第一篇：數(shù)字信號處理應(yīng)用論文

摘要：介紹了DSP技術(shù)(器件)的主要特點．總結(jié)了DSP在家電、辦公設(shè)備、控制和通信領(lǐng)域的主要應(yīng)用及其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；音頻／視頻；控制；通信

DSP數(shù)字信號處理技術(shù)(Digital Signal Processing)指理論上的技術(shù)；DSP數(shù)字信號處理器(Digital Sig—hal Processor)指芯片應(yīng)用技術(shù)。因此，DSP既可以代表數(shù)字信號處理技術(shù)，也可以代表數(shù)字信號處理器，兩者是不可分割的，前者要通過后者變成實際產(chǎn)品。兩者結(jié)合起來就成為解決實際問題和實現(xiàn)方案的手段DsPs一數(shù)字信號處理解決方案。DSP運(yùn)用專用或通用數(shù)字信號處理芯片，通過數(shù)字計算的方法對信號進(jìn)行處理，具有精確、靈活、可靠性好、體積小、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點。DSP芯片自從1978年AMI公司推出到現(xiàn)在，其性能得到了極大的提高。DSP的特點

1．1 修正的哈佛結(jié)構(gòu)

DSP芯片采用修正的哈佛結(jié)構(gòu)(Havardstructure)，其特點是程序和數(shù)據(jù)具有獨(dú)立的存儲空間、程序總線和數(shù)據(jù)總線，非常適合實時的數(shù)字信號處理口]。同時，這種結(jié)構(gòu)使指令存儲在高速緩存器中(Cache)，節(jié)約了從存儲器中讀取指令的時間，提高了運(yùn)行速度。如美國德州儀器公司——TI(Texas Instruments)的DSP芯片結(jié)構(gòu)是基本哈佛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)類型。1．2 專用的乘法器

一般的算術(shù)邏輯單元AI U(Arithmetic and Logic Unit)的乘法(或除法)運(yùn)算由加法和移位實現(xiàn)，運(yùn)算速度較慢。DSP設(shè)置了專用的硬件乘法器、多數(shù)能在半個指令周期內(nèi)完成乘法運(yùn)算，速度已達(dá)每秒數(shù)千萬次乃至數(shù)十億次定點運(yùn)算或浮點運(yùn)算，非常適用于高度密集、重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)流量的信號處理。如MS320C3x系列DSP芯片中有一個硬件乘法器：TMS320C6000系列中則有兩個硬件乘法器。1．3 特殊的指令設(shè)置

DSP在指令系統(tǒng)中設(shè)置了“循環(huán)尋址”(Circular addressing)及“位倒序”(bit—reversed)等特殊指令，使尋址、排序及運(yùn)算速度大大提高 引。另外，DSP指令系統(tǒng)的流水線操作與哈佛結(jié)構(gòu)相配合，把指令周期減小到最小值，增加了處理器的處理能力。盡管如此，DSP芯片的單機(jī)處理能力還是有限的，多個DSP芯片的并行處理已成為研究的熱點。DSP在家電、辦公設(shè)備中的應(yīng)用

2．1高清晰度電視

傳統(tǒng)電視采用線性掃描的信號處理方式，畫面像素最高僅4O～5O萬個，會帶來畫質(zhì)的損失，而DSP數(shù)字超微點陣(Digital SuperMicro Pixe1)技術(shù)，超越傳統(tǒng)的線性掃描，進(jìn)入由“點”組成的微顯示數(shù)字技術(shù)層面，從模擬的“線”飛躍到數(shù)字的“點”。DSP是逐點優(yōu)化的。它運(yùn)用全新的逐點掃描技術(shù)，修復(fù)并優(yōu)化每一個點的質(zhì)量，消降圖像邊緣模糊現(xiàn)象，細(xì)節(jié)部分的銳利度成倍提高。

2．2 A／V(Audio／Video)設(shè)備

家庭影院主要由數(shù)字化A／V(Audio／Video)設(shè)備組成，DSP不僅帶來環(huán)繞聲，而且提供虛擬各種現(xiàn)場效果。VCD(VideoCompact Disc)、DVD(Digital Video Disc)、MD(Minidiskette)、DAB(Digital Audio Brod—casting)、DVB(Digital Video Box)等數(shù)字音視頻產(chǎn)品中，DSP的價值主要體現(xiàn)在音頻的Hi—Fi(HighFideli—ty)處理上。目前，對MPEG(Moving Picture Expe Group)音頻Layer2、I ayer3等用c語言仿真研究，在此基礎(chǔ)上用 C549實現(xiàn)了MP3解碼器的采樣；用’C6201和’C6701分別實現(xiàn)MP3編碼器和MPEG一2AAC編解碼器。MPEG一2AAC重建的音質(zhì)超過MP3和AC一3將成為直播衛(wèi)星、地面DAB和SW、Mw、AM 廣

播數(shù)字化的首選標(biāo)準(zhǔn)。2．3 照(攝)相機(jī)

照相機(jī)的說明書常在“XXX萬像素”加前綴“插值”，而實際上像素沒有這么多。插值就是通過DSP芯片計算，人為地放大圖片。就好像是把一張800×600的照片人為放大到1 600×1 200。因此，購買相機(jī)時也要注意實際能提供的像素是多少。2．4 打(復(fù))印機(jī)、掃描儀

DSP在這些設(shè)備中所起的作用不僅僅是控制，還擔(dān)負(fù)著繁重的信號處理任務(wù)，如字符識別、圖象增強(qiáng)、彩色調(diào)整等。高速率、高分辨率、彩色、低成本的復(fù)印、掃描和打印正是由于DSP性能的不斷提高而逐步變成現(xiàn)實。DSP可以使辦公室的復(fù)印機(jī)智能化，使激光打印機(jī)將數(shù)據(jù)文件打印在紙上，使掃描儀將文本(包括文字和圖象)讀人并變成有效數(shù)據(jù)文件。DSP在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3．1 馬達(dá)控制

基于DSP的智能控制器逐步提高馬達(dá)伺服驅(qū)動器的控制器性價比。首先，DSP增加了計數(shù)能力，能夠?qū)嵤┬阅芨叩目刂扑惴?。如磁場定向控制；其次，利用計算?qiáng)度更高的算法使用更高效的馬達(dá)。如可用永磁馬達(dá)替代AC感應(yīng)馬達(dá)，進(jìn)一步提高效率與動態(tài)性能；此外，性能也有助于去除機(jī)械組件，采用適當(dāng)?shù)鸟R達(dá)大小，并在控制器上集成諸如速度、定位、轉(zhuǎn)矩斷面生成、功率因數(shù)校正等更多功能的能力，使設(shè)計人員能夠以更低的成本做更多的事情[3]。基于DSP的32位控制器能夠處理復(fù)雜的運(yùn)算。DSP就馬達(dá)控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，片上集成脈寬調(diào)制器PWM(Pulse Width Modulator)、編碼器接口、通信端口以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(Analog—to—Digital Converter)等功能。其中還包括了大量的快閃存儲器和RAM(Random Access Memory)，這就消除了對外部存儲器設(shè)備的需求。3．2 網(wǎng)絡(luò)控制

視頻信箱、虛擬現(xiàn)實、交互式電視的實現(xiàn)要求網(wǎng)絡(luò)有更靈活的傳輸帶寬。ISDN和多媒體網(wǎng)絡(luò)必須在同一個傳輸線上同時傳輸需要不同帶寬的信號。異步傳輸模式ATM{Asynchorous Transfer Mode)正在成為高速數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，而DSP可為ATM交換提供多種實現(xiàn)方案。DSP在通信中的應(yīng)用

4．1 多媒體通信

多媒體通信的日益增長使得圖像、語音、視頻業(yè)務(wù)的實時傳輸和處理越來越依賴于DSP技術(shù)及相應(yīng)的軟件算法；多媒體通信終端設(shè)備中的語音、圖像的壓縮與還原及傳輸所需的高速調(diào)制解調(diào)器普遍都采用了DSP器件。在語音壓縮編解碼方面，DSP能實時地實現(xiàn)大部分已形成的國際協(xié)議，如運(yùn)用最廣泛的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)：64kb／s的A律、S律的脈沖編碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)和自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM(Adaptive Differential PCM)等，還有基于線性預(yù)測編碼I PC(I inear Predictive Coder)技術(shù)的低碼率編碼協(xié)議。DSP與專用編譯碼芯片相比具有無法替代的優(yōu)勢，可以通過軟件的方式適應(yīng)不同的算法從而實現(xiàn)對 不同協(xié)議的兼容和支持。在圖像壓縮編碼方面，DSP也表現(xiàn)出了強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力。如符合公眾電話網(wǎng)上低比特率多媒體通信H．324協(xié)議中的H．263圖像編解碼得到實時實現(xiàn)；用’C542實現(xiàn)的脫機(jī)便攜式彩色靜止圖像傳輸系統(tǒng)，分辨率有576×480、352×288CIF(Common Intermediate Format)、176×144QCIF(Quarter CommonInntermediate Format)等可選擇，發(fā)送端圖像壓縮終端如一般的Modem 大小，可通過Modem 在PSTN(Public Switched Telephone Network)上撥號傳輸圖像，也可通過無線Modem 在CDPD(Cellular DigitalPacket Data)中傳輸，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、彩色文件傳送。4．2 移動通信

數(shù)字式蜂窩系統(tǒng)使用通用DSP來實現(xiàn)語音合成(Speech Synthesis)、糾錯編碼(Error—correctionCoding)、基帶調(diào)制解調(diào)器(Baseband Modem)以及系統(tǒng)控制等功能。DSP的實時性、靈活性以及低廉的價格使其在移動蜂窩通信中得到廣泛應(yīng)用，并促進(jìn)了無線手機(jī)和基站的迅速發(fā)展。人類從電話發(fā)明到5千萬電話用戶數(shù)花了70年時間，模擬蜂窩電話達(dá)到5千萬用戶花了14年，而數(shù)字蜂窩電話(GSM 是其中之一)只花了5年就達(dá)到相同的用戶數(shù)。無論3G還是4G，都離不開DSP，DSP作為一種功能強(qiáng)大的特種微處理器將在未來通信領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。4．3 軟件無線電

軟件無線電是一種新的無線電通信的體系結(jié)構(gòu)，其基本思想把硬件作為無線電通信的平臺．將A／D．D／A轉(zhuǎn)換靠近射頻天線，轉(zhuǎn)換后的所有處理用可編程的DSP等軟件實現(xiàn)盡可能多的功能。軟件無線電要求在一個開放、模塊化的軟件平臺上實現(xiàn)各種功能，且能夠在不同標(biāo)準(zhǔn)之間互聯(lián)、兼容。DSP芯片必須通過軟件完成中頻數(shù)字變頻、濾波、二次抽樣、基帶處理、信道調(diào)制、無線資源管理等過程處理經(jīng)A／D變換后輸出的中頻高速數(shù)字信號。中頻處理對速度的要求大約在500MIPS／MFI OPS～I(xiàn)OGIPS／GFI OPS數(shù)量級；基帶處理要求大約在10～1O0MIPS／MFI OPS數(shù)量級，另外，再加上實現(xiàn)比特流、管理和控制部分的要求，DSP芯片的處理速度至少要在1GFI OPS以上。軟件無線電對DSP提出了實時性很高的要求，它將有力地促進(jìn)著DSP的發(fā)展，其中包括單片處理器的性能、多處理器協(xié)同工作的能力、DSP軟件開發(fā)的環(huán)境和DSP實時操作系統(tǒng)等方面。我國提出的第三代移動通信系統(tǒng)方案同步碼分多址SCDMA(Synchronous CDMA)是一種同步的直接擴(kuò)頻CDMA技術(shù)，它結(jié)合了DSP、智能天線、軟件無線電及話音壓縮編碼技術(shù)等現(xiàn)代通信新技術(shù)。結(jié)束語

DSP在信息數(shù)字化處理領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，隨著DSP技術(shù)不斷完善，低成本、高性能DSP器件的

不斷推出，必定會得到更廣泛地開發(fā)和應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)

[1] 折學(xué)森．軟土地基沉降計算[M]．北京：人民交通出版社．2000，200—223． [2] 路橋集團(tuán)第二公路工種局．路基[M]．北京：人民交通出版社，2003，886—953． [3] JTJ017-1996．公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范Es]． Analysis of Stabilization and Deformation of Highway Embankment on the Soft Soil Foundation LI Tie—qiang(Highway Construction Administrative Office of Cangzhou，Cangzhou 06i000，China)Abstract：The paper summarizes the theory about analysis of highway embankment on the soft soil foundation，and analyes the law of deformation of highway soft soil foundation．This paper can be used as reference to the design and construction of embankment on the soft soil foundation． Key words：stabilization of foundation；foundation deformation；settlement 參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張雄偉．DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2000． [2] 王念旭．DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2001． [3] 寧改娣．DSP控制器原理及應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2002，(2)． [4] 章云．DSP控制器及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．

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[2] 楊小牛，樓才義，徐建良等．軟件無線電原理與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2001

Characteristics and Application of DSP LIU Chuan—run ’

(1_Educational Administration Department，Guangzhou M aritime College，Guangzhou 510725，China：

2．Electronic and Information College，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)Abstract：Some main characteristics of DSP are introduced in this paper．It summarizes the application of DSP in the area of home electric appliances，office equipment，controlling，communications and SO on．

Meanwhile，the trend of development is given． Key words：digital signal processing(processor)；’audio／video；controlling；communications

第二篇：數(shù)字信號處理運(yùn)用探索論文

摘要:隨著計算機(jī)、信息技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字信號處理技術(shù)也得到了快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用在生活各個領(lǐng)域，給人們的生活帶來了便利。本文主要闡述了數(shù)字信號處理技術(shù)的優(yōu)點以及在全數(shù)字電視機(jī)、音箱設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理;信息技術(shù);應(yīng)用

數(shù)字信號處理簡稱DSP，就是將圖片、聲音、視頻、文字等模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的過程。DSP處理中，通過數(shù)字方式對模擬信息識別、壓縮處理、過濾，從而將其轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可識別的數(shù)字信息。在當(dāng)今社會，信息技術(shù)滲透到社會各個領(lǐng)域，數(shù)字信號處理技術(shù)也廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

一、數(shù)字信號處理優(yōu)點

數(shù)字信號處理通過專用的數(shù)字信號芯片，這種數(shù)字信號芯片的運(yùn)算速度非?？?，每秒可到上億次，以數(shù)字計算方式處理信號，處理速度快、計算精確、體積小。與傳統(tǒng)的模擬信號處理方式，數(shù)字信號處理方式具有以下優(yōu)點:第一，數(shù)字信號處理范圍更廣，具有更高的精度。第二，數(shù)字信號處理方式抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字信號處理只受量化誤差和子長的影響，不受噪音的影響，可以對白噪聲、多徑干擾等進(jìn)行優(yōu)化處理。第三，靈活性強(qiáng)，不僅能夠快速處理數(shù)字信息，而且還可以靈活改變系統(tǒng)參量和工作方式。

二、數(shù)字信號處理應(yīng)用

隨著計算機(jī)、電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信息處理技術(shù)電視機(jī)、攝影機(jī)、電腦、音箱等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，給人們的生活帶來了很多便利。

(一)數(shù)字信號處理在全數(shù)字電視中的應(yīng)用。德國ITT公司在1983年曾經(jīng)推出了2000系列芯片，對模擬電視機(jī)的信號進(jìn)行處理，十年后，ITT公司再次推出3000系列的芯片，這一類信號被當(dāng)時定義為數(shù)字電視機(jī)，但是電視機(jī)接收的信號依然是傳統(tǒng)的模擬信號，并不是真正意義上的數(shù)字電視機(jī)。直到1990年美國的GI公司推出的高清晰HDTV電視機(jī)，該電視機(jī)的視頻信號、音頻信號全部使用數(shù)字壓縮，這也是真正意義上的全數(shù)字電視機(jī)。全數(shù)字電視機(jī)包括數(shù)字化演播室設(shè)備、傳輸設(shè)備、接收機(jī)。

演播廳設(shè)備主要是把電視臺內(nèi)部信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的數(shù)據(jù)流，比如數(shù)字字幕機(jī)、數(shù)字編輯機(jī)和數(shù)字錄像機(jī);傳輸設(shè)備主要是地面電視發(fā)射廣播設(shè)備、有線電視廣播和衛(wèi)星電視廣播。接收機(jī)則是根據(jù)傳輸方式對應(yīng)相應(yīng)的接收機(jī)，主要有接收地面廣播數(shù)字電視機(jī)、有線電視廣播機(jī)頂盒和衛(wèi)星數(shù)字電視廣播綜合接收解碼器。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)有將三種合在一起成為多制式的全數(shù)字接收機(jī)。目前，美國、日本、德國、法國、英國等國家已經(jīng)全面實行數(shù)字電視地面廣播。我國目前大部分省市已經(jīng)使用MPEG-2壓縮技術(shù)推行衛(wèi)星數(shù)字電視廣播，但是受到經(jīng)費(fèi)限制，我國地面數(shù)字電視廣播還需要一定時間內(nèi)才能實現(xiàn)數(shù)字化。

(二)數(shù)字信息處理技術(shù)在音箱設(shè)備中的應(yīng)用。早期磁帶或者唱片是根據(jù)聲音的模擬震動，并形成一定的槽紋路徑制作。錄音機(jī)磁帶的原理就是通過磁頭在磁帶上震動對聲音進(jìn)行模擬信號記錄，從而記錄聲音。隨著數(shù)字信號處理的發(fā)展，傳統(tǒng)的磁帶、唱片已經(jīng)無法滿足人們的需求。CD的出現(xiàn)則是數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)的表現(xiàn)，使得人們對聲音的處理技術(shù)不再依賴聲音模擬刻錄。然而第一張CD盤應(yīng)用5年以后，隨后被DAT和MD盤取代。這種數(shù)字化的硬件內(nèi)置快速存儲轉(zhuǎn)錄器，可以不斷錄制30～60分鐘，是一種數(shù)字化的音箱設(shè)備。

三)數(shù)字信號處理技術(shù)在汽車中的應(yīng)用。城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市汽車保有量不斷增加，家庭擁有汽車的比例不斷攀升，人們對汽車有更多需求，而這些都依托在數(shù)字信號處理技術(shù)。汽車電子系統(tǒng)的紅外線、監(jiān)控設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)等都必須通過數(shù)字信號處理技術(shù)，才能有效的運(yùn)轉(zhuǎn)。比如汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，攝像頭拍攝視頻以后，通過數(shù)字信號處理技術(shù)對圖像進(jìn)行過濾和處理，從而在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示出來，為司機(jī)的駕駛提供有力的保障。(四)數(shù)字信號處理技術(shù)在電視電腦中的應(yīng)用。隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對電視的功能有了更多的要求，為了滿足人們多元化家庭電視娛樂消費(fèi)要求，不少電視機(jī)品牌供應(yīng)商推出了電腦電視的數(shù)字產(chǎn)品，這種數(shù)字電視機(jī)具有電腦和電視機(jī)雙重功能。它以電腦為主流配置系統(tǒng)，同時又具有看電視，玩游戲，通過鼠標(biāo)對電腦進(jìn)行操作，具有高速回放MPEG-2圖像的工，通過視頻輸出顯卡，將VGA信號轉(zhuǎn)化為視頻信號。(五)數(shù)字信號處理技術(shù)在數(shù)字照相機(jī)的應(yīng)用。1990年第一臺數(shù)碼照相機(jī)誕生，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，數(shù)碼照相機(jī)發(fā)展日新月異。數(shù)碼照相機(jī)打破了傳統(tǒng)照相機(jī)需要使用膠片的限制，將光敏半導(dǎo)體元件經(jīng)過，A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字處理技術(shù)壓縮，將圖像資料保存在存儲器中，通過照相機(jī)的屏幕可以刪除不必要的圖像資料，并連接計算機(jī)或者打印設(shè)備將圖像資料打印出來，不需要傳統(tǒng)計算機(jī)的暗室處理，操作非常方便。而數(shù)碼照相機(jī)的核心技術(shù)就是數(shù)字信號處理技術(shù)，通過數(shù)字信號處理技術(shù)對圖片進(jìn)行優(yōu)化、壓縮處理，節(jié)省存儲器空間。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)碼相機(jī)的價錢也在不斷下降。

三、結(jié)語

隨著數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)等各種數(shù)字化產(chǎn)品的發(fā)展，極大地促進(jìn)數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展。但是我國信號處理技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，因此還需要進(jìn)一步對該項技術(shù)進(jìn)行研究。

作者:史光曜 楊 俊 袁進(jìn)剛 單位:武漢濱湖電子有限責(zé)任公司

參考文獻(xiàn):

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［2］王韓，孫紅勝，陳昌明，等．基于TS201與FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，(5):78-80．

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第三篇：數(shù)字信號處理課程設(shè)計..

課程設(shè)計報告

課程名稱： 數(shù)字信號處理 課題名稱： 語音信號的處理與濾波

姓 名： 學(xué) 號： 院 系： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2013年7月2日

目錄

第1部分 課程設(shè)計報告………………………………………3 一．設(shè)計目的……………………………………………3 二．設(shè)計內(nèi)容……………………………………………3 三．設(shè)計原理……………………………………………3 四．具體實現(xiàn)……………………………………………5 1.錄制一段聲音…………………………………5 2.巴特沃斯濾波器的設(shè)計………………………8 3.將聲音信號送入濾波器濾波…………………13 4.語音信號的回放………………………………19 5.男女語音信號的頻譜分析……………………19 6.噪聲的疊加和濾除……………………………22 五． 結(jié)果分析……………………………………………27 第2部分 課程設(shè)計總結(jié)………………………………28 一． 參考文獻(xiàn)……………………………………………28

第1部分 課程設(shè)計報告

一．設(shè)計目的

綜合運(yùn)用本課程的理論知識進(jìn)行頻譜分析以及濾波器設(shè)計，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為工具進(jìn)行實現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)的理論知識，提高對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，并從實踐上初步實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。

二．設(shè)計內(nèi)容

錄制一段個人自己的語音信號，并對錄制的信號進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標(biāo)，采用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化；回放語音信號；換一個與你性別相異的人錄制同樣一段語音內(nèi)容，分析兩段內(nèi)容相同的語音信號頻譜之間有什么特點；再錄制一段同樣長時間的背景噪聲疊加到你的語音信號中，分析疊加前后信號頻譜的變化，設(shè)計一個合適的濾波器，能夠把該噪聲濾除；

三．設(shè)計原理

1.在Matlab軟件平臺下，利用函數(shù)wavrecord()，wavwrite(),wavread(),wavplay()對語音信號進(jìn)行錄制，存儲，讀取，回放。

2.用y=fft(x)對采集的信號做快速傅立葉變換，并用[h1,w]=freqz(h)進(jìn)行DTFT變換。

3.掌握FIR DF線性相位的概念，即線性相位對h(n)、H(?)及零點的約束，了解四種FIR DF的頻響特點。

4.在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波。

5.抽樣定理

連續(xù)信號經(jīng)理想抽樣后時域、頻域發(fā)生的變化（理想抽樣信號與連續(xù)信號頻譜之間的關(guān)系）

理想抽樣信號能否代表原始信號、如何不失真地還原信號即由離散信號恢復(fù)連續(xù)信號的條件（抽樣定理）

理想采樣過程描述： 時域描述：

?a(t)?xa(t)?T(t)??xa(t)?(t?nT)??xa(nT)?(t?nT)xn???n??????T(t)?頻域描述：利用傅氏變換的性質(zhì)，時域相乘頻域卷積，若

n?????(t?nT)??a(t)Xa(j?)?xXa(j?)?xa(t)?T(j?)??T(t)

則有

?(j?)?1X(j?)??(j?)XaaT2?1?2?1??Xa(j?)??Xa(j??jk)??Xa(j??jk?s)Tk???TTk????(j?)與X(j?)的關(guān)系：理想抽樣信號的頻譜是連續(xù)信號頻譜的Xaa

周期延拓,重復(fù)周期為?s(采樣角頻率)。如果：

?X(j?)?Xa(j?)??a??0???s/2???s/2即連續(xù)信號是帶限的，且信號最高頻率不超過抽樣頻率的二分之一，則可不失真恢復(fù)。

奈奎斯特采樣定理：要使實信號采樣后能夠不失真還原，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍：?s?2?h 或 fs?2fh

四．具體實現(xiàn)

1.錄制一段聲音

1.1錄制并分析

在MATLAB中用wavrecord、wavread、wavplay、wavwrite對聲音進(jìn)行錄制、讀取、回放、存儲。

程序如下：

Fs=8000;%抽樣頻率 time=3;%錄音時間 fprintf('按Enter鍵錄音%ds',time);%文字提示 pause;%暫停命令 fprintf('錄音中......');x=wavrecord(time*Fs,Fs,'double');%錄制語音信號 fprintf('錄音結(jié)束');%文字提示 fprintf('按Enter鍵回放錄音');pause;%暫停命令

wavplay(x,Fs);%按任意鍵播放語音信號

wavwrite(x,Fs,'C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound.wav');%存儲語音信號

N=length(x);%返回采樣點數(shù) df=fs/N;%采樣間隔 n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%頻帶寬度 figure(2);subplot(2,1,1);plot(x);%錄制信號的時域波形 title('原始信號的時域波形');%加標(biāo)題 ylabel('幅值/A');%顯示縱坐標(biāo)的表示意義 grid;%加網(wǎng)格

y0=fft(x);%快速傅立葉變換 figure(2);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y0(n1)));%原始信號的頻譜圖 title('原始信號的頻譜圖');%加標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');%顯示橫坐標(biāo)表示的意義 ylabel('幅值 ');%顯示縱坐標(biāo)表示的意義 title('原始信號的頻譜圖');%加標(biāo)題

grid;%加網(wǎng)格

圖1.1 原始信號的時域與頻譜圖

1.2濾除無效點

針對實際發(fā)出聲音落后錄制動作半拍的現(xiàn)象，如何拔除對無效點的采樣的問題: 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是錄音開始時，人的反應(yīng)慢了半拍，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些無效點，而后而出現(xiàn)的無效的點，主要是已經(jīng)沒有聲音的動作，先讀取聲音出來，將原始語音信號時域波形圖畫出來，根據(jù)己得到的信號，可以在第二次讀取聲音的后面設(shè)定采樣點，取好有效點，畫出濾除無效點后的語音信號時域波形圖，對比可以看出。這樣就可以解決這個問題。

x=wavread('C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound.wav', 7

[4000,24000]);%從4000點截取到24000結(jié)束 plot(x);%畫出截取后的時域圖形 title('截取后的聲音時域圖形');%標(biāo)題 xlabel('頻率');ylabel('振幅');grid;%畫網(wǎng)格

圖1.2 去除無效點

2.巴特沃斯濾波器的設(shè)計

2.1設(shè)計巴特沃思低通濾波器

MATLAB程序如下。濾波器圖如圖3.3所示。

%低通濾波

fp=1000;fs=1200;Fs=22050;rp=1;rs=100;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(1);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯低通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('耗損（dB）');gridon;9

圖2.1 巴特沃思低通濾波器

2.2設(shè)計巴特沃思高通濾波器

MATLAB程序如下。濾波器圖如圖3.5所示。%高通濾波

fp=4800;fs=5000;Fs=22050;rp=1;rs=100;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);10

[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'high','s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(1);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯高通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('耗損（dB）');grid on;

圖2.2巴特沃思高通濾波器

2.3設(shè)計巴特沃思帶通濾波器

MATLAB程序如下。濾波器圖如圖3.7所示。%帶通濾波

fp=[1200,3000];fs=[1000,3200];Fs=8000;rp=1;rs=100;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(4);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*1000);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯帶通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('耗損（dB）');grid on;12

圖2.3巴特沃思帶通濾波器

3．將聲音信號送入濾波器濾波

x=wavread('C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound.wav');%播放原始信號

wavplay(x,fs);%播放原始信號 N=length(x);%返回采樣點數(shù) df=fs/N;%采樣間隔 n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%頻帶寬度 figure(4);subplot(4,2,1);plot(x);%錄制信號的時域波形

title('原始信號的時域波形');%加標(biāo)題 ylabel('幅值/A');%顯示縱坐標(biāo)的表示意義 grid;%加網(wǎng)格

y0=fft(x);%快速傅立葉變換 subplot(4,2,3);plot(f,abs(y0(n1)));%原始信號的頻譜圖 title('原始信號的頻譜圖');%加標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');%顯示橫坐標(biāo)表示的意義 ylabel('幅值 ');%顯示縱坐標(biāo)表示的意義 title('原始信號的頻譜圖');%加標(biāo)題 grid;%加網(wǎng)格

3．1低通濾波器濾波 fs=8000;beta=10.056;wc=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;width=ws-wc;wn=(ws+wc)/2;n=ceil(12.8*pi /width);h=fir1(n,wn/pi,'band',kaiser(n+1,beta));[h1,w]=freqz(h);

ys=fftfilt(h,x);%信號送入濾波器濾波，ys為輸出 fftwave=fft(ys);%將濾波后的語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換 figure(4);subplot(4,2,2);%在四行兩列的第二個窗口顯示圖形 plot(ys);%信號的時域波形

title('低通濾波后信號的時域波形');%加標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義 grid;%網(wǎng)格

subplot(4,2,4);%在四行兩列的第四個窗口顯示圖形 plot(f, abs(fftwave(n1)));%繪制模值 xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義

title('低通濾波器濾波后信號的頻譜圖');%標(biāo)題 grid;%加網(wǎng)格

wavplay(ys,8000);%播放濾波后信號

3．2高通濾波器濾波 fs=8000;beta=10.056;ws=2*5000/fs;wc=2*4800/fs;

width=ws-wc;wn=(ws+wc)/2;n=ceil(12.8*pi/width);h=fir1(n,wn/pi, 'high',kaiser(n+2,beta));[h1,w]=freqz(h);ys=fftfilt(h,x);%將信號送入高通濾波器濾波 subplot(4,2,5);%在四行兩列的第五個窗口顯示圖形 plot(ys);%信號的時域波形 xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義 title('高通濾波后信號的時域波形');%標(biāo)題 ylabel('幅值/A');%顯示縱坐標(biāo)的表示意義 grid;%網(wǎng)格

fftwave=fft(ys);%將濾波后的語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換 subplot(4,2,7);%在四行兩列的第七個窗口顯示圖形 plot(f,abs(fftwave(n1)));%繪制模值 axis([0 1 0 50]);xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義

title('高通濾波器濾波后信號的頻譜圖');%標(biāo)題 grid;%加網(wǎng)格

wavplay(ys,8000);%播放濾波后信號

3．3帶通濾波器 fs=8000;beta=10.056;wc1=2*pi*1000/fs;wc2=2*pi*3200/fs;ws1=2*pi*1200/fs;ws2=2*pi*3000/fs;width=ws1-wc1;wn1=(ws1+wc1)/2;wn2=(ws2+wc2)/2;wn=[wn1 wn2];n=ceil(12.8/width*pi);h=fir1(n,wn/pi,'band',kaiser(n+1,beta));[h1,w]=freqz(h);ys1= fftfilt(h,x);%將信號送入高通濾波器濾波 figure(4);subplot(4,2,6);%在四行兩列的第六個窗口顯示圖形 plot(ys1);%繪制后信號的時域的圖形 title('帶通濾波后信號的時域波形');%加標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示縱坐標(biāo)表示的意義 grid;%網(wǎng)格

fftwave=fft(ys1);%對濾波后的信號進(jìn)行快速傅立葉變換 subplot(4,2,8);%在四行兩列的第八個窗口顯示圖形

plot(f, abs(fftwave(n1)));%繪制模值 axis([0 1 0 50]);xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義 title('帶通濾波器濾波后信號的頻譜圖');%加標(biāo)題 grid;%網(wǎng)格

wavplay(ys1,8000);%播放濾波后信號 圖形如下：

原始信號的時域波形幅值/A0-1012x 10原始信號的頻譜圖34幅值/A1低通濾波后信號的時域波形0.50-0.5012頻率w/pi3400.51頻率w/pi高通濾波后信號的時域波形幅值/A0幅值/A0幅值/Ax 10高通濾波器濾波后信號的頻譜圖5012頻率w/pi34幅值/A0.20-0.2幅值/A2001000x 10低通濾波器濾波后信號的頻譜圖200100000.51頻率w/pi帶通濾波后信號的時域波形0.50-0.501234頻率w/pix 10帶通濾波器濾波后信號的頻譜圖50幅值 00.5頻率w/pi1000.5頻率w/pi1

分析：三個濾波器濾波后的聲音與原來的聲音都發(fā)生了變化。其中低

通的濾波后與原來聲音沒有很大的變化，其它兩個都又明顯的變化

4.語音信號的回放

sound(xlow,Fs,bits);%在Matlab中，函數(shù)sound可以對聲音進(jìn)行回放，其調(diào)用格式: sound(xhigh, Fs,bits);%sound(x, Fs, bits);sound(xdaitong, Fs,bits);5.男女語音信號的頻譜分析

5.1 錄制一段異性的聲音進(jìn)行頻譜分析

Fs=8000;%抽樣頻率 time=3;%錄音時間 fprintf('按Enter鍵錄音%ds',time);%文字提示 pause;%暫停命令 fprintf('錄音中......');x=wavrecord(time*Fs,Fs,'double');%錄制語音信號 fprintf('錄音結(jié)束');%文字提示 fprintf('按Enter鍵回放錄音');pause;%暫停命令 wavplay(x,Fs);%按任意鍵播放語音信號

wavwrite(x,Fs,'C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound2.wav');%存儲語音信號

5.2 分析男女聲音的頻譜

x=wavread(' C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound2.wav ');%播放原始信號,解決落后半拍

wavplay(x,fs);%播放原始信號 N=length(x);%返回采樣點數(shù) df=fs/N;%采樣間隔 n1=1:N/2;

f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%頻帶寬度 figure(1);subplot(2,2,1);plot(x);%錄制信號的時域波形

title('原始女生信號的時域波形');%加標(biāo)題 ylabel('幅值/A');%顯示縱坐標(biāo)的表示意義 grid;%加網(wǎng)格

y0=fft(x);%快速傅立葉變換 subplot(2,2,2);plot(f,abs(y0(n1)));%原始信號的頻譜圖 title('原始女生信號的頻譜圖');%加標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');%顯示橫坐標(biāo)表示的意義 ylabel('幅值 ');%顯示縱坐標(biāo)表示的意義 grid;%加網(wǎng)格

[y,fs,bits]=wavread(' C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound.wav ');% 對語音信號進(jìn)行采樣

wavplay(y,fs);%播放原始信號 N=length(y);%返回采樣點數(shù) df=fs/N;%采樣間隔 n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%頻帶寬度 subplot(2,2,3);plot(y);%錄制信號的時域波形

title('原始男生信號的時域波形');%加標(biāo)題 ylabel('幅值/A');%顯示縱坐標(biāo)的表示意義 grid;%加網(wǎng)格

y0=fft(y);%快速傅立葉變換

subplot(2,2,4);%在四行兩列的第三個窗口顯示圖形 plot(f,abs(y0(n1)));%原始信號的頻譜圖 title('原始男生信號的頻譜圖');%加標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');%顯示橫坐標(biāo)表示的意義 ylabel('幅值 ');%顯示縱坐標(biāo)表示的意義 grid;%加網(wǎng)格

5.3男女聲音的頻譜圖

原始女生信號的時域波形0.50-0.5-1150100原始女生信號的頻譜圖幅值/A幅值 012345000x 10原始男生信號的時域波形0.50.5頻率w/pi原始男生信號的頻譜圖1300200幅值/A0幅值 012x 1034100-0.5000.5頻率w/pi1

圖5.3男女聲音信號波形與頻譜對比

分析：就時域圖看，男生的時域圖中振幅比女生的高，對于頻譜圖女生的高頻成分比較多

6.噪聲的疊加和濾除

6.1錄制一段背景噪聲

Fs=8000;%抽樣頻率 time=3;%錄音時間 fprintf('按Enter鍵錄音%ds',time);%文字提示 pause;%暫停命令 fprintf('錄音中......');x=wavrecord(time*Fs,Fs,'double');%錄制語音信號

fprintf('錄音結(jié)束');%文字提示 fprintf('按Enter鍵回放錄音');pause;%暫停命令 wavplay(x,Fs);%按任意鍵播放語音信號 wavwrite(x,Fs,'C:UsersacerDesktop數(shù)字信號噪音.wav');%存儲語音信號

6.2 對噪聲進(jìn)行頻譜的分析

[x1,fs,bits]=wavread(' C:UsersacerDesktop數(shù)字信號噪音.wav ');%對語音信號進(jìn)行采樣

wavplay(x1,fs);%播放噪聲信號 N=length(x1);%返回采樣點數(shù) df=fs/N;%采樣間隔

n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%頻帶寬度 figure(5);subplot(3,2,1);plot(x1);%信號的時域波形 title('噪聲信號的時域波形');grid;ylabel('幅值/A');y0=fft(x1);%快速傅立葉變換

subplot(3,2,2);plot(f,abs(y0(n1)));%噪聲信號的頻譜圖 ylabel('幅值');title('噪聲信號的頻譜圖');

6.3原始信號與噪音的疊加

fs=8000;[x,fs,bits]=wavread(' C:UsersacerDesktop數(shù)字信號sound.wav ');%對錄入信號進(jìn)行采樣

[x1,fs,bits]=wavread(' C:UsersacerDesktop數(shù)字信號噪音.wav ');%對噪聲信號進(jìn)行采樣

yy=x+x1;%將兩個聲音疊加

6.4疊加信號的頻譜分析：

wavplay(yy,fs);%播放疊加后信號 N=length(yy);%返回采樣點數(shù) df=fs/N;%采樣間隔 n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%頻帶寬度 figure(5);subplot(3,2,3);plot(yy,'LineWidth',2);%信號的時域波形

title('疊加信號的時域波形');xlabel('時間/t');ylabel('幅值/A');grid;y0=fft(yy);%快速傅立葉變換 subplot(3,2,4);plot(f,abs(y0(n1)));%疊加信號的頻譜圖 title('疊加信號的頻譜圖');xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/db');grid;

6.5 設(shè)計一個合適的濾波器將噪聲濾除 fs=18000;%采樣頻率 Wp=2*1000/fs;%通帶截至頻率 Ws=2*2000/fs;%阻帶截至頻率 Rp=1;%最大衰減 Rs=100;%最小衰減

[N,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs);%buttord函數(shù)（n為階數(shù)，Wn為截至頻率）

[num,den]=butter(N,Wn);%butter函數(shù)（num為分子系數(shù)den為分母系數(shù)）

[h,w]=freqz(num,den);%DTFT變換

ys=filter(num,den,yy);%信號送入濾波器濾波，ys為輸出 fftwave=fft(ys);%將濾波后的語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換 figure(5);subplot(3,2,5);plot(ys);%信號的時域波形

title('低通濾波后信號的時域波形');%加標(biāo)題 ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義 grid;%網(wǎng)格 subplot(3,2,6);plot(f, abs(fftwave(n1)));%繪制模值 title('低通濾波器濾波后信號的頻譜圖');%標(biāo)題 xlabel('頻率w/pi');ylabel('幅值/A');%顯示標(biāo)表示的意義 grid;%加網(wǎng)格

wavplay(ys,8000);%播放濾波后信號 grid;圖形如下：

噪聲信號的時域波形1100噪聲信號的頻譜圖幅值/A0-1幅值0123450000.5疊加信號的頻譜圖1x 10疊加信號的時域波形10-101時間/t2200幅值/db34幅值/A100000.5頻率w/pi1x 10低通濾波后信號的時域波形0.5低通濾波器濾波后信號的頻譜圖200幅值/A0-0.5幅值/A012x 1034100000.5頻率w/pi1

圖6.1噪音的疊加與濾除前后頻譜對比

7.結(jié)果分析

1.錄制剛開始時，常會出現(xiàn)實際發(fā)出聲音落后錄制動作半拍，可在[x,fs,bits]=wavread('d:matlavworkwomamaaiwo.wav')加 窗[x,fs,bits]=wavread('d:matlavworkwomamaaiwo.wav'，[100 10000])，窗的長度可根據(jù)需要定義。

2.語音信號通過低通濾波器后，把高頻濾除，聲音變得比較低沉。當(dāng)通過高通濾波器后，把低頻濾除，聲音變得比較就尖銳。通過帶通濾波器后，聲音比較適中。

3.通過觀察男生和女生圖像知：時域圖的振幅大小與性別無關(guān)，只與說話人音量大小有關(guān)，音量越大，振幅越大。頻率圖中，女生高 27

頻成分較多。

4.疊加噪聲后，噪聲與原信號明顯區(qū)分,但通過低通濾波器后，噪聲沒有濾除，信號產(chǎn)生失真。原因可能為噪聲與信號頻率相近無法濾除。

第2部分 課程設(shè)計總結(jié)

通過本次課程設(shè)計，使我們對數(shù)字信號處理相關(guān)知識有了更深刻的理解，尤其是對各種濾波器的設(shè)計。在設(shè)計的過程中遇到了很多問題，剛剛開始時曾天真的認(rèn)為只要把以前的程序改了參數(shù)就可以用了，可是問題沒有我想象中的那么簡單，單純的搬程序是不能解決問題的。通過查閱資料和請教同學(xué)收獲了很多以前不懂的理論知識。再利用所學(xué)的操作，發(fā)現(xiàn)所寫的程序還是沒有能夠運(yùn)行，通過不斷地調(diào)試，運(yùn)行，最終得出了需要的結(jié)果。整個過程中學(xué)到了很多新的知識，特別是對Matlab的使用終于有些了解。在以后的學(xué)習(xí)中還需要深入了解這方面的內(nèi)容。在這次的課程設(shè)計中讓我體會最深的是：知識來不得半點的馬虎。也認(rèn)識到自己的不足，以后要進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

八．參考文獻(xiàn)

[1]數(shù)字信號處理教程(第三版)程佩青 清華大學(xué)出版社 [2]MATLAB信號處理 劉波 文忠 電子工業(yè)出版社 [3]MATLAB7.1及其在信號處理中的應(yīng)用 王宏 清華大學(xué)出版社

[4]MATLAB基礎(chǔ)與編程入門 張威 西安電子科技大學(xué)出版社

[5] 數(shù)字信號處理及其MATLAB實驗 趙紅怡 張常 化學(xué)工業(yè)出版社

[6]MATLAB信號處理詳解 陳亞勇等 人民郵電出版社 [7] 數(shù)字信號處理

錢同惠 機(jī)械工業(yè)出版社 29

第四篇：數(shù)字信號處理實驗報告

JIANGSU

UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

數(shù)字信號處理實驗報告

學(xué)院名稱： 電氣信息工程學(xué)院

專 業(yè)：

班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 張維璽（教授）

2013年12月20日

實驗一 離散時間信號的產(chǎn)生

一、實驗?zāi)康?/p>

數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的信號都是以離散時間形態(tài)存在的，所以對離散時間信號的研究是數(shù)字信號的基本所在。而要研究離散時間信號，首先需要產(chǎn)生出各種離散時間信號。使用MATLAB軟件可以很方便地產(chǎn)生各種常見的離散時間信號，而且它還具有強(qiáng)大繪圖功能，便于用戶直觀地處理輸出結(jié)果。

通過本實驗，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何用MATLAB產(chǎn)生一些常見的離散時間信號，實現(xiàn)信號的卷積運(yùn)算，并通過MATLAB中的繪圖工具對產(chǎn)生的信號進(jìn)行觀察，加深對常用離散信號和信號卷積和運(yùn)算的理解。

二、實驗原理

離散時間信號是指在離散時刻才有定義的信號，簡稱離散信號，或者序列。離散序列通常用x（n）來表示，自變量必須是整數(shù)。常見的離散信號如下：（1）單位沖激序列δ（n）

如果δ（n）在時間軸上延遲了k個單位，得到δ（n-k），即長度為N的單位沖激序列δ（n）可以通過下面的MATLAB命令獲得。

n=-（N-1）：N-1 x=[zeros(1,N-1)1 zeros(1,N-1)]； stem(n,x)延遲K個采樣點的長度為N的單位沖激序列δ（n-k）（k

n=0：N-1 y=[zeros(1,M)1 zeros(1,N-M-1)]； stem（n，y）

（2）單位階躍序列u（n）

如果u（n）在時間軸上延遲了k個單位，得到u（n-k），即長度為N的單位階躍序列u（n）可以通過下面的MATLAB命令獲得。

n=-（N-1）：N-1 x=[zeros(1,N-1)ones(1,N)]； stem(n,x)延遲的單位階躍序列可以使用類似于單位沖激序列的方法獲得。（3）矩形序列

矩形序列有一個重要的參數(shù)，就是序列的寬度N。矩形序列與u（n）之間的關(guān)系為矩形序列等= u（n）— u（n-N）。

因此，用MATLAB表示矩形序列可利用上面的單位階躍序列組合而成。（4）正弦序列x（n）

這里，正弦序列的參數(shù)都是實數(shù)。與連續(xù)的正弦信號不同，正弦序列的自變量n必須為整數(shù)。可以證明，只有當(dāng)2π/w為有理數(shù)時，正弦序列具有周期性。

長度為N的正弦序列x（n）可以通過下面的MATLAB命令獲得。n=0：N-1 x=A*cos（2*pi*f*n/Fs+phase）（5）單邊實指數(shù)序列x（n）

長度為N的實指數(shù)序列x（n）可以通過下面的MATLAB命令實現(xiàn)。n=0：N-1 x=a.^n stem(n,x)單邊指數(shù)序列n的取值范圍為n>=0。當(dāng)|a|>1時，單邊指數(shù)序列發(fā)散；當(dāng)|a|<1時，單邊指數(shù)序列收斂。當(dāng)a>0時，該序列均取正值；當(dāng)a<0時，序列在正負(fù)擺動。

（6）負(fù)指數(shù)序列x（n）

當(dāng)a=0時，得到虛指數(shù)序列x（n）。

與連續(xù)負(fù)指數(shù)信號一樣，我們將負(fù)指數(shù)序列實部和虛部的波形分開討論，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)a>0時，負(fù)指數(shù)序列x（n）的實部和虛部分別是按指數(shù)規(guī)律增長的正弦振蕩序列；

2)當(dāng)a<0時，負(fù)指數(shù)序列x（n）的實部和虛部分別是按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦振蕩序列；

3)當(dāng)a=0時，負(fù)指數(shù)序列x（n）即為虛指數(shù)序列，其實部和虛部分別是等幅的正弦振蕩序列；

長度為N的實指數(shù)序列x（n）可以通過下面的MATLAB命令實現(xiàn)。n=0：N-1 x=exp（（a.+j*w）*n）stem(n,real(x))或

stem(n,imag(x))

三、實驗內(nèi)容及分析

?1n?01、編制程序產(chǎn)生單位沖激序列??n???“?并繪出其圖及??n?”學(xué)號后兩位0n?0?形。程序:(1)N=4;

n=-(N-1):N-1;

x=[zeros(1,N-1)1 zeros(1,N-1)];stem(n,x);

title('單位沖激序列');

grid on;

(2)N=6;

M=1;%學(xué)號01 n=-(N-1):N-1;

y=[zeros(1,N-M+1)1 zeros(1,N-M-1)];stem(n,y);

title('單位沖激序列');grid on;

分析:在上圖的基礎(chǔ)上向右平移了1個單位。

?1n?02、編制程序產(chǎn)生單位階躍序列u?n???、u?n?“學(xué)號后兩位”?及

0n?0?u?n??u?n?“學(xué)號后兩位”?，并繪出其圖形。程序: 4

(1)N=5;

n=-(N-1):N-1;

x=[zeros(1,N-1)ones(1,N)];stem(n,x);

title('單位階躍序列');grid on;

(2)N=6;

M=1;%學(xué)號01 n=-(N-1):N-1;

x=[zeros(1,N-M+1)ones(1,N-M)];stem(n,x);

title('單位階躍序列');grid on;

分析:在上圖的基礎(chǔ)上平移了1個單位.(3)N=6;

M=1;%學(xué)號01 n=-(N-1):N-1;

x=[zeros(1,N-1)ones(1,N)];y=[zeros(1,N-M+1)ones(1,N-M)];z=x-y;stem(n,z);

title('單位階躍序列');grid on;

2??

3、編制程序產(chǎn)生正弦序列x?n??cos?2?n?、x?n??cos??n?及

?學(xué)號后兩位?x?n??sin?2n?并繪出其圖形。

程序:(1)N=5;

A=1;

w=2*pi;phi=0;n=0:0.05:N-1;x=A*cos(w*n+phi);stem(n,x);title('余弦信號');grid on;

分析:該序列具有周期性,且輸出為余弦信號.(2)N=5;

A=1;

w=2*pi/1;%學(xué)號01 phi=0;n=0:0.05:N-1;x=A*cos(w*n+phi);stem(n,x);title('余弦信號');grid on;

;

分析:該序列具有周期性,且輸出為余弦信號.(3)N=5;

A=1;

w=2*pi;phi=0;

n=0:0.05:N-1;x=A*sin(w*n+phi);stem(n,x);title('正弦信號');grid on;

分析:該序列具有周期性,且輸出為正弦信號.4、編制程序產(chǎn)生復(fù)正弦序列x?n??e(2?j學(xué)號后兩位）n，并繪出其圖形。N=3;

n=0:0.2:N-1;

w=1;%學(xué)號01 x=exp((2+j*w)*n);subplot(2,1,1)

stem(n,real(x)),title('實部');grid on;subplot(2,1,2)

stem(n,imag(x)),title('虛部');grid on;

5、編制程序產(chǎn)生指數(shù)序列x?n??an，并繪出其圖形。其中a=學(xué)號后兩位、a=1/“學(xué)號后兩位”。

(1)N=10;

n=0:N-1;

a=1;%學(xué)號01 x=a.^n;stem(n,x);title('指數(shù)序列');grid on;

(2)N=10;

n=0:N-1;

a=1;%學(xué)號01 x=a.^(-n);stem(n,x);title('指數(shù)序列');grid on;

實驗三 離散時間信號的頻域分析

一、實驗?zāi)康?/p>

信號的頻域分析是信號處理中一種有效的工具。在離散信號的頻域分析中，通常將信號表示成單位采樣序列的線性組合，而在頻域中，將信號表示成復(fù)變量或的線性組合。通過這樣的表示，可以將時域的離散序列映射到頻域以便于進(jìn)一步的處理。

在本實驗中，將學(xué)習(xí)利用MATLAB計算離散時間信號的DTFT和DFT，并加深對其相互關(guān)系的理解。

二、實驗原理

（１）DTFT和DFT的定義及其相互關(guān)系。

（２）使用到的MATLAB命令有基于DTFT離散時間信號分析函數(shù)以及求解序列的DFT函數(shù)。

三、實驗內(nèi)容及分析

（１）編程計算并畫出下面DTFT的實部、虛部、幅度和相位譜。

X(e)?jw0.0518?0.1553e1?1.2828ex(n)?cos?jw?jw?0.1553e?j2w?1.0388e?j2w?0.0518e?j3w?0.3418e?j3w

（２）計算32點序列

5?n16，0≦n≦31的32點和64點DFT，分別繪出幅度譜圖形，并繪出該序列的DTFT圖形。

３－１

clear;

x=[0.0518,-0.1553,0.1553,0.0518];y=[1,1.2828,1.0388,0.3418];w=[0:500]*pi/500 H=freqz(x,y,w);

magX=abs(H);angX=angle(H);realX=real(H);imagX=imag(H);subplot(221);plot(w/pi,magX);grid;

xlabel('frequency in pi unit');ylabel('magnitude');title('幅度 part');axis([0 0.9 0 1.1]);

subplot(223);plot(w/pi,angX);grid;

xlabel('frequency in pi unit');ylabel('radians');title('相位 part');axis([0 1-3.2 3.2]);

subplot(222);plot(w/pi,realX);grid;

xlabel('frequency in pi unit');ylabel('real part');title('實部 part');axis([0 1-1 1]);

subplot(224);plot(w/pi,imagX);grid;

xlabel('frequency in pi unit');ylabel('imaginary');title('虛部 part');axis([0 1-1 1.1]);

３－２

N=32;n=0:N-1;

xn=cos(5*pi*n/16);k=0:1:N-1;Xk=fft(xn,N);subplot(2,1,1);stem(n,xn);subplot(2,1,2);stem(k,abs(Xk));title('32點');figure N=64;n=0:N-1;

xn=cos(5*pi*n/16);k=0:1:N-1;Xk=fft(xn,N);subplot(2,1,1);stem(n,xn);subplot(2,1,2);stem(k,abs(Xk));title('64點');

（１）

（２）

實驗四 離散時間LTI系統(tǒng)的Z域分析

一、實驗?zāi)康?/p>

本實驗通過使用MATLAB函數(shù)對離散時間系統(tǒng)的一些特性進(jìn)行仿真分析，以加深對離散時間系統(tǒng)的零極點、穩(wěn)定性，頻率響應(yīng)等概念的理解。學(xué)會運(yùn)用MATLAB分析離散時間系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)的零極點；學(xué)會運(yùn)用MATLAB分析系統(tǒng)函數(shù)的零極點分布與其時域特性的關(guān)系；學(xué)會運(yùn)用MATLAB進(jìn)行離散時間系統(tǒng)的頻率特性分析。

二、實驗原理

離散時間系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)定義為系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)的Z變化與激勵的Z變化之比。

在MATLAB中系統(tǒng)函數(shù)的零極點可通過函數(shù)roots得到，也可借助函數(shù)tf2zp得到，tf2zp的語句格式為

[Z,P,K]=tf2zp(B,A)其中，B與A分別表示H（z）的分子與分母多項式的系數(shù)向量。它的作用是將H（z）的有理分式表示式轉(zhuǎn)換為零極點增益形式。

若要獲得系統(tǒng)函數(shù)H（z）的零極點分布圖，可直接應(yīng)用zplane函數(shù)，其語句格式為

Zplane（B，A）

其中，B與A分別表示H（z）的分子和分母多項式的系數(shù)向量。它的作用是在z平面上畫出單位圓、零點與極點。

離散系統(tǒng)中z變化建立了時域函數(shù)h（n）與z域函數(shù)H（z）之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，z變化的函數(shù)H（z）從形式可以反映h（n）的部分內(nèi)在性質(zhì)?？筛鶕?jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H（z）求單位沖激響應(yīng)h（n）的函數(shù)impz、filter等。

利用系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，可以分析系統(tǒng)對各種頻率成分的響應(yīng)特性，并推出系統(tǒng)的特性（高通、低通、帶通、帶阻等）。

MATLAB提供了求離散時間系統(tǒng)頻響特性的函數(shù)freqz，調(diào)用freqz的格式主要有兩種。一種形式為

[H,w]= reqz(B,A,N)其中，B與A分別表示H（z）分子和分母多項式的系數(shù)向量；N為正整數(shù)，默認(rèn)值為512；返回值w包含[0，π]范圍內(nèi)的N個頻率等分點；返回值H則是離散時間系統(tǒng)頻率響應(yīng)在0~π范圍內(nèi)N個頻率處的值。另一種形式為

[H，w]= freqz（B，A，N，‘whole’）

與第一種方式不同之處在于角頻率的范圍由[0，π]擴(kuò)展到[0，2π]。

三、實驗內(nèi)容與結(jié)果分析

已知LTI離散時間系統(tǒng)，要求由鍵盤實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)輸入，并繪出幅頻和相頻響應(yīng)曲線和零極點分布圖，進(jìn)而分析系統(tǒng)的濾波特性和穩(wěn)定性。

（一）程序

b=[0.0528,0.797,0.1295,0.1295,0.797,0.0528];

a=[1,-1.8107,2.4947,-1.8801,0.9537,-0.2336];w=[0:20:500]*pi/500;

x1=0.0528+0.797*exp(-1*j*w)+0.1295*exp(-2*j*w)+0.1295*exp(-3*j*w)+0.797*exp(-4*j*w)+0.0528*exp(-5*j*w);

x2=1-1.8107*exp(-1*j*w)+2.4947*exp(-2*j*w)+1.8801*exp(-3*j*w)+0.9537*exp(-4*j*w)+0.2336*exp(-5*j*w);x22=x2+(x2==0)*eps;x=x1./x22;magx=abs(x);

angx=angle(x).*180/pi;

subplot(2,2,3);zplane(b,a);title('零極點圖');subplot(2,2,2);stem(w/pi,magx);title('幅度部分');ylabel('振幅');subplot(2,2,4);stem(w/pi,angx);

xlabel('以pi為單位的頻率');title('相位部分');ylabel('相位');

（二）波形圖

圖4-1 幅頻、相頻響應(yīng)曲線、零極點分布圖

實驗六 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計

一、實驗?zāi)康?/p>

從理論上講，任何的線性是不變（LTI）離散時間系統(tǒng)都可以看做一個數(shù)字濾波器，因此設(shè)計數(shù)字濾波器實際就是設(shè)計離散時間系統(tǒng)。數(shù)字濾波器你包括IIR（無限沖激響應(yīng)）和FIR（有限沖激響應(yīng)）型，在設(shè)計時通常采用不同的方法。

本實驗通過使用MATLAB函數(shù)對數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計和和實現(xiàn)，要求掌握IIR數(shù)字巴特沃斯濾波器、數(shù)字切比雪夫濾波器的設(shè)計原理、設(shè)計方法和設(shè)計步驟；能根據(jù)給定的濾波器指標(biāo)進(jìn)行濾波器設(shè)計；同時也加深學(xué)生對數(shù)字濾波器的常用指標(biāo)和設(shè)計過程的理解。

二、實驗原理

在IIR濾波器的設(shè)計中，常用的方法是：先根據(jù)設(shè)計要求尋找一個合適的模擬原型濾波器，然后根據(jù)一定的準(zhǔn)則將此模擬原型濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。

IIR濾波器的階數(shù)就等于所選的模擬原型濾波器的階數(shù)，所以其階數(shù)確定主要是在模擬原型濾波器中進(jìn)行的。

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法如下：（1）沖激響應(yīng)不變法。（2）雙線性變化法。

一般來說，在要求時域沖激響應(yīng)能模仿模擬濾波器的場合，一般使用沖激響應(yīng)不變法。沖激響應(yīng)不變法一個重要特點是頻率坐標(biāo)的變化是線性的，因此如果模擬濾波器的頻率響應(yīng)帶限于折疊頻率的話，則通過變換后濾波器的頻率響應(yīng)可不失真地反映原響應(yīng)與頻率的關(guān)系。

與沖激響應(yīng)不變法比較，雙線性變化的主要優(yōu)點是靠頻率的非線性關(guān)系得到s平面與z平面的單值一一對應(yīng)關(guān)系，整個值對應(yīng)于單位圓一周。所以從模擬傳遞函數(shù)可直接通過代數(shù)置換得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)。

MATLAB提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濾波器設(shè)計函數(shù)，大大簡化了濾波器的設(shè)計工程。

（1）butter。

（2）cheby1、cheby2。

三、實驗內(nèi)容及分析

利用MATLAB編程方法或利用MATLAB中fdatool工具設(shè)計不同功能的IIR數(shù)字濾波器。

1、基于chebyshev I型模擬濾波器原型使用沖激不變轉(zhuǎn)換方法設(shè)計數(shù)字濾波器，要求參數(shù)為通帶截止頻率?p?0.4?；通帶最大衰減Ap?1dB；阻帶截止頻率?s?0.4?；阻帶最小衰減As?35dB。

程序:

wp=0.2*pi;

%通帶邊界頻率

ws=0.4*pi;

%阻帶截止頻率 rp=1;

%通帶最大衰減 rs=35;

%阻帶最小衰減

Fs=1000;

%?ùéè3é?ù??3?1000hz

[N,Wn]=cheb1ord(wp,ws,rp,rs,'s');

[Z,P,K]=cheby1(N,rp,Wn,'s');[H,W]=zp2tf(Z,P,K);

figure(1);freqs(H,W);[P,Q]=freqs(H,W);figure(2);plot(Q*Fs/(2*pi),abs(P));grid on;

xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅度');

2、基于Butterworth型模擬濾波器原型使用雙線性變換方法設(shè)計數(shù)字濾波器的，要求參數(shù)為截止頻率?p?0.4?；通帶最大衰減Ap?1dB；阻帶截止頻率?s?0.25?；阻帶最小衰減AS?40dB。程序: wp=0.4*pi;ws=0.25*pi;rp=1;rs=40;fs=500;ts=1/fs;wp1=wp*ts;ws1=ws*ts;

wp2=2*fs*tan(wp1/2);ws2=2*fs*tan(ws1/2);

[N,Wn]=buttord(wp2,ws2,rp,rs,'s');[Z,P,K]=buttap(N);[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);[b,a]=lp2lp(Bap,Aap,Wn);[bz,az]=bilinear(b,a,fs);[H,W]=freqz(bz,az);subplot(2,1,1);plot(W/pi,abs(H));grid on;xlabel('頻率')ylabel('幅度')subplot(2,1,2);

plot(W/pi,20*log10(abs(H)));grid on;xlabel('頻率');ylabel('幅度(dB)');

實驗七 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計

一、實驗?zāi)康?/p>

掌握用窗函數(shù)設(shè)計FIR數(shù)字濾波的原理及其設(shè)計步驟；熟悉線性相位數(shù)字濾波器的特性。學(xué)習(xí)編寫數(shù)字濾波器的設(shè)計程序的方法，并能進(jìn)行正確編程；根據(jù)給定的濾波器指標(biāo)，給出設(shè)計步驟。

二、實驗原理

如果系統(tǒng)的沖激響應(yīng)h（n）為已知，則系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為

y（n）=x（n）*h（n）

對于低通濾波器，只要設(shè)計出低通濾波器的沖激響應(yīng)函數(shù)，就可以由式得到系統(tǒng)的輸出了。

但是將h（n）作為濾波器的脈沖響應(yīng)有兩個問題：一是它是無限長的；二是它是非因果的。對此，采取兩項措施：一是將h（n）截短；二是將其右移。

設(shè)計時，要根據(jù)阻帶的最小衰減和過渡帶寬度來選擇恰當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)類型和窗口長度N。常用的窗函數(shù)有矩形窗、海明窗和布萊克曼窗等。

窗函數(shù)設(shè)計FIR濾波器步驟如下：

（1）給定理想頻率響應(yīng)的幅頻特性和相頻特性；

（2）求理想單位脈沖響應(yīng)，在實際計算中，可對理想頻率響應(yīng)采樣。（3）根據(jù)過渡帶寬度和阻帶最小衰減，確定窗函數(shù)類型和窗口長度N；（4）求FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)；

（5）分析幅頻特性，若不滿足要求，可適當(dāng)改變窗函數(shù)形式或長度N，重復(fù)上述設(shè)計過程，以得到滿意的結(jié)果。

三、實驗內(nèi)容及分析

1、分別用海明窗和布萊克曼窗設(shè)計一個48階的FIR帶通濾波器，通帶為Wn??0.450.55?。程序1:海明窗設(shè)計

N=48;

Window=hamming(N+1);w1=0.45;w2=0.55;ws=[w1,w2];

b=fir1(N,ws/pi,Window);freqz(b,1,512);title('海明窗');grid on;

程序2:萊克曼窗設(shè)計

N=48;

Window=blackman(N+1);w1=0.45;w2=0.55;ws=[w1,w2];

b=fir1(N,ws/pi,Window);freqz(b,1,512);title('布萊克曼窗');grid on;

2、用矩形窗設(shè)計一個線性相位高通濾波器。其中He??jw?e?j????????00.3?????

0???0.3?程序: N=9;

alpha=(N-1)/2;Wc=0.7*pi;n=(0:8);i=n-alpha;i=i+(i==0)*eps;

h=(-1).^n.*sin((i).*Wc)./((i).*pi);%矩形窗函數(shù)設(shè)計的系統(tǒng)脈沖響應(yīng) w=(0:1:500)*2*pi/500;

H=h*exp(-j*n'*w);%矩形窗函數(shù)設(shè)計的頻響 magH=abs(H);% 矩形窗函數(shù)設(shè)計的振幅 subplot(211);stem(n,h);

axis([0,8,-0.4,0.4]);title('矩形窗設(shè)計h(n)');line([0,10],[0,0]);xlabel('n');ylabel('h');subplot(212);plot(w/pi,magH);

xlabel('以pi為單位的頻率');ylabel('H振幅');axis([0,2,0,1.7]);title('矩形窗設(shè)計振幅譜');

實驗心得體會：

這次實驗使我進(jìn)一步加深了對MATLAB軟件的使用。從上次的信號系統(tǒng)實驗的初步使用到這一次的深入了解，有了更深刻的認(rèn)識。對這種語言環(huán)境也有了新的了解。

在實驗的過程中，我對數(shù)字濾波器的整個過程有了很好的理解和掌握。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計讓我知道了巴特沃思濾波器和切比雪夫濾波器的頻率特性，還有雙線性變換及脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的濾波器的頻率特性。做這兩個實驗的時候程序有點困難，但經(jīng)過細(xì)心的改寫圖形最終出來了。FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計出來的是兩種窗的圖形，通過兩種窗的比較，我了解了他們各自的特點，幅頻和相頻特性。

最后，感謝張老師對我的諄諄教導(dǎo)！

第五篇：數(shù)字信號處理課程設(shè)計

目 錄

摘要...........................................................................................................................................1 1 緒論..............................................................................................................................................2

1.1 DSP系統(tǒng)特點和設(shè)計基本原則......................................................................................2 1.2 國內(nèi)外研究動態(tài).............................................................................................................2 2系統(tǒng)設(shè)計........................................................................................................................................3 3硬件設(shè)計........................................................................................................................................5

3.1 硬件結(jié)構(gòu)...........................................................................................................................5 3.2 硬件電路設(shè)計...................................................................................................................7

3.2.1 總輸入電路...........................................................................................................7 3.2.2 總輸出電路...........................................................................................................7 3.2.3 語音輸入電路.......................................................................................................9 3.2.4 語音輸出電路.......................................................................................................9 實驗結(jié)果及分析.........................................................................................................................10 4.1 實驗結(jié)果.........................................................................................................................10 4.2 實驗分析.........................................................................................................................12 5 總結(jié)與心得體會.........................................................................................................................13 參考文獻(xiàn).........................................................................................................................................14 致謝................................................................................................................................................15

摘要

基于DSP的語音信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用TMS320VC5509作為主處理器，TLV320AIC23B作為音頻芯片，在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)硬件平臺的搭建和軟件設(shè)計，從而實現(xiàn)對語音信號的采集、濾波和回放功能，它可作為語音信號處理的通用平臺。

語音是人類相互之間進(jìn)行交流時使用最多、最自然、最基本也是最重要的信息載體。在高度信息化的今天，語音信號處理是信息高速公路、多媒體技術(shù)、辦公自動化、現(xiàn)代通信及智能系統(tǒng)等新興領(lǐng)域應(yīng)用的核心技術(shù)之一。通常這些信號處理的過程要滿足實時且快速高效的要求，隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，以DSP為內(nèi)核的設(shè)備越來越多，為語音信號的處理提供了良好的平臺。本文設(shè)計了一個基于TMS320VC5509定點的語音信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對語音信號的采集、處理與回放等功能，為今后復(fù)雜的語音信號處理算法的研究和實時實現(xiàn)提供一個通用平臺。

關(guān)鍵詞：語音處理；DSP；TMS320VC5509;TLV320AIC23B

1 緒論

語音是人類相互間所進(jìn)行的通信的最自然和最簡潔方便的形式，語音通信是一種理想的人機(jī)通信方式。語音通信的研究涉及到人工智能、數(shù)字信號處理、微型計算機(jī)技術(shù)、語言聲學(xué)、語言學(xué)等許多領(lǐng)域，所以說語音的通信是一個多學(xué)科的綜合研究領(lǐng)域，其研究成果具有重要的學(xué)術(shù)價值。另外通過語音來傳遞信息是人類最重要的、最有效、最常用的交換信息的形式。語言是人類特有的功能，聲音是人類常用的工具，是相互傳遞信息的主要手段。同時也是眾構(gòu)成思想交流和感情溝通的最主要的途徑。

1.1 DSP系統(tǒng)特點和設(shè)計基本原則

DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。

1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)

語音信號處理作為一個重要的研究領(lǐng)域，已經(jīng)有很長的研究歷史。但是它的快速發(fā)展可以說是從1940年前后Dudley的聲碼器和Potter等人的可見語音開始的；20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號處理的理念和技術(shù)基礎(chǔ)；到了80年代，由于矢量量化、隱馬爾可夫模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相繼被應(yīng)用于語音信號處理，并經(jīng)過不斷改進(jìn)與完善，使得語音信號處理技術(shù)產(chǎn)生了突破性的進(jìn)展。一方面，對聲學(xué)語音學(xué)統(tǒng)計模型的研究逐漸深入，魯棒的語音識別、基于語音段的建模方法及隱馬爾可夫模型與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合成為研究的熱點。另一方面，為了語音識別實用化的需要，講者自適應(yīng)、聽覺模型、快速搜索識別算法以及進(jìn)一步的語言模型的研究等課題倍受關(guān)注。

在通信越來越發(fā)達(dá)的當(dāng)今世界，尤其最近幾十年，語音壓縮編碼技術(shù)在移動 通信、IP電話通信、保密通信、衛(wèi)星通信以及語音存儲等很多方面得到了廣泛的應(yīng)用。因此，語音編碼一直是通信和信號處理的研究熱點，并其取得了驚人的進(jìn)展，目前在PC機(jī)上的語音編碼已經(jīng)趨于成熟，而如何在嵌入式系統(tǒng)中實時實現(xiàn)語音壓縮編碼則是近些年來語音信號處理領(lǐng)域的研究熱點之一。

2系統(tǒng)設(shè)計

在實際生活中，當(dāng)聲源遇到物體時會發(fā)生反射，反射的聲波和聲源聲波一起傳輸，聽者會發(fā)現(xiàn)反射聲波部分比聲源聲波慢一些，類似人們面對山體高聲呼喊后可以在過一會兒聽到回聲的現(xiàn)象。聲音遇到較遠(yuǎn)物體產(chǎn)生的反射會比遇到較近的反射波晚些到達(dá)聲源位置，所以回聲和原聲的延遲隨反射物體的距離大小改變。同時，反射聲音的物體對聲波的反射能力，決定了聽到的回聲的強(qiáng)弱和質(zhì)量。另外，生活中的回聲的成分比較復(fù)雜，有反射、漫反射、折射，還有回聲的多次反射、折射效果。

當(dāng)已知一個數(shù)字音源后，可以利用計算機(jī)的處理能力，用數(shù)字的方式通過計算模擬回聲效應(yīng)。簡單的講，可以在原聲音流中疊加延遲一段時間后的聲流，實現(xiàn)回聲效果。當(dāng)然通過復(fù)雜運(yùn)算，可以計算各種效應(yīng)的混響效果。如此產(chǎn)生的回聲，我們稱之為數(shù)字回聲。

本次實驗的程序流程圖如下：

圖2.1 程序流程圖

本次實驗的系統(tǒng)框圖如下：

圖2.2 系統(tǒng)框圖

3硬件設(shè)計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖3.1是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖, 系統(tǒng)主要包括VC5509和A IC23 兩個模塊。

圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

利用VC5509 的片上外設(shè)I2C(Inter-Integrated Circuit, 內(nèi)部集成電路)模塊配置AIC23 的內(nèi)部寄存器;通過VC5509 的McBSP(Multi channel Buffered Serial Ports, 多通道緩存串口)接收和發(fā)送采樣的音頻數(shù)據(jù)?？刂仆ǖ乐辉谂渲肁IC23 的內(nèi)部寄存器時工作, 而當(dāng)傳輸音頻數(shù)據(jù)時則處于閑置狀態(tài)。

AIC23通過麥克風(fēng)輸入或者立體聲音頻輸入采集模擬信號, 并把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號, 存儲到DSP的內(nèi)部RAM中,以便DSP處理。

當(dāng)DSP完成對音頻數(shù)據(jù)的處理以后, AIC23再把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號, 這樣就能夠在立體聲輸出端或者耳機(jī)輸出端聽到聲音。

AIC23能夠?qū)崿F(xiàn)與VC5509 DSP的McBSP端口的無縫連接, 使系統(tǒng)設(shè)計更加簡單。接口的原理框圖, 如下圖所示。

圖3.2 AIC23與VC5509接口原理圖

系統(tǒng)中A IC23的主時鐘12 MHz直接由外部的晶振提供。MODE接數(shù)字地, 表示利用I2 C控制接口對AIC23傳輸控制數(shù)據(jù)。CS接數(shù)字地, 定義了I2 C總線上AIC23的外設(shè)地址, 通過將CS接到高電平或低電平, 可以選擇A IC23作為從設(shè)備在I2 C總線上的地址。SCLK和SDIN是AIC23控制端口的移位時鐘和數(shù)據(jù)輸入端,分別與VC5509的I2C模塊端口SCL和SDA相連。

收發(fā)時鐘信號CLKX1和CLKR1由A IC23的串行數(shù)據(jù)輸入時鐘BCLK提供, 并由A IC23的幀同步信號LRCIN、LRCOUT啟動串口數(shù)據(jù)傳輸。DX1和DR1分別與A IC23 的D IN 和DOUT 相連, 從而完成VC5509與AIC23間的數(shù)字信號通信。

3.2 硬件電路設(shè)計

3.2.1 總輸入電路

圖3.3 總輸入電路

從左到右各部分電路為：

話筒，開關(guān)，語音輸入電路，UA741高增益放大電路，有源二階帶 通濾波器。

3.2.2 總輸出電路

圖3.4 總輸出電路

從左到右各部分電路為：

LM386高頻功率放大器及其外圍器件連接電路，語音輸出電路，開關(guān)，揚(yáng)聲器。

3.2.3 語音輸入電路

圖3.5語音輸入電路

3.2.4 語音輸出電路

圖3.6 語音輸出電路

語音信號通道包括模擬輸入和模擬輸出兩個部分。模擬信號的輸入輸出電路如圖所示。上圖中MICBIAS 為提供的麥克風(fēng)偏壓，通常是3/4 AVDD，MICIN為麥克風(fēng)輸入，可以根據(jù)需要調(diào)整輸入增益。下圖中LLINEOUT 為左聲道輸出，RLINEOUT為右聲道輸出。用戶可以根據(jù)電阻阻值調(diào)節(jié)增益的大小，使語音輸入輸出達(dá)到最佳效果。從而實現(xiàn)良好的模擬語音信號輸入與模擬信號的輸出。4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果

按“F5”鍵運(yùn)行，注意觀察窗口中的bEcho=0，表示數(shù)字回聲功能沒有激活。這時從耳機(jī)中能聽到麥克風(fēng)中的輸入語音放送。將觀察窗口中bEcho的取值改成非0值。這時可從耳機(jī)中聽到帶數(shù)字回聲道語音放送。

分別調(diào)整uDelay和uEffect的取值，使他們保持在0-1023范圍內(nèi)，同時聽聽耳機(jī)中的輸出有何變化。

當(dāng)uDelay和uEffect的數(shù)值增大時，數(shù)字回聲的效果就會越加的明顯。

圖4.1 修改前程序圖

圖4.2 修改前程序圖

圖4.3 頻譜分析

圖4.4 左聲道及右聲道波形 4.2 實驗分析

所以，從本實驗可知當(dāng)已知一個數(shù)字音源后，可以利用計算機(jī)的處理能力，用數(shù)字的方式通過計算模擬回聲效應(yīng)。簡單的講，可以在原聲音流中疊加延遲一段時間后的聲流，實現(xiàn)回聲效果。當(dāng)然通過復(fù)雜運(yùn)算，可以計算各種效應(yīng)的混響效果。

聲音放送可以加入數(shù)字回聲，數(shù)字回聲的強(qiáng)弱和與原聲的延遲均可在程序中設(shè)定和調(diào)整。5 總結(jié)與心得體會

通過本次課程設(shè)計，我明白了細(xì)節(jié)決定成敗這句話的道理，在實驗中，有很多注意的地方，都被忽視了，導(dǎo)致再花費(fèi)更多的時間去修改，這嚴(yán)重影響了試驗的進(jìn)度。同時，在本次實驗中我了解了ICETEK – VC5509 – A板上語音codec芯片TLV320AIC23的設(shè)計和程序控制原理，并進(jìn)一步掌握了數(shù)字回聲產(chǎn)生原理、編程及其參數(shù)選擇、控制，以及了解了VC5509DSP擴(kuò)展存儲器的編程使用方法。

這一學(xué)期的理論知識學(xué)習(xí)加上這次課程設(shè)計，使我對DSP有了更加深刻的了解，對數(shù)字信號的處理功能，軟硬件相結(jié)合，語音信號的采集與放送等等方面都有了很深的了解，相信本次課程設(shè)計，無論是對我以后的學(xué)習(xí)，還是工作等方面都有一個很大的幫助。因此，本次課程設(shè)計讓我受益匪淺。

參考文獻(xiàn)

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致謝

在本次課程設(shè)計的即將完成之際，筆者的心情無法平靜，本文的完成既是筆者孜孜不倦努力的結(jié)果，更是指導(dǎo)老師樊洪斌老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)的結(jié)果。在整個課程設(shè)計的選題、研究和撰寫過程中，老師都給了我精心的指導(dǎo)、熱忱的鼓勵和支持，他的精心點撥為我開拓了研究視野，修正了寫作思路，對課程設(shè)計的完善和質(zhì)量的提高起到了關(guān)鍵性的作用。另外，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)和高尚的人格魅力，都給了學(xué)生很大感觸，使學(xué)生終生受益。在此，學(xué)生謹(jǐn)向老師致以最真摯的感激和最崇高的敬佩之情。

另外，還要感謝這段時間來陪我一起努力同學(xué)，感謝我們這個小團(tuán)隊，感謝每一個在學(xué)習(xí)和生活中所有給予我關(guān)心、支持和幫助的老師和同學(xué)們，幾年來我們一起學(xué)習(xí)、一起玩耍，共同度過了太多的美好時光。我們始終是一個團(tuán)結(jié)、友愛、積極向上的集體。