語音信號處理課程設計.doc

基于MATLAB的數(shù)字濾波器設計及其對語音信號的應用摘要MATLAB 語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應用軟件 ,它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件 , 然后利用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù) ,如數(shù)字濾波 、傅里葉變換 、時域和頻域分析 、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等 , 信號處理是MATLAB 重要應用的領域之一 。 本課程設計介紹了基于Matlab的對語音信號采集、處理及濾波器的設計，并使之實現(xiàn)的過程。理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，用Matlab進行數(shù)字語音信號處理，并闡述了課程設計的具體方法、步驟和內容。綜合運用本課程的理論知識進行頻譜分析以及濾波器設計，通過理論推導得出相應結論，并利用MATLAB作為工具進行實現(xiàn)，從而復習鞏固課堂所學的理論知識，提高對所學知識的綜合應用能力，并從實踐上初步實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。關鍵詞： MATLAB 工具 信號語音采集 濾波器1. 課程設計的目的：1)掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法； 2)掌握MATLAB設計FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法； 3)掌握在Windows環(huán)境下語音信號采集以及時域、頻域分析；4)學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設計方法；5)學會用MATLAB對信號進行分析和處理。2. 課程設計內容：1)錄制一段自己的語音信號,對錄制的信號進行采樣；2)畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖;3)給定濾波器的性能指標,采MATLAB設計數(shù)字濾波器,并畫出濾波器的頻率響應；4)然后用自己設計的濾波器對采集的信號進行濾波,畫出濾波后信號的時域波形和頻譜,并對濾波前后的信號進行對比,分析信號的變化；5)回放語音信號。3. 濾波器設計方法綜述：濾波器的設計原理 設計數(shù)字濾波器的任務就是尋求一個因果穩(wěn)定的線性時不變系統(tǒng)，并使系統(tǒng)函數(shù)H(z)具有指定的頻率特性。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應函數(shù)的時域特性，可分為兩種，即無限長沖激響應（IIR）濾波器和有限長沖激響應（FIR）濾波器。IIR濾波器的特征是，具有無限持續(xù)時間沖激響應。這種濾波器一般需要用遞歸模型來實現(xiàn)，因而有時也稱之為遞歸濾波器。FIR濾波器的沖激響應只能延續(xù)一定時間，在工程實際中可以采用遞歸的方式實現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實現(xiàn)。濾波器的性能指標 在設計一個濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實際的需要確定濾波器的技術指標。在很多實際應用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻操作。因此，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應。幅度指標主要以兩種方式給出。第一種是絕對指標。它提供對幅度響應函數(shù)的要求，一般應用于FIR濾波器的設計。第二種指標是相對指標。它以分貝值的形式給出要求。在工程實際中，這種指標最受歡迎。對于相位響應指標形式，通常希望系統(tǒng)在通頻帶中人有線性相位。運用線性相位響應指標進行濾波器設計具有如下優(yōu)點：只包含實數(shù)算法，不涉及復數(shù)運算；不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲；長度為N的濾波器（階數(shù)為N-1），計算量為N/2數(shù)量級。下面給出了有關濾波器的性能指標 1、 低通濾波器的性能指標：Fp=1000Hz，F(xiàn)s=1200Hz，As=50dB，Ap=1dB； 2、 高通濾波器的性能指標：Fp=4000Hz，F(xiàn)s=3500Hz，As=50dB，Ap=1dB； 3、 帶通濾波器的性能指標：Fp1=1200Hz，F(xiàn)p2=3000HZ，F(xiàn)s1=1000Hz， Fs2=3200Hz，As=50dB，Ap=1dB1)直接設計數(shù)字濾波器；數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的一個重要組成部分。數(shù)字濾波實際上是一種運算過程，其功能是將一組輸入的數(shù)字序列通過一定的運算后轉變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種是根據(jù)描述數(shù)字濾波器的數(shù)學模型或信號流圖，用數(shù)字硬件裝配成一臺專門的設備，構成專用的信號處理機；另一種方法就是直接利用通用計算機，將所需要的運算編成程序讓計算機來執(zhí)行，這也是用軟件來實現(xiàn)數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器是離散時間系統(tǒng)，所處理的信號是離散時間信號。一般時域離散系統(tǒng)或網絡可以用差分方程、單位脈沖響應以及系統(tǒng)函數(shù)進行描述。如果輸入、輸出服從N階差分方程則其系統(tǒng)函數(shù)，即濾波器的傳遞函數(shù)為2)脈沖響應不變法；利用模擬濾波器來設計數(shù)字濾波器，就是從已知的模擬濾波器傳遞函數(shù)Ha(s)設計數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。因此，它歸根結底是一個由S平面映射到Z平面的變換，這個變換通常是復變函數(shù)的映射變換，為了保證轉換后的H(z)穩(wěn)定且滿足技術要求，這個映射變換必須滿足以下兩條基本要求：(1)因果穩(wěn)定的模擬濾波器轉換成數(shù)字濾波器，仍是因果穩(wěn)定的。即 S平面的左半平面必須映射到Z平面單位圓的內部。(2)數(shù)字濾波器的頻率響應模仿模擬濾波器的頻 響，s平面的虛軸映射為z平面的單位圓，相應的頻率之間成線性關系。核心原理：通過對連續(xù)函數(shù)ha(t)等間隔采樣得到離散序列ha(nT)。令h(n)= ha(nT) ，T為采樣間隔。它是一種時域上的轉換方法。轉換步驟：3)雙線性變換；脈沖響應不變法的主要缺點是頻譜交疊產生的混淆，這是從S平面到Z平面的標準變換的多值對應關系導致的,為了克服這一缺點，設想變換分為兩步：第一步：將整個S平面壓縮到S1平面的一條橫帶里；第二步：通過標準變換關系將此橫帶變換到整個Z平面上去。由此建立S平面與Z平面一一對應的單值關系，消除多值性，也就消除了混淆現(xiàn)象。與脈沖響應不變法相比，雙線性變換的主要優(yōu)點：靠頻率的嚴重非線性關系得到S平面與Z平面的單值一一對應關系，整個j軸單值對應于單位圓一周。在零頻率附近，接近于線性關系，進一步增加時，增長變得緩慢， (終止于折疊頻率處)，所以雙線性變換不會出現(xiàn)由于高頻部分超過折疊頻率而混淆到低頻部分去的現(xiàn)象。雙線性變換法的缺點：與的非線性關系，導致數(shù)字濾波器的幅頻響應相對于模擬濾波器的幅頻響應有畸變，(使數(shù)字濾波器與模擬濾波器在響應與頻率的對應關系上發(fā)生畸變)。雙線性變換比脈沖響應法的設計計算更直接和簡單。由于s與z之間的簡單代數(shù)關系，所以從模擬傳遞函數(shù)可直接通過代數(shù)置換得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)。4）.設計思路：首先將數(shù)字高通濾波器的技術指標轉化為模擬濾波器的技術指標，再采用Buttetworth逼近的方法求得其系統(tǒng)函數(shù)H(S)，再利用沖激響應不變法將模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(s)變?yōu)橄鄳臄?shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(Z)，然后用MATALB進行仿真，然后確定數(shù)字濾波器的結構。4.具體步驟與要求：（1）語音信號的采集采集一小段語音信號保存為wav音頻文件格式，放到c目錄下待用。并且在Matlab軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù)。開始設置采樣參數(shù) 獲得語音信號結束顯示圖形 傅里葉變換圖1 語音采集流程圖程序為：y,fs,bite=wavread(7.wav);sound(y);wavrecord(2*fs,fs);fft(y);Y=fft(y);fp=1000;fr=1200;as=40;ap=1;N, Wn = BUTTORD(2*fp/fs, 2*fr/fs, ap, as);B,A = BUTTER(N,Wn);（2）語音信號的頻譜分析 要求畫出語音信號的時域波形;然后對語音號進行快速傅里葉變換,得到信號 的頻譜特性。 程序為：y,fs,bite=wavread(7.wav);sound(y);Y=fft(y);mag=abs(Y);phase=angle(Y);phase=phase*180/pi;dB=20*log10(abs(Y)+eps);t=(0:length(y)-1)/fs;figure(1)subplot(221);plot(t,y);title(波形圖);xlabel(時間(s);ylabel(幅度);f=(1:length(Y)*fs/length(Y);subplot(222);plot(f,mag);title(幅度譜);xlabel(頻率(Hz);ylabel(頻譜幅度);subplot(223);plot(f,phase);title(相位譜);xlabel(頻率(Hz);ylabel(頻譜相位);subplot(224);plot(f,dB);title(對數(shù)幅度譜);xlabel(頻率(Hz);ylabel(頻譜幅度(dB);顯示為：（3）設計數(shù)字濾波器，畫出其頻率響應曲線各濾波器的性能指標：1).低通濾波器性能指標 fp1000Hz, fs1200Hz, As40dB, Ap1dB2).高通濾波器性能指標fs4000Hz, fp4300Hz, As40dB, Ap1dB3).帶通濾波器性能指標fp11200 Hz, fp23 000 Hz, fs11000 Hz, fs23200Hz, As40dB, Ap1dB。（頻率變換法設計IIR濾波器）低通濾波器程序為：clcI,Fs,bits=wavread(7.wav);%讀取語音信號7.wavfp=1000; %通帶截止頻率fr=1200; %阻帶角頻率ap=1; %通帶紋波as=40; %阻帶衰減n,fn= buttord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z); %巴特沃斯濾波器 b,a=butter(n,fn); %巴特沃斯IIR濾波器 h,w=freqz(b,a); %濾波器的頻率響應I1=filter(b,a,I); %1維數(shù)字濾波器I2=fftfilt(b,I); %FFT的FIR濾波subplot(321),plot(I);title(原始語音信號);subplot(322);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h);title(巴特沃斯低通濾波);subplot(323);plot(I1);title(巴特沃斯IIR濾波后語音信號);subplot(324);plot(I2);title(巴特沃斯FIR濾波后語音信號);subplot(325);plot(h,w);title(濾波器頻率響應);sound(I1,Fs,bits); %重放語音顯示為：高通濾波器 程序為：clc;I,Fs,bits=wavread(7.wav); %讀取語音信號7.wavfp=4300; %通帶截止頻率fr=4000; %阻帶角頻率ap=1; %通帶紋波as=40; %阻帶衰減n,fn=cheb1ord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z);%切比雪夫I型濾波器b,a=cheby1(n,ap,fn,high); %I型切比雪夫IIR濾波器h,w=freqz(b,a); %濾波器的頻率響應I1=filter(b,a,I); %1維數(shù)字濾波器I2=fftfilt(b,I); %FFT的FIR濾波subplot(321),plot(I);title(原始語音信號);subplot(322);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h);title(切比雪夫1高通濾波);subplot(323);plot(I1);title(切比雪夫1IIR濾波后語音信號);subplot(324);plot(I2);title(切比雪夫1FIR濾波后語音信號);subplot(325);plot(h,w);title(濾波器的頻率響應);sound(I1,Fs,bits); %重放語音顯示為：帶通濾波器程序為：I,Fs,bits=wavread(7.wav);%讀取語音信號7.wavfp1=1200; %通帶截止頻率fp2=3000; %通帶截止頻率fp=fp1,fp2; %通帶截止頻率fr1=1000; %阻帶角頻率fr2=3200; %阻帶角頻率fr=fr1,fr2; %阻帶角頻率ap=1; %通帶紋波as=40; %阻帶衰減 n,fn=ellipord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,z);%最小橢圓濾波器 b,a=ellip(n,ap,as,fn); %橢圓濾波器 h,w=freqz(b,a); %波器的頻率響應I1=filter(b,a,I); %1維數(shù)字濾波器I2=fftfilt(b,I); %FFT的FIR濾波subplot(321),plot(I);title(原始語音信號);subplot(322);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h);title(橢圓帶通濾波);subplot(323);plot(I1);title(橢圓IIR濾波后語音信號);subplot(324);plot(I2);title(橢圓FIR濾波后語音信號);subplot(325);plot(h,w);title(濾波器的頻率響應);sound(I1,Fs,bits); %重放語音顯示為：五、心得體會這次課程設計，給我留下了很深的印象。雖然只是短暫的一周，但在這期間卻讓我受益匪淺。 通過這次課程設計，使我對語音信號有了全面的認識，對數(shù)字信號處理的知識又有了深刻的理解，在之前數(shù)字信號與處理的學習以及完成課后的作業(yè)的過程中，已經使用過MATLAB，對其有了一些基礎的了解和認識。通過這次練習是我進一步了解了信號的產生、采樣及頻譜分析的方法。 以及其中產生信號和繪制信號的基本命令和一些基礎編程語言。讓我感受到只有在了解課本知識的前提下，才能更好的應用這個工具，并且熟練的應用MATLAB也可以很好的加深我對課程的理解方便我的思維。這次設計使我了解了MATLAB的使用方法，學會分析濾波器的優(yōu)劣和性能，提高了分析和動手實踐能力。同時我相信，進一步加強對MATLAB的學習與研究對我今后的學習將會起到很大的幫助六、參考文獻 1. 陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應用.北