设计指导书 数字信号处理课程设计(1周)

1、数字信号处理课程设计指导书l 基础设计题目：语音信号的数字滤波×数字滤波器的×设计【说明】题目中的“×”主要有以下几种：² IIR数字滤波器的冲激响应不变法设计² IIR数字滤波器的双线性变换法设计² FIR数字滤波器的（矩形）窗函数法设计² FIR数字滤波器的（三角）窗函数法设计² FIR数字滤波器的（汉宁）窗函数法设计² FIR数字滤波器的（海明）窗函数法设计² FIR数字滤波器的（Bartlett）窗函数法设计² FIR数字滤波器的（凯泽）窗函数法设计l 设计步骤及要求一、 语音

2、信号的采集：1. 利用Windows系统采集：（1） 按“开始程序附件娱乐录音机”的顺序操作打开Windows系统中的录音机软件（2） 用麦克风录入自己的声音信号并保存成文件（语音信号的长度不得少于1秒）（3） 记录以下内容：l 语音信号文件保存的文件名、格式（扩展名，一般应为“.wav”）l 语音信号的采样速率（建议保存语音文件时选择采样频率等于8000Hz）l 语音信号的时间长度2. 利用MP3等设备采集：（1） 用MP3等设备的麦克风录入自己的声音信号并保存成文件（2） 记录以下内容：l 语音信号文件保存的文件名、格式（扩展名，一般应为“.wav”，若不是，需转换成“.wav”格式）l

3、语音信号的采样速率l 语音信号的时间长度二、 语音信号的频谱分析：1. 将上一步骤中保存下来的语音信号文件“*.wav”复制到计算机装有Matlab软件的磁盘中相应Matlab目录中的“work”文件夹中2. 双击桌面上Matlab软件的快捷图标，打开Matlab软件3. 在菜单栏中选择“FilenewM-File”或是点击快捷按钮，打开m文件编辑器4. 在m文件编辑器中输入相应的指令将自己的语音信号导入Matlab工作台说明：l 比较常用的语音文件导入指令为：wavread（），具体使用方法可以在Matlab命令窗口中键入“help”指令查询；l 一般情况下录入的双声道语音信号中（主要指.w

4、av文件）右导入交保存为变量后，其变量应当是一个二列的二维数组，其中每一列对应一个声道，数组的行数等于采样速率与时间的乘积（即单声道的采样点数）；l 有的同学对利用fft( )函数求取信号频谱的形式不太清楚，我这里说明一下：（以下面这段程序为例）s, fs=wavread(' speech.wav '); %将语音文件“speech.wav”中的波形信号值赋值给数组s %将采样速率赋值给变量fsL=2floor(log2(length(s) ; %取被处理信号的长度为小于语音信号长度的最大的2整数次幂s1=s(200:200+L-1); %舍弃语音信号起首空白部分，取被处理信号

5、s1的长度为Lwavwrite(s1, fs,'s1.wav'); %将被处理信号s1输出为语音文件“s1.wav”s2=awgn(s1,15); %在被处理信号s1上迭加15dB的AWGN，并赋值给数组s2wavwrite(s2,fs,'s2.wav'); %将含噪声的信号s2输出为语音文件“s2.wav”S1=fft(s1); %将被处理信号s1求取L点的FFT，其频谱赋值给数组S1n=0:L-1; %定义时间序号n，长度与被处理信号s1相同subplot(311); %把一个图形窗口中分三行一列，在第一个分区中画图plot(n,s1); %绘制被处理的语音

6、信号的时间域波形k=0:L-1; %定义频谱序号k，长度与被频谱S1相同subplot(312); %在图形窗口第二个分区中画图plot(k,abs(S1); %绘制被处理的语音信号的FFT幅频特性|DFTs1(n)|detf=fs/L; %计算频率分辨率，并赋值给变量detfsubplot(313); %在图形窗口第三个分区中画图plot(k(1:L/2)*detf,abs(S1(1:L/2); %绘制被处理的语音信号s1的实际幅频特性（正频率段）FFT与实际连续信号频谱的对应关系：上图是程序程序执行结果，其中第二个图是信号的FFT结果，其横坐标的具体值是X(k)中的序号k；第三个图是确定滤

7、波频率范围的参考图，其横坐标的具体值应当是遵循DFT定义式和频率分辨率求得的：，当k等于0时， ，从数字角频率上看，对应的正好是即直流的位置，也就是说，大家在取滤波频段时，应当将主要能量（即红色框框住的部分）保留，其余频段部分的信号滤除。至于对于主要能量具体值的确定由大家自己设定。频率分辨率：X(k)=DFTx(n)相当于是信号x(n)的实际频谱X(ej)=DTFTx(n)的采样，而x(n)又是连续时间语音信号x(t)的采样。X(k)的每两个相邻取值之间的频率间隔大小对应到语音信号x(t)的频谱中去，其频率间隔大小正好是，称频率分辨率。5. 编写程序段，利用Matlab中已有的FFT程序函数和

8、画图程序函数对导入的语音信号进行分析，并根据自己的语音信号频谱中主要能量的分布特征确定自己的语音信号所在的频段说明：l 比较常用的FFT求取命令函数为fft（），具体使用方法可以在Matlab命令窗口中键入“help”指令查询l 比较常用的绘图指令为：plot（）和subplot( )，具体使用方法可以在Matlab命令窗口中键入“help”指令查询6. 记录以下内容：² 你在信号频谱分析时所截取的语音信号的长度N² 利用fft( )函数和绘图指令分析你自己语音信号的频谱图（可以直接在Matlab绘图窗口保存）² 你所认为你的读音信号的能量主要频段（）三、 滤波器

9、的设计：1. 确定滤波器的参数：l 根据上一步骤中设定的自己语音信号主要能量分布的频段（）设定要设计的滤波器的通带截止频率、阻带截止频率（注意模拟角频率和数字角频率之间的转换关系）l 确定你所要设计的滤波器的通带允许最大衰减（）和阻带必须达到的最小衰减（）l 确定你所要设计的滤波器的类型（LPF、BPF、HPF、BSF）2. 设计滤波器：（1） 确定你所要设计滤波器采用哪一种方法（IIR还中FIR）（2） 根据上一步骤所设定的滤波器参数进行滤波器的设计（起到数字滤波器的系统函数H（z）求出）（3） 验证自己所设计的数字滤波器的频率响应是否满足要求3. 用matlb编程语句实现并写入你所编写的m

10、文件中，命名，保存4. 在设计说明书中记录以下内容：l 设计的滤波器的通带截止频率、阻带截止频率l 设计过程l 设计结果（主要有数字滤波器的系统函数H（z）、数字滤波器的频率响应说明：l 以上滤波器设计过程中的所有相关的计算基本上在Matlab中都能找到相应的函数来辅助计算，充分利用matlab所提供的各种运算函数可以大大地简化设计运算，具体使用方法可以参见相关的参考书。四、 叠加噪声：1. 产生一个长度为N的噪声信号2. 将噪声信号迭加到语音信号上，导出，保存成“*.wav”文件。（具体方法可参见第2页程序段）说明：l 比较常用的语音文件导出指令为：wavwrite（），具体使用方法可以在M

11、atlab命令窗口中键入“help”指令查询l 比较常用的噪声生成叠加指令为：awgn（），具体使用方法可以在Matlab命令窗口中键入“help”指令查询3. 将语音与噪声合成的信号送入你所设计的滤波器中进行滤波说明：l 若你所设计的滤波器是用单位采样响应h(n)表示的，可以利用带噪声语音与h(n)做时域卷积，即：。在Matlab中，卷积运算可以用函数“conv( )”实现，具体用法可用“help conv”命令在Matlab命令窗口下查询l 若你所设计的滤波器是用频率响应表示的，可以利用带噪声语音的频谱（即快速傅里叶变换的结果）与做频域乘积，即：，先得到滤波结果的频谱，再取离散傅里叶反变换

12、，得到滤波结果的时域波形采样。相乘时，要注意滤波器的频率响应函数的采样与带噪声语音的频谱二者必须具有相同的频率分辨率，否则滤波结果不会正确。4. 将滤波结果导出保存成“*.wav”文件。五、 滤波效果分析：1. 比较滤波前（含噪声信号的文件）和滤波后的语音信号效果2. 计算滤波前后的信噪比（可以用能量比来进行计算）3. 记录以下内容：l 滤波前（含噪声信号）的文件名称和滤波后的文件名称l 滤波前（含噪声）的信号和滤波后信号的信噪比l 信号采样的频率分辨率。l 其它设计题目：u 基于matlab的数字电子琴的×设计【说明】要求对已有的数字电子琴做功能完善（包括键盘控制、音量调节控制、谐

13、音或辅音完善、音阶扩展等），题目中的“×”主要有以下几种：² 古典模式² 摇滚模式² 民谣模式² 舞曲模式u 设计题目：×音乐的频域分析【说明】要求对同一类别的音乐信号（至少要包括五首乐曲）做详细的时-频域分析（主要涉及能量分布特征、节奏特征），并找到与之相近的生理或自然信号加以比较，题目中的“×”主要有以下几种：² 古典² 摇滚² 民谣² 舞曲u 设计题目：基于simulink的音频采集回放系统的设计【说明】利用simulink库中提供的模块构建一个实时的音频采集回放系统，要求系统能

14、够实现音频实时采集、播放、记录、显示分析等功能u 设计题目：音频信号剪辑系统的设计【说明】利用matlab的GUI功能设计并实现一个音频剪辑系统，要求系统能够实现音频导入、显示、剪切、复制、粘贴、放大、融合等功能u 自拟题目【说明】要求设计内容、方法、工作量等符合数字信号处理课程设计的基本要求（由指导教师核准）附件1：课程设计任务书示例附件2：课程设计说明书模板示例课 程 设 计 任 务 书专 业班 级姓 名设 计 起 止 日 期2011-6-272010-7-1设计题目：语音信号的数字滤波×数字滤波器的×设计设计任务（主要技术参数）：1. 语音信号的采样录音（、N）；2.

15、 语音信号的频谱分析（）3. 语音信号的加噪（）；4. 数字滤波器的设计（，滤波器的阶数）；5. 滤波结果输出及效果分析（）指导教师评语：成绩： 签字：年 月 日8课程设计说明书 NO.2设计题目语音信号的数字滤波×数字滤波器的×设计一、课程设计的目的通过对常用数字滤波器的设计和实现，掌握数字信号处理的工作原理及设计方法；掌握利用数字滤波器对信号进行滤波的方法。并能够对设计结果加以分析。二、设计步骤（参考前面指导书“一四”内容，要求至少包括：² 语音信号的采样录音（记录、N，含单位）；² 语音信号的频谱分析（记录，含单位）；频谱分析部分要有截图说明；&#

16、178; 语音信号的加噪（记录，含单位）；² 数字滤波器的具体设计（计算）过程（记录，含单位；滤波器的阶数）；² 程序清单² ）   三、设计结果与分析 （参考前面指导书“五”的内容，要求至少包括：² 原始语音信号波形图² 加噪声以后的语音信号波形图² 滤波后的语音信号波形图² 加噪声以后的语音信号的信噪比（SNR1）² 滤波后的语音信号的信噪比（SNR2）² 效果分析总结）四、设计体会 五、参考文献参考文献要列出3篇以上，格式如下：1 谢宋和, 甘 勇. 单片机模

17、糊控制系统设计与应用实例M. 北京: 电子工业出版社, 1999.5：20-25（参考书或专著格式为:著者. 书名M. 版本(第1版不注). 出版地:出版者, 出版年月：引文所在页码）2 潘新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术M, 第2版. 北京: 电子工业出版社, 2003.4：305-350（1本书只能作为1篇参考文献，不能将1本书列为多个参考文献）3 范立南, 谢子殿. 单片机原理及应用教程M. 北京: 北京大学出版社, 2006.1：123-1304 Newman W M, Sbroull R F. Principles of Interactive Computer GraphicsM. New York: McGraw Hill, 1979.10：10-255卜小明, 龙全求. 一种薄板弯曲问题的四边形位移单元J. 力学学报, 1991,23(1):53-60（参考期刊杂志格式为: 作者. 论文题目J. 期刊名, 出版年, 卷号(期号): 页码）（期刊名前不写出版地）6 Mastri A R. Neuropathy of diabetic neurogenic bladderJ. Ann