信号分析与处理综合设计实践指导书_信号处理分析课程设计

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信号分析与处理综合设计实践

一、设计实践目的：

综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。

二、课程设计时间安排：

第一天：布置设计任务，讲解设计要求，提示设计要点。

第二～四天：查阅资料（在图书馆或上网），弄清题目要求，提出解决方案。)第五～十一天：根据题目要求，将理论推导与编程实现相结合，写出设计报告。

第十二天：答辩。

三、设计内容：

1.设计题目一: 语音信号的处理与滤波（难度系数：0.8）

1．熟悉并掌握MATLAB中有关声音（wave）录制、播放、存储和读取的函数。

2．在MATLAB环境中，使用声音相关函数录制2秒左右自己的声音，抽样率是8000Hz/s。（考虑如何解决一个实际问题：录制刚开始时，常会出现实际发出声音落后录制动作半拍的现象，如何排除对这些无效点的采样？）

3．分别取8000个和16000个数据进行频谱分析，得到幅度和相位谱，比较二者异同并分析原因。

4．针对电话信道（最高3500Hz），设计一个FIR或IIR滤波器进行滤波，把抽样率转变为7000Hz/s，并进行频谱分析，得到幅度和相位谱。

5．把处理后的所有数据储存为声音文件，与原始声音进行比较。

2.设计题目二：编程实现任意确定信号的频谱分析算法。（难度系数：0.9）

（1）对给定的CEG和弦音音频文件取合适长度的采样记录点，然后进行 频谱分析（信号的时域及幅频特性曲线要画出）。

（2）分析CEG和弦音频谱特点，对该信号频谱能量相对较为集中的频带（分低、中、高频）实现滤波（分别使用低通，带通及高通），显示滤波后信号的时域和频域曲线，并对滤波后的信号与原信号的音频进行声音回放比较。

（3）在低、中、高三个频带中，各滤出三个能量最集中的频簇，显示滤波后信号的时域和频域曲线。

（4）任意选择几个滤出的频带（或频簇）进行时域信号重建（合成），与原信号的音频进行声音回放比较。

讨论：根据上述结果，分析什么是和弦音。

3.设计题目三：设计并实现FIR数字滤波器的窗口设计算法（难度系数：0.7）要求：输入数字滤波器指标，包括滤波器类型（低通、带通、带阻或高通等），通带截止频率，通带最大波动，阻带开始频率，阻带衰减，设计得到FIR滤波器，并画出设计得到的滤波器的增益曲线图（要有坐标标度）。为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面：在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择输入信号并显示相应的输出信号等。

讨论：对多种窗口、不同阶数设计结果进行比较。

4.设计题目四：语音信号的处理与滤波（难度系数：1）

内容：录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换法设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画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；回放语音信号；换一个与你性别相异的人录制同样一段语音内容，分析两段内容相同的语音信号频谱之间有什么特点；再录制一段同样长时间的背景噪声叠加到你的语音信号中，分析叠加前后信号频谱的变化，设计一个合适的滤波器，能够把该噪声滤除；最后，设计一个信号处理系统界面。

基本步骤：

1．语音信号的采集

熟悉并掌握MATLAB中有关声音（wave）录制、播放、存储和读取的函数，在MATLAB环境中，使用声音相关函数录制3秒左右自己的声音。（考虑如何解决一个实际问题：录制刚开始时，常会出现实际发出声音落后录制动作半拍的现象，如何排除对这些无效点的采样？）

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，从而加深对频谱特性的理解。

3．设计数字滤波器并画出其频率响应

给出各滤波器的性能指标：

(1)低通滤波器性能指标：fb＝1000 Hz，fc＝1200 Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。

(2)高通滤波器性能指标：fc＝4800 Hz，fb＝5000 Hz As＝100dB，Ap＝1dB。

(3)带通滤波器性能指标：fp1＝1200 Hz，fp2＝3000 Hz，fsc1＝1000 Hz，fsc2＝3200Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。

要求用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。在Matlab中，使用函数butter，cheby1等函数设计IIR滤波器；利用Matlab中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。

4．用滤波器对信号进行滤波

要求用自己设计的各种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。

6．回放语音信号

在Matlab中，使用相关声音函数对声音进行回放。辨别滤波前后的声音有何变化。

7．男女声语音信号频谱特点分析

换一个与你性别相异的人录制同样一段语音内容，分析两段内容相同的语音

信号频谱之间有什么特点。

8.背景噪声滤除

再录制一段同样长时间的背景噪声（频谱能量集中在某个小范围内）叠加到你的语音信号中，分析叠加前后信号频谱的变化，设计一个合适的滤波器，能够把该噪声滤除。

9．设计系统界面（用MATLAB中GUIDE工具，要求自学）

为了使编制的程序操作方便，要求有能力的同学，设计处理系统的用户界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号等。

四、课程设计要求：

1．设计说明书（约3000～4000字），按照毕设范文格式来撰写，包括：

（1）封面；

（2）目录；

（3）摘要；

（4）正文。

①设计内容（简述本设计的任务和要求，可参照任务书和指导书）； ②设计原理（简述设计过程中涉及到的基本理论知识）；

③设计过程（按设计步骤详细介绍设计过程，即任务书和指导书中指定的各项任务）

I．程序源代码：给出完整源程序清单；程序流程图：用VISIO绘制； II．调试分析过程描述：包括测试数据、测试输出结果，以及对程

序调试过程中存在问题的思考（列出主要问题的出错现象、出错

原因、解决方法及效果等）；

III．结果分析：对程序结果进行分析，并与理论分析进行比较。

（5）结论：包括课程设计过程中的学习体会与收获、对Matlab语言和本次

课程设计的认识以及自己的建议等内容；

（6）参考文献。

2．附件：（可以将设计中得出的波形图和频谱图作为附件，在说明书中涉及

相应图形时，注明相应图形在附件中位置即可；也可不要附件，所有内容全部包含在设计说明书中。所有的实验结果图形都必须有横纵坐标标注，必须有图序和图题。）

3．设计报告提交电子版和打印版各一份。

注意：

鼓励互相讨论交流，但不得抄袭他人的报告（或给他人抄袭），一旦发现，抄袭者和被抄袭者成绩均为零分！！