数字信号处理课程设计报告.docx
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数字信号处理课程设计报告
一、课程设计要求
二、设计过程
（1）设计题目
（2）设计源代码
（3）设计结果
（4）结果分析
三、设计总结与心得体会
四、课程设计指导书
一、课程设计要求
1、课程设计指导书
①《数字信号处理（第二版）》，丁玉美等，西安电子科技大学出版社；
②《MATLAB及在电子信息课程中的应用》，陈怀琛等，电子工业出版社。
2、课程设计内容：
语音信号去噪处理
主要要求：
1）在windows系统下的录音机录制一段1s左右的语音信号作为原声信号，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；
2）画出语音信号的时域波形，对采样后的语音进行fft变换，得到信号的频谱特性；对语音信号分别加入正弦噪声和白噪声，画出加噪信号的时域波形和频谱图；
3）根据对加噪语音信号谱分析结果，确定滤除噪声滤波器的技术指标，设计合适的数字滤波器，并画出滤波器的频域响应；
4）用所设计的滤波器对加噪的信号进行滤波，在同一个窗口画出滤波前后信号的时域图和频谱图，对滤波前后的信号进行对比，分析信号变化；
5）利用sound（x）回放语音信号，验证设计效果。
语音信号的延时和混响
主要要求：
1）利用Windows下的录音机或其他软件，录制一段自己的语音信号，时间控制在1s左右，并对录制的信号进行采样；
2）语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；
3）将信号加入延时和混响，再分析其频谱，并与原始信号频谱进行比较；
4）设计几种特殊类型的滤波器：
单回声滤波器，多重回声滤波器，全通结构的混响器，并画出滤波器的频域响应；
5）用自己设计的滤波器对采集的语音信号进行滤波；
6）分析得到信号的频谱，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；
7）回放语音信号。
数字滤波器的设计及实现
主要要求：
1）调用信号产生函数mstg产生三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st，观察st的时域波形和幅频特性曲线；
2）由要求将st中的三路调幅信号分离，通过观察st的幅频特性曲线，分别确定可以分离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率，要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB，阻带最小衰减为60dB；
3）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；
4）调用滤波函数filter，用所设计的三个滤波器分别对复合信号st进行滤波，分离出st中的三路不同载波频率的调幅信号，并绘图显示滤波后信号的时域波形和频谱，观察分离效果。
心电信号的处理
主要要求：
1）在MATLAB软件平台下，给原始的心电信号叠加上噪声或干扰，干扰类型分为如下几种：
白噪声、工频干扰（50Hz）、谐波干扰（二次、三次谐波为主，分别为100Hz、150Hz）绘出叠加噪声后的心电信号时域和频谱图，在视觉上与原始心电信号图形对比，分析频域基本特征变化。
2）给定滤波器的规一化性能指标（参考指标，实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定），例如：
通带截止频率wp=0.25*pi,阻通带截止频率ws=0.3*pi;通带最大衰减Rp=1dB;阻带最小衰减Rs=15dB；
3）采用窗函数法设计各型FIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少2种类型），来对叠加干扰前后的心电信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应及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；在相同的性能指标下比较各方法的滤波效果，并从理论上进行分析或解释；
4）采用双线性变换法利用不同的原型低通滤波器（Butterworth型与切比雪夫I型）来设计各型IIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少2种类型）绘出滤波器的频域响应，并用这些数字滤波器对含噪心电信号分别进行滤波处理；比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析或解释；
5）心电信号波形观察、频谱观察，对滤波后的心电信号观察其时域、频域特征变化。
3、具体要求
⑴、使用MATLAB（或其它开发工具）编程实现上述内容，写出课程设计报告。
⑵、课程设计报告的内容包括：
①课程设计题目和题目设计要求；
②设计思想和系统功能结构及功能说明；
③设计中关键部分的详细描述和介绍，采用流程图描述关键模块的设计思路；
④总结，包括设计过程中遇到的问题和解决方法，心得体会等；
⑤参考文献；
⑥程序源代码清单。
4、考核方式
课程考核分三部分，一部分是上机率，占20%；第二部分是检查成绩，最后两次上机为
检查时间，占50%；第三部分为课程设计报告，占30%。
注意：
⑴、使用GUI界面或混合编程实现仿真程序，酌情加分；
⑵、若发现程序或课程设计报告雷同，一律不及格。
⑶、主要参考资料
[1]S.K.Mitra.DigitalSignalProcessing:
AComputerBasedApproach,3rdEdition[M],NewYork,
USA:
McGraw-Hill,2000
[2]R.G.Lyons.UnderstandingDigitalSignalProcessing,2ndEdition[M].NewJersey,USA:
PrenticeHall,2005
[3]程佩青.数字信号处理教程,第二版[M].北京:
清华大学出版社,2001
[4]赵树杰等.数字信号处理[M].西安:
西安电子科技大学出版社,1997
[5]丁玉美等.数字信号处理—时域离散随机信号处理[M].西安:
西安电子科技大学出版社,
2002
[6]陈怀琛等.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M],北京:
电子工业出版社出版,2002
⑷、课程设计进度安排
序号阶段内容合计（天）
一设计准备1
二方案选择及初步设计2
三目标项目设计实现及调试3
四撰写课程设计报告2
五上机检查成绩2
总计（2周）10
二.设计过程
第一题、语音信号去噪处理
1.设计要求：
（1）在windows系统下的录音机录制一段1s左右的语音信号作为原声信号，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；
（2）画出语音信号的时域波形，对采样后的语音进行fft变换，得到信号的频谱特性；对语音信号分别加入正弦噪声和白噪声，画出加噪信号的时域波形和频谱图；
（3）根据对加噪语音信号谱分析结果，确定滤除噪声滤波器的技术指标，设计合适的数字滤波器，并画出滤波器的频域响应；
（4）用所设计的滤波器对加噪的信号进行滤波，在同一个窗口画出滤波前后信号的时域图和频谱图，对滤波前后的信号进行对比，分析信号变化；
（5）利用sound（x）回放语音信号，验证设计效果。
2.设计步骤：
（1）找到7s的语音信号，利用函数wavread对语音信号进行信号读取；
（2）计算样本时刻和频谱图的频率，并进行N+1点FFT变换；
（3）加噪声为5000Hz的正弦信号正弦噪声，采用awgn函数加信噪比为10的高斯白噪声；
（4）设计滤波器；
（5）绘出相应的时域、频域图；
（6）利用sound函数进行原始信号的语音播放，加噪声音播放，以及滤波之后的语言播放。
3.设计实现：
（1）时域图与频谱图（加正弦）
录入原始信号的时域图：
加入正弦信号后的时域图：
滤波后的时域图：
录入原始信号的频域图：
加入正弦信号后的频率图：
滤波后的频域图：
采用巴斯低通滤波器滤除正弦波：
（2）具体代码实现：
[x,fs,bits]=wavread（'E:
\mcpass.wav'）;%原信号
n=size（x,1）;%提取采样信号的长度
t=（0:
length（x）-1）/fs;%计算样本时刻
f=fs*（0:
（n+1）/2-1）/n+1;%计算频域图的频率
X=fft（x,n+1）;%进行N+1点FFT变换
ts=0:
1/fs:
（size（x）-1）/fs;%将所加噪声信号的点数调整到与原始信号相同
s=x+0.05*sin（2*pi*5000*ts）';%加噪声为5000Hz的正弦信号正弦噪声
S=fft（s,n+1）;%加正弦噪声后的频域
%正弦滤波
wp=2000/fs*2*pi;%2000为通带截止频率
ws=3000/fs*2*pi;%3000为阻带下限截止频率
Rp=4;%通带波纹
Rs=25;%阻带波纹
T=1/fs;Fs=1/T;%定义采样间隔
Wp=2/T*tan（wp/2）;%计算对应的数字频率
Ws=2/T*tan（ws/2）;
[N,wn]=buttord（Wp,Ws,Rp,Rs,'s'）;%计算滤波器介数和截止频率
[c,d]=butter（N,wn,'s'）;%计算滤波器系统函数分子分母系数
[B,A]=bilinear（c,d,Fs）;%双线性变换得到数字滤波器系统函数分子分母系数
[Hb,Wc]=freqz（B,A）;
sf=filter（B,A,s）;%对加噪信号进行滤波
Sf=fft（sf,n+1）;%对滤波后进行N+1点FFT变换
%绘图部分
figure（3）;
plot（fs*Wc/（2*pi）,20*log10（abs（Hb）））;title（'巴斯低通滤波器频域响应图'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（3,1,1）;
plot（t,x）;title（'原信号时域'）
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（2）;
subplot（3,1,1）;
plot（f,abs（X（1:
（n+1）/2）））;title（'原信号频域'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（3,1,2）;
plot（t,s）;title（'加正弦信号后的时域'）
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（2）;
subplot（3,1,2）;
plot（f,abs（S（1:
（n+1）/2）））;title（'加正弦信号后的频域图'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）
subplot（3,1,3）;
plot（t,sf）;title（'滤波后的时域图'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（2）
subplot（3,1,3）;
plot（f,abs（Sf（1:
（n+1）/2）））;title（'滤波后的频域图'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
sound（x）;
sound（s）;
sound（sf）;
（3）时域图与频域图（加白噪声）
加白噪声后的时域图和滤除之后的时域图：
加白噪声和滤除之后的频域图：
采用blackman函数滤波：
具体代码实现：
[x,fs,bits]=wavread（'E:
\hbsong.wav'）;
N=size（x,1）;
t=（0:
length（x）-1）/fs;
f=fs*（0:
（N+1）/2-1）/N+1;
X=fft（x,N+1）;
%加高斯白噪声
z=awgn（x,20）;%对信号加信噪比为10的高斯白噪声
N1=size（z,1）;%提取采样信号的长度
t=（0:
length（z）-1）/fs;%计算样本时刻
f=fs*（0:
（N1+1）/2-1）/N1+1;
Z=fft（z,N1+1）;
Wp=2500/fs*2*pi;
Ws=3000/fs*2*pi;%计算对应的数字频率
B=Ws-Wp;
n=ceil（1*pi/B）;
wc=（Wp+Ws）/2;
b=fir1（n-1,wc/pi,'stop',blackman（n））;%blackman窗函数滤波
[H,w]=freqz（b,1）;
y=fftfilt（b,z）;
t1=（0:
length（y）-1）/fs;
Y=fft（y,N1+1）;
subplot（2,2,1）;
plot（t,z）;title（'加高斯白噪声后时域图'）;
subplot（2,2,2）;
plot（f,abs（Z（1:
（N1+1）/2）））;title（'滤波前信号频谱图'）
figure
plot（fs*w/（2*pi）,20*log10）;title（'blackman函数频域响应图'）;
title（'频率响应'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（2,2,3）;
plot（t1,y）
title（'滤波后信号时域图'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（2,2,4）;
plot（f,abs（Y（1:
（N1+1）/2）））;
title（'滤波后信号频谱图'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
sound（y,fs）
第二题、语音信号的延时和混响
1.设计要求：
（1）利用Windows下的录音机或其他软件，录制一段自己的语音信号，时间控制在1s左右，并对录制的信号进行采样；
（2）语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；
将信号加入延时和混响，再分析其频谱，并与原始信号频谱进行比较；
（3）设计几种特殊类型的滤波器：
单回声滤波器，多重回声滤波器，全通结构的混响器，并画出滤波器的频域响应；
（4）用自己设计的滤波器对采集的语音信号进行滤波；
（5）分析得到信号的频谱，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；
（6）回放语音信号。
2.设计步骤：
（1）录入原始声音信号；
（2）计算样本时刻和频谱图的频率，并进行N+1点FFT变换；
（3）加入单回声；
（4）设计单回声滤波器幅频响应函数；
（5）绘出相应时域与频域图；
（6）利用sound函数进行原始信号的语音播放，加单回声后语言播放，以及滤除之后的语言播放；
3.设计实现：
（1）时域图和频域图（加单回声）
原始信号时域图：
滤波后的时域图：
原始信号频域图：
滤波后频域图：
单回声滤波器幅频响应：
（2）具体代码实现（单回声）：
[x,fs,bits]=wavread（'E:
\mcpass.wav'）;%原声音信号
n=size（x,1）;
t=（0:
length（x）-1）/fs;
f=fs*（0:
（n+1）/2-1）/n+1;
X=fft（x,n+1）;
a=0.6;%单回声滤波
R=fs*a;
B=[1,zeros（1,R-2）,a];
A=[1,zeros（1,R-1）];
y=filter（B,A,x）;
Y=fft（y,n+1）;
[H,W]=freqz（B,A）;%求单回声滤波器幅频响应函数
%绘图部分
figure
（2）;
plot（fs*W/（2*pi）,20*log10（abs（H）））;title（'频率响应'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,1）;
plot（t,x）;title（'原信号时域'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（4,1,2）;
plot（f,abs（X（1:
（n+1）/2）））;title（'原信号频域'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,3）;
plot（t,y）;title（'滤波后时域图'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,4）;
plot（f,abs（Y（1:
（n+1）/2）））;title（'滤波后频域图'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
sound（x,fs,bits）;
sound（y,fs,bits）;
（3）时域图与频域图（多重回声）
原始信号时域图与多重信号时域图：
原始信号时域图与多重信号频域图：
多重回声滤波器幅频响应：
（4）具体代码实现（多回声）
%原声音信号
[x,fs,bits]=wavread（'E:
\mcpass.wav'）;
N=size（x,1）;
t=（0:
length（x）-1）/fs;
f=fs*（0:
（N+1）/2-1）/N+1;
%多重回声
a=0.5;
R=fs*a;
B=[1,zeros（1,R-2）];
A=[1,zeros（1,R-1）,a];
yd=filter（B,A,x）;%滤波器函数
%频率响应
[Hb,Wc]=freqz（B,A）;%求多重回声滤波器幅频响应函数
%绘图部分
figure
（2）;
plot（fs*Wc/（2*pi）,20*log10（abs（Hb）））;title（'多重滤波器频域响应图'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,1）;
plot（t,x）;title（'原信号时域'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
X=fft（x,N+1）;
subplot（4,1,3）;
plot（f,abs（X（1:
（N+1）/2）））;title（'原信号频域'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,2）;
plot（t,yd）;title（'多重信号时域图'）
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
Yd=fft（yd,N+1）;%多重回声滤波后信号FFT变换
subplot（4,1,4）;
plot（f,abs（Yd（1:
（N+1）/2）））;title（'多重信号频域图'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
sound（x）;
sound（yd）;
（5）时域图与频域图（全通滤波器）
原始信号时域图与全通滤波器时域图：
原始信号时域图与全通滤波器频域图：
全通滤波器的频域响应图：
（6）具体代码实现（全通滤波器）：
%原声音信号
[x,fs,bits]=wavread（'E:
\mcpass.wav'）;
N=size（x,1）;
t=（0:
length（x）-1）/fs;
f=fs*（0:
（N+1）/2-1）/N+1;
%全通结构混响
a=0.5;
R=fs*a;
B=[a,zeros（1,R-2）,1];
A=[1,zeros（1,R-2）,a];
yd=filter（B,A,x）;
%频率响应
[Hb,Wc]=freqz（B,A）;%求全通滤波器幅频响应函数
figure
（2）;
plot（fs*Wc/（2*pi）,20*log10（abs（Hb）））;title（'全通结构频域响应图'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,1）;
plot（t,x）;title（'原信号时域'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
X=fft（x,N+1）;
subplot（4,1,3）;
plot（f,abs（X（1:
（N+1）/2）））;title（'原信号频域'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（1）;
subplot（4,1,2）;
plot（t,yd）;title（'全通滤波器时域图'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
Yd=fft（yd,N+1）;
subplot（4,1,4）;
plot（f,abs（Yd（1:
（N+1）/2）））;title（'全通滤波器频域图'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
sound（x）;
sound（yd）;
（7）时域图与频域图（延时与混响）
原始信号时域图：
延时时域图：
混响时域图：
原始信号频域：
延时信号频域图：
混响信号频域图：
（8）具体代码实现（延时与混响）：
[x,fs,bits]=wavread（'E:
\mcpass.wav'）;
N=size（x,1）;
t=（0:
length（x）-1）/fs;
f=fs*（0:
（N+1）/2-1）/N+1;
xd=[zeros（300,1）;x];%信号延时
td=（0:
length（xd）-1）/fs;
Xd=fft（xd）;
Xd1=fftshift（Xd）;
dFs=fs/length（xd）;
xd1=[x;zeros（300,1）];%信号混响
x1=xd1+xd;
Xhun=fft（x1）;%混响信号fft变换
Xh2=fftshift（x1）;%平移，中心为0频率
dFs=fs/length（x1）;
%绘图部分
figure
（1）;
subplot（4,1,1）;
plot（t,x）;title（'原信号时域'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
X=fft（x,N+1）;
subplot（4,1,2）;
plot（f,abs（X（1:
（N+1）/2）））;title（'原信号频域'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（4,1,3）;
plot（td,xd）;title（'延时信号时域图'）
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（4,1,4）;
plot（[-fs/2:
dFs:
fs/2-dFs],abs（Xd））;title（'延时信号频域图'）
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（2）;
subplot（2,1,1）;
plot（td,x1）;title（'混响信号时域图'）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅度'）;
figure
（2）;
subplot（2,1,2）;
plot（[-fs/2:
dFs:
fs/2-dFs],abs（Xh2））;title（'混响信号频域图'）;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'幅度'）;
sound（x）;
sound（xd）;
sound（x1）;
第三题、数字滤波器的设计及实现
1.设计要求：
（1）调用信号产生函数mst
升级会员 