数字信号课设报告

1、实验报告数字信号处理课程设计系别： 电信 班级： 1100 姓名： 大黄 学号： 大黄旺旺旺 指导教师签字： 啊芭芭拉1 实验时间： 2012.12.242013.1.5 10级“数字信号处理课程设计”任务书题目5利用语音信号的频率特性实现噪声滤除主要内容理解和掌握信号的频率特性以及数字滤波在语音信号中的应用，利用MATLAB对语音信号进行分析和处理，将数字信号处理的理论知识灵活运用到实际音频信号中。具体是录制二段个人的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；说明录制的情况，并对时域和频域得到的图象进行分析。设计要求1. 对采集的语音信号进行频域分析，利用频域特

2、性构造噪声，合理设置数字滤波器的参数；2. 设计指定参数的数字滤波器，并对滤波器的时域和频域特性进行分析；3. 用数字滤波器实现加噪的语音信号噪声滤除，并分析结果的合理性。参考实验指导书，自己查资料完成，鼓励自己扩展实验内容，分析结果。主要仪器设备1、计算机1台，安装MATLAB软件主要参考文献美维纳.K.恩格尔，约翰.G.普罗科斯著，刘树棠译.数字信号处理使用MATLABM.西安：西安交通大学出版社，2002. 课程设计进度计划（起止时间、工作内容）本课程设计共安排5个题目，这是其中题目之一。整个课程设计共24学时，分1.5周安排，具体进度如下：4学时 复习题目相关知识，掌握实现的原理；12

3、学时 用MATLAB语言实现题目要求；4学时 进一步完善功能，现场检查、答辩；4学时 完成课程设计报告。课程设计开始日期2012.12.24课程设计完成日期2013.1.3课程设计实验室名称信号与信息处理实验室地 点实验楼3-501、503资料下载地址11/实践环节/数字信号处理课程设计目录摘要- 3 -正文- 4 -一、目的- 4 -二、原理- 4 -三、要求- 5 -四、步骤- 5 -五、程序实现- 10 -六、程序实现- 15 -七、实验有感:- 22 -参考文献资料：- 22 -摘要Matlab在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指，它可以进行矩阵

4、运算、绘制函数和数据实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。（以上参考：陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用M.北京电子工业:23）语音信号处理是一门比较实用的学科，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段，它的应用和发展与语言

5、学，声音测量学、电子测量学以及数字信号处理等学科有着紧密的联系，它是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。（以上参考：张文.基于MATLAB语音信号的滤波域实现.山西电子工业出版社:184-195）理解和掌握信号的频率特性以及数字滤波在语音信号中的应用，利用MATLAB对语音信号进行分析和处理，将数字信号处理的理论知识灵活运用到实际音频信号中。具体是录制二段个人的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；说明录制的情况，并对时域和频域得到的图象进行分析。（以上参考：张文.基于MATLAB语音信号的滤波域实现.山西电子工业出版社:16）正文一、目的理解

6、和掌握信号的频率特性以及数字滤波在语音信号中的应用，理解采样定理、采样频率、采样位数、数字滤波器、噪声滤除、频谱分析等一般原理，利用MATLAB对语音信号进行分析和处理，将数字信号处理的理论知识灵活运用到实际音频信号中。二、原理1、采样定理：在进行模拟与数字信号的转换过程中，当采样大于最高频率的2倍时，则采样之后的数字信号完整的保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的510倍。2、采样频率：采样频率是指计算机每秒钟采样多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音频、衡量声卡、声音文件的质量标准。采样频率越高，即采样的时间间隔越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据越多

7、，对声音波形的表示也越准确。3、采样位数与采样频率： 采样位数即采样值或取样值,用来衡量声音波动变化的参数,是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数,采样频率越高声音的还原就越真实越自然。采样位数和采样率对于音频接口来说是最为重要的两个指标。无论采样频率如何,理论上来说采样的位数决定了音频数据最大的力度范围。采样位数越多则捕捉到的信号越精确。4、利用MATLAB对语音信号进行分析和处理：采集语音信号后，利用MATLAB软件平台进行频谱分析；并对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除

8、噪声，恢复原信号。（以上参考：张桂香.高爱国.语音信号采集与处理方法的研究.高师理科学刊.:2-4）5、语音信号的滤波示意图： +滤波器Matlab频谱显示语音信号噪声扬声器三、要求1. 对采集的语音信号进行频域分析，利用频域特性构造噪声，合理设置数字滤波器的参数；2. 设计指定参数的数字滤波器，并对滤波器的时域和频域特性进行分析；3. 用数字滤波器实现加噪的语音信号噪声滤除，并分析结果的合理性。四、步骤1、读取语音文件*.wav文件，利用MATLAB实现。在Matlab软件平台下可以利用函数wavread对语音信号进行采样,得到了声音数据变量x1, x,fs,Nbits =wavread(&

9、#39;c:2.wav');x2=x;x=x(:,1);；同时把x的采样频率fs=22050Hz和数据位Nbits=16Bit放进了MATALB的工作空间。画出为原始语音信号的时域图形。2、对语音信号进行频谱分析。在Matlab中可以利用函数y1=fft(x); plot(abs(y1);用fft命令对信号进行快速傅里叶变换,得到信号的频谱图，从图中可以看出对各个频点上的随机信号在频域进行抽样，抽样频率为 22050Hz。用freqz进行频谱分析，得到频谱的幅度和相位图片（figure21）。图4-1：频率响应图频谱的幅度和相位3、利用余弦函数构造一个高频噪声在Matlab中人为设计一

10、固定频率10000Hz的噪声干扰信号。噪声信号通常为随机序列,在本设计中用余弦序列代替。干扰信号构建命令函数为c1=100000*sin(2*pi*10000*k)； x2=x+c1；4、给出的干扰信号为一个余弦信号，针对上面的语音信号,采集了其中一段。再对噪音信号进行频谱变换得到其频谱图, y2=fft(c1)。用freqz对叠加信号进行频谱分析，得到频谱的幅度和相位图片（figure22）。图4-2：叠加噪声信号的频率响应图频谱的幅度和相位图5、设计合适的滤波器，滤除高频噪声由模拟滤波器变换为数字滤波器时,采用的是双线性变换法,它保留的是从模拟到数字域的系统函数表示。用双线性变换法设计低通

11、滤波器。在MATLAB 中,可以利用函数 butterworth设计低通滤波器。低通滤波器的性能指标wp=0.4*pi; %通带截止频率ws=0.6*pi; %阻带截止频率Rp=1; %通带最大衰减Rs=15; %阻带最小衰减参考命令数字巴特沃兹模拟低通滤波器函数：buttord、buttap、zp2tf、lp2l双线性变换函数：bilinear6、绘制设计的数字滤波器的频率响应曲线（freqz，fft）。图4-3：巴特沃兹滤波器 7、用以上自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波（可以在时域进行，利用conv或者filter），画出滤波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

12、的变化；用freqz对滤波后的信号进行频谱分析，得到频谱的幅度和相位图片（figure23）。图4-4：信号滤波后的频率响应图figure(10);第一张图画出原始信号时域图；滤波前的时域波形（叠加）；画出滤波后的时域图。图4-5：语音信号的时域图形对比igure(11); 利用fft分别画出原始信号频谱图，滤波前的频谱图（叠加），滤波后的频谱图。图4-4：语音信号的频谱图对比8、把噪声信号和滤波信号写到*.wav文件中。分别回放原始语音信号，叠加语音信号和滤波后语音信号，分析语音信号产生变化的本质原因。参考命令：wavwrite，sound五、程序实现clc,clear,close all;

13、fs=22050; %fs是采样频率Nbits=16; %nbit是采样精度y,fs,Nbits=wavread('1.wav'); %y是音频信号；fs是采样频率；nbit是采样精度;wavred采样函数sound(y,fs); %播放原始的语音信号L=length(y); %求出语音信号的长度time=(1:L)/fs; %时间（X轴）figure (1);plot(time,y); %做原始语音信号的时域图形，time为x轴，音频信号为y轴title('figure (1)原始语音信号的时域图形');xlabel('时间'); %横坐标yl

14、abel('幅值'); %纵坐标y1=fft(y); %对原始语音信号进行快速傅里叶变换y2=fftshift(y1); %对频谱图进行平移，让正半轴部分和负半轴部分的图像分别关于各自的中心对称figure (2);plot(abs(y1); %绘制原始语音信号的频率响应图，abs为绝对值title('figure (2)语音信号的频谱图');figure (21); freqz(y); %进行频谱分析，计算原始语音信号的频率响应title('figure (21)频率响应图频谱的幅度和相位'); %得到频谱的幅度和相位图片%建立噪声信号k=1:

15、1:L; %定义k植，噪声与原始语音长度一致c1=100000*sin(2*pi*10000*k); %干扰信号构建命令函数s=length(c1); %求干扰信号的长度 xc=fft(c1,s); %傅立叶变换xcl=fftshift(xc); %对频谱图进行平移，让正半轴部分和负半轴部分的图像分别关于各自的中心对称f=0:fs/s:fs*(s-1)/s; %得出频点figure(3);plot(f,abs(xcl); %绘制噪声信号的频谱图title('figure(3)噪声信号的频谱图'); %将噪声信号与语音信号进行叠加y=y(:,1); %对原始信号进行变换z=y&#

16、39;+c1; %叠加上噪音信号wavwrite(z,22050,'2.WAV'); %将噪音信号写入2.WAVy3=fft(z,s); %对叠加后的新信号傅立叶变换y4=fftshift(y3);%对频谱图进行平移，让正半轴部分和负半轴部分的图像分别关于各自的中心对称f=0:fs/s:fs*(s-1)/s; %得出频点figure(4);plot(f,abs(y3);title('figure(4)叠加噪声信号的频谱图'); %得到加噪声频谱图xlabel('Hz'); %横坐标ylabel('幅值');%纵坐标figure (

17、22);freqz(z); %进行频谱分析，计算叠加后语音信号的频率响应title('figure (22)叠加噪声信号的频率响应图频谱的幅度和相位图'); %滤波器设计wp=0.4*pi; %通带截止频率ws=0.6*pi; %阻带截止频率Rp=1; %通带最大衰减Rs=15; %阻带最小衰减参考命令Fs=22050; %采样频率Ts=1/Fs; wp1=2/Ts*tan(wp/2); %将模拟指标转换成数字指标ws1=2/Ts*tan(ws/2);N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s'); %选择滤波器的最小阶数Z,P,K=buttap

18、(N); %用于计算N阶巴特沃斯归一化（3dB截止频率c=1）模拟低通原型滤波器系统函数的零、极点和增益因子。Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);%将系统函数的零极点转化为系统函数一般形式的系数，z为零点的值，p为极点的值，k为系数，均为向量形式。b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); %低通向低通模拟滤波器转换bz,az=bilinear(b,a,Fs);%用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换H,W=freqz(bz,az); %绘制频率响应曲线figure(5);plot(W*Fs/(2*pi),abs(H); %画滤波器的频率响应图grid on; %给图片加上网格

19、xlabel('频率/Hz'); %横坐标名称ylabel('频率响应幅度'); %纵坐标名称title('figure(5)Butterworth巴特沃兹滤波器'); %滤波器的波形图%对叠加信号进行滤波f1=filter(bz,az,z); %滤波器，过滤数据使用figure(23);freqz(f1); %进行频谱分析，计算滤波后语音信号的频率响应title('figure(23)信号滤波后的频率响应');sound(f1,22050); %播放滤波后语音文件p=length(f1); %滤波后信号长度F0=fft(f1,p

20、); %进行傅里叶变换f=0:fs/p:fs*(s-1)/p; %计算频点figure(7);y2=fft(z,1024); %进行傅里叶变换subplot(2,1,1);%设置子图，大图含有2行1列共2个子图，正在绘制的是第1个plot(f,abs(y4); %绘制信号滤波前的频谱图title('figure(7)信号滤波前的频谱');xlabel('Hz'); %横坐标ylabel('幅值'); %纵坐标subplot(2,1,2);%设置子图，大图含有2行1列共2个子图，正在绘制的是第2个F1=plot(f,abs(F0); %绘制信号滤波

21、后的频谱图title('figure(7)滤波后的频谱');xlabel('Hz'); %横坐标ylabel('幅值');%纵坐标h=ones(1,220); %h为低通滤波器的单位冲击响应Y=conv(y',h); %时域卷积，低通滤波wavwrite(Y,22050,'3.WAV');%将滤波后的数据保存为3.WAV文件figure(10);%绘制图片10第一张图画出原始信号时域图；滤波前的时域波形（叠加）；画出滤波后的时域图。subplot(3,1,1);%设置子图，大图含有3行1列共3个子图，正在绘制的是第1个pl

22、ot(time,y); %绘制原始信号的时域图形title('figure(10)原始语音信号的时域图形');subplot(3,1,2);%设置子图，大图含有3行1列共3个子图，正在绘制的是第2个plot(time,z); %绘制叠加后信号的时域波形title('figure(10)滤波前的时域波形（叠加）');subplot(3,1,3) %设置子图，大图含有3行1列共3个子图，正在绘制的是第3个plot(time,f1); %绘制滤波后信号的时域图title('figure(10)滤波后的时域图');figure (11); %绘制图片11

23、,分别画出原始信号频谱图，滤波前的频谱图（叠加），滤波后的频谱图。subplot(3,1,1);%设置子图，大图含有3行1列共3个子图，正在绘制的是第1个plot(abs(y1); %绘制原始信号的频谱图title('figure (11)原始信号的频谱图');subplot(3,1,2);%设置子图，大图含有3行1列共3个子图，正在绘制的是第2个plot(f,abs(y4); %绘制滤波前（叠加的信号）的频谱图title('figure (11)滤波前的频谱(叠加)');xlabel('Hz'); %横坐标ylabel('幅值'

24、);%纵坐标subplot(3,1,3);%设置子图，大图含有3行1列共3个子图，正在绘制的是第3个F1=plot(f,abs(F0); %绘制滤波后的频谱图title('figure (11)滤波后的频谱')xlabel('Hz'); %横坐标ylabel('幅值');%纵坐标（部分程序参考：徐靖涛.基于MATLAB的语音信号分析与处理.重庆科技学院学报:1-3；张志涌.精通MATLAB6,5版M.北京航空航天大学出版社：4-8）六、程序实现图6-1：原始语音信号的时域图形图6-2：原始语音信号的频谱图图6-3：噪音信号的频谱图 图6-4：叠加

25、噪音信号的频谱图图6-5：巴特沃兹滤波器图6-6：信号频谱图的对比 图6-7：信号时域波形的对比图图6-8：原始语音信号的频谱图图6-9：频率的响应图频谱的幅度和相位图6-10：叠加噪声信号的频率的响应图频谱的幅度和相位图图6-10：叠加噪声信号的频率的响应图七、实验有感:通过这一个星期的课程设计，我学到了很多的东西,不仅巩固了我以前所学过的知识, 还让我学到很多在书本上所没有学到过的知识。在我们身边处处都能看到数字信号处理的相关知识的应用，从语音的识别采集处理到地震波观测，这直观的证实了数字信号处理这门课程的重要性。在这次实验中，我们在实际操作中加强实践能力，巩固了数字信号处理理论知识，培养了我们解决实际问题的能力，在设计过程中，提高我们的思考能力、动手能力。让我们在学习理论知识的同时，明白如何把这些应用于实际。这次的课程设计让我认识到了自己的不足，也认识到了我们学习的基础知识究竟能运用于什么领域，如何运用。在老师和同学的耐心指导下我发现了自己在选择巴特沃斯、切比雪夫滤波器上的问题，经过修改和调试，终于得到了应有的效果，这让我看