窗函數(shù)濾波器課程設計

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文檔簡介

1、　　目錄　　課程設計的目的　　語音信號處理的好壞將影響并導致語音信號的好壞，只有通過將這些語音信號進行一系列的的數(shù)字處理，才能將那些非必要的噪聲雜波妥善濾除，得到純凈的單純的語音信號，因此語音信號去噪處理是具有現(xiàn)實意義的研究課程。<

2、p>　　通過課設可以達到以下目的：　　1、通過課程設計把自己在大學中所學的知識應用到實踐當中。　　2、深入了解利用Matlab設計FIR數(shù)字濾波器的基本方法。　　3、在課程設計的過程中掌握程序編譯及軟件設計的基本方法。　　4、提高自己對于新知識的學習能力及進行實際操

3、作的能力。　　5、鍛煉自己通過網(wǎng)絡及各種資料解決實際問題的能力。　　第二章主要設計內容　　利用窗函數(shù)法設計FIR濾波器，繪制出濾波器的特性圖。利用所設計的濾波器對多個頻帶疊加的正弦信號進行處理，對比濾波前后的信號時域和頻域圖，驗證濾波器的效果。　　1、學習用窗函數(shù)法設

4、計FIR數(shù)字濾波器的原理及其設計步驟；　　2、用Matlab方法對FIR數(shù)字濾波器數(shù)學模型的系數(shù)進行求解；并用窗函數(shù)法完成低通、高通、帶通濾波器的設計；　　采用頻率為16KHZ、截止頻率為200HZ，階數(shù)為30階；　　3、用三角形窗、哈明窗、布萊克曼窗完成FIR數(shù)字濾波器的設計，并對結果進行比較和分析。</

5、p>　　第三章設計原理及思想　　3.1設計FIR濾波器的原理　　如果所希望的濾波器的理想的頻率響應函數(shù)為，則其對應的單位脈沖響應為　?。?.1）　　窗函數(shù)設計法的基本原理是用有限長單位脈沖響應序列逼近。

6、由于往往是無限長序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)將截斷，并進行加權處理，得到：　?。?.2）　　就作為實際設計的FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應序列，其頻率響應函數(shù)為　?。?.3）　　式中，N為所

7、選窗函數(shù)的長度。　　我們知道，用窗函數(shù)法設計的濾波器性能取決于窗函數(shù)的類型及窗口長度N的取值。設計過程中，要根據(jù)對阻帶最小衰減和過渡帶寬度的要求選擇合適的窗函數(shù)類型和窗口長度N 。各種類型的窗函數(shù)可達到的阻帶最小衰減和過渡帶寬度見表1。　　這樣選定窗函數(shù)類型和長度N之后，求出單位脈沖響應，并按照式（3.3）求出。是否滿足要求，要進行演算。一般在尾部加零使

8、長度滿足2的整數(shù)次冪，以便用FFT計算。如果要觀察細節(jié)，補零點數(shù)增多即可。如果不滿足要求，則要重新選擇窗函數(shù)類型和長度N，再次驗算，直至滿足要求。　　如果要求線性相位特性，則還必須滿足　　根據(jù)上式中的正、負號和長度N的奇偶性又將線性相位FIR濾波器分成四類。要根據(jù)所設計的濾波特性正確選擇其中一類，例如，要設計線性相位低通特性，可以選擇這一類，而不能選擇這

9、一類。　　3.2 各種窗函數(shù)的具體參數(shù)　　表1 各種窗函數(shù)的基本參數(shù)　　第四章主程序框圖　　第五章參考程序　　主要程序：

10、　　近似計算截止頻率wc=0.5*(wp+ws)/pi；　　過渡帶寬Bt=ws-wp或wp-ws；　　三角形窗濾波器階數(shù)N1=ceil(6.1*pi/Bt);　　哈明窗濾波器階數(shù)N1=ceil(6.6*pi/Bt);　　布萊克曼窗濾波器階數(shù)N1=ceil

11、(11*pi/Bt);　　實現(xiàn)此題的程序如下：　　%低通濾波　　close all; clc; clear all; %清零，清屏，關閉其他窗口　　wpl=pi/4;

12、 % 通帶截止頻率　　wsl=pi/2; % 阻帶截止頻率　　Btl=wsl-wpl; % 過渡帶寬　　wcl=0.5*(wpl+wsl)/pi;

13、 % 近似計算截止頻率　　N1l=ceil(6.1*pi/Btl); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=bartlett(N1l+1); % 三角窗　　b1l=fir1(N1l,wcl,window);

14、 % 三角窗低通濾波器設計　　N2l=ceil(6.6*pi/Btl); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=hamming(N2l+1); % 哈明窗　　b2l=fir1(N2l,wcl,window);

15、 % 哈明窗低通濾波器設計　　N3l=ceil(11*pi/Btl); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=blackman(N3l+1); % 布萊克曼窗　　b3l=fir1(N3l,wcl,window);

16、 % 布萊克曼窗低通濾波器設計　　%帶通濾波器　　close all; clc; clear all; %清零，清屏，關閉其他窗口　　wp1=0.35*pi; % 通帶截止頻率1<

17、;p>　　ws1=0.2*pi; % 阻帶截止頻率1　　wp2=0.8*pi; %通帶截止頻率2　　ws2=0.65*pi; %阻帶截止頻率2　　Bt=wp1-ws1;

18、 % 過渡帶寬　　wc1=0.5*(wp1+ws1)/pi; % 近似計算截止頻率1　　wc2=0.5*(wp2+ws2)/pi; % 近似計算截止頻率2　　N1b=ceil(6.1*pi/Bt);

19、 % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=bartlett(N1b+1); % 三角窗　　b1b=fir1(N1b,[wc1,wc2],window); % 三角窗帶通濾波器設計　　N2b=ceil(6.6*pi/Bt);

20、 % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=hamming(N2b+1); % 哈明窗　　b2b=fir1(N2b,[wc1,wc2],window); % 哈明窗帶通濾波器設計　　N3b=ceil(11*pi/Bt);

21、 % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=blackman(N3b+1); % 布萊克曼窗　　b3b=fir1(N3b,[wc1,wc2],window); % 布萊克曼窗帶通濾波器設計　　%高通濾波

22、;　　wph=pi/2; % 通帶截止頻率　　wsh=pi/4; % 阻帶截止頻率　　Bth=wph-wsh; % 過渡帶寬　　wch=

23、0.5*(wph+wsh)/pi; % 近似計算截止頻率　　N1h=ceil(6.1*pi/Bth); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=bartlett(N1h); % 三角窗　　b1h=fir1(N1h-1

24、,wch,'high',window); % 三角窗高通濾波器設計　　N2h=ceil(6.6*pi/Bth); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=hamming(N2h); % 哈明窗　　b2h=fir1(N2h-1,wc

25、h,'high',window); % 哈明窗高通濾波器設計　　N3h=ceil(11*pi/Bth); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=blackman(N3h+1); % 布萊克曼窗　　b3h=fir1(N3h,wc

26、h,'high',window); % 布萊克曼窗高通濾波器設計　　%查看低通濾波器幅頻及相頻特性　　freqz(b1l,1,512); title('三角窗低通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看三角窗低通濾波器幅頻及相頻特性　　figure;

27、 %換一頁顯示　　freqz(b2l,1,512);title('哈明窗低通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看哈明窗低通濾波器幅頻及相頻特性　　figure; %換一頁顯示　　freqz(b3l,1,512);

28、 title('布萊克曼窗低通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看布萊克曼窗濾波器幅頻及相頻特性　　figure; %換一頁顯示　　%查看帶通濾波器幅頻及相頻特性　　freqz(b1b,1,512);title('三角窗帶通濾波器幅頻及相頻特

29、性'); % 查看三角窗帶通濾波器幅頻及相頻特性　　figure; %換一頁顯示 　　freqz(b2b,1,512);title('哈明窗帶通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看哈明窗帶通濾波器幅頻及相頻特性　　figure;

30、 %換一頁顯示 　　freqz(b3b,1,512); title('布萊克曼窗帶通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看布萊克曼窗濾波器幅頻及相頻特性　　figure; %換一頁顯示　　%查看高通濾波器

31、幅頻及相頻特性　　freqz(b1h,1,512); title('三角窗高通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看三角窗高通濾波器幅頻及相頻特性　　figure; %換一頁顯示　　freqz(b2h,1,512);title('哈明窗高

32、通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看哈明窗高通濾波器幅頻及相頻特性　　figure; %換一頁顯示　　freqz(b3h,1,512); title('布萊克曼窗高通濾波器幅頻及相頻特性'); % 查看布萊克曼窗濾波器幅頻及相頻特性

33、　　%換一頁顯示　　第六章 FIR濾波器圖像對比　　6.1 低通濾波器設計結果圖　　以下分別為三角窗、哈明窗和布萊克曼窗低通濾波器：　　6.2 帶通濾波器設計結果圖　　以下分別為三角窗、哈明

34、窗和布萊克曼窗低通濾波器：　　6.3 高通濾波器設計結果圖　　以下分別為三角窗、哈明窗和布萊克曼窗低通濾波器：　　第七章濾波器的應用　　7.1 應用程序　　%低通濾波器

35、　　%使用注意事項：通帶或阻帶的截止頻率的選取范圍是不能超過采樣率的一半　　%即，fs,fp的值都要小于 Fs　　close all; clc; clear all; %清零，清屏，關閉其他窗口　　wpl=pi/4;

36、 % 通帶截止頻率　　wsl=pi/2; % 阻帶截止頻率　　Btl=wsl-wpl; % 過渡帶寬　　wcl=0.5*(wpl+wsl)/pi;

37、 % 近似計算截止頻率　　N1l=ceil(6.1*pi/Btl); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=bartlett(N1l+1); % 三角窗　　b1l=fir1(N1l,wcl,win

38、dow); % 三角窗低通濾波器設計　　N2l=ceil(6.6*pi/Btl); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=hamming(N2l+1); % 哈明窗　　b2l=fir1(N2l,wcl,wi

39、ndow); % 哈明窗低通濾波器設計　　N3l=ceil(11*pi/Btl); % 根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)　　window=blackman(N3l+1); % 布萊克曼窗　　b3l=fir1(N3l,wcl

40、,window); % 布萊克曼窗低通濾波器設計　　f1=600; A1=15; %指定各余弦信號的頻率和幅值　　f2=2000; A2=15;　　f3=3600; A3=10;　　fs=8000; %指定采樣

41、頻率　　n=0:127; %指定采樣時刻 　　x1=A1*cos(2*pi*f1/fs*n); %產(chǎn)生各余弦信號序列x1　　x2=A2*cos(2*pi*f2/fs*n); %產(chǎn)生各余弦信號序列x2　　x3=A3*cos(2*p

42、i*f3/fs*n); %產(chǎn)生各余弦信號序列x3　　noise=randn(1,128)*2; %產(chǎn)生隨機噪聲　　y1=x1+x2+x3+noise; %通過疊加形成復合信號y1　　y21=filter(b1l,1,y1); %復合信號通過三角窗低通濾波后

43、的信號y21　　y22=filter(b2l,1,y1); %復合信號通過哈明窗低通濾波后的信號y22　　y23=filter(b3l,1,y1); %復合信號通過布萊克曼窗低通濾波后的信號y23　　%繪制各余弦信號，噪聲信號及其復合信號　　subplot

44、(3,2,1); plot(n,x1);title('余弦信號1');　　subplot(3,2,2); plot(n,x2);title('余弦信號2');　　subplot(3,2,3); plot(n,x3);title('余弦信號3');　　subplot(

45、3,2,4); plot(n,noise);title('噪聲信號');　　figure; %換一頁顯示 　　subplot(3,2,1); plot(n,y1);title('復合信號y1');　　subplot(3,2,2); plot(n,y21,'r');

46、title('通過三角窗低通濾波后的信號y21');　　subplot(3,2,3); plot(n,y22,'r');title('通過哈明窗低通濾波后的信號y22');　　subplot(3,2,4); plot(n,y23,'r');title('通過布萊克曼窗低通濾波后的信號

47、y23');　　%用快速傅立葉變換對濾波前后的復合信號進行頻譜分析　　Fy1=fft(y1); Fy21=fft(y21);Fy22=fft(y22);Fy23=fft(y23); %復合信號進行傅里葉變換　　figure; %換一頁顯示 　　subplot(4

48、,1,1);stem(n,abs(Fy1),'.');title('復合信號的FFT頻譜分析');　　subplot(4,1,2);stem(n,abs(Fy21),'.');title('通過三角窗低通濾波后的信號y21的FFT頻譜分析');　　subplot(4,1,3);stem(n,

49、abs(Fy22),'.');title('通過哈明窗低通濾波后的信號y22');　　subplot(4,1,4);stem(n,abs(Fy23),'.');title('通過布萊克曼窗低通濾波后的信號y23');　　7.2 濾波結果圖　　1.以

50、下為為余弦信號1，余弦信號2，余弦信號3，噪聲信號：　　圖7-1 余弦信號1，余弦信號2，余弦信號3，噪聲信號　　2.復合信號y1，通過三角窗低通濾波器的信號y21，通過哈明窗低通濾波器的信號y22，通過布萊克曼窗低通濾波器的信號y23。　　圖7-2 復合信號y1，通過低通濾波器后的信號

51、　　3. 復合信號y1；通過三角窗低通濾波器的信號y21；通過哈明窗低通濾波器的信號y22和通過布萊克曼窗低通濾波器的信號y23的頻譜圖　　圖7-3 復合信號與通過低通濾波器后的信號的頻譜　　第八章心得體會　　人們在獲取語音信號的過程中，不可避免的會受

52、到外界環(huán)境的干擾和影響，這些干擾和影響不但降低了語音質量和語音的可懂度，嚴重時將導致不可預知的不良效果。當這些語音信號經(jīng)過數(shù)字處理，用濾波器把噪聲雜波濾除，便得到純凈的語音信號。　　經(jīng)過一周的設計，感觸很深，開始對MATLAB信號處理的函數(shù)不熟悉，導致自己走了很多的彎路，通過本次課程設計，使自己對MATLAB 設計流程有了比較深刻的體會，同時也了解了一般軟件設計的過程。&

53、lt;p>　　通過MATLAB語言對加噪圖像進行頻譜分析，并用窗函數(shù)法對加噪圖像進行了濾波，不僅對MATLAB工具箱有了更深層次的了解和掌握，而且在FIR濾波器設計中可以進行對種方法的比較，已確定每種方法的優(yōu)劣性，在實際操作中有很大的意義，同時MATLAB 信號處理工具箱為濾波器設計及分析提供了非常優(yōu)秀的輔助設計工具，在設計數(shù)字濾波器時，善于應用MATLAB進行輔助設計，能夠大大提高設計效率。所以MATLAB是一款非常強大的工具，

54、對各種數(shù)字信號的處理有著至關重要的幫助。在設計過程中碰到了很多的問題，通過問同學和老師使問題得到解決。　　第九章參考文獻　　參考文獻　　[1] 高西全，丁玉美. 數(shù)字信號處理(第三版). 西安: 西安電子科大出版社, 2008<

55、/p>　　[2] 楊述斌，李永全.數(shù)字信號處理實踐教程. 武漢: 華中科技大學出版社, 2007　　[3] 丁玉美，高西全. 數(shù)字信號處理學習指導(第三版). 西安: 西電出版社, 2009　　[4] 陳懷琛，數(shù)字信號處理教程MATLAB釋疑與實現(xiàn). 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004

56、　　[5] 劉順蘭，吳杰. 數(shù)字信號處理. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2003　　[6] 劉益成，孫祥娥. 數(shù)字信號處理. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004 　　[7] Harry Y-F Lam.模擬和數(shù)字濾波器設計與實現(xiàn). 北京:人民郵電出版社, 1985　　[8] 孫洪. 數(shù)字信號處理實驗指導書(

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