基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理——數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)2

1、 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)題目：題目： 基于 matlab 的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理學(xué)院：學(xué)院： 專業(yè)：專業(yè)： 班級(jí)：班級(jí)： 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： 姓名：姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 摘要本課程設(shè)計(jì)旨在熟悉在Windows環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法，掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法，掌握MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法并且學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。課題的制作過(guò)程中，首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集和頻譜分析，然后再分別用低通、高通和帶通三種濾波器進(jìn)行濾波處理，最后回放語(yǔ)音信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾波處理后，雜音有所減少，效果變的更好。目錄實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：.4

2、一、語(yǔ)音信號(hào)的采集.4二、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析.4三、用濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波.4四、回放語(yǔ)音信號(hào).4實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理：.4一、數(shù)字濾波器.4二、MATLAB.5實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟：.61、語(yǔ)音信號(hào)的采集.6二、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析.6三、信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波.8四、信號(hào)經(jīng)高通濾波器濾波.9五、信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾波.12六、回放語(yǔ)音信號(hào).14結(jié)論：結(jié)論：.14參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：.14實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 1、語(yǔ)音信號(hào)的采集、語(yǔ)音信號(hào)的采集 利用 Windows 下的錄音機(jī), 錄制一段自己的話音, 時(shí)間在幾秒內(nèi)。然后在 Matlab 軟件平臺(tái)下, 利用函數(shù) wavread 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣,

3、 記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。y,fs,bits=wavread();2 2、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析 首先畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形， 然后對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。 在 Matlab 中, 可以利用函數(shù) fft 對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換, 得到信號(hào)的頻譜特性。3 3、用濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波、用濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波 設(shè)計(jì)濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波, 比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。要求自己確定濾波器的性能指標(biāo)，用沖激響應(yīng)不變法、雙線性變換法或窗函數(shù)法設(shè)計(jì) 3 種濾波器：低通、高通和帶通濾波器。4 4、回放語(yǔ)音信號(hào)、回放語(yǔ)音信號(hào) 在 Matlab 中, 函數(shù) sound 可以對(duì)聲

4、音進(jìn)行回放，其調(diào)用格式: sound (x, fs, bits)；實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理：1 1數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)和參數(shù)的估計(jì)等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。因此，數(shù)字濾波器本身既可以是用數(shù)字硬件裝配成的一臺(tái)完成給定運(yùn)算的專用的數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可以將所需要的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)

5、來(lái)執(zhí)行。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來(lái)看，可以分為兩大類:有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器和無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器。濾波器按功能上分可以分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)、帶阻濾波器(BSF)。在很多實(shí)際應(yīng)用中如語(yǔ)音和音頻信號(hào)處理中，數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻功能。因此，指標(biāo)的形式應(yīng)為頻域中的幅度和相位響應(yīng)。在通帶中，通常希望具有線性相位響應(yīng)。在 FIR濾波器中可以得到精確的線性相位。FIR 濾波器傳遞函數(shù)的極點(diǎn)是固定在原點(diǎn)，是不能動(dòng)的，它只能靠改變零點(diǎn)位置來(lái)改變它的性能，所以要達(dá)到高的選擇性，必須用高的階數(shù)，對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR 濾波器所要求的

6、階數(shù)可能比 IIR 濾波器高 5-10 倍，結(jié)果成本高信號(hào)延時(shí)也較大，如果按線性相位要求來(lái)說(shuō)，則 IIR 濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣大大增加了濾波器的階數(shù)和復(fù)雜性。而 FIR 濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位。不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個(gè)步驟：(1) 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。(2) 用一個(gè)因果、穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求 可以用 IIR 系統(tǒng)函數(shù)，也可以用 FIR 系統(tǒng)函數(shù)去逼近。(3) 利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長(zhǎng)選擇等。2MATLABMATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matr

7、ix Laboratory)之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C,FORTRAN 等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來(lái)擴(kuò)充 MATLAB 的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類。MATLAB 具有許多的優(yōu)點(diǎn)比如：語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富；M

8、ATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句(如 for 循環(huán)，while 循環(huán)，break 語(yǔ)句和 if 語(yǔ)句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，等等優(yōu)點(diǎn)。MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問(wèn)題。 實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： 一、語(yǔ)音信號(hào)的采集一、語(yǔ)音信號(hào)的采集y,fs,bits=wavread();fs = 22050bits = 16二、

9、二、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析實(shí)驗(yàn)程序：x1,Fs,bits=wavread(C:WINNTMediading.wav);%sound(y,Fs,bits);figure(1);plot(x1); %做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形title(原始語(yǔ)音信號(hào));xlabel(時(shí)間 n);ylabel(音量 n);figure(2);y1=fft(x1); %做 length(x1)點(diǎn)的 FFTy1=fftshift(y1);%平移，是頻率中心為 0derta_Fs = Fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔，分辨率plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,ab

10、s(y1);%畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖title(原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜);grid on;三、信號(hào)經(jīng)三、信號(hào)經(jīng)低通濾波器低通濾波器濾波濾波：fs=22050;fc1=1100;wc1=2*pi*fc1/fs;wp1=2*pi*1000/fs;ws1=2*pi*1200/fs;N1=ceil(200*2*pi/ws1-wp1);Window=boxcar(N1+1); %長(zhǎng)度為 N1 的矩形窗 Windowb1=fir1(N1,wc1/pi,Window);figure(3);freqz(b1,1,512);title(低通濾波器的頻率響應(yīng));x1_low = filter(b1,1, x1);%

11、對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波figure(4);plot(x1_low);title(信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器(時(shí)域);figure(5);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(fftshift(fft(x1_low);title(信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器（頻域）);四、信號(hào)經(jīng)高四、信號(hào)經(jīng)高通濾波器通濾波器濾波濾波：fc2=4900;wc2=2*pi*fc2/fs;wp2=2*pi*4800/fs;ws2=2*pi*5000/fs;N2=ceil(4*pi/(ws2-wp2);Window=boxcar(N2+1);b2=fir1(N2,wc2/pi,Window);figu

12、re(6);freqz(b2,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)title(高通濾波器的頻率響應(yīng));x1_high = filter(b2,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波figure(7);plot(x1_high);title(信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器(時(shí)域);figure(8);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(fftshift(fft(x1_high);title(信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器（頻域）);五、信號(hào)經(jīng)帶五、信號(hào)經(jīng)帶通濾波器通濾波器濾波濾波：f1=1100;f2=3100; %帶通濾波器的通帶范圍w1=2*pi*f1/fs; %0.1567=0.

13、0499piw2=2*pi*f2/fs; %0.4417=0.1407piw=w1,w2;N3=ceil(4*pi/(2*pi*200/fs);b3=fir1(N3,w/pi,high);%帶通濾波器figure(9);freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)title(高通濾波器的頻率響應(yīng));x1_daitong = filter(b3,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波figure(10);plot(x1_daitong);title(信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器(時(shí)域);figure(11);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(fftshift(fft(x1_daitong);title(信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器（頻域）);六、回放語(yǔ)音信號(hào)：六、回放語(yǔ)音信號(hào)：在Matlab中, 函數(shù)sound 可以對(duì)聲音進(jìn)行回放，其調(diào)用格式: sound (x, fs, bits)；sound(x1_low,Fs); sound(x1_high,Fs); sound(x1_daitong,Fs);可以感覺(jué)濾波前后的聲音變化。結(jié)論：結(jié)論：通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我了解到數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。還了解到MATLAB具有許多