毕业设计（论文）-MATLAB合成信号_语音信号数字滤波器设计.doc

目目 录录 1 引言.1 2 设计总体方案.2 2.1 设计要求.2 2.2 设计总体方案.2 2.3 设计内容.2 2.4 设计原理.2 3 语音信号的具体实现.4 3.1 语音信号的采集.4 3.2 语音信号的时域分析.4 3.3 语音信号加噪与频谱分析.5 3.4 设计 FIR 和 IIR 数字滤波器 .6 3.5 用滤波器对加噪语音信号进行滤波.10 3.6 比较滤波前后语音信号的波形及频谱.10 4 合成信号的具体实现.14 4.1 合成信号的产生原理.14 4.2 调试分析.14 4.2.1 混合信号分析.14 4.2.2 三种滤波器设计.14 5 MATLAB GUI 的简介.17 5.1 MATLAB 软件介绍.17 5.2 MATLAB 常用函数简介.18 5.3 设计系统界面.18 5.3.1 系统界面设计工具GUI 概述.18 5.3.2 界面设计及使用说明.18 6 心得体会.21 参考文献.22 附录.23 课程设计说明书课程设计说明书 1 1 引言 随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术 领域。数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，处理的内容包括对 数字信号的滤波、变换、频谱分析、检测、估计、压缩、识别等一系列的加工处理。由 于大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从 60 年代末以来数字信号处理理 论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信 号处理。 数字信号处理技术的应用领域非常广泛，主要包括语音信号处理，图像处理，语音 电话（VoIP） ，移动通信，数字通信网络，数码相机，汽车电子，医疗，军事等领域。 其中语音信号处理是数字信号处理中一个很重要的领域。语音信号是基于时间轴上的数 字信号，这里我们主要讨论对语音信号进行频域上的分析。在信号分析中，频域往往包 含了更多的信息。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、抽样、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应 用的目的。它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域 都获得了极其广泛的应用。具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快 等优点。 滤波器设计在数字信号处理中占有极其重要的地位，FIR 数字滤波器和 IIR 滤波器 是滤波器设计的重要组成部分。利用 MATLAB 信号处理工具箱可以快速有效地设计各 种数字滤波器。课题基于 MATLAB 有噪音语音信号处理的设计与实现，综合运用数字 信号处理的理论知识对加噪声语音信号进行时域、频域分析和滤波。通过理论推导得出 相应结论，再利用 MATLAB 作为编程工具进行计算机实现。在设计实现的过程中，使 用窗函数法来设计 FIR 数字滤波器，用巴特沃斯、切比雪夫和双线性变法设计 IIR 数字 滤波器，并利用 MATLAB 作为辅助工具完成设计中的计算与图形的绘制。通过对对所 设计滤波器的仿真和频率特性分析，可知利用 MATLAB 信号处理工具箱可以有效快捷 地设计 FIR 和 IIR 数字滤波器，过程简单方便，结果的各项性能指标均达到指定要求。 数字滤波器是一种对数字信号进行处理的系统，数字滤波器完成数字信号滤波处理 功能，其输入是一组数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。它通过一定的运算关 系或电路形式来改变输入信号所包含的频率成分的相对比例或滤出某些频率成分，数字 滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等优点。随着数字技术的发展，用数字技术实 现滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用。 课程设计说明书课程设计说明书 2 2 设计总体方案 2.1 设计要求 1.设计低通、带通、高通数字滤波器； 2.可以对合成信号（含低频、中频、高频分量） 、语音信号进行滤波； 3.通过 GUI 界面进行控制。 2.2 设计总体方案 掌握用双线性变换法设计 IIR 数字滤波器及用窗函数法设计 FIR 数字滤波器的具体 设计方法和原理，观察设计的数字滤波器的幅频特性，了解双线性变换法和窗函数法设 计数字滤波器时的特点。 2.3 设计内容 选择一个语音信号作为分析的对象，或录制一段各人自己的语音信号，对其进行频 谱分析；利用 MATLAB 中的随机函数产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污 染，并对其进行频谱分析；设计 FIR 和 IIR 数字滤波器， 并对被噪声污染的语音信号 进行滤波， 分析滤波后信号的时域和频域特征，回放语音信号；最后，设计一个信号 处理系统界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型。 2.4 设计原理 数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频 率成分的相对比例，或者滤除某些频率成分的数字器件或程序。 利用模拟滤波器来设计 IIR 数字滤波器是最常见的方法，其设计过程是按照技术要 求设计模拟滤波器，得到其系统函数 Ha(s)，然后经过一定的变换，得到满足要求的数 字滤波器的 H(z)。这种设计方法的优点是模拟滤波器的设计理论很成熟，有很多现成的 公式、表格、图形和曲线可以直接使用，从而使 IIR 数字滤波器的设计变得很简单。 常用的 IIR 滤波器设计方法主要有以下几种： 1. 以模拟滤波器函数为基础的变换法：即先设计一满足指定条件的模拟滤波器 H(s)， 再将该模拟滤波器转化为数字滤波器 H(z)。 2. 直接设计法：在 z 平面内，根据零、极点对系统特性的影响，调整零极点位置得 H(z)。 3. 最优化设计法（计算机辅助设计）：在某种最小化误差准则下，建立差分方程系 数 Ak、Bk 对理想特性的逼近方程，使用迭代方法解方程组得到最佳逼近系统。由于此 方法计算量大，需要借助于计算机进行设计。 在此主要介绍由模拟滤波器转换为数字滤波器的设计方法。 IIR 滤波器的最大缺点是不容易实现线性相位，而在语音、图像、数据通信等系统 课程设计说明书课程设计说明书 3 普遍要求数字滤波器具有线性相位特性，FIR 滤波器正是因为具有线性相位特性而获得 广泛的应用。另外，H(z)永远稳定，这也是 FIR 滤波器的另一个突出优点。 它的通频带在 f1f2 之间。它使信号中高于 f1 而低于 f2 的频率成分可以不受衰减 地通过，而其它成分受到衰减。 不同类型（高通、低通和带通）滤波器对应的 Wp 和 Ws 值遵循以下规则： a高通滤波器：Wp 和 Ws 为一元矢量且 WpWs； b低通滤波器：Wp 和 Ws 为一元矢量且 WpWs； c带通滤波器：Wp 和 Ws 为二元矢量且 Wp。由（2.1）式可见，所谓抑制载波单频调制信号，就 c f 0 f 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 c f 0 f c f 0 f 于载波频率对称。所以，1 路抑制载波单频调幅信号的频谱图是关于载波频率对称 c f c f 的两根谱线。 显然，当调制频率和（或）载波频率不同时，可以得到包含不同频率成分的单 0 f c f 频调幅信号，将几路不同频率成分的单频调幅信号相加后形成混合信号。 4.2 调试分析 4.2.1 混合信号分析 利用 MATLAB 编写混合信号的函数并运行如下图 4.1 所示： 从波形中可以看出，已经将三路不同成分的频率混合到一起，接下来的就是要设计 三个滤波器将其滤波开来，得到相对应的频率成分。 课程设计说明书课程设计说明书 15 图 4.1 混合信号时域和幅频特性曲线图 4.2.2 三种滤波器设计 设定可以分离 st 中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器设计低通滤波器、带通 滤波器和高通滤波器的通带截止频率和阻带截止频率；假定要求滤波器的通带最大衰减 为 1dB，阻带最小衰减为 100dB，编程调用 MATLAB 滤波器设计函数分别设计这三个 数字滤波器，并绘图显示其幅频特性曲线。低通，高通，带通的滤波器幅频特性曲。如 下 4.2，4.3，4.4 所示： 图 4.2 FIR 合成信号低通滤波器幅频特性曲线图 图 4.3 FIR 合成信号高通滤波器幅频特性曲线图 课程设计说明书课程设计说明书 16 图 4.4 FIR 合成信号带通通滤波器幅频特性曲线图 从以上图形可以知道，利用参数去设计出三个相对应的滤波器对混合信号进行滤除 波形，在选取参数时要能正确的选择，才能对应的去分离相对应的信号，否则容易叠加 信号，不符合设计要求。且 FIR 数字滤波器相对于 IIR 数字滤波器的最大优点是能够做 到严格线性相位，所以在设计数字滤波器时可以根据设计参数和要求进行合适的选择设 计方法，使得设计出来的结果最能符合设计要求。 课程设计说明书课程设计说明书 17 5 MATLAB GUI 的简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据 可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和 Mathematica、Mape 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、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。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+ ，JAVA 的支持。可以直接调 用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用。 MATALB 可以创建图形用户界面 GUI ( GraphicalUser Interface) ,它是用户和计算 机之间交流的工具。MATLAB 将所有 GUl 支持的用户控件都集成在这个 环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力 还会不断加强。而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。 MATALB 可以创建图形用户界面 GUI ( GraphicalUser Interface) ,它是用户和计算机 之间交流的工具。MATLAB 将所有 GUl 支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界 面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。而 且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。 5.1 MATLAB 软件介绍 Matlab 是由 matrix 和 laboratory 两个英文单词的前三个字母组合而成，是“Matrix Laboratory”的缩写，意为“矩阵实验室”，它是 MathWorks 公司于 1984 年推出的一套高 性能的数值计算可视理等方面产生了大量的矩阵及其相应的计算问题。自己去编写大量 的繁复的计算程序，不仅会消耗大量的时间和精力，减缓工作进程，而且往往质量不 高美国 Mathwork 软件公司推出的 Matlab 软件就是为了给人们提供一个方便的数值计 算平台而设计的。 课程设计说明书课程设计说明书 18 Matlab 是一个交互式的系统，它的基本运算单元是不需指定维数的矩阵，按照 IEEE 的数值计算标准（能正确处理无穷数 Inf(Infinity)、无定义数 NaN(not-a-number)及 其运算）进行计算。系统提供了大量的矩阵及其它运算函数，可以方便地进行一些很复 杂的计算，而且运算效率极高。Matlab 命令和数学中的符号、公式非常接近，可读性强， 容易掌握，还可利用它所提供的编程语言进行编程完成特定的工作。除基本部分外， Matlab 还根据各专门领域中的特殊需要提供了许多可选的工具箱，如应用于自动控制领 域的 Control System 工具箱和神经网络中 Neural Network 工具箱等。 5.2 MATLAB 常用函数简介 (1)wavread 函数：y,fs,bits=wavread(Blip)用于读取语音，采样值放在向量 y 中，fs 表示采样频率(Hz)，bits 表示采样位数。sound(x,fs,bits); 用于对声音的回放。向量 y 则 就代表了一个信号（也即一个复杂的“函数表达式”）也就是说可以像处理一个信号表达 式一样处理这个声音信号。 (2)FFT 函数：FFT 用于序列快速傅立叶变换。其调用格式为：y=fft(x)。其中，x 是 序列，y 是序列的 FFT，x 可以为一向量或矩阵：若 x 为一向量，y 是 x 的 FFT，且和 x 相同长度。若 x 为一矩阵，则 y 是对矩阵的每一列向量进行 FFT。 (3)Fir1 函数：fir1 函数是基于窗函数的 FIR 滤波器设计标准频率响应形状。其 调用格式为 b=fir1(N,we,ftype,window)。ftype 和 window 可以默认。 5.3 设计系统界面 5.3.1 系统界面设计工具GUI 概述 图形用户界面（graphical user interfaces ，GUI）则是由窗口、光标、按键、菜单、 文字说明等对象（objects）构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标或键盘） 选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。在 MATLAB 中 GUI 是一中包含多种对象的图形窗口，并为 GUI 开发提供一个方便高效的 集成开发环境 GUIDE。GUIDE 主要是一个界面设计工具集，MAYLAB 将所有 GUI 支 持度控件都集成在这个环境中，并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。 GUIDE 将设计好的 GUI 保存在一个 FIG 文件中，同时生成 M 文件框架。 FIG 文件：包括 GUI 图形窗口及其所有后裔的完全描述，包括所有对象属性的属性 值。它是一个二进制文件调用 hsave 课保存图形窗口时将生车该文件。M 文件包括 GUI 设计、控件函数以及定义为子函数的用户控件回调函数，主要用于控制 GUI 展开时的 各种特征。 GUI 创建包括界面设计和控件编程两部分，主要步骤如下。第一步：通过 设置 GUIDE 应用程序的选项来运行 GUIDE；第二步：使用界面设计编辑器进行面设计； 第三步：编写控件行为响应控制（即回调函数）代码。 5.3.2 界面设计及使用说明 课程设计说明书课程设计说明书 19 MATALB 可以创建图形用户界面 GUI ( GraphicalUser Interface) ,它是用户和计算 机之间交流的工具。MATLAB 将所有 GUl 支持的用户控件都集成在这个 环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能 力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。 首先我们新建一个 GUI 文件：File/New/GUI 如下图 5.1 所示： 图 5.1 进入 GUI 界面框图 选择 Blank GUI(Default)。 其次，进入 GUI 开发环境以后添加两个编辑文本框，6 个静态文本框，和一个按钮， 布置如下图 5.2 所示： 课程设计说明书课程设计说明书 20 图 5.2 GUI 界面开发环境 布置好各控件以后，我们就可以来为这些控件编写程序来实现两数相加的功能了。 最后，使用说明。单击相应的按钮，便跳出对应的界面，如按下按钮“低通滤波器” ，就得到如图 5.3 所示结果 图 5.3 系统运行界面 课程设计说明书课程设计说明书 21 6 心得体会 经过为期两周的课程设计实践，我完全自主地完成了既定的任务，实现了课程设计 的要求，这使我对 DSP 课程有了更深一步的认识和了解，要想学好它重在实践，要通 过不断的实际操作才能更好地学习和运用知识，并且基本掌握了运用 MATLAB 软件进 行滤波器的设计和 GUI 界面的设计。通过课程设计这一实践环节，加深了我对本学期 所学知识的理解，也提高了我运用所学知识分析问题和解决实际问题的能力。在此过程 中我也发现自己好多不足之处，首先是自己对所学的基础知识掌握不深，还有对理论知 识的运用还有欠缺，通过这次课程设计实践，使我在这几个方面都有所提高。由于时间 原因，这次课程设计最大的遗憾是没能实现对语音信号进行实时录入，然后进行采样分 析，接下来我会努力尝试实现这项功能。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经因设计成功而热情高 涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话 题。虽然这只是一次的极简单的课程制作（基于 MATLAB 的语音信号分析及滤波） ，可 是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞设计开发的技术前 辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付 出多少心血啊！ 还有，通过这两周的实践学习，我不仅认识和体验了实际运用中数字滤波器设计过 程和语音信号的处理过程，更从中深刻认识到了“世上无难事，只要肯攀登”的道理。虽 课程设计说明书课程设计说明书 22 然自己在此过程中曾熬夜编写程序、设计 GUI 界面和写课程设计说明书，但是当最后 自己用亲手编写的程序完成了既定的任务时，当看着程序一步步实现了自己的设计思想 时，当别人向我请教 GUI 的设计时，心中喜悦和自豪之情真是难于言表，我想这种成 功的喜悦是自己努力付出的结果。我想，凭着这种不懈的精神奋斗，还有什么困难能拦 得住自己前进的步伐呢？ 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远 不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社 会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题， 可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计 的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢 固。 总的来说，这次设计还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛 勤的指导下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的 价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力， 使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对给过 我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！ 参考文献 1范寿康. DSP 技术与 DSP 芯片M. 北京：电子工业出版社 2万永革. 数字信号处理的 MATLAB 实现M. 北京：科学出版社， 2007 3程佩青. 数字信号处理教程M. 北京：清华大学出版社出版，2001 4薛年喜. MATLAB 在数字信号处理中的应用（第 2 版）M. 北京：清华大学出版社，2008.1 5陈亚勇等. MATLAB 信号处理详解M. 北京：人民邮电出版社，2001 6徐命运，刘增力等. MATLAB 仿真在信号处理中的应用M. 北京：西安电子科技大学出版社 7施晓红，周佳. 精通 GUI 图形界面编程M. 北京：北京大学出版社，2003.1 8王世一. 数字信号处理M. 北京：北京理工大学出版社，2001 课程设计说明书课程设计说明书 23 附录 *语音信号 IIR 低通滤波器程序段* Ft=4000; Fp=1000; Fs=2000; wp=2*pi*Fp/Ft; ws=2*pi*Fs/Ft; fp=2*Fp*tan(wp/2); fs=2*Fs*tan(wp/2); n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,s); %求低通滤波器