基于MATLAB的回波信号的产生与消除(移动13班__汪红洋)(1)

石家庄邮电职业技术学院

毕业设计

基于MATLAB的回波信号的产生与消除

2012 届电信工程系系专业移动通信技术

班级电0904-13

学号30907002107

姓名汪红洋

指导教师牛建国张磊

完成日期2011年12月24日

石家庄邮电职业技术学院毕业设计任务书

石家庄邮电职业技术学院毕业设计评定书

摘要

MATLAB语言具备高效、可及推理能力强等特点,在数值计算方法、图形功能、用户界面设计编程手段和工具等方面有着重要的应用，随着MATLAB应用领域不断扩大，使其成为一种影响大、流行广的科学计算语言。

本次设计主要把原有WAV格式的声音文件通过MATLAB软件转换成声音文件。同时利用MATLAB产生原信号的延时衰减的回波信号附加到原信号形成回波信号。使用xcorr函数对延时和衰减进行估计。并对反射物的距离进行估计。

关键词：MATLAB；数字信号处理；频谱分析；滤波器。

目录

1 设计要求 (1)

1.1 已知技术参数和设计要求 (1)

1.2 具体要求 (1)

2设计原理 (1)

2.1 设计的理论依据 (1)

2.1.1 相关函数两个本质特性 (2)

2.2方案设计 (2)

3.设计内容和步骤 (2)

3.1 信号的采集 (2)

3.2回声信号的产生 (3)

3.3 从带有回声的声音信号中恢复原信号 (5)

3.4从带有回声的声音信号中估计反射物的距离 (6)

4 个人心得 (9)

5 总结 (9)

参考文献 (10)

1 设计要求

1.1 已知技术参数和设计要求

本毕业设计要求用MATLAB语言编程实现回波信号的产生与消除。

1.2 具体要求

(1)利用声音信号x产生带有回声的声音文件y。

(2)从带有回声的文件y中消除回声。

(3)从y中估计反射物的距离。

2设计原理

2.1 设计的理论依据

根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论（采样频率、采样位数的概念，采样定理：回声信号，相关性分析；数字滤波器设计原理和方法）。

采样频率：采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并成离散信号的采样个数

采样位数：即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数

采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的 2 倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10 倍；采样定理又称奈奎斯特定理。

相关函数：X(t)为随机过程，a(t)=EX(t)为期望，则相关函数定义为：B(s,t)=E(X(s)-a(t))(X(t)-a(t)) 若 X(t)=Y(t)+i*Z(t)，Y,Z 为实过程，则称X(t)为复随机过程，相关函数定义为： B(s,t)=E(X(s)-a(t))(X(t)-a(t))（后一个括号取共轭）

2.1.1 相关函数两个本质特性

（1）共轭对称：B(s,t)=B(t,s)的共轭

（2）非负定：对任意的 n>=1，t1……tn 属于 T,n 个复数 Z1,Z2……，Zn ，有()01,≥∑-k j k n

jk j Z Z t t B

（3）熟悉 MATLAB 的编程语言。

2.2方案设计

（1）语音信号采集：使用现成的“*.wav ”格式的声音信号，11khz 采样。 （2）声音信号的读取：使用 MATLAB 中的 wavread()函数读取，记录信号，采样率 fs 。

（3）带回波信号的产生：利用 MATLAB 中的基本矩阵计算产生原始信号的延迟以及只有一个衰减延迟的回波信号附加到原信号上形成回波信号。

(4)参数估计：使用 MATLAB 中的 xcorr 函数求取信号的自相关，并基于此对延迟量 N 和衰减系数进行估计。

(5)回波消除：使用 MATLAB 中的 filter ，根据估计的参数进行滤波。 (6)估计反射物的距离：根据求出的延迟量 N ，对反射物的距离进行估计。

3.设计内容和步骤 3.1 信号的采集

录制一段音频（如歌曲，说话声等），用MATLAB 函数wavread()将其提取出来绘制其时域波形，对此音频信号用FFT 作谱分析，用plot()函数绘制其图像。

信号采集程序如下： %声音信号的提取

[x,fs]=wavread('kz'); %读取信号 figure(1); %新窗口

subplot(3,1,1); %3行1列排列 第一个图 plot(x(1:4000)); %画出 信号

title('原始信号'); %绘图区标题

y=fft(x); %做FFT（快速离散傅里叶变换）

subplot(3,1,2); %3行 1列排列第2个图

plot(abs(y)); %画出abs(y)

title('幅值'); %绘图区标题

subplot(3,1,3) %3行 1列排列第3个图

plot(angle(y)); %画出angle（y）

title('相位'); %绘图区标题

Sound(x,fs); %矩阵转换成声音信号

其波形图3-1：

图3-1

3.2回声信号的产生

在录制信号基础上产生带有回声的声音信号并绘制其时域波形，对其进行FFT频谱分析，绘制频谱图。

信号产生程序如下：

%回波的产生

[x,fs]=wavread('kz'); %读取信号

x1=x(1:4000); %产生1列4000行矩阵

x2=x(1:4000); %产生1列4000行矩阵

x3=x(1:4000); %产生1列4000行矩阵

x1=[x1',zeros(1,1800)];%x1’为x1的转置，zeros（1,1800）产生1行1800列全零矩阵到x1后面

x2=[zeros(1,600),0.7*x2',zeros(1,1200)];

x3=[zeros(1,1200),0.4*x3',zeros(1,600)];

y=x1+x2+x3;figure(2);

subplot(3,1,1); %3行1列排列第一个图

plot(y(1:5800)); %画出y

title('回声'); %绘图区标题

y1=fft(y); %做FFT（快速离散傅里叶变换）

subplot(3,1,2); %3行 1列排列第2个图

plot(abs(y1)); %画出abs（y）

title('幅值'); %绘图区标题

subplot(3,1,3); %3行 1列排列第3个图

plot(angle(y1)); %画出angle（y1）

title('相位'); %绘图区标题

Sound(y,fs); %y矩阵准换成声音信号

其波形图3-2：

图 3-2

3.3 从带有回声的声音信号中恢复原信号

设计合适的滤波器，对带有回声的声音信号进行滤波，恢复原信号。绘制所设计滤波器的幅频和相频特性，及滤波后的信号的时域波形和频谱图。

恢复信号程序如下：

%回波的消除

b=1;

a=zeros(1,1800);

a(1)=1;

a(601)=0.7;

a(1001)=0.4;

z1=filter(b,a,y);

z2=fft(z1,4000);

figure(3);

subplot(3,1,1); %3行 1列排列第1个图

plot(abs(z2)); %画出abs（z2）

title('滤波幅值 '); %绘图区标题

subplot(3,1,2); %3行 1列排列第2个图

plot(angle(z2)); %画出angle（z2）

title('滤波相位'); %绘图区标题

subplot(3,1,3); %3行 1列排列第3个图

plot(z1(1:1024)); %画出z1

title('滤波信号'); %绘图区标题

其波图3-3:

图 3-3

3.4从带有回声的声音信号中估计反射物的距离

采用相关分析法从带有回声的声音信号中估计反射物的距离。

程序如下:

%相关函数法测障碍物距离

h=xcorr(y);

figure(4); %建立图形窗口subplot(4,1,1) %4行1列第1个图plot(abs(h)); %画出abs（h）title('最值 '); %绘图区标题

h1=h(5600:6000); %h1矩阵

[r1,t1]=max(h1'); %最大值

t1=t1+5600;

subplot(4,1,2); %4行1列第2个图plot(h1) %画出h1

title('点1'); %绘图区标题

h2=h(6200:6600); %h2矩阵

[r2,t2]=max(h2); %最大值

t2=t2+6200-t1;

subplot(4,1,3); %4行1列第3个图plot(h2); %画出h3

title('点2'); %绘图区标题

h3=h(6800:7200); %h3矩阵

[r3,t3]=max(h3); %最大值

t3=t3+6800-t1;

subplot(4,1,4); %4行1列第4个图plot(h3); %画出h3

title('点3'); %绘图区标题

t=[t2,t3]

其波形图3-4:

图 3-4

t=557 1229

根据程序返回的结果，我们发现找到了三个延时的值(557，1229)2个采样点，这和我们起初产生回波时的2个回波的延时是一致的。假如我们得到延时的采样点个数为n，那么我们就可以用t=n/fs算出延时的时间，再用L=v*t就可以算出距离，即L=v*n/fs，最后根据实际中反射物，声源，接收器三者的相对位置就可以确定反射物与声源之间的距离了。

此次设计所选用的音频信号fs=22050Hz,故得声源距二个反射物的距离分别为：

L1=340*557/22050=8.59m

L2=340*1229/22050=18.95m

4 个人心得

这次的课程设计是我第一次真正自己认真参与的一次实践，在做的过程中遇到了很多问题，尤其是怎样把书本上学到的东西真正的用来解决工程问题。会做题跟实际问题的解决根本就是两回事。刚开始做的时候一点MATLAB都不懂，不过通过这次课程设计的学习，对于matab的强大功能有了初步的了解，同时也熟悉了如何用matlab进行编程来解决一些声音信号的相关问题虽然做的时间较长，做的过程比较辛苦，但是从中的确学到很多适用的东西。

5 总结

近2个月的课程毕业设计就要结束了，我学到了很多知识。本次毕业设计是利用MATLAB进行的数字信号处理的毕业设计实验，通过实验使得自己可以熟练的运用MATLAB来完成编程,再且在设计实验的过程中，自己分析问题的能力得到了很大的提高，对FFT函数得以熟练地运用及更深刻的理解，同时对相关函数、声波反射等知识回顾，有了新的认识。在整个设计过程中，我先花费了两天的时间查找资料，整理设计内容，安排实验步骤，这一切的课前准备使我受益良多，实验过程少了很多不必要的麻烦。

总之，此次课程设计是对自己对所学知识的一次考验，通过实验我认识到自己的不足欠缺的内容，以后自己会加倍努力学习所学的内容。

参考文献

[1] 高西全、丁玉美编著《数字信号处理》西安:西安电子科技大学出版社，2008

[2] 丁玉美、高西全编著《数字信号处理学习指导》西安：西安电子科技大学出版社，2001

[3] 郑君里等编《信号与系统》北京:高等教育出版社，2000

[4] 刘树棠译《数字信号处理——使用MATLAB》西安:西安交通大学出版社，2002

[5] 导向科技编著《MATLAB程序设计与实例应用》北京：中国铁道出版社，2001

[6] 罗军辉等编著《MATLAB7.0在数字信号处理中的应用》北京：机械工业出版社，2005

[7] 陈怀琛等编著《MATLAB及在电子信息课中的应用》北京：电子工业出版社，2002

[8] 胡广书编著《数字信号处理――理论、算法与实现》北京：清华大学出版社，2002

[9] 梁虹等编《信号与线性系统分析――基于MATLAB的方法与实现》北京：高等教育出版社，2006

[10] 刘卫国主编《MATLAB程序设计与应用（第二版）》北京：高等教育出版社，2006