吹管音乐滤波去噪—使用BARTHANNWIN窗设计的FIR滤波器.docx

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1、XX大学数字信号处理课程设计报告王二校徽学院XXX专业通信工程班级XXX学号XX学生姓名王二指导教师XXX课程成绩完成日期2012年3月2日课程学院XXX专业通信工程班级XXX学号XX学生姓名王二指导教师XXX完成日期XXXX年X月X日指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩指导教师签字.XXXX年X月X日课程设计任务书XXXXXX专业课程名称数字信号处理课程设计时间XXX-XXX学年第X学期XX周学生姓名王二指导老师XXX题

2、目吹管音乐滤波去噪使用Barthannwin设计的F1R滤波器主要内容：从网站上下载一段吹管乐器演奏音乐，绘制波形并观察其频谱特点，加入一个带外单频噪声，用BARTHANNWIN窗设计一个满足指标的F1R滤波器，对该含噪音乐信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析，根据结果和学过的理论得出合理的结论。与不同信源相同滤波方法的同学比较各种信源的特点，与相同信源不同滤波方法的同学比较各种滤波方法性能的优劣。要求：（1）滤波器指标必须符合工程实际。（2）设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设

3、计报告书。应当提交的文件：（I）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是源程序）。吹管音乐滤波去噪使用Barthannwin窗设计的F1R滤波器学生姓名：王二指导老师：XXX摘要本课程设计主要是利用BarthannWin窗设计满足指标的FIR滤波器对一段含噪吹管乐器音频进行滤波去噪处理。以Mat1ab为设计平台，利用WaVread函数对音频信号进行采样，获取参数，对音频信号进行读取和加噪，根据相应技术指标，设计BarthannWinF1R滤波器，对该音频信号进行滤波去噪处理，还原原始信号。通过比较滤波前后的波形和频谱图并进行分析，回放滤波后音乐信号，滤波后音乐信号与原始音乐信号一样清晰。本

4、课程设计成功地对吹管音乐音频信号进行了滤波去噪，初步完成了设计指标。关键词课程设计；滤波去噪；FIR滤波器；BarthannWin窗；MAT1AB目录1引言5课程设计目的61.2 课程设计的要求61.3 设计平台62设计原理72.1FIR滤波器7窗口设计法82.3BarthannwinS93设计步骤10设计流程图10录制语音信号113.3 滤波器设计123.4 信号滤波处理14结果分析144出现的问题及解决方法155结束语16参考文献17附录1：吹管音乐音频信号提取和加噪源程序清单18附录2：使用Barthannwin窗设计的F1R滤波器源程序清单19附录3：信号滤波处理源程序清单21附录4：

5、freqz_m的定义源程序清单21附录5：idea1Jp的定义源程序清单221引言本课程设计是采用Barthannwin窗设计的FIR滤波器对含噪吹管音乐信号进行滤波去噪。通过课程设计了解F1R滤波器设计的原理和步骤，掌握用MAT1AB语言设计滤波器的方法，了解DSP对F1R滤波器的设计及编程方法。通过观察音乐信号滤波前后的时域波形的比较，加深对滤波器作用的理解。通过对比滤波前后波形图的比较和放滤波前后音乐信号的对比，可以看出滤波器对有用信号无失真放大具有重大意义。课程设计目的在本次课程设计中，最主要的设计是设计F1R滤波器，F1R滤波器的设计方法主要分为两类：第一类是基于逼近理想滤波器器特性

6、的方法包括窗函数法、频率采样法、和等波纹最佳逼近法；第二类是最优设计法。本次的课程设计主要采用的是第一类设计方法，是利用Barthannwin窗函数法设计F1R滤波器对一段语音进行滤波去噪，并绘制滤波前后的时域波形形和频谱图，对滤波前后波形进行对比分析得到结论。通过这一过程能够熟悉MAT1AB语言环境，掌握MAT1AB语言的编程规则。通过本次课程设计熟悉利用Barthannwin窗函数法设计FIR滤波器的过程增强自己独立解决问题的能力，提高自己独立解决问题的动手能力同时加深对理论知识联系实际的理解，为以后的工作奠定坚实的基础。1.2课程设计的要求下载一段吹管乐器演奏音乐，绘制观察波形及其频谱图

7、特点，加入一个带外单频噪声，用BarthannWin窗设计一个满足指标的FIR滤波器，对该含噪音乐信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱图并进行分析。再回放音乐信号对比原音乐信号，看滤波器是否对音乐信号进行了滤波去噪。（1）滤波器指标必须符合工程实际。（2）设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。设计平台本课程设计的主要设计平台式MAT1AB,MAT1AB是矩阵实验室（MatriX1abOratory）的简称。MAT1AB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及

8、交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MAT1AB和Mathematica、MaPIe并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MAT1AB可以进行矩矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理

9、与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域I1MAT1AB在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。由于信号与系统课程的许多内容都是基于公式演算，而MAT1AB借助符号数学工具箱提供的符号运算功能能基本满足信号与系统课程的需求。例如，解微分方程、傅里叶正反变换、拉普拉斯正反变换、z正反变换等。MAT1AB在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析，主要包括函数波形绘制、函数运算、冲激响应与阶跃响应仿真分析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的S域分析、零极点图绘制等内容。数值计算仿真分析可以帮助学生更深入理解信号与系统的理论知识，并为将来使用MAT1AB进行信号

10、处理领域的各种分析和实际应用打下基础。2设计原理FIR滤波器数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为2种，即无限长冲激响应(IIR)滤波器和有限长冲激响应(FIR)滤波器。FIR(Finite1mPUISeReSPonSe)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。FIR系统有自己突出的优点：(1)可以很容易地设计线性相位的滤波器。线性相位滤波器延时输入信号，却并不扭曲其相位。(2)实现简单。

11、在大多数DSP处理器，只需要对一个指令积习循环就可以完成FIR计算。(3)适合于多采样率转换,它包括抽取(降低采样率)，插值(增加采样率)操作。无论是抽取或者插值，运用F1R滤波器可以省去一些计算，提高计算效率。相反，如果使用HR滤波器，每个输出都要逐一计算，不能省略,即使输出要丢弃。(4)具有理想的数字特性。在实际中，所有的DSP源波器必须用有限精度(有限bi1数目)实现,而在HR滤波器中使用有限精度会产生很大的问题，由于采用的是反馈电路，因此HR通常用非常少的bit实现，设计者就能解决更少的与非理想算术有关的问题。(5)可以用小数实现。不像HR滤波器，F1R滤波器通常可能用小于1的系数来实

12、现。(如果需要，FIR滤波器的总的增益可以在输出调整)。当使用定点DSP的时候，这也是一个考虑因素，它能使得实现更加地简单。FIR数字滤波器设计的基本步骤如下：(1)确定技术指标在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以2种方式给出。第一种是绝对指标。他提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器的设计。第二种指标是相对指标。他以分贝值的形式给出要求。本文中施波器的设计就以线性相位FIR滤波器的设计为例。(2)逼近确定了技术指标后，就可以建立一个目标的

13、数字滤波器模型(通常采用理想的数字滤波器模型)。之后，利用数字滤波器的设计方法(窗函数法、频率采样法等)，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。(3)性能分析和计算机仿真上两步的结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计算机仿真实现设计的游波器，再分析滤波结果来判断。FIR漉波器的设计问题实际上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数的问题，设计方法主要有窗函数、频率响应法和等波纹最佳逼近法等。FIR滤波器的缺点在于它的性能不如同样阶数的HR滤波器，不过由于数字计算硬件的飞速发展，这一点已经不

14、成为问题。再加上引入计算机辅助设计,FIR滤波器的设计也得到极大的简化。基于上述原因，FIR滤波器比R滤波器的应用更广I支窗口设计法F1R滤波器的设计方法有许多种，如窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计法等。窗函数法是设计F1R数字滤波器的最简单的方法。它在设计F1R数字滤波器中有很重要的作用，正确地选择窗函数可以提高设计数字源波器的性能，或者在满足设计要求的情况下，减小FIR数字滤波器的阶次。常用的窗函数有以下几种：矩形窗(ReCumgUIarwindow)、三角窗(TriangUIarwindow)、汉宁窗(Hanningwindow)、汉明窗(HammingWindOw)、布拉克曼窗

15、(BIaCkmanWindoW)等等。窗函数设计法的基本原理是用一定宽度窗函数截取无限脉冲响应序列获得有限长的脉冲响应序列，主要设计步骤为：(1)通过傅里叶逆变换获得理想滤波器的单位脉冲响应hd(n).,/、1Cax,sinwc(n-a)1hd(rt)=eidw=(2-1)2;TJA(n-a)(2)由性能指标确定窗函数W(n)和窗口长度N。(3)求得实际滤波器的单位脉冲响应h(n),h(n)即为所设计FIR滤波器系数向量b(n)。h(n)=hd(n)W(n)(2-2)(4)检验滤波器性能常见的窗函数性能如表2-1所示：2-1常见窗函数性能表名称滤波器过渡带宽最小阻带衰减名称滤波器过渡带宽最小阻带衰减矩形21dBParzenwin56dB巴特利特25dBf1attopwin108dB汉