1、青 島 科 技 大 學本 科 課 程 設 計 報 告 基于MATLAB的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計-網(wǎng)絡資源管理題 目 _xxx指導教師_XXX學生姓名_1008030207學生學號_10級2通信工程信息科學技術_學院（部）_專業(yè)_班2014115_年 _月 _日課程設計地點弘A-401實驗室課程設計時間2014.01.07-2014.01.16課程設計目的1. 數(shù)字濾波器設計方法；2. 提高信號處理算法編程能力；3. 掌握利用MATLAB GUI進行系統(tǒng)界面設計的技巧；4. 通過較為全面、進一步加深對數(shù)字信號處理課程所學內(nèi)容的理解；掌握系統(tǒng)的程序設計訓練，初步掌握軟件設計方法，為畢業(yè)設計及日后的實

2、際工作打好基礎。指導教師評語 指導教師簽字：驗收（答辯）意見驗收（答辯）人員簽字：系（教研室）意 見 教研室主任簽字：成 績（百分制） 目錄1. 主要內(nèi)容2 需求分析3設計思想4實現(xiàn)方法5調試及實現(xiàn)過程6.總結7.參考文獻1主要內(nèi)容1.1語音信息部分 語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。通過語言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和記載幾千年人類文明史的根本手段，沒有語言就沒有今天的人類文明。語音是語言的聲學表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術對語音信號進行

3、處理的一門學科，它是一門新興的學科，同時又是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科。1.2數(shù)字信號處理部分本部分主要包括離散傅里葉變換，離散傅里葉級數(shù)，頻率分辨率分析和高密度譜分析。1.2.1離散傅里葉變換離散傅里葉變換（DFT），是連續(xù)傅里葉變換在時域和頻域上都離散的形式，將時域信號的采樣變換為在離散時間傅里葉變換（DTFT）頻域的采樣。在形式上，變換兩端（時域和頻域上）的序列是有限長的，而實際上這兩組序列都應當被認為是離散周期信號的主值序列。即使對有限長的離散信號作DFT，也應當將其看作經(jīng)過周期延拓成為周期信號再作變換。在實際應用中通常采用快速傅里葉變換以高效計算DFT。1.2.2 離散

4、傅里葉級數(shù)離散傅里葉級數(shù)（DFS）與連續(xù)傅立葉級數(shù)相比有很大的區(qū)別。最大的不同在于離散時間傅里葉級數(shù)的系數(shù)序列是周期的。1.2.3 數(shù)字信號處理的特點：（1）精度高；（2）靈活性高；（3）可靠性強；（4）容易大規(guī)模集成；（5）時分復用；（6）可獲得高性能的指標；（7）二維與多維處理等。1.2.4 數(shù)字信號處理的應用：（1）濾波與變換；（2）通信；（3）語音和語言；（4）處理圖像和圖形；（5）消費電子（包括數(shù)字音頻、數(shù)字電視、音樂綜合器、電子玩具和游戲等）；（6）儀器（包括頻譜分析儀器、函數(shù)發(fā)生器等）；（7）工業(yè)控制和自動化；（8）醫(yī)療和軍事等。1.2.5 數(shù)字信號處理的發(fā)展和方向；（1）數(shù)字匯

5、聚：即信號處理、通信和計算機的融合，其中數(shù)字信號處理是一種粘合劑，它把通信產(chǎn)業(yè)、消費電子產(chǎn)業(yè)以及計算機產(chǎn)業(yè)緊密結合在一起。（2）遠程會議系統(tǒng)；（3）融合網(wǎng)絡；把公眾電信網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡更好地結合在一起，并與家庭娛樂信息設施相匹配的網(wǎng)絡；（4）數(shù)字圖書館；（5）圖像與文本合一的信息檢索業(yè)務；（6）多媒體通信；包括媒體的壓縮，媒體的綜合，媒體的識別，消息的轉換和自然查詢；（7）個人信息終端；把個人通信系統(tǒng)與個人數(shù)字助理非常自然地結合在一起，以實現(xiàn)無時不在無處不在的通信功能。1.3 數(shù)字濾波器設計部分1.3.1本部分包括 butterworth濾波器和數(shù)字低通濾波器巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內(nèi)的頻

6、率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。 在振幅的對數(shù)對角頻率的波特圖上,從某一邊界角頻率開始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負無窮大。1.3.2數(shù)字濾波器的研究背景和意義     當今，數(shù)字信號處理技術正飛速發(fā)展，它不但自成一門學科，更是以不同形式影響和滲透到其他學科；它與國民經(jīng)濟息息相關，與國防建設緊密相連；它影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，因此受到人們普遍的關注。     數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化是當代信息技術發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡化的基礎，實際生活

7、中遇到的信號多種多樣，例如廣播信號、電視信號、雷達信號、通信信號、導航信號等等。上述這些信號大部分是模擬信號，也有小部分是數(shù)字信號。模擬信號是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一維的，也可以是二維或多維的。大多數(shù)情況下一維模擬信號的自變量是時間，經(jīng)過時間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號便成為一維數(shù)字信號。因此，數(shù)字信號實際上是數(shù)字序列表示的信號，語音信號經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號是一個一維離散時間序列；而圖像信號的經(jīng)采樣和量化后，得到的是數(shù)字信號是一個二維離散空間序列。1.3.3數(shù)字濾波器的應用及現(xiàn)狀 數(shù)字濾波器精確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設備所沒有

8、的許多優(yōu)點，已廣泛應用于各個學科技術領域，例如數(shù)字電視、語音、通信、雷達、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學以及許多工程應用領域。隨著信息時代數(shù)字時代的到來，數(shù)字濾波技術已經(jīng)成為一門極其重要的學科和技術領域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術，但是，模擬電路技術存在很多難以解決的問題，例如，模擬電路元件對溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術則避免很多類似的難題，當然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點，所以采用數(shù)字濾波器對信號進行處理是目前的發(fā)展方向2 需求分析語音信號處理是一門比較實用的電子工程的專業(yè)技術，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。是利用MATLAB對語音信號進行數(shù)字信號處理與

9、分析，采集語音信號后，掌握語音信號處理可以有效處理語音信號，是進行信息傳遞的最重要的手段，研究數(shù)字信號處理技術對語音信號進行處理，是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科。數(shù)字濾波器是按照程序計算信號，達到濾波的目的。通過對數(shù)字濾波器的存儲器編寫程序，就可以實現(xiàn)各種濾波功能。數(shù)字濾波器有高精度，高可靠性，可程控改變特性或復用，便于集成等優(yōu)點。數(shù)字濾波器在語音信號處理，圖像信號處理，醫(yī)學生物信號處理以及其他應用領域都得到了廣泛應用。數(shù)字信號處理就是用數(shù)值計算的方式進行加工的理論和技術，是研究有掛數(shù)字濾波技術，離散變換快速算法和譜分析方法。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術也得到相應的發(fā)展，

10、其應用領域十分廣泛。3 設計思想3.1 語音信息加載一段語音后，通過編寫程序代碼，將語音加載，然后對語音進行相應的處理，通過程序的播放功能，將加載的語音播放。還可設計編寫代碼獲取語音的相關信息，并課進行相關的信息修改。3.2 數(shù)字信號處理通過編寫相應代碼，應用信號的傅里葉變換，實現(xiàn)信號時域和頻域之間的轉換，進行頻譜分析。并可以任意修改信號的頻率或取樣信號的頻率改變頻譜形狀；3.3 數(shù)字濾波器設計數(shù)字濾波器按照單位取樣響應h(n)的時域特性可以分為無限脈沖響應（IIR）系統(tǒng)和有限脈沖響應（FIR）系統(tǒng)。FIR 數(shù)字濾波器的優(yōu)點在于它可以做成具有嚴格線性相位,而同時可以具有任意的幅度特性

11、;它的傳遞函數(shù)沒有極點;這保證了設計出的FIR 數(shù)字濾波器一定是平穩(wěn)的。 所謂數(shù)字濾波器設計，簡單地說，就是要找到一組能滿足特定濾波要求的系數(shù)向量a和b。而濾波器設計完成后還需要進一步考慮如何將其實現(xiàn)，即選擇什么樣的濾波器結構來完成濾波運算。FIR數(shù)字濾波器的設計方法很多，其中較為常用的是窗函數(shù)設計法、頻率采樣設計法和最優(yōu)化設計法。本文討論利用窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋切比雪夫逼近法（調用remez函數(shù)）來分別實現(xiàn)各種FIR濾波器的設計。窗函數(shù)法設計的基本思想是把給定的頻率響應通過IDTFT（Inverse Discrete Time Fou

12、rier Transform），求得脈沖響應，然后利用加窗函數(shù)對它進行截斷和平滑，以實現(xiàn)一個物理可實現(xiàn)且具有線性相位的 FIR 數(shù)字濾波器的設計目的。其核心是從給定的頻率特性，通過加窗確定有限長單位取樣響應()hn；頻率采樣法設計的基本思想是把給出的理想頻率響應進行取樣，通過 IDFT 從頻譜樣點直接求得有限脈沖響應；最優(yōu)化設計方法是指采用最優(yōu)化準則來設計的方法，在 FIR DF的最優(yōu)化設計中 ,最優(yōu)化準則有均方誤差最小化準則和等波紋切比雪夫逼近準則兩種。4 實現(xiàn)方法4.1 語音信息利用MATLAB程序編寫相應的程

13、序代碼，在MATLAB的GUI界面中通過設置功能按鈕。實現(xiàn)語音的加載、播放及修改語音等功能；4.2 數(shù)字信號處理 根據(jù)離散傅里葉級數(shù)的定義式和離散傅里葉變換的定義式來編程實現(xiàn)；4.3 數(shù)字濾波器設計按照濾波器的設計過程用相應的代碼完成設計，并使其完成相應的功能。5 調試及實現(xiàn)過程5.1 語音信號設計框圖：5.2 數(shù)字信號處理5.2.1 離散傅里葉變換和離散傅里葉級數(shù)5.2.2 離散傅里葉變換參數(shù)設為f1=20,f2=200時，運行結果如下5.2.3 離散傅里葉級數(shù)參數(shù)設置為f1=30,f2=300,運行結果如下：5.2.4 高密度譜分析當點擊高密度譜分析按鈕時，在圖框中輸入頻率，控制在頻域的頻

14、譜當輸入f1=50,f2=60,fs=100時，運行結果如下：5.2.5 頻率分辨率分析參數(shù)設置為fs=1000; N=1000; 運行結果如下圖所示當把頻率變小時頻譜間隔會增大，頻譜結構發(fā)生變化，當頻率為400時，改變頻率周期，以改變頻譜間隔，一對頻譜進行分析。在時域控制頻率的變化，在頻域變現(xiàn)為頻譜間隔結構的變化。5.3 數(shù)字濾波器設計5.3.1 butterworth濾波器運行結果如下：由運行結果可清楚地分析出，巴特沃斯濾波器擁有平滑的頻率響應，在截止頻率以外，頻率響應單調下降。其過渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)，高階巴特沃斯濾波器的頻率響應近似于理想低通濾波器。對N=2階濾波器和N=20階濾波器的平方幅度響應進行比較后，證明了高階巴特沃斯濾波器有著更好的幅度特性，更接近理想低通濾波器5.3.2 數(shù)字低通濾波器運行結果如下：6 總結總的來說，通過這次的課程設計我對語音信號有了全面的認識，對數(shù)字信號處理的知識又