数字信号处理实验指导书.docx

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数字信号处理实验指导书

山西大学

课程设计说明书

题目名称：

数字信号的分析与滤波器设计

课程名称：

数字信号处理课程设计

学院（系）：

电子信息工程系

专业：

电子信息工程

学号：

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

讲师

2017年12月15日

山西大学课程设计任务书格式

题目名称:

基于MATLAB的音乐信号的分析与处理

学生姓名

设计时间：

12.25—29

课程名称：

数字信号处理课程设计

学号

设计地点：

教室

一、课程设计（论文）目的、任务和要求

本设计是通过对信号的采样，抽取，加噪等分析和处理过程的理论分析和MATLAB实现，使学生进一步巩固和理解数字信号处理的基本概念、理论、分析方法和实现方法，使学生掌握的基本理论得到进一步扩展，将理论和实际有效结合，增强学生的编程能力和实际解决问题的能力。

主要内容是：

1、产生三个不同频段的信号：

（1）自己录制一段正常语音信号或者在Windows环境下截取一段音乐信号（30秒）；

（2）录制一段环境噪声文件或产生白噪声文件；（3）利用MATLAB产生不同于以上频段的信号。

2、对上述三种信号进行频谱分析，分别绘出波形和频谱图进行对比分析。

3、根据三路信号的频谱特点分别设计三个滤波器，绘出滤波器的频域响应。

4、对三路信号混频，利用设计的滤波器，分析滤波前后信号的波形和频谱。

二、要求的设计成果（课程设计说明书、论文、设计实物、软件等）

1、课程设计报告。

2、设计程序。

3、仿真结果。

三、进程安排

12月25日：

查资料，确定方案。

12月26—28日：

编写程序，做出时域和频域特性图。

12月29日：

写报告。

四、主要参考资料

1、《数字信号处理原理及应用》桂志国国防工业出版社。

2、《精通MATLAB信号处理》沈再阳清华大学出版社。

3、相关论文。

指导教师：

教学院长（系主任）：

学院（系）公章：

2017年12月15日

山西大学课程设计成绩评定表

评　语

指导教师：

2017年12月15日　

成绩评定：

项目

学习态度

（10分）

知识运用（20分）

成果水平

（20分）

创新

（10）

论文撰写质量

及规范化（40分）

总分

分值

学院（系）公章：

设计步骤

设计内容一：

用MATLAB分析三段信号

1.用软件截取一段wav格式的音乐信号

2.用wavread语句读取这段信号，可以用sound语句播放音乐信号

3.输出音乐信号的波形和频谱，观察现象

程序如下：

y=wavread（'F:

\miyaxing\Music\The_Room_Theme.wav'）

[Y,FS,NBITS]=wavread（'F:

\miyaxing\Music\The_Room_Theme.wav'）;

plot（Y）;

sound（Y,FS）;

Y1=Y（:

1）;

size（Y1）

figure

subplot（2,1,1）;

plot（Y）;

N=length（Y1）;

f1=fft（Y1）;

w=2/N*[0:

N/2-1];

subplot（2,1,2）;

plot（w,abs（f1（1:

N/2）））;

波形图和频谱图如下：

4.选取另一段音乐信号作为噪声信号

5.同样用wavread语句读取这段信号，可以用sound语句播放音乐

6.信号输出音乐信号的波形和频谱，观察现象

程序如下：

[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'F:

\miyaxing\Music\ConciertodeAranjuez.wav'）;

plot（Y）;

sound（Y,FS）;

Y1=Y（:

1）;

size（Y1）

figure

subplot（2,1,1）;

plot（Y）;

N=length（Y1）;

f1=fft（Y1）;

w=2/N*[0:

N/2-1];

subplot（2,1,2）;

plot（w,abs（f1（1:

N/2）））;

波形图和频谱图如下：

7.利用MATLAB生成一段信号，这里生成的是正弦信号

8.输出此信号的波形和频谱，观察分析

程序如下：

f0=15;

N=1024;

w0=2*pi*f0;

n=0:

N-1;

t=0:

0.001:

1;

x=2*sin（w0*t+pi/6）;

subplot（2,2,1）

plot（t,x）;

y=fft（x,N）;

yy=abs（y）;

yy=yy*2/N;

f=n*f0/N;

subplot（2,2,2）

plot（f,yy）;

波形图和频谱图：

设计内容二：

根据三路信号的频谱特点分别设计三个滤波器，绘出滤波器的频域响应。

1.对第一个信号设计巴特沃斯滤波器，观察滤波器频率响应曲线

2.输出解调信号的波形和频谱图，观察现象

3.播放解调音乐信号，比较经过滤波器下的声音

程序如下：

[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'F:

\miyaxing\Music\The_Room_Theme.wav'）;

Y1=Y（:

1）;

N=length（Y1）;

N1=0:

N-1;

Y2=cos（N1*pi/8）;

F=Y1.*Y2';

F2=F.*Y2';

wp=0.18;ws=0.25;rp=1;rs=50;

[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;

[B,A]=butter（N4,Wc）;

[Hd,w]=freqz（B,A）;

figure

subplot（2,1,1）;plot（w/pi,abs（Hd））;

F3=filter（B,A,F2）;

N4=length（F3）;

F4=fft（F3）;

w4=2/N4*[0:

N4/2-1];

subplot（2,1,2）;plot（w4,abs（F4（1:

N4/2）））;

sound（F3,FS）;

频域响应图和频谱图

4.对第一个信号设计高通滤波器，观察滤波器频率响应曲线

5.输出解调信号的波形和频谱图，观察现象

6.播放解调音乐信号，比较经过滤波器下的声音

程序如下：

[x,fs,nbits]=wavread（'F:

\miyaxing\Music\ConciertodeAranjuez.wav'）;

x1=x（:

1）;

N=length（x1）;

fx1=fft（x1）;

w1=2/N*（0:

N/2-1）;

wp=0.2;ws=0.05;rp=1;rs=50;

[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;

[B,A]=butter（N4,Wc,'high'）;

[Hd,w]=freqz（B,A）;

lox1=filter（B,A,x1）;

N1=length（lox1）;

flox1=fft（lox1）;

w2=2/N1*（0:

N1/2-1）;

figure

subplot（3,1,1）;plot（w1,abs（fx1（1:

N/2）））;

subplot（3,1,2）;plot（w/pi,abs（Hd））;

subplot（3,1,3）;plot（w2,abs（flox1（1:

N1/2）））;

sound（lox1,fs）;

频域响应图和频谱图

7.对第三个信号设计切比雪夫滤波器，观察滤波器频率响应曲线

8.输出解调信号的波形和频谱图，观察现象

程序如下：

f0=15;

N=1024;

w0=2*pi*f0;

n=0:

N-1;

t=0:

0.001:

1;

x=2*sin（w0*t+pi/6）;

subplot（2,2,1）

plot（t,x）;

y=fft（x,N）;

yy=abs（y）;

yy=yy*2/N;

f=n*f0/N;

subplot（2,2,2）

plot（f,yy）;

Wp=100;

Rp=3;

Ws=200;

Rs=30;

Fs=1000;

[N,Wn]=cheb1ord（Wp/（Fs/2）,Ws/（Fs/2）,Rp,Rs）;

[b,a]=cheby1（N,Rp,Wn）;

[Hd,w]=freqz（b,a）;

y1=filter（b,a,x）;

subplot（2,2,3）

plot（t,y1）;

subplot（2,2,4）;plot（w/pi,abs（Hd））;

频域相应图和频谱图：

设计内容三：

对三路信号混频，利用设计的滤波器，分析滤波前后信号的波形和频谱。

1.由于前两个是wav格式的音乐信号，第三个是简单的正弦信号，所以对前两个进行混频

程序如下：

y=wavread（'F:

\miyaxing\Music\The_Room_Theme.wav'）

x=wavread（'F:

\miyaxing\Music\ConciertodeAranjuez.wav'）

x1=x（:

1）;

y1=y（:

1）;

x2=x1（1:

200000）

Nx2=length（x2）;

y2=y1（1:

200000）;

Ny2=length（y2）;

z=x2+y2;

figure（11）;

freqz（z）;

幅频特性图和相频特性图：

2.设计一个低通滤波器，对混频信号进行滤波

程序如下：

f_L1=2600;

f_H1=3000;

f_L2=11000;

f_H2=11500;

f_L3=21900;

f_H3=22600;

w_L1=2*pi*f_L1/fs;

w_H1=2*pi*f_H1/fs;

w_L2=2*pi*f_L2/fs;

w_H2=2*pi*f_H2/fs;

w_L3=2*pi*f_L3/fs;

w_H3=2*pi*f_H3/fs;

N=22001;

M=N-1;

h=zeros（1,N）;

fori=0:

N-1

ifi==M/2

h（i+1）=（pi-w_H1+w_L1-w_H2+w_L2-w_H3+w_L3）/pi;

else

h（i+1）=（（sin（（i-M/2）*pi）-sin（（i-M/2）*w_H1）+sin（（i-M/2）*w_L1）-sin（（i-M/2）*w_H2）+sin（（i-M/2）*w_L2）-sin（（i-M/2）*w_H3）+sin（（i-M/2）*w_L3）））/（（i-M/2）*pi）;

end

end

figure（16）;

plot（h）;

figure（17）;

freqz（h）;

经过滤波器后的信号频谱分析

总结

以往都是通过课本来感性的认知语音信号，通过本次的课程设计，让我对语音信号有了一个较为实际的认识。

于此同时，让我再次把数字信号处理及数字滤波器的设计方法重新进行了复习和学习。

它让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了遇不懂就问。

在设计课程过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。

而对于Matlab，也再次让我感受到了其功能的强大。

最为重要的是，本次课程设计让我重新审视了学习的过程：

只去做实验是不行的，首先还是要思考，遇到了问题查书籍，XX搜索也只是一种手段，更加重要的是先思考，再理解，只有这样才能真正的做好实验。