第13章數字信號處理應用舉例,.,2,數字信號處理應用舉例,數字信號處理技術在通信系統、生物醫學、遙感系統、地質勘探、機械振動、交通運輸、宇宙航行、自動測量等方面都有廣泛的應用本章介紹數字信號處理的兩種典型應用舉例數字信號處理在雙音頻多撥號系統中的應用數字信號處理在音樂信號處理中的應用,.,3,數字信號處理應用舉例1,13.1數字信號處理在雙音頻多撥號系統中應用電話系統中的雙音多頻信號雙音多頻信號的產生與檢測戈澤爾算法檢測DTMF信號的DFT參數選擇DTMF信號系統的模擬實驗,.,4,13.1.1電話系統中的雙音多頻信號,雙音多頻（DualToneMultiFrequency,DTMF)信號是音頻電話中的撥號信號，由美國AT4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68;%DTMF信號代表的16個數N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42;%8個基頻對應的8個k值f1=697,770,852,941;%行頻率向量f2=1209,1336,1477,1633;%列頻率向量TN=input(輸入6位電話號碼=1);%輸入6位數字TNr=0;%接收端電話號碼初值為零form=1:6%分別對每位號碼數字處理:產生信號,發聲,檢測d=fix(TN/10(6-m);%計算出第m位號碼數字TN=TN-d*10(6-m);forp=1:4;forq=1:4;iftm(p,q)=abs(d);break,end%檢測與第m位號碼相符的列號qendend,.,24,13.1.5DTMF信號系統的模擬實驗,n=0:1023;%為了發聲,加長序列x=sin(2*pi*n*fl(p)/8000)+sin(2*pi*n*f2(q)/8000);%構成雙音頻信號sound(x,8000);%發出聲音pause(0.1);%相鄰號碼響聲之間加0.1s停頓%接收檢測端的程序X=goertzel(x(1:N),K+1);%用Goertzel算法計算8點DFT樣本val=abs(X);%列出8點DFT的模subplot(3,2,1);stem(K,val,.);xlabel(k);ylabel(|X(k)|)%畫出8點DFT的幅度axis(10500120);1imit=80;%基頻檢測門限為80fors=5:8;ifval(s)1imit,break,end%查找列號endfori=1:4;ifval(s)1imit,break,end%查找行號end,.,25,13.1.5DTMF信號系統的模擬實驗,TNr=TNr+tm(r,s-4)*10(6-m);%將6位電話號碼表示成一個6位數,以便顯示enddisp(接收端檢測到的號碼為:)disp(TNr)%顯示接收到的6位電話號碼運行程序，根據提示輸入6位電話號碼123456，回車后可以聽見6位電話號碼對應的DTMF信號的聲音，并輸出響應的6幅頻譜圖，如圖13.1.2所示,.,26,13.1.5DTMF信號系統的模擬實驗,圖13.1.26位電話號碼123456的DTMF信號在8個近似基頻點的DFT幅度,.,27,數字信號處理應用舉例2,13.2數字信號處理在音樂信號處理中的應用時域處理頻域處理一階濾波器和斜坡濾波器二階濾波器和均衡器圖形均衡器,.,28,13.2.1時域處理,在音樂廳中，聽眾接收的聲音信號有三種直達聲：直接傳播到聽眾的聲音信號早期反射：接下來收到的一些比較近的回音早期反射通過房間各方向進行反射，到達聽眾的時間是不定的混響：早期反射以后，由于多次反復反射，越來越多的密集反射波傳給聽眾，這部分反射群被稱為混響混響的振幅隨時間呈指數衰減,.,29,13.2.1時域處理,上面的概念可以用圖13.2.1描述,圖13.2.1房間內一個單聲源產生的各種混響,.,30,13.2.1時域處理,早期反射基本上是直達聲的延時和衰減，時間波形和直達聲一樣混響由密集的回聲組成，可以用數字濾波器實現這種回聲假設直接聲音信號用x(n)表示,直接聲音的一次反射波形僅是幅度衰減和時間延遲，收到的信號為式中R表示延遲時間，將上式進行Z變換，得到,（13.2.1）,（13.2.2）,.,31,13.2.1時域處理,H(z)是一個FIR濾波器，也是個R階的梳狀濾波器x(n)經過這樣一個濾波器便得到了它和它的一次反射音的合成聲音，該濾波器稱為單回聲濾波器單回聲濾波器的結構、單位脈沖響應及幅度特性如圖13.2.2所示,圖13.2.2單回聲濾波器,.,32,13.2.1時域處理,多重回聲濾波器的系統函數可表示為上式是一個R濾波器設,多重回聲濾波器的結構、單位脈沖響應如圖13.2.3所示,（13.2.3）,13.2.3多重回聲濾波器,.,33,13.2.1時域處理,當產生無窮多個回聲時，式(13.2.3)中同時再延時R，此時IIR濾波器的系統函數為設R=4，其結構圖、單位脈沖響應和幅度特性如圖13.2.4所示,（13.2.4）,13.2.4產生無限個回聲的IIR濾波器,.,34,13.2.1時域處理,由圖13.2.4(c)可見，該幅度特性不夠平穩，且回波也不夠密集，會引起回聲顫動為得到一種比較接近實際的混響，提出一種有全通結構的混響器，它的系統函數為這種全通混響濾波器的結構及單位脈沖響應如圖13.2.5所示其結構的特點是只用一個乘法器和一個延時器將圖13.2.4(a)和全通混響器進行組合，可以達到令人滿意的一種聲音混響器，如圖13.2.6,.,35,13.2.1時域處理,圖13.2.5全通混響器,圖13.2.6一種自然聲音混響器的方案,.,36,13.2.1時域處理,如果用一個低通FIR濾波器或者R濾波器G(z)函數替換式(13.2.4)中的,形成系統函數為該濾波器稱為齒狀濾波器，可以用于人為地產生自然音調,（13.2.5）,.,37,13.2.2頻域處理,1.一階濾波器和斜坡濾波器一階低通濾波器的系統函數為一階高通數字濾波器用下式表示它們的3dB截止頻率用下式計算,（13.2.6）,（13.2.8）,（13.2.7）,.,38,13.2.2頻域處理,式(13.2.6)和式(13.2.7)也可以寫成下面兩式式中利用式(13.2.9)和(13.2.10)進行組合，形成如圖13.2.7所示的濾波器,（13.2.10）,（13.2.11）,（13.2.9）,.,39,13.2.2頻域處理,A1(z)是一個一階全通函數該濾波器有一個輸入和兩個輸出，上端是高通輸出，下端是低通輸出3dB截止頻率可以用全通濾波器的系數進行調整,圖13.2.7有一個參數可調的一階低通/高通濾波器,.,40,13.2.2頻域處理,如果將圖13.2.7中的兩個輸出進行組合，形成下面的系統函數式中K是一個常數其結構圖如圖13.2.8所示增益特性如圖13.2.9所示該濾波器稱為低頻斜坡濾波器,.,41,13.2.2頻域處理,圖13.2.8低頻斜坡濾波器,圖13.2.10高頻斜坡濾波器,圖13.2.9低頻斜坡濾波器增益特性,.,42,13.2.2頻域處理,高頻斜通濾波器系統函數為其結構圖如圖13.2.10所示增益特性如圖13.2.11所示,圖13.2.11高頻斜通濾波器增益特性,.,43,13.2.2頻域處理,高、低頻斜坡濾波器都可以通過調整參數K控制通帶的強弱K1，通帶增強K1，通帶減弱K=1，通帶保持原幅度高、低頻斜坡濾波器都可以通過調整參數a控制帶寬,.,44,13.2.2頻域處理,2.二階濾波器和均衡器二階帶通和二階帶阻濾波器的系統函數分別為帶通濾波器的中心頻率和帶阻濾波器的陷波頻率用計算它們的3dB帶寬用下式計算,（13.2.12）,（13.2.13）,（13.2.15）,.,45,13.2.2頻域處理,二階帶通和二階帶阻濾波器的系統函數還可寫成,（13.2.16）,（13.2.17）,（13.2.18）,其中,.,46,13.2.2頻域處理,和前面方法類似，將上面兩式組合成一個系統，其結構圖如圖13.2.12(a)所示圖中上臂是帶阻輸出，下臂是帶通輸出全通部分A2(z)用如圖13.2.12(b)所示的格型結構實現，特點是可以獨立地調諧中心頻率及3dB帶寬,圖13.2.12二階帶通/帶阻濾波器,.,47,13.2.2頻域處理,和一階的情況一樣，用二階帶通/帶阻濾波器上臂和下臂組合成下面的二階均衡器式中K是一個正常數二階均衡器的結構圖如圖13.2.13所示中心頻率用參數獨立調整3dB帶寬由參數單獨決定幅度響應的峰值或者谷值由給出通過改變參數K,和得到的增益響應如圖13.2.14圖13.2.16所示,（13.2.19）,.,48,13.2.2頻域處理,圖13.2.13二階均衡器結構,圖13.2.14二階均衡器增益響應,圖13.2.16二