课程设计报告课程名称数字信号处理课程设计课题名称数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业通信工程班级学号姓名指导教师2012年9 月10日湖南工程学院课程设计任务书课程名称数字信号处理课程设计课题名称数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业通信工程班级学号姓名指导教师审批任务书下达日期2012 年9月 1 日任务完成日期2012 年9月10日《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、课程设计题目课程设计题目分为2个方向，每班选做方向一的同学约占2/3,选做方向二的约占1/3。
方向一：数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用。
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。
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,完成以下题目中的一个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=1 dB; 阻带最小衰减Rs=15 dB，每个题目至少设计出5个用不同方法的不同类型滤波器。
题目（1）：采用窗函数法与等波纹法分别设计各型FIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型）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）。
题目（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）来设计各型IIR滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少3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。
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。
四、设计进度安排通信工程1001/1002:1周周一上午，E-412, 任务讲解与布置，学生分组选题，查找相关资料，准备课程设计，学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周二上午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周三上午，E-412,学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周四上午，E-412,学生任务完成，答辩并提交课程设计报告。
附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分、附件（A4大小的图纸及程序清单）。
正文的格式:一级标题用3号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为22。
正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模块的划分；三、主要功能的实现；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释）；七、评分表。
1 课程设计的目的《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。
综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，再利用 MATLAB 作为编程工具进行计算机实现，从而加深对所学知识的理解，建立概2 课程设计的原理2.1采样频率、位数及采样定理采样频率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）表示。
采样频率的倒数是采样周期，她是采样之间的时间间隔。
通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样体，是描述生音文件的音质、音调，衡量声卡、声音文件的质量标准。
采样频率越高，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。
采样位数，可以理解为声卡处理声音的解析度。
采样位数数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。
采样定理，在进行模拟、数字信号的转换过程中，当采样频率fs不小于信号中最高频率Fm的2倍时，采样之后的数字信号完整的保留了原始信号中的信息。
2.2时域信号的FFT分析信号的频谱分析就是计算机信号的傅里叶变换，连续信号与系统的傅里叶分析显然不便于用计算机进行计算。
FFT是一种时域和频域均离散化的变换，适合数值运算，对连续信号和系统，可通过时域采样。
2.3 IIR数字滤波器设计原理利用双线性变换设计IIR滤波器（巴特沃斯低通滤波器），首先要设计出满足指标要求的模拟滤波器的传递函数Ha(s)，然后由Ha(s)通过双线性变换可得所要设计的IIR滤波器的系统函数H(z)。
设计数字滤波器的任务就是寻求一个因果稳定的线性时不变系统，并使系统函数H(z)具有指定的频率特性。
数字滤波器从实现的网络结构或者从单位冲激响应分类，可以分成无限长单位冲激响应（IIR）数字滤波器和有限长单位冲激响应（FIR）数字滤波器。
3 课程设计设计步骤及结果分析3.1、语音信号采集录制一段课程设计的语音信号（wei.wav）并保存为文件，读取语音信号wei.wav，并重放语音。
代码如下：[I,Fs,bits]=wavread('D:\wei.wav');sound(I);3.2语音信号分析求语音信号的长度n=length(I)、时间t=0:1/Fs:(n-1)/Fs，进行快速傅里叶变换Y=fft(I)。
使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。
subplot(211);plot(I); title('原始语音时域信号')subplot(212);plot(abs(Y)); title('原始语音信号频谱') 图如下：123456789x 104-1-0.500.51原始语音时域信号123456789x 10401000200030004000原始语音信号频谱由图可知，其带宽为8.5×100000，语音信号的采样频率不能低于42500赫兹。
3.3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： 加白噪声y1=awgn(I,5);白噪音的百分比为5，加白噪后进行快速傅里叶变换Y1=fft(y1);画出加白噪音后语音时域信号图和加白噪音后语音信号频谱图 subplot(211); plot(y1)title('加白噪音后语音时域信号') subplot(212); plot(abs(Y1));title('加白噪音后语音信号频谱') 图：123456789x 104-4-2024加白噪音后语音时域信号123456789x 10401000200030004000加白噪音后语音信号频谱加单频噪色（余弦干扰）s=[0.05*cos(2*pi*4000*t)]' ；对叠加余弦干扰信号后进行傅里叶变换，画出加余弦后语音时域信号和频谱图 subplot(211);plot(y2) title('加余弦后语音时域信号') subplot(212);plot(abs(Y2));title('加余弦后语音信号频谱')；图如下x 104-1012加余弦后语音时域信号x 104200040006000加余弦后语音信号频谱加多频噪声（多余弦干扰）y3=I+s1+s2+s3 ； 其中s1=[0.05*cos(2*pi*2000*t)]' s2=[0.05*cos(2*pi*3000*t)]' s3=[0.05*cos(2*pi*5000*t)]'对叠加余弦干扰信号y3进行傅里叶变换Y3=fft(y3)，画图：0123456789x 104-1012加多个余弦后语音时域信号0123456789x 104200040006000加多个余弦后语音信号频谱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。