數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)-語音信號(hào)的數(shù)字濾波--iir數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì).

1、課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書專 業(yè)通信工程班 級(jí)1班姓 名傅辰星設(shè) 計(jì) 起 止 日 期2010-6-272010-7-1設(shè)計(jì)題目：語音信號(hào)的數(shù)字濾波IIR數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)不變 法設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)（主要技術(shù)參數(shù)）：1. 語音信號(hào)的采樣錄音（、N）；2. 語音信號(hào)的頻譜分析（）；3. 語音信號(hào)的加噪（）；4. 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)（，濾波器的階數(shù)）；5. 濾波結(jié)果輸出及效果分析（）；指導(dǎo)教師評(píng)語：成績： 簽字：年 月 日 語音信號(hào)的數(shù)字濾波IIR數(shù)字濾波器的雙線性變換法設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)的目的通過對(duì)常用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，掌握數(shù)字信號(hào)處理的工作原理及設(shè)計(jì)方法；掌握利用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法。

2、并能夠?qū)υO(shè)計(jì)結(jié)果加以分析。二、設(shè)計(jì)步驟 1.語音信號(hào)的采集 利用Windows系統(tǒng)采集 （1）按“開始程序附件娛樂錄音機(jī)”的順序操作打開Windows系統(tǒng)中的錄音機(jī)軟件（2）用麥克風(fēng)錄入自己的聲音信號(hào)并保存成文件文件名為f0858109.wav采樣速率Fs=22.05kHz時(shí)間長度t=3.90s 2.語音信號(hào)的頻譜分析 (1)將上一步驟中保存下來的語音信號(hào)文件“f0858109.wav”復(fù)制到計(jì)算機(jī)裝有Matlab軟件的磁盤中相應(yīng)Matlab目錄中的“work”文件夾中 (2)雙擊桌面上Matlab軟件的快捷圖標(biāo)，打開Matlab軟件 (3)在菜單欄中選擇“FilenewM-File”或是點(diǎn)擊

3、快捷按鈕，打開m文件編輯器 (4)在m文件編輯器中輸入相應(yīng)的指令將自己的語音信號(hào)導(dǎo)入Matlab工作臺(tái)圖像輸出如圖1： 圖1 原始語音信號(hào) (5)使用MATLAB編輯m文件實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的截短編寫MATLAB編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)shaoyan.wav語音的截取處理，截取范圍為5000到23000。代碼如下：close allclear allclcs, fs,nbaits=wavread(f0858109.wav); L=18000;s1=s(5000:22049);%sound(s1,fs,nbaits);S1=fft(s1); %對(duì)s1 傅里葉變換figure(1) %彈出第一個(gè)框，顯示處理信號(hào)和頻譜

4、subplot(311)plot(s1)title(截短語音信號(hào));wavwrite(s1,fs,s1.wav); %把截短信號(hào)讀錯(cuò)為s1.wavsubplot(312)plot(abs(S1) %對(duì)s1截短信號(hào)做頻譜，并輸出圖像title(截短語音信號(hào)頻譜);subplot(313);k=0:22049;detf=fs/22050; %計(jì)算頻率分辨率，并賦值給變量detfplot(k(1:11025)*detf,abs(S1(1:11025) %繪制信號(hào)s1的實(shí)際幅頻特性（正頻率段）title(單邊帶信號(hào)頻譜); 頻譜分析在上圖中，第一個(gè)圖為對(duì)語音信號(hào)的截取處理；第二個(gè)圖是信號(hào)的FFT結(jié)果，

5、其橫坐標(biāo)的具體值是X(k)中的序號(hào)k；第三個(gè)圖是確定濾波頻率范圍的參考圖，其橫坐標(biāo)的具體值應(yīng)當(dāng)是遵循DFT定義式和頻率分辨率求得的： 當(dāng)k等于0時(shí)， ，從數(shù)字角頻率上看，對(duì)應(yīng)的正好是即直流的位置，也就是說，在取濾波頻段時(shí)，當(dāng)將主要能量保留，其余頻段部分的信號(hào)濾除。相當(dāng)于是信號(hào)的實(shí)際頻譜采樣，而又是連續(xù)時(shí)間語音信號(hào)的采樣。的每兩個(gè)相鄰取值之間的頻率間隔大小對(duì)應(yīng)到語音信號(hào)的頻譜中去，其頻率間隔大小正好是稱頻率分辨率，其中fs=22050kHz，L=18000 由于是遵循DFT定義式和頻率分辨率求得，表示的是濾波頻率的范圍，下圖是單邊帶頻譜，目的是來確定聲音主要能量帶以及通帶頻率 fp和阻帶頻率fs

6、t。 其中 kl=4200，kh=7000 3.濾波器的設(shè)計(jì)：根據(jù)以上IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法及要求，下面運(yùn)用雙線性變換法基于MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)IIR帶通濾波器，通帶截止頻率fp=4200*1.225=5145Hz ,阻帶截止頻率fst=7000*1.225=8575;通帶最大衰減p=2dB;阻帶最小衰減s=20dB。 雙線性變換法的基本原理：雙線性變換法實(shí)際上是將整個(gè)頻率軸上的頻率范圍壓縮到-/T/T之間，再用轉(zhuǎn)換到Z平面上。也就是說，第一步先將整個(gè)S平面壓縮映射到S1平面的-/T/T一條橫帶里；第二步再通過標(biāo)準(zhǔn)變換關(guān)系z=將此橫帶變換到整個(gè)Z平面上去。這樣就使S平面與Z平面建立了一一對(duì)應(yīng)

7、的單值關(guān)系，消除了多值變換性，也就消除了頻譜混疊現(xiàn)象。模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)一般具有無限帶寬，為使映射后不發(fā)生頻譜混疊，就必須將的頻譜從無限頻率范圍分布?jí)嚎s至有限范圍。若設(shè)新的頻率變量為，根據(jù)頻譜不混疊的條件，以為變量的頻譜必須分布在的頻率范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)頻譜壓縮的數(shù)學(xué)關(guān)系式為 （1）式中C為一正常數(shù)。當(dāng)從經(jīng)0至變化時(shí)，則從經(jīng)0至變化，式（1）為非線性單值映射，其逆關(guān)系則為 （2）為了求出滿足上式的復(fù)頻域映射關(guān)系，設(shè)與和對(duì)應(yīng)的復(fù)頻率變量分別為s和，給式（2）兩邊同乘以j，用s置換，用置換，有或 （3）式（3）顯示，映射至平面后，以為變量的系統(tǒng)函數(shù)是的有理函數(shù)，因而正好能使用標(biāo)準(zhǔn)映射關(guān)系映射到z平面，

8、從而有 上式稱之為雙線性變換公式，它建立了s平面與z平面之間的變換關(guān)系，且能夠?qū)⒂须p線性變換的復(fù)頻率平面映射若用表示數(shù)字角頻率，與式（7.6-4）對(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系式為（5）式（5）對(duì)每一有惟一的與之對(duì)應(yīng)，因而數(shù)字濾波器的響應(yīng)在形狀上與模擬濾波器的一致，二者極值點(diǎn)的數(shù)目一定相同。理轉(zhuǎn)換為有理。 設(shè)計(jì)巴特沃斯模擬濾波器即濾波器的階數(shù)為63dB截止頻率為12個(gè)極點(diǎn)均勻分布在以零為圓心，以為半徑的圓上。為保證濾波器穩(wěn)定，只取左半平面的十個(gè)極點(diǎn)。即為：，。 模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為用雙線性變換法將模擬濾波器數(shù)字化為數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為： 4.疊加噪聲 （1）在Matlab 中添加如下代碼：實(shí)現(xiàn)

9、信號(hào)的加噪以及加噪后的頻譜圖s2=awgn(s1,20);wavwrite(s2,fs,s2.wav);figure(3)subplot(311);plot(s1);title(截短語音信號(hào));subplot(312);plot(s2);title(加噪后語音信號(hào));subplot(313);S2=fft(s2);plot(abs(S2);title(加噪后信號(hào)頻譜); 計(jì)算機(jī)隨即產(chǎn)生的噪聲指令為：awgn()所加的噪聲為10。圖7是加噪聲音和截?cái)嘈盘?hào)的對(duì)比，和加噪的聲音頻譜。 （2）對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波 IIR數(shù)字濾波器的主要程序:y, fs,nbits=wavread(s1.wav ); w

10、p=0.47* pi;ws=0.78 *pi; fp=5145;fs=22050;n11,wn11=buttord(wp,ws,2,30,s); b11,a11=butter(n11,wn11,s); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù) num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5); %雙線性變換實(shí)現(xiàn)S域到Z域的變換 h,w=freqz(num11,den11); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)figure(3)plot(w*22050*2/pi,abs(h);legend(用butter設(shè)計(jì));n = length (y) ; %求出語音信號(hào)的長度noise=awgn(s1,10); %

11、隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲 S=fft(s1); %傅里葉變換 （3）對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波IIR數(shù)字濾波器的主要程序: z11=filter(num11,den11,s1);sound(z11);m11=fft(z11); %求濾波后的信號(hào)figure(5) subplot(411);plot(abs(S2),g);title(濾波前信號(hào)的頻譜);grid;subplot(412);plot(abs(m11),r);title(濾波后信號(hào)的頻譜); grid;subplot(413);plot(s2);title(濾波前信號(hào)的波形); grid;subplot(414);plot(z11);title(濾

12、波后的信號(hào)波形);wavwrite(z11,fs,z11.wav);soundview(z11.wav) 3、 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析 1.比較濾波前（含噪聲信號(hào)的文件）和濾波后的語音信號(hào)效果 figure(7) subplot(311) plot(s1); title(加噪之前信號(hào)圖); subplot(312) plot(s2); title(加噪后語音信號(hào)); subplot(313); plot(z11);title(濾波器處理之后信號(hào)圖); 2.計(jì)算濾波前后的信噪比（可以用能量比來進(jìn)行計(jì)算）信噪比,即SNR（Signal to Noise Ratio）又稱為訊噪比，狹義來講是指放大器的輸出信

13、號(hào)的電壓與同時(shí)輸出的噪聲電壓的比，常常用分貝數(shù)表示。設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。一般來說，信噪比越大，說明混在信號(hào)里的噪聲越小，聲音回放的音質(zhì)量越高，否則相反。廣義講信噪比即音源產(chǎn)生最大不失真聲音信號(hào)強(qiáng)度與同時(shí)發(fā)出的噪音強(qiáng)度之間的比率，是衡量音箱、耳機(jī)等發(fā)音設(shè)備的一個(gè)重要參數(shù)。“信噪比”一般用分貝(dB)為單位，信噪比越高表示濾波器的濾波的效果越好。計(jì)算公式SNR=s/n=s2=wavread(s2.wav);S2=fft(s2);detf=fs/length(s1);omp=2*pi*2100;omst=2*pi*3400;N,omc=buttord(omp,omst,2,20,s

14、);b,a=butter(N,omc,s)bz,az=bilinear(b,a,fs)k=0:length(s2)-1;z=exp(-j*2.*k*pi/length(s2);m=(N:-1:0)-N-1;z1=zeros(length(z),N);for i=1:N+1 z1(:,i)=z.m(i);endnum=z1*bz;dem=z1*az;Hk=num./dem;Y=S2.*Hk;y=real(ifft(Y);wavwrite(y,fs,y.wav)Y0=S1.*Hk;y0=real(ifft(Y0);plot(y);En1=sum(s2-s1).2);%加噪后的噪聲功率Es=sum(

15、s1.2);%信號(hào)的功率SNR1=10*log10(Es/En1); %加噪后信噪比Es1=sum(y0.2);%濾波后的信號(hào)功率En2=sum(y-y0).2);%濾波后的噪聲功率SNR2=10*log10(Es1/En2); %濾波后的信噪計(jì)算可得信噪比：SNR1=6.1729SNR2=12.716 3. 濾波效果分析 （1）主觀評(píng)價(jià) 通過在Matlab中運(yùn)行soundview(s2.wav);和soundview(z11.wav);聽取加噪后的語音信號(hào)和濾噪后的語音信號(hào)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)噪聲被濾除大部分，但仍有部分，有些不足。（2）客觀評(píng)價(jià) 通過計(jì)算SNR1=6.1729dB，SNR2=12

16、.716dBSNR1SNR2由此本次課程設(shè)計(jì)的濾波后的語音信號(hào)的信噪比為6.3437dB，說明此課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的語音信號(hào)的數(shù)字濾波IIR數(shù)字濾波器的雙線性法設(shè)計(jì)的巴特沃思濾波器成功的將20dB的加噪聲的濾音頻掉。四、設(shè)計(jì)體會(huì)通過數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)，熟悉了MATLAB的運(yùn)行環(huán)境，掌握了很多MATLAB語言在數(shù)字信號(hào)處理中一些基本庫函數(shù)的調(diào)用和編寫基本程序等應(yīng)用；熟悉了濾波器設(shè)計(jì)的一般原理，對(duì)濾波器有了更深層次的認(rèn)識(shí)；學(xué)會(huì)了數(shù)字高通濾波器設(shè)計(jì)的一般步驟；加深了對(duì)濾波器設(shè)計(jì)中產(chǎn)生誤差的原因以及雙線性變換法優(yōu)缺點(diǎn)的理解。 實(shí)驗(yàn)使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所