课程设计（论文）-数字信号的处理与滤波设计

广西工学院课程设计用纸第页共页数字信号的处理与滤波摘要数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法，对信号进行采集、滤波、增强、压缩、估值和识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的，其应用范围涉及几乎所有的工程技术领域。语音信号的处理与滤波是数字信号处理中一个重要的组成部分。本课题主要研究的就是语音信号的处理与滤波，然后设计一个用户界面实现语音的处理与滤波的功能。使用MATLAB进行滤波器的设计，使用MATLAB的GUIDE工具设计用户界面。关键词数字滤波器；双线性变换；窗函数；凯泽窗；GUIDE装订线广西工学院课程设计用纸第页共页一设计题目所选题目为设计五语音信号的处理与滤波内容录制一段个人自己的语音信号，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；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，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，分析信号的变化；回放语音信号；最后，设计一个信号处理系统界面。基本要求1语音信号的采集利用WINDOWS下的录音机，录制一段自己的话音，时间在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。通过WAVREAD函数的使用，要求理解掌握采样频率、采样位数等概念。2语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，从而加深对频谱特性的理解。其程序如下3设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标1低通滤波器性能指标FB1000HZ，FC1200HZ，AS100DB，AP1DB。2高通滤波器性能指标FC4800HZ，FB5000HZAS100DB，AP1DB。3带通滤波器性能指标FB11200HZ，FB23000HZ，FC11000HZ，FC23200HZ，AS100DB，AP1DB。要求用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。在MATLAB中，可以利用函数FIR1设计FIR滤波器，可以利用函数BUTTE，CHEBY1和ELLIP设计IIR滤波器；利用MATLAB中的函数FREQZ画出各滤波器的频率响应。4用滤波器对信号进行滤波要求用自己设计的各种滤波器分别对采集的信号进行滤波，在MATLAB中，FIR滤波器利用函数FFTFILT对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数FILTER对信号进行滤波。5比较滤波前后语音信号的波形及频谱要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。6回放语音信号在MATLAB中，函数SOUND可以对声音进行回放。其调用格式SOUNDX，FS，BITS；可以感觉滤波前后的声音有变化。7设计系统界面（用MATLAB中GUIDE工具，要求自学）为了使编制的程序操作方便，要求有能力的学生，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，选择信号等。二设计所涉及原理1对信号进行采样抽样原理要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号（即抽样不会导致任何信息丢失），必须满足信号是频带受限的信号频率区间有限；采样率至少是信号最高频率的两倍。2IIR滤波器广西工学院课程设计用纸第页共页语音信号的处理与滤波一设计题目所选题目为设计五语音信号的处理与滤波内容录制一段个人自己的语音信号，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；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，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，分析信号的变化；回放语音信号；最后，设计一个信号处理系统界面。基本要求1语音信号的采集利用WINDOWS下的录音机，录制一段自己的话音，时间在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。通过WAVREAD函数的使用，要求理解掌握采样频率、采样位数等概念。2语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，从而加深对频谱特性的理解。其程序如下3设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标1低通滤波器性能指标FB1000HZ，FC1200HZ，AS100DB，AP1DB。2高通滤波器性能指标FC4800HZ，FB5000HZAS100DB，AP1DB。3带通滤波器性能指标FB11200HZ，FB23000HZ，FC11000HZ，FC23200HZ，AS100DB，AP1DB。要求用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。在MATLAB中，可以利用函数FIR1设计FIR滤波器，可以利用函数BUTTE，CHEBY1和ELLIP设计IIR滤波器；利用MATLAB中的函数FREQZ画出各滤波器的频率响应。4用滤波器对信号进行滤波要求用自己设计的各种滤波器分别对采集的信号进行滤波，在MATLAB中，FIR滤波器利用函数FFTFILT对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数FILTER对信号进行滤波。5比较滤波前后语音信号的波形及频谱要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。6回放语音信号在MATLAB中，函数SOUND可以对声音进行回放。其调用格式SOUNDX，FS，BITS；可以感觉滤波前后的声音有变化。7设计系统界面（用MATLAB中GUIDE工具，要求自学）为了使编制的程序操作方便，要求有能力的学生，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，选择信号等。二设计所涉及原理1对信号进行采样抽样原理要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号（即抽样不会导致任何信息丢失），必须满足信号是频带受限的信号频率区间有限；采样率至少是信号最高频率的两倍。2IIR滤波器广西工学院课程设计用纸第页共页1脉冲响应不变法用数字滤波器的单位脉冲响应序列HN模仿模拟滤波器的冲激响应HAT,让HN正好等于HAT的采样值，即HNHANT其中T为采样间隔，如果以HAS及HZ分别表示HAT的拉式变换及HN的Z变换，则2双线性变换法S平面与Z平面之间满足以下映射关系S平面的虚轴单值地映射于Z平面的单位圆上，S平面的左半平面完全映射到Z平面的单位圆内。双线性变换不存在混叠问题。双线性变换时一种非线性变换，这种非线性引起的幅频特性畸变可通过预畸而得到校正。IIR低通、高通、带通数字滤波器设计采用双线性原型变换公式变换类型变换关系式备注低通高通带通带通的上下边带临界频率以低通数字滤波器为例，将设计步骤归纳如下1确定数字滤波器的性能指标通带临界频率FP、阻带临界频率FR；通带内的最大衰减AP；阻带内的最小衰减AR；采样周期T；（3）确定相应的数字角频率，P2FPT；R2FRT；（4）计算经过预畸的相应模拟低通原型的频率，；（5）根据P和R计算模拟低通原型滤波器的阶数N，并求得低通原型的传递函数HAS；（6）用上面的双线性变换公式代入HAS，求出所设计的传递函数HZ；（7）分析滤波器特性，检查其指标是否满足要求。3FIR滤波器线性相位实系数FIR滤波器按其N值奇偶和HN的奇偶对称性分为四种（1）、HN为偶对称，N为奇数广西工学院课程设计用纸第页共页HEJ的幅值关于0，2成偶对称。（2）、HN为偶对称，N为偶数HEJ的幅值关于成奇对称，不适合作高通。（3）、HN为奇对称，N为奇数HEJ的幅值关于0，2成奇对称，不适合作高通和低通。（4）、HN为奇对称，N为偶数HEJ0、20，不适合作低通。5窗口法窗函数法设计线性相位FIR滤波器步骤确定数字滤波器的性能要求临界频率K，滤波器单位脉冲响应长度N；根据性能要求，合理选择单位脉冲响应HN的奇偶对称性，从而确定理想频率响应HDEJ的幅频特性和相频特性；求理想单位脉冲响应HDN，在实际计算中，可对HDEJ按MM远大于N点等距离采样，并对其求IDFT得HMN，用HMN代替HDN；选择适当的窗函数WN，根据HNHDNWN求所需设计的FIR滤波器单位脉冲响应；求HEJ，分析其幅频特性，若不满足要求，可适当改变窗函数形式或长度N，重复上述设计过程，以得到满意的结果。窗函数的傅式变换WEJ的主瓣决定了HEJ过渡带宽。WEJ的旁瓣大小和多少决定了HEJ在通带和阻带范围内波动幅度，常用的几种窗函数有矩形窗WNRNN；HANNING窗；HAMMING窗；BLACKMEN窗；KAISER窗。式中IOX为零阶贝塞尔函数。三设计工具MATLAB701国际标准版广西工学院课程设计用纸第页共页四设计进程说明设计主要分为两大块（一）主程序这部分主要实现了设计要求的第16个要求（见附录一）1程序中首先用函数WAVREAD对所录制的语音信号（大小为5秒左右）进行采样，采样频率为FS220502画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。3利用函数FIR1设计FIR滤波器，并且用设计的滤波器对语音信号进行滤波（注主程序中所使用滤波器为FIR滤波器HAMMING窗）4比较滤波前后语音信号的波形及频谱5用SOUNDX，FS，BITS函数对所滤声音进行回放，并与原始声音进行比较（二）用户界面（包含所界面程序见附录二）这一部分主要实现了设计要求的第7步，界面中使用了所给定的三种指标分别对录制语音进行滤波。界面中可以选择滤波器的类型，可以显示滤波前的声音频域图形，滤波后的频域波形。还可以对原始波形和滤波后的波形进行比较等功能。附录一主程序FS22050X1WAVREADFIO4WAVT01/22050SIZEX11/22050AU003DAUCOS2PI5000TX2X1D加入噪声用滤波器进行滤波（汉宁窗）WP025PIWS03PIWDELTAWSWPNCEIL66PI/WDELTA取整WN0203PI/2数字截止频率BFIR1N,WN/PI,HAMMINGN1选择窗函数，并归一化截止频率FIGURE1FREQZB,1,512F2FFTFILTB,X2显示波形图FIGURE2SUBPLOT2,1,1PLOTT,X2TITLE滤波前的时域波形SUBPLOT2,1,2PLOTT,F2TITLE滤波后的时域波形显示频谱图F0FFTF2,1024FFS0511/1024FIGURE3Y2FFTX2,1024SUBPLOT2,1,1PLOTF,ABSY21512TITLE滤波前的频谱XLABELHZYLABELFUZHI画出滤波前的频谱图广西工学院课程设计用纸第页共页SUBPLOT2,1,2PLOTF,ABSF01512TITLE滤波后的频谱XLABELHZYLABELFUZHI画出滤波后的频谱图声音比较CHOOISEINPUT1、原始语音2、加噪后语音3、滤波后语音IFCHOOISE1SOUNDX1,22050播放原始语音ENDIFCHOOISE2SOUNDX2,22050播放加噪后的语音ENDIFCHOOISE3SOUNDF2,22050播放滤波后的信号END附录二界面与程序程序摘要如下广西工学院课程设计用纸第页共页FUNCTIONPUSHBUTTON1_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLES滤波后的声音IFHANDLESBUT11SOUNDHANDLESSOUND1,22050ENDIFHANDLESBUT21SOUNDHANDLESSOUND2,22050ENDIFHANDLESBUT31SOUNDHANDLESSOUND35,22050ENDIFHANDLESBUT41SOUNDHANDLESSOUND4,22050ENDIFHANDLESBUT51SOUNDHANDLESSOUND5,22050ENDIFHANDLESBUT61SOUNDHANDLESSOUND6,22050END滤波前的语音FUNCTIONPUSHBUTTON2_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESFS8000Y,FSWAVREADIO4WAVSOUNDY,FS滤波前的信息FUNCTIONPUSHBUTTON3_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESFS8000Y,FSWAVREADIO4WAVTIME1LENGTHY/FS_SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES1PLOTTIME,YTITLE时域YFFTY,8000AMPLITUDEABSYSETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES2PLOTAMPLITUDETITLE频域滤波后的信息FUNCTIONPUSHBUTTON4_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESIFHANDLESBUT11FS22050WP1000WS1200RP1RS100WC2FSTAN2PIWP/2FS先转化角频率再转换为模拟域频率WT2FSTAN2PIWS/2FSN,WNCHEB1ORDWC,WT,1,100,S在模拟域计算阶数和固有频率广西工学院课程设计用纸第页共页B,ACHEBY1N,1,WN,LOW,S利用上面得到的结果设计滤波器BZ,AZBILINEARB,A,8000用双线性变换法得到数字滤波器的原型Y,FSWAVREADIO4WAVXFILTERBZ,AZ,YXFFTX,4096SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES3PLOTXTITLE滤波后语音信号波形SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES4PLOTABSXTITLE滤波后语音信号的谱HANDLESSOUND1XGUIDATAHOBJECT,HANDLESENDIFHANDLESBUT21FS22050WP12003000/4000WS10003200/4000RP1RS100N,WNBUTTORDWP,WS,RP,RSB,ABUTTERN,WNY,FSWAVREADIO4WAVXFILTERB,A,YXFFTX,4096SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES3PLOTXTITLE滤波后语音信号波形SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES4PLOTABSXTITLE滤波后语音信号的谱HANDLESSOUND2XGUIDATAHOBJECT,HANDLESENDIFHANDLESBUT31FS22050WP5000WS4800RP1RS100WC2FSTAN2PIWP/2FS先转化角频率再转换为模拟域频率WT2FSTAN2PIWS/2FSN,WNCHEB1ORDWC,WT,1,100,S在模拟域计算阶数和固有频率B,ACHEBY1N,1,WN,HIGH,S利用上面得到的结果设计滤波器BZ,AZBILINEARB,A,22050用双线性变换法得到数字滤波器的原型Y,FSWAVREADIO4WAVXFILTERBZ,AZ,YXFFTX广西工学院课程设计用纸第页共页SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES3PLOTXTITLE滤波后语音信号波形SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES4PLOTABSXTITLE滤波后语音信号的谱HANDLESSOUND3XGUIDATAHOBJECT,HANDLESENDIFHANDLESBUT41YWAVREADIO4WAVFS1000FP1200FS22050WSFS/FS2PIWPFP/FS2PIW1WSWP/2WIDTHWPWSNCEIL128PI/WIDTH1WINDOWKAISERN,10056W1W1/PIBFIR1N1,W1,WINDOWY1FFTFILTB,YY1FFTY1,2048SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES3PLOTY1TITLE滤波后的时域波形SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES4PLOTABSY1TITLE滤波后的频域波形HANDLESSOUND4Y1GUIDATAHOBJECT,HANDLESENDIFHANDLESBUT61FS22050Y,FSWAVREADIO4WAVFS5000FP4800FS22050WSFS/FS2PIWPFP/FS2PIW1WSWP/2理想高通滤波器中心频率WIDTHWSWPNCEIL128PI/WIDTH1WINDOWKAISERN,10056WINDOWKAISERN,HANDLESBETA广西工学院课程设计用纸第页共页W1W1/PIBFIR1N1,W1,HIGH,WINDOWY1FFTFILTB,YY1FFTY1,2048SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES3PLOTY1TITLE滤波后的时域波形SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES4PLOTABSY1TITLE滤波后的频域波形HANDLESSOUND6Y1GUIDATAHOBJECT,HANDLESENDIFHANDLESBUT51通过FIR带通滤波器输入带通滤波器的通带截止频率FP1，FP2阻带截止频率FS1,FS2和BETA值FS22050FS1000FP1200FP23000FS23200Y,FSWAVREADIO4WAVWS1FS/FS2PIWP1FP/FS2PIWP2FP2/FS2PIWS2FS2/FS2PIW1WS1WP1/2W2WP2WS2/2理想带通滤波器上下截止频率WIDTHMINWP1WS1,WS2WP2过渡带宽NCEIL128PI/WIDTH1WINDOWKAISERN,10056W1W1/PIW2W2/PIBFIR1N1,W1W2,BANDPASS,WINDOWY1FFTFILTB,YY1FFTY1,2048SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES3PLOTY1滤波后波形TITLE滤波后的时域波形SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES4PLOTABSY1滤波后频谱TITLE滤波后的频域波形HANDLESSOUND5Y1GUIDATAHOBJECT,HANDLESEND广西工学院课程设计用纸第页共页FUNCTIONRADIOBUTTON5_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESFIR低通HANDLESBUT4GETHOBJECT,VALUEHANDLESBUT10HANDLESBUT20HANDLESBUT30HANDLESBUT50HANDLESBUT60GUIDATAHOBJECT,HANDLESYWAVREADIO4WAVFS1000FP1200FS22050WSFS/FS2PIWPFP/FS2PIW1WSWP/2WIDTHWPWSNCEIL128PI/WIDTH1WINDOWKAISERN,10056W1W1/PIBFIR1N1,W1,WINDOWY1FFTFILTB,YY1FFTY1,2048SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES1PLOTY1AXIS0,8000,300,10GRIDXLABEL频率/HZYLABEL幅度/DBEXECUTESONBUTTONPRESSINRADIOBUTTON5FUNCTIONRADIOBUTTON2_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESHANDLESBUT1GETHOBJECT,VALUEHANDLESBUT20HANDLESBUT30HANDLESBUT40HANDLESBUT50HANDLESBUT60GUIDATAHOBJECT,HANDLESFS8000WP1000WS1200RP1RS100WC2FSTAN2PIWP/2FS先转化角频率再转换为模拟域频率广西工学院课程设计用纸第页共页WT2FSTAN2PIWS/2FSN,WNCHEB1ORDWC,WT,1,100,S在模拟域计算阶数和固有频率B,ACHEBY1N,1,WN,LOW,S利用上面得到的结果设计滤波器NUM,DENBILINEARB,A,8000用双线性变换法得到数字滤波器的原型H,WFREQZNUM,DEN求幅频响应SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES1FW/PI4000将角频率转化为HZ，500是采样频率的一半PLOTF,20LOG10ABSH将幅频响应表示成分贝并画出图形AXIS0,5000,300,10GRIDXLABEL频率/HZYLABEL幅度/DBHOBJECTHANDLETORADIOBUTTON2SEEGCBOEVENTDATARESERVEDTOBEDEFINEDINAFUTUREVERSIONOFMATLABHANDLESSTRUCTUREWITHHANDLESANDUSERDATASEEGUIDATAHINTGETHOBJECT,VALUERETURNSTOGGLESTATEOFRADIOBUTTON2EXECUTESONBUTTONPRESSINRADIOBUTTON3FUNCTIONRADIOBUTTON3_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESHANDLESBUT2GETHOBJECT,VALUEHANDLESBUT10HANDLESBUT30HANDLESBUT40HANDLESBUT50HANDLESBUT60GUIDATAHOBJECT,HANDLESWP12003000/4000WS10003200/4000RP1RS100N,WNBUTTORDWP,WS,RP,RSB,ABUTTERN,WNHWFREQZB,ASETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES1FW/PI4000PLOTF,20LOG10ABSH将幅频响应表示成分贝并画出图形GRIDAXIS0,5000,500,10FUNCTIONRADIOBUTTON4_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLESHANDLESBUT3GETHOBJECT,VALUEHANDLESBUT10HANDLESBUT20广西工学院课程设计用纸第页共页HANDLESBUT40HANDLESBUT50HANDLESBUT60GUIDATAHOBJECT,HANDLESFS22050WP5000WS4800RP1RS100WC2FSTAN2PIWP/2FS先转化角频率再转换为模拟域频率WT2FSTAN2PIWS/2FSN,WNCHEB1ORDWC,WT,1,100,S在模拟域计算阶数和固有频率B,ACHEBY1N,1,WN,HIGH,S利用上面得到的结果设计滤波器NUM,DENBILINEARB,A,22050用双线性变换法得到数字滤波器的原型H,WFREQZNUM,DEN求幅频响应SETGCF,CURRENTAXES,HANDLESAXES1FW/PI11025将角频率转化为HZ，500是采样频率的一半PLOTF,20LOG10ABSH将幅频响应表示成分贝并画出图形AXIS0,8000,300,10GRIDXLABEL频率/HZYLABEL幅度/DBFUNCTIONRADIOBUTTON6_CALLBACKHOBJECT,EVENTDATA,HANDLES通过FIR带通滤波器输入带通滤波器的通带截止频率FP1，FP2阻带截止频率FS1,FS2和BETA值HANDLESBUT5GETHOBJECT,VALUEHANDLESBUT10HANDLESBUT20HANDLESBUT40HANDLESBUT60HANDLESBUT30GUIDATAHOBJECT,HANDLESFS22050FS1000FP1200FP23000FS23200Y,FSWAVREADIO4WAVWS1FS/FS2PIWP1FP/FS2PIWP2FP2/FS2PIWS2FS2/FS2PIW1WS1WP1/2W2WP2WS2/2理想带通滤波器上下截止频率WIDTHMINWP1WS1,WS2WP2过渡带宽NCEIL128PI/WIDT