对给定信号进行频域滤波.doc

科技学院课程设计课题任务表 自动化 系 09 级学生相关课程数字信号分析的课程设计指导教师聂文滨学生人数2课题名称对给定信号进行频域滤波设计地点自选课题工作内容课程设计目的：1）学会使用MATLAB，掌握MATLAB的程序设计方法2）掌握在WINDOWS环境下的语音信号采集方法3）综合运用数字信号处理的基本理论，基本概念，基本方法进行频谱分析和滤波器设计，学会用MATLAB设计数字滤波器，学会用MATLAB分析和处理信号。课程设计任务： 功能：对给定的数据进行频谱分析，要求设计有数据导入界面，各种参数有软件界面可以输入，在频谱分析的基础上，滤除噪声分量。对滤波前后的数据分别绘制波形曲线。设计步骤：1)初步完成总体设计，搭好框架，设计各功能函数；2)设计人机对话界面，确定控制参数的输入方法；3)编写频谱分析的相应程序（FFT）；4)对FFT系数进行处理；5)编写IFFT程序。6)编写波形输出程序；设计要求：1)用结构化设计方法。一个程序划分成若干模块，每一个模块的函数功能要划分好，总体设计应画出流程图；2)输入输出界面要友好；课程设计报告的内容包括：1)程序的设计思想，包括功能描述，函数接口的确定；2)流程图；3)源程序代码；承担本课设学生签名舒适(098202227)，张锦威(098202238)学生分工说明南昌航空大学科技学院课程设计报告目 录一. 课程设计任务11、掌握MATLAB及其在数字信号处理中的应用12、课程设计题目：对给定信号进行频域滤波1二. 课程设计原理及设计方案21、滤波器设计原理21.1滤波器概述21.2FIR数字滤波器设计原理21.3 FIR数字滤波器的特性22、设计方案5三. 课程设计的步骤和结果61、读取声音信号并对其进行频谱分析62、设计滤波器对信号进行滤波73、GUI界面设计113.1 BUTTON1 声音信号提取113.2 BUTTON2 退出系统123.3 BUTTON3 运行123.4文本编辑框153.5 GUI整体界面15四. 课程设计总结16五. 设计体会17六. 参考文献18 南昌航空大学科技学院课程设计报告一. 课程设计任务1、掌握MATLAB及其在数字信号处理中的应用MATLAB 计算软件是一套进行科学计算的高性能软件，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语言可以很容易实现Fourier 变换和数字滤器的设计，广泛应用于数字信号处理中，给我们对数字信号的研究工作带来很大方便，同时具有功能全面的GUI程序设计，使所设计的应用程序具有图形用户界面，方便用户操 作。2、课程设计题目：对给定信号进行频域滤波要求如下： 1） 可记录病人的姓名、年龄、性别、病史、不同疾病部位等状况； 2） 对病人的气管、肺部等区域的声音进行采集、分析、存储（前端听诊部分不用考虑，只考虑数据采集部分）。 3） 可分析不同声音分量的大小，给出频谱图，以及主要频率的幅度，便于大夫分析和验证； 4） 由于采集到的信号经常存在某些干扰信号，比如心脏的震动，请设计低通、带通、带阻滤波器对信号处理，滤波器参数在用户界面中可以进行设置，方便医生进行使用； 5） 编制GUI用户界面。二. 课程设计原理及设计方案1、滤波器设计原理1.1滤波器概述随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理在通信、语音、图像,自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理中,数字滤波器占有极其重要的地位。现代数字滤波器可以用软件或设计专用的数字处理硬件两种方式来实现,用软件来实现数字滤波器优点是随着滤波器参数的改变,很容易改变滤波器的性能。根据数字滤波器单脉冲响应的时域特性可将数字滤波器分为两种, 即IIR （Infinite Impulse Response）无限长脉冲响应数字滤波器和FIR (Finite Impulse Response)有限长脉冲响应数字滤波器。从功能上分类, 可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。1.2FIR数字滤波器设计原理 FIR具有突出的优点:系统总是稳定的、易于实现线性相位、允许设计多通带(或多阻带)滤波器。但与IIR相比,在满足同样的阻带衰减的情况下需要较高的阶数。FIR的冲激响应h(k)是有限长的M 阶FIR系统函数可表示为 滤波器的输出: 它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数问题,给出的设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。在这里我们利用窗函数法设计FIR滤波器。给定所要求的滤波器的频率响应Hd ( ejw) , 要求设计一个FIR 滤波器的频率响应H( ejw) 来逼近Hd( ejw) .设计是在时域进行的, 首先由傅立叶变换导出无限长的序列hd( n) , 然后用窗函数截断hd ( n) ,即: h( n) = hd( n) w( n)。1.3 FIR数字滤波器的特性FIR滤波器有以下特点： (1) 系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零； (2) 系统函数H(z)在|z|0处收敛，极点全部在z = 0处（因果系统）；(3) 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。因为FIR数字滤波器的单位冲激响应是有限长的，所以它永远都是稳定的。3说明了达到具有线性相位这一要求，仅需要对FIR数字滤波器的冲激响应施加一定的约束。令，就可由得到FIR数字滤波器的频率响应： （1-2-1）式中是的幅频特性，是的相频特性 （1-2-2）由于h(n)的长度N取奇数或偶数时对H(w)的特性有影响， FIR滤波器的幅频特性可以分为以下4种情况：（1）第种类型：为偶对称，且N为奇数根据式：可以得到滤波器的幅频函数为： （1-2-3）其中，。幅度函数对呈偶对称。（2）第种类型：为偶对称，且N为偶数根据式：可得滤波器的幅频函数为： （1-2-4）其中：。幅度函数对于或呈偶对称。如果数字滤波器在处不为零，如本文设计的高通滤波器和带阻滤波器则不能用这一类型。 （3）第种类型：为奇对称，且N为奇数根据式：可得滤波器的幅频函数为： （1-2-5）其中。数字滤波器在=0，2处不为零如低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器，则不适合用这类滤波器来设计。（4）第种类型：为奇对称，且N为偶数根据式：可得滤波器的幅频函数可表示为： （1-2-6）其中：。幅度函数对于呈偶对称。如果数字滤波器在处不为零如低通滤波器、带阻滤波器，则不适合用这类数字滤波器来设计。1.4窗函数的介绍设计滤波器尽量要求窗函数满足以下两项要求：(1)窗谱主瓣尽可能地窄，以获取较陡的过渡带。(2)尽量减少窗谱的最大旁瓣的相对幅度。也就是能量尽量集中于主瓣，这样使尖峰和波纹减小，就可增大阻带的衰减。但是这两项要求是不能同时满足的。当选用主瓣宽度较窄时，虽然得到陡峭的过渡带，但通带和阻带的波动明显增加；当选用最小的旁瓣幅度时，虽能得到平坦的幅度响应和较小的阻带波纹，但过渡带加宽，即主瓣会加宽。因此，实际所选用的窗函数往往是它们的折中。设计FIR滤波器常用的窗函数有：矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布拉克曼窗、凯塞窗等。以下是几种窗函数的性能比较：窗函数旁瓣峰值衰减（dB）等效凯塞尔窗（）主瓣过渡带宽（）精确过渡带宽（）最小阻带衰减(Db)矩形窗-13041.8-21三角窗-251.3386.1-25汉宁窗-313.8686.2-44海明窗-414.8686.6-53布莱克曼窗-577.041211-74凯赛尔窗-577.8651010-802、设计方案通过采集WAV文件读取声音信号。对声音信号进行时域、频谱及幅度谱分析，观察不同声音分量大小以及主要频率的幅度。设计FIR数字滤波器对声音信号进行滤波，设计不同的窗函数进行带通、带通、带阻滤波。 设计GUI界面，可进行滤波器参数设置。三. 课程设计的步骤和结果1、读取声音信号并对其进行频谱分析x,B=wavread(fb2.wav); %读取声音信号F=B*(0:511)/1024; y=fft(x,1024); %频谱fp=2*sqrt(y.*conj(y);%幅度谱 subplot(3,1,1);plot(x); title(滤波前信号);subplot(3,1,2);plot(F,abs(y(1:512);title(滤波前信号频谱);axis(0,1000,0,inf);subplot(3,1,3);plot(fp(1:257); title(信号幅度谱);2、设计滤波器对信号进行滤波（以凯塞窗为例）2.1 低通滤波器x,B=wavread(fb2.wav);Fs=2000;%采样频率Fp1=10;%低通通带模拟截止频率Fs1=100;%低通阻带模拟截止频率ws1=2*Fs1/Fs;%模拟转变为数字域的截止频率wp1=2*Fp1/Fs;delta_w=ws1-wp1; %过渡带宽N=ceil(10*pi/delta_w)+1;%最小阶数Nwindow=kaiser(N+1);%凯塞窗Wn=(Fp1+Fs1)/Fs;%理想LPF的截止频率b,a=fir1(N,Wn,window);H,w=freqz(b,1,512);db=20*log10(abs(H); t=(0:200)/Fs;subplot(3,1,1);plot(w*Fs/(2*pi),db);title(滤波器); Filterx=filter(b,a,x);subplot(3,1,2);plot(Filterx);title(滤波后信号);F=B*(0:511)/1024;y=fft(Filterx,1024);subplot(3,1,3);plot(F,abs(y(1:512);title(滤波后信号频谱);axis(0,1000,0,inf); 如上设计采样频率为2000Hz，通带截止频率为10Hz，阻带截止频率为200Hz的低通滤波器对原声音信号进行滤波对比滤波前后信号频谱，可观察得到该滤波器成功滤除了大于100Hz的频率，但仍与理想情况有一定差距。3、GUI界面设计3.1 BUTTON1声音信号提取FileNamePathName=uigetfile(*.wav,TextFiles(*.wav);*.*,AllFiles(*.*),Choose a File);L=length(FileName);test=FileName(1,L-3:L);if test = .wavstr=PathName FileName;set(handles.edit11,string,str);x,B=wavread(str); else errordlg(Wrong File,File Open Error!); return;end此按键实现功能为：（1）选择文件路径，读取文本类文档，并将路径显示在界面上。（2）对所选择的声音信号进行时域、频谱及幅度谱分析。3.2 BUTTON2 退出系统此按键实现功能为：根据用户所设定的参数，选择相应的窗函数对原声音信号进行相应的滤波，并绘制滤波后的时域谱和频谱。x,B=wavread(fb2.wav);Fs=2000;%采样频率Fp1=10;%低通通带模拟截止频率Fs1=100;%低通阻带模拟截止频率ws1=2*Fs1/Fs;%模拟转变为数字域的截止频率wp1=2*Fp1/Fs;delta_w=ws1-wp1; %过渡带宽N=ceil(10*pi/delta_w)+1;%最小阶数Nwindow=kaiser(N+1);%凯塞窗Wn=(Fp1+Fs1)/Fs;%理想LPF的截止频率b,a=fir1(N,Wn,window);H,w=freqz(b,1,512);db=20*log10(abs(H); t=(0:200)/Fs;subplot(3,1,1);plot(w*Fs/(2*pi),db);title(滤波器); Filterx=filter(b,a,x);subplot(3,1,2);plot(Filterx);title(滤波后信号);F=B*(0:511)/1024;y=fft(Filterx,1024);subplot(3,1,3);plot(F,abs(y(1:512);title(滤波后信号频谱);axis(0,1000,0,inf);此按键实现功能为：退出GUI界面。3.3 BUTTON3 运行clear;close(gcf);3.5 GUI整体界面四. 课程设计总结1、GUI是实现人机交互的中介，具有强大的功能，可以完成许多复杂的程序模块。使用它，需要具有一定的知识储备和必要的经验技巧。并且要充分利用好MATLAB的帮助文档，仔细研读HELP是最好的办法。需要了解函数句柄等必要基础知识，熟悉各控件对象的基本属性和方法操作，知晓不同控件的合适使用条件及其特有的功能，并会采用不同的使用手段来实现相同功能的设计。同时还需要详细掌握菜单和控件。菜单很简单，就是弄清除菜单之间的关系和如何调用就可以。控件的使用主要是用好CreateFcn和Callback属性。CreateFcn中的语句就是在程序运行时，就立即执行脚本。如果希望界面可控，那么最好用Callback属性。在相应控件下，添加相应的脚本就可以实现比较复杂计算绘图等功能。在设计GUI的时候，要注意一定的原则和步骤，分析界面所要求实现的主要功能，明确设计任务，构思草图，设计界面和属性，编写对象的相应代码，实现控件的交互调用。对于GUI在数字信号处理中的应用中，数字信号处理这门学科的知识是基础，要掌握数字信号处理的相关知识的原理后，并用代码来实现，才能很好地结合MATLAB进行GUI编程。2、FIR滤波器窗函数法是从时域出发，通过一定的窗函数截取有限长的单位脉冲响应来逼近理想单位脉冲响应；各个窗函数在某些细节上有所不同，但整体滤波效果区别不大。五. 设计体会六. 在这次的课程设计中我们设计的滤波器对语音信号的滤噪处理或多或少会因 为我们的疏忽或者实践能力不够还是会遇到问题的， 当遇到问题时我们不但运用自 己学到的知识还得到同学和老师的帮助将其解决，不断完善和修改。设计中出现的 问题及解决方法如下： 1、在运用 Matlab 设计滤波器时，当编辑完前面两条程序时无法放出声音，后 来发现我们应当把采集的语音信号 wav 文件放到