6 IIR高通滤波器特性和处理后信号信息图3-7 IIR带通滤波器特性和处理后信号信息图3-8 IIR带阻滤波器特性和处理后信号信息图3-9 FIR低通滤波器特性和处理后信

11、号信息图3-10 FIR高通滤波器特性和处理后信号信息图3-11 FIR带通滤波器特性和处理后信号信息图3-12 FIR带阻滤波器特性和处理后信号信息3.3.2结果分析1） 数字音乐和加噪声后的波形图、频谱图、语谱图如图3-2、3-3、3-4所示，图3-5到图3-8为IIR滤波器的特性曲线和滤波后信号的信息，图3-9到图3-12为FIR滤波器的特性曲线和滤波后信号的信息。2） 通过扬声器播放处理后的音乐可以明显感觉到处理前后的不同：1.低通滤波器处理后声音最接近原音乐信号，因为低频信号集中了大部分的能量，同时低频信号因为带宽较小，所以噪声信号的能量较小，在对白噪声的处理时效果最好，高通信号相反

12、。2.带通滤波器处理后的信号，在播放时噪声比较大，因为我选取的通带范围是在原信号频谱中取值较低的部分，而带阻信号与带通信号恰好相反。3） 从本设计的结果上分析电话中唱歌不好听的原因：低频信号集中了大部分的声音信息，高频部分的能量则较小，而实际的噪声多为高斯白噪声，在低频区域的信噪比较大，而高频区域的信噪比较小，高频部分受到的干扰较大，使得声音的细节受到影响，因此不好听。4） 本设计没有采用图形化设计工具FDATool和图形化信号处理设计工具SPTool，而是仅仅采用matlab中的GUI工具盒滤波器设计相关函数。结 论本次设计总体上完成了预期的目的，实现了语音信号的播放、加噪、滤波等功能，能够

13、将信号处理前后的信息实时的进行对比，便于分析信号和分析滤波器效果；能够将处理前后的语音信号通过扬声器播放，可以直观感受到调音的效果；有简洁明了的用户界面，交互性较好。本设计的不足之处有：1.滤波器的设计方法较为单一，比如IIR滤波器只有椭圆形滤波器，没有将巴特沃斯滤波器等其他滤波器的设计方法融入到设计中；2. 在加入简单噪声的模块上由于没有加入较合适的噪声，加入简单噪声的效果不明显；3. 没有多路信号的输入输出，仅仅对一路信号进行了处理。对于这些不足，在以后的设计中我一定会多加考虑，将设计做的更好。致 谢这次数字信号处理课程设计结束了，期间我经历了很多的困难，最终在老师和同学的共同努力下顺利完

14、成课程设计。从本次课程设计的结果上看，我成功的把设计要求完成了。实践过程是我们学习中必不可少的条件，首先我要感谢学校能够给我们提供这样的平台，为我们能够在这一周的学习中得到收获提供了条件，如果没有学校为我们安排一周的时间和机房的开放的机会，我们就缺少了这样的条件来学习，通过学校安排的实践的机会，我们的学习不再停留在纸面上，我觉得很欣慰，而且实验室每天都被打扫的很整洁，管理员老师的辛勤劳动给了我们很深的印象；另外，还要感谢我们的指导老师们，在我们课程设计的过程中，她们全程指导，尽心尽力的辅导我们，有不明白的问题我们随时向他们请教，老师的热心指导使我们完成这次设计必不可少的条件，老师还不时的向我们提出修改的意见，让我们能够将程序设计的更加尽善尽美；在一周的设计过程中，陪伴我最多的当然还是我的同学们，感谢同学们一起努力，在我程序出现问题的时候，是他们用以前实验课积累的一些经验来帮我更快的解决问题，比如在设计IIR滤波器，绘制滤波器损耗曲线的时候，我试了很多办法都没有解决，最后是同学教我用最终的解决方案来完成的，同学的帮助为我提高了效率，我们互相交流，互相弥补和完善，才有了最后的成果；最后，我还要感谢我使用的参考书的作者们，是他们的辛勤劳动的成果给予了我很多的便