1、语音信号的录制语音信号的录制MATLAB程序设计程序设计两种数字滤波器的对比分析两种数字滤波器的对比分析 数字信号处理数字信号处理1MATLAB介绍介绍2数字滤波器介绍数字滤波器介绍3数字滤波器程序设计数字滤波器程序设计4数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理概述概述数字信号处理数字信号处理含义及学科含义及学科数字信号处理数字信号处理系统的特点系统的特点数字信号处理数字信号处理的实现方法的实现方法数字信号处理数字信号处理含义含义数字信号处理数字信号处理学科学科什么是数字信号处理？什么是数字信号处理？数字信号处理，就是以数数字信号处理，就是以数值计算的方法对信号进行值计算的方法对信号进
2、行采集、采集、变换、综合、估计变换、综合、估计与与识别识别等加等加工处理。借以达到工处理。借以达到提取信息提取信息和和便于应用便于应用的目的。的目的。广义广义的理解:数字信号处理数字信号处理技术技术Digital Signal Processing DSP狭义狭义的理解:数字信号处理数字信号处理器器Digital Signal Processor。通用计算机通用计算机软件软件特殊用途特殊用途 芯片芯片 通用芯片通用芯片 单片机单片机 MATLABMATLABMATLABMATLAB简介简介MATLABMATLAB特点特点MATALBMATALB构成构成MATLABMATLAB信号处理工具信号处
3、理工具滤波器设计滤波器设计与与参数参数设置设置 信号频谱分析信号频谱分析和滤波设计工具和滤波设计工具SPToolSPTool Signal Signal Processing Processing ToolboxToolbox提供的具体功能提供的具体功能滤波器滤波器设计与分析工具设计与分析工具 FDAToolFDATool可交互使用可交互使用解释执行的解释执行的计算机编程计算机编程语言语言 直观的数学表达式直观的数学表达式描述问题描述问题 解决工程解决工程技术问题的技术问题的计算平台。计算平台。矩阵实验室矩阵实验室未来未来()主包主包各类工具箱构成各类工具箱构成 MATrix LABorato
4、ry MathWorks 双精度双精度1命令行操作命令行操作编程执行编程执行草稿式计算草稿式计算复杂的应用开发复杂的应用开发输入输出参数输入输出参数可变可变n操作界面操作界面编程语言编程语言算法算法可可视化视化n帮助系统帮助系统开放性结构开放性结构 n大量的大量的信号信号和和线性系统线性系统模型；模型；n数字及模拟数字及模拟滤波器滤波器设计、分析及实现设计、分析及实现，包含幅值、相位、，包含幅值、相位、零极点、脉冲响应及阶跃响应等；零极点、脉冲响应及阶跃响应等；n方便的方便的FFTFFT、DCTDCT、HilbertHilbert及其他变换；及其他变换；n统计信号处理，用统计信号处理，用统计方
5、法统计方法进行时间序列数据建模及谱进行时间序列数据建模及谱分析；分析；n多速率多速率信号处理；信号处理；n波形生成、窗口生成，以及集成的图形界面用于滤波器波形生成、窗口生成，以及集成的图形界面用于滤波器设计、分析、谱分析及信号的设计、分析、谱分析及信号的可视化测量可视化测量。FDAToolFDATool主窗口主窗口SPTool主窗口数字滤波器数字滤波器数字滤波器数字滤波器分类分类数字滤波器数字滤波器实现实现IIRIIR和和FIRFIR滤波器滤波器基本结构基本结构数字滤波器数字滤波器基本原理基本原理数字滤波器数字滤波器设计步骤设计步骤数字滤波器数字滤波器主要主要性能指标性能指标IIRIIR和和F
6、IRFIR滤波器滤波器设计方法设计方法IIRIIR滤波器滤波器基本结构基本结构IIR滤波器滤波器基本结构基本结构IIRIIR滤波器滤波器设计方法设计方法FIR滤波器滤波器设计方法设计方法什么是数字 滤波器？什么是数字什么是数字 滤波器？滤波器？数字滤波器的实质是用一数字滤波器的实质是用一有限精度算法有限精度算法实现的实现的离散时间离散时间线性时不变系统线性时不变系统，以完成对信，以完成对信号进行号进行滤波处理滤波处理的功能。的功能。功能功能低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器全通滤波器全通滤波器各类理想数字滤波器的频率特性无限冲激响应无限冲激响应 （
7、IIRIIR）数字滤波）数字滤波器器 有限冲激响应有限冲激响应 （FIRFIR）数字滤波器）数字滤波器 如果按实如果按实现的现的网络结网络结构构或单位或单位冲冲激响应的时激响应的时长。长。怎怎么分类么分类呢？呢？离散离散LSI系统对信号的相应过程实际上就是对信号进行滤波的过程。因此，系统对信号的相应过程实际上就是对信号进行滤波的过程。因此，离散离散LSI系统又称为数字滤波器系统又称为数字滤波器。一个离散一个离散LSI系统可以用系统函数来表示：系统可以用系统函数来表示：也可以用查分方程来表示：也可以用查分方程来表示：kkmmNkkkmMmmzazazazbzbzbbzazbzazbzXzYzH2
8、211221101011)()()()(）（NkMmmkmnxbknyany10)()()(当当 至少有一个不至少有一个不为为0 0时，则在有限时，则在有限z z平面平面上上存在极点存在极点，表达的是，表达的是一个一个IIRIIR数字滤波器数字滤波器 ka 当当 全都为全都为0 0时，系时，系统统不存在极点不存在极点，表达的，表达的是一个是一个FIRFIR数字滤波器数字滤波器 kaFIRFIR数字滤波器可以看成是数字滤波器可以看成是IIRIIR数字滤波器的数字滤波器的a ak k全都为全都为0 0时的一个特例。时的一个特例。数字滤波器实现数字滤波器实现软、硬件实现软、硬件实现网络结构形式网络结
9、构形式IIRIIR、FIRFIR的系统函数的系统函数IIRIIR滤波器基本结构滤波器基本结构IIRIIR滤波器滤波器基本结构基本结构直接直接形式形式级联级联形式形式并联并联形式形式FIRFIR滤波器基本结构滤波器基本结构IIRIIR滤波器滤波器基本结构基本结构直接直接形式形式级联级联形式形式线性相位线性相位形式形式频率采样频率采样形式形式数字滤波器设计步骤数字滤波器设计步骤 用一用一个因果的个因果的稳定的系稳定的系统函数逼统函数逼近性能要近性能要求。求。按按照实际照实际需要确需要确定滤波定滤波器的性器的性能要求能要求 用有限用有限精度的运精度的运算实现系算实现系统函数。统函数。数字滤波器主要技
10、术指标数字滤波器主要技术指标数字滤波器数字滤波器主要性能指标主要性能指标特征特征 频率频率增益与增益与损耗损耗阻尼系阻尼系数与品数与品质因数质因数灵敏度灵敏度群延时群延时系数系数IIRIIR滤波器设计方法滤波器设计方法IIRIIR滤波器滤波器设计方法设计方法模拟原型法模拟原型法直接设计法直接设计法参数设计法参数设计法模拟原型法模拟原型法（chebyshev为例）为例）模拟滤波器到数字滤波器的变换模拟滤波器到数字滤波器的变换模拟域频率变换模拟域频率变换设计模拟原型滤波器设计模拟原型滤波器选择滤波器阶数选择滤波器阶数利用冲激响应不变法实现的函数利用冲激响应不变法实现的函数impinvarimpin
11、var 低通到带阻模拟滤波器变换函数低通到带阻模拟滤波器变换函数lp2bslp2bsChebyshevChebyshev型模拟滤波器原型函数型模拟滤波器原型函数cheb1apcheb1ap 选择选择ChebyshevChebyshev型滤波器阶数的函数型滤波器阶数的函数cheb1ordcheb1ord FIRFIR滤波器设计方法滤波器设计方法IIRIIR滤波器滤波器基本结构基本结构窗函数窗函数设计法设计法频率采样频率采样设计法设计法最优化最优化设计法设计法常用窗函数常用窗函数巴特利特窗巴特利特窗 矩形窗矩形窗汉宁窗汉宁窗（FIR低通）低通）海明窗海明窗 凯泽窗凯泽窗 （FIRFIR带阻）带阻）
12、布莱克窗布莱克窗 窗函数设计五步骤窗函数设计五步骤n给定所要求的频率响应函数给定所要求的频率响应函数H Hd d(e(ejj)n对该频率响应函数做傅立叶逆变换，求取对该频率响应函数做傅立叶逆变换，求取理想滤波器的单位冲激响应理想滤波器的单位冲激响应H Hd d(n)(n)n由过渡带宽和阻带最小衰减等指标要求，由过渡带宽和阻带最小衰减等指标要求，选取窗函数类型及窗的长度选取窗函数类型及窗的长度n求得所设计求得所设计FIR滤波器的单位冲激响应滤波器的单位冲激响应H(n)H(n)H Hd d(n)(n)n计算频率响应函数计算频率响应函数H(eH(ejj)，并检验其是否，并检验其是否满足性能要求满足性
13、能要求程序设计比较程序设计比较数字语音数字语音图图躁声信号躁声信号图图IIRIIR和和FIRFIR数字滤波器数字滤波器比较比较 IIRIIR和和FIRFIR数字滤波器数字滤波器设计设计 IIRIIR和和FIRFIR低通低通数字滤波器数字滤波器设计设计IIRIIR和和FIRFIR带阻带阻数字滤波器数字滤波器设计设计数字滤波器数字滤波器语音信号采集和分析语音信号采集和分析IIR低通低通带阻带阻FIR低通低通带阻带阻 FIRFIR阶阶 数很高数很高 IIR保保留模拟滤波留模拟滤波器特性，应器特性，应用很广用很广 FIRFIR保证保证精确、格的精确、格的线性相位特线性相位特性，价格较性，价格较贵贵 IIRIIR滤波器用滤波器用递归结构，反递归结构，反馈支路的存在馈支路的存在使系统对稳定使系统对稳定性要求高性要求高 相位要求相位要求不敏感不敏感的的场合（如场合（如语音通信语音通信等）等），选选IIRIIR滤波器滤波器 对波形上对波形上携带信息携带信息的传输系统（的传输系统（如图像信如图像信号处理、数据传输号处理、数据传输等等），选选FIRFIR滤波器滤波器
