音乐信号的滤波处理课程设计

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1、课程设计说明书 2009-2010 学年第 二 学期课程设计任务书 2009/2010 学年第 二 学期学 院：信息与通信工程学院专 业：信息对抗技术专业学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：信息处理实践音乐信号的滤波处理起 迄 日 期:6月12日 6月25日课程设计地点:指 导 教 师:系主任：下达任务书日期: 2010年 6 月 11 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1、通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；2、掌握Matlab的使用方法，能熟练运用该软件设计并仿真通信系统；3、通过信息处理

2、实践的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法和基本开发过程。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：一、学习Matlab软件1、熟悉Matlab的运行环境；2、学会并掌握m语言编程；3、根据所设计系统的需要会合理设定需完成系统的各项参数；4、根据所设计系统的需要，优化程序设计最优系统。二、实践设计要求：1、根据所选题目，设计实现系统的原理框图。2、编写m语言程序，给出系统不同节点输出波形。3、每人一组，写出设计报告。三、参考题目题目1：音乐信号的滤波处理（1）1、在windows下录制自己的一段语音信号或选取一段MP3文件；2、在语音信号上分别叠加均匀白噪声和高斯白噪声

3、，使信噪比为（学号）dB；3、对叠加噪声前后的信号进行频谱分析，确定降噪的滤波器指标；4、根据滤波器指标利用双线性变换法设计滤波器，在Matlab平台下编写程序，并观察分析滤波器的幅频特性、相频特性和群延时，以及滤波前后信号时域特性和频域特性。题目2：音乐信号的滤波处理（2）1、在windows下录制自己的一段语音信号或选取一段MP3文件；2、在语音信号上分别叠加均匀白噪声和高斯白噪声,使信噪比为（学号）dB；3、对叠加噪声前后的信号进行频谱分析，确定降噪的滤波器指标；4、根据滤波器指标利用冲激响应不变法设计滤波器，在Matlab平台下编写程序，并观察分析滤波器的幅频特性、相频特性和群延时，以

4、及滤波前后信号时域特性和频域特性。题目3：数字基带传输系统眼图分析仿真1、根据数字基带传输系统原理，建立数字基带传输系统原理框图；2、生成任意二进制信号作为数字基带信号的信源，设信道为高斯白噪声，观察并分析（学号）dB信噪比条件下系统的输出结果，并利用眼图分析方法给出眼图分析结果；3、对数字基带信号进行M序列加扰，在接收端对其进行解扰，其余条件同2。根据要求，在Matlab平台下编写程序。题目4：音乐信号的滤波处理（3）1、在windows下录制自己的一段语音信号或选取一段MP3文件；2、在语音信号上分别叠加均匀白噪声和高斯白噪声,使信噪比为（学号）dB；3、对叠加噪声前后的信号进行频谱分析，

5、确定降噪的滤波器指标；4、根据滤波器指标利用窗函数法设计滤波器，在Matlab平台下编写程序，并观察分析滤波器的幅频特性、相频特性和群延时，以及滤波前后信号时域特性和频域特性。题目5：音乐信号的滤波处理（4）1、在windows下录制自己的一段语音信号或选取一段MP3文件；2、在语音信号上分别叠加均匀白噪声和高斯白噪声,使信噪比为（学号）dB；3、对叠加噪声前后的信号进行频谱分析，确定降噪的滤波器指标；4、根据滤波器指标利用频率抽样法设计滤波器，在Matlab平台下编写程序，并观察分析滤波器的幅频特性、相频特性和群延时，以及滤波前后信号时域特性和频域特性。 题目6：平顶抽样与自然抽样仿真1、生

6、成任一高斯白噪声信号f(t)；2、将高斯白噪声信号的带宽限制在（学号）kHz,形成信号x(t)；3、根据平顶抽样和自然抽样的原理框图，对x(t)信号分别进行平顶抽样和自然抽样。在Matlab平台下编写程序，观察并分析抽样前后信号的时域与频域结果；4、对抽样后的信号进行恢复，比较分析抽样前与恢复后的信号。注：以上6个题目中学号为班级学号的后两位，如0705094123，学号为23选题要求：学号对6取余，余数为1，选择题目1；余数为2，选择题目2；余数为3，选择题目3；余数为4，选择题目4；余数为5，选择题目5；余数为0，选择题目6。课 程 设 计 任 务 书3设计工作任务及工作量的要求包括课程设

7、计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：每个同学独立完成自己的任务，每人写一份设计报告，在课程设计论文中写明自己设计的部分，给出设计的matlab的程序与仿真波形图。4主要参考文献：1. 南利平等.通信原理简明教程（第2版）.北京：清华大学出版社.20092. 郑君里等.信号与系统（第二版）.北京：高等教育出版社.20003. matlab相关书籍5设计成果形式及要求：设计的程序；课程设计说明书。6工作计划及进度：6月 12日 6月13日 相关资料查阅；6月 17日 6月18日 相关软件的学习；6月21 日 6月23日 方案设计，建立模型并实现；6月24日 书写课程设计说明书；6月25日 答辩

8、、成绩考核。系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录一、设计目的二、设计要求三、设计原理四、设计步骤1、设计方案2、设计过程3、设计结果五、设计总结六、参考资料一、 设计目的1、通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；2、掌握Matlab的使用方法，能熟练运用该软件设计并仿真通信系统；3、通过信息处理实践的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法和基本开发过程。二、设计要求1、根据所选题目，设计实现系统的原理框图。2、编写m语言程序，给出系统不同节点输出波形。3、每人一组，写出设计报告。三、设计原理双线

9、性变换法原理：为了克服脉冲响应不变法所存在的缺点，提出采用双线性变换法。该法的基本思想是首先按给定的指标设计一个模拟滤波器，其次将这个模拟滤波器的系统函数H (s)，通过适当的数学变换方法把无限宽的频带，变换成频带受限的系统函数 H (s)。最后再将H (s)进行常规z变换，求得数字滤波器的系统函数H (z)。这样由于在数字化以前已经对频带进行了压缩，所以数字化以后的频响可以做到无混叠效应。显然，这里寻找压缩频带而又能满足上述映射条件的变换式是个关键。设将s平面映射到s平面存在下列的关系式 （1）式中s = + j，C为变换常数，在式的右边是以表示的周期函数，其周期为2 / T。如果考虑频率特

10、性则分别以s = j， s = j代入式（1）故得： (2)现以为纵坐标，=T为横坐标，则模拟与数字频率变量间的关系将如图所示。结合式（1）不难看出；s的左半平面与s的左半平面相对应；s的右半平面与s的右半平面相对应；s平面的虚轴与s平面的虚轴相对应。它们之间主要的区别在于s平面-的无限频率范围，被映射到s平面的主值范围内,即：也就是说，通过变换式（1）把整个s平面映射到s平面以+-s/2为边界的水平窄区内。这避免数字化后可能出现的频谱混叠提供了必要条件。为了求出数字滤波器的系统函数，最后还得通过常规z变换将s平面变换到z平面上来，其关系式为： (3)显见，这时在s左半平面的窄区就被映射到z平

11、面的单位圆内。现将式（3代入式(1最后求得： 或 (4)该式是两个线性函数之比，称为线性分式变换，若把它展开求z，则得： （5）可见，其反变换也是线性分式函数，所以这种变换是双向的，因此叫做双线性变换。双线性变换仍然具有将s的左半平面映射到z平面单位圆内;j轴映射到单位圆上的基本性质。因为当=0时，z=1，说明s平面j轴映射到z平面单位圆上。当0时，上式中的分母大于分子z1，说明s左半平面映射到z平面单位圆内。因而它们一一对应，有着单值关系，是一种保角交换。因此一个稳定的模拟滤波器，通过双线性变换只能得到一个（唯一）稳定的数字滤波器。它不象脉冲响应不变法那样，由于在z平面与s平面之间的映射存在

12、着多值关系，以至在s平面上许多不同的值，映射到z平面后都重叠在一个点子上，造成频谱混叠。由此可见，双线性变换法将；频带严格限制在s/2范围内，从根本上消除了频谱混叠。四、设计步骤（一）、设计方案1、在windows下录制自己的一段语音信号或选取一段MP3文件；2、在语音信号上分别叠加均匀白噪声和高斯白噪声，使信噪比为13dB；3、对叠加噪声前后的信号进行频谱分析，确定降噪的滤波器指标；4、根据滤波器指标利用双线性变换法设计滤波器，在Matlab平台下编写程序，并观察分析滤波器的幅频特性、相频特性和群延时，以及滤波前后信号时域特性和频域特性。（二）、设计过程 所选语音信号为a place nea

13、rby.wav1、读取声音信号并画出频谱图y,fs,bits=wavread(a place nearby.wav); %读取声音信号sound(y,fs,bits); %播放N= length (y) ; %求出声音信号长度M= length(fs);Y=fft(y,N); %进行傅里叶变换figure(1);subplot(311);plot(y)title(声音信号的波形); grid onsubplot(312);plot(abs(Y); %axis(-5000,185000,-1.2,1.2);title(声音信号的幅频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(

14、|H(ejomega)|); grid onsubplot(313)plot(angle(Y); %axis(-200,4500,-10,600);title(声音信号的相频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(phi(omega); grid on2、在音频信号上加入均匀白噪声和高斯白噪声，画出加入白噪声后的频谱图I=1; % 噪声强度y1=y+1*rand(M,1); %加均匀白噪声sound(y1,fs,bits); y2=awgn(y,13); %加高斯白噪声，信噪比为学号13sound(y2,fs,bits); Y1=fft(y1,N); %进行傅里叶变换Y

15、2=fft(y2,N); %进行傅里叶变换figure(2);subplot(311);plot(y1)title(加均匀白噪声后的声音信号波形);subplot(312);plot(abs(Y1); %axis(-5000,185000,-1.2,1.2);title(y1声音信号的幅频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(|H(ejomega)|); grid onsubplot(313)plot(angle(Y1); %axis(-200,4500,-10,600);title(y1声音信号的相频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(p

16、hi(omega); grid onsubplot(311);plot(y2)title(加高斯白噪声后的声音信号波形); grid onsubplot(312);plot(abs(Y2); %axis(-5000,185000,-1.2,1.2);title(y2声音信号的幅频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(|H(ejomega)|); grid onsubplot(313)plot(angle(Y2); %axis(-200,4500,-10,600);title(y2声音信号的相频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(phi(om

17、ega); grid on3、对比信号的频谱figure(3);subplot(311);plot(abs(Y); %axis(-5000,185000,-1.2,1.2);title(原始声音信号的幅频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(|H(ejomega)|); grid onsubplot(312);plot(abs(Y1); %axis(-5000,185000,-1.2,1.2);title(加均匀白噪声后的幅频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(|H(ejomega)|); grid onsubplot(313);plot(

18、abs(Y2); %axis(-5000,185000,-1.2,1.2);title(加高斯白噪声后的幅频响应曲线); xlabel(omega/pi); ylabel(|H(ejomega)|); grid on4、确定滤波器的设计参数并对加噪声信号去噪处理Ft=8000; Fp=1000; Fs=1200; T=1;Ap=1; As=50; %衰减系数 wp=(2/T)*pi*Fp/Ft; ws=(2/T)*pi*Fs/Ft;fp=2*Ft*tan(wp/2); fs=2*Fs*tan(wp/2);bLP,aLP=buttord(wp,ws,Ap,As,s); %求带通滤波器的阶数和截止

19、频率bBP,aBP=butter(bLP,aLP,s); %求s域的频率响应参数b,a=bilinear(bBP,aBP,0.5); %利用双线性变换法实现s域到z域的变换figure(5);subplot(211);plot(abs(b); % axis(0,7,-0.2,1.2);grid onxlabel(w(rad); ylabel(|H(jw)|); title(); grid onsubplot(212);plot(20*log10(abs(b); %axis(0,2*pi,-120,20);grid onxlabel(w(rad); ylabel(20*lg|H(jw)|(db)

20、; title(20*lg|H(jw)|-w); grid onyy1=filter(b,a,y1); %滤波函数yy2=filter(b,a,y2);%YY1=fft(yy1); %求滤波后的信号YY2=fft(yy2);%figure(4);subplot(221);plot(yy1); title(yy1); grid onsubplot(222);plot(abs(YY1),r); title(yy1); grid onsubplot(223);plot(yy2); title(yy2); grid onsubplot(224);plot(abs(YY2),r); title(yy2); grid on（三）、设计结果五、设计总结本次课程设计我是用双线性变换法设计滤波器，用matlab进行仿真，这次可程设计是数字信号处理和matlab软件的一次结合，让我更深的理解了理论和实践相结合的重要性，我将会继续努力，多多实践，理论和实践最好的联系起来，将自己的实力进行提高。六、参考资料- 15 -