《数字信号处理》课程设计指导1281.docx

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《数字信号处理》课程设计指导1281

《数字信号处理》课程设计指导

一、课程设计的性质与目的

《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。

通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。

数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。

根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：

无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。

二、课程设计题目

题目1：

数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用。

1、设计步骤：

（1）语音信号采集

录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样；录制时可以使用Windows自带的录音机，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。

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。

（2）语音信号分析

使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。

根据频谱图求出其带宽，并说明语音信号的采样频率不能低于多少赫兹。

（3）含噪语音信号合成

在MATLAB软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：

①白噪声；②单频噪色（正弦干扰）；③多频噪声（多正弦干扰）；④其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或Chirp干扰、冲激干扰。

绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号图形对比，也可通过Windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。

（4）数字滤波器设计及滤波

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，每个题目至少设计出5个用不同方法的不同类型滤波器。

①：

采用窗函数法与等波纹法分别设计FIR滤波器来对叠加噪声前后的语音信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应，绘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；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）。

②：

采用双线性变换法与脉冲响应不变法，分别利用不同的原型低通滤波器（Butterworth型与切比雪夫I型）来设计IIR滤波器，绘出滤波器的频域响应；并用这些数字滤波器对含噪语音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）回放语音信号

对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。

（6）设计一个语音信号分析与处理系统界面（选作）

利用MATLAB的界面设计功能，设计一个MATLAB环境下的人机交互界面，完成上述滤波器的设计及滤波过程，要求能够接收输入的设计参数，查看设计结果及滤波结果。

题目2：

基于MATLAB数字音效处理器

1、应用背景

利用所学习的数字信号处理知识，自己动手制作一个有趣的音效处理系统，看看能不能完成声音的逐渐放大和逐渐衰减、看看能不能让自己的声音发生一些改变（变得尖声尖气或粗声粗气）、看看改变声音播放速度有什么方法等等，你还可以自己想想还有什么有趣的变化，可以通过我们已有的知识让它实现。

作为课程设计，以下要求分为基本必做部分和提高必做部分，在提高部分你可以选择全部内容和部分内容。

2、基本要求描述

（1）语音信号的采集

要求利用Windows自带的录音机，录制一段自己的话音，时间在10s内，存为*.WAV的文件。

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。

（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，分析基频。

（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：

（i）低通滤波器性能指标fb＝1000Hz，fc＝1200Hz，As＝80dB，Ap＝1dB。

（ii）高通滤波器性能指标fc＝4800Hz，fb＝5000Hz，As＝80dB，Ap＝1dB。

（iii）带通滤波器性能指标　fb1＝1200Hz，fb2＝3000Hz，fc1＝1000Hz，fc2＝3200Hz，As＝80dB，Ap＝1dB。

以上数据可做修改。

（4）用滤波器对信号进行滤波

要求学生用自己设计的各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，做出分析。

（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：

sound（x,fs,bits）;可以感觉滤波前后的声音有变化。

（7）实现慢录快放和快录慢放功能

3、提高部分要求（选做）

（1）实现对声音信号放大和衰减功能

（2）实现对录音内容倒播放

（3）实现混音音效效果

（4）实现回音音效效果

（5）实现男女变声音效效果

（6）设计系统界面

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。

①在使用巴特沃斯函数获取其阶数时发现，调用函数时有点思路要理清，对于其函数  [N,Wn] = buttord（wp2,ws2,Rp,Rs,'s'），若有后面的‘s’，N=4；而缺省时，N=6；经查资料发现，当有‘s’时，其表示的是模拟Butterworth滤波器，而缺省时是数字Butterworth滤波器。

   ②一个线性是不变系统的典型表达式有状态空间型、传递函数型、零极增益型、极点留数型共四种，在开始的设计过程中我发现在把零极点增益型向传递函数型的转换过程中多用了一步，即先把零极点增益型转换为状态空间型，进行相应的频率变换和双线性变换后，再由状态空间型转换为传递函数型，进而绘制出其频率响应图，但是经仿真分析后发现，性能并不理想，所以并没有采用。

 ③ freqs（Bbs,Abs）与freqz（Bbz,Abz,512,FS）刚开始时分得不是很清楚，后来发 现前者是求模拟域频率响应的，而后者是求数字域频率响应的。

后者的用法如下：

  [[h,w]=]freqz（b,a,n[,’whole’]）; 或[h,f]=freqz（b,a,n[,’whole’],Fs）;  式中，b,a为数字滤波器分子和分母多项式的系数，n为复数频率的响应点数，为整数，最好为2的幂，缺省时为512；Fs为采样频率，单位Hz。

如果给定该值，则f位置输出为频率Hz，若没有给定，则按角频率（Angular frequency）给定f的频率矢量；’whole’表示返回的频率f或w值包含z平面整个单位圆频率矢量，即0~2；缺省时，频率f或w值包含z平面上半单位圆（0~）之间等间距n个点频率矢量。

h为复频率响应；w为n点频率向量（单位rad）；f为n点频率向量（Hz）。

函数返回值缺省时，绘制幅频响应和相频响应图。

题目3：

音乐声处理

1、设计目的

几乎所有的音乐节目都分两阶段产生，每个单独的乐器声音都录制到单轨中，然后对每个轨道信号进行处理，以增加特殊音效并合成。

用数字信号处理技术实现声音信号的回声生成、混响与和声。

2、基本原理

（1）单回声滤波器

回音可以由简单的延时单元产生。

直达声和在R抽样周期后出现的一种单个回音，可以用FIR滤波器产生，微分方程为：

y[n]=x[n]+αx[n-R]|α|<1

传输函数为：

H（z）=1+αz-R

传递函数的幅频响应形状象梳子，这种滤波器又叫梳状滤波器。

（2）多重回声滤波器

为了产生以间隔R个抽样周期分开的具有指数衰减振幅的多重回声，可用一个以下形式传输函数的FIR滤波器：

无限个振幅以指数衰减间隔为R个抽样周期的多重回声可用以下形式传输函数的IIR滤波器生成：

IIR多重回声滤波器的基本频率FR=Fs/R，通常锁定在伴音设备的基频上，比如基鼓拍子。

（3）混响

声音在一个封闭的空间中到达听众时，包含几个部分：

直达声、早期的反射和混响。

早期的反射由几个空间上邻近的直达声的基本延迟和衰减组成，而混响则由密集的回声组成。

上述多重回声滤波器不能提供自然声音混响。

由其幅频特性可知，其幅度响应对于所有频率不是常数，收听效果不能令人满意。

其次每秒回声数量太少会引起合成声的颤动，需要每秒约1000个回音才能生成没有颤动的反射声。

为了生成更真实的混响，提出一种有全通结构的混响器，传输函数为：

自然声音混响可由全通混响器和多重回响互联。

系统框图如下图所示：

（4）和声生成器

当几个音乐家在同一时间演奏同一首乐曲而在振幅有少量变换并在他们的声音之间有很少的时间差别时，会产生和声效果。

延时可用如下函数实现：

注意：

在时刻n处

的值通常是一个非整数值，实际实现中，输出样本值需要用到内插法进行计算。

3、设计要求

自己录制一段语音信号，设计不同滤波器，编程实现单回声效果、多重回声效果、自然声音混响及和声效果。

4、设计步骤

（1）利用Windows自带的录音机，录制一段自己的话音，时间在10s内，存为*.WAV的文件。

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

（2）设计单回声滤波器，实现单回声效果。

给出单回声滤波器冲激响应及幅频响应。

给出加入单回声前后信号频谱。

（3）设计多重回声滤波器，实现多重回声效果。

给出多重回声滤波器冲激响应及幅频响应。

给出加入多重回声后信号频谱。

设计全通混响器，实现混响效果。

给出全通滤波器冲激响应及幅频响应。

给出加入全通滤波器后信号频谱。

题目4：

多采样率数字信号处理在数字语音系统中的应用

1、设计目的

学习多采样率数字信号处理原理，采用整数因子抽取与整数因子内插来解决数字语音系统中的信号采样过程中存在的问题，并用MATLAB编程实现，加深对多采样率数字信号处理的理解。

2、设计要求

编程实现数字语音系统中改进的发送端A/D转换方案；编程实现数字语音系统中改进的接收端D/A转换器方案；给出各个设计环节信号的时域图及频域图。

3、设计步骤

（1）设计模拟预滤波器，其过渡带为4≤f≤12kHz。

（2）以16kHz的采样率进行语音采样。

（3）设计数字滤波器滤掉采样后频谱在4～12kHz的频带中发生的混叠。

（4）按抽取因子D=2进行抽取，降低采样率，使得数据量不增加。

（5）按内插因子I=2进行内插，将采样率提高2倍。

（6）设计模拟恢复低通滤波器恢复的语音信号。

三、课程设计要求

1、在一周内学生须上机16小时以上，程序调试完后，须由指导老师在机器上检查运行结果，经教师认可后的源程序可通过打印机输出，并请教师在程序清单上签字。

2、课程设计报告内容和格式：

设计题目，设计的详细步骤，设计过程中的结果、图形等，设计总结。

3、每组每人必须独立完成，成绩的考核按设计结果、答辩成绩及课程设计报告来综合评定。

成绩分为优、良、中、及格、不及格五级分评定。

4、指导教师：

彭祯罗敬。

四、设计进度安排

通信工程1281:

1周