語音數(shù)字濾波系統(tǒng)

1、光電工程學院 數(shù)字信號處理實驗 語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設計數(shù)字信號處理實驗課程設計學 號： 2011289教師姓名： 李 敏學 院： 光電工程學院 時 間： 2013年12月15日中國重慶 重慶大學 光電工程學院二一三年十二月 目錄1. 實驗目的32. 實驗器材33. 實驗原理43.1 濾波器頻譜范圍43.2 設計IIR數(shù)字濾波器的基本思想43.3 巴特沃思低通數(shù)字濾波器43.4 巴特沃思高通數(shù)字濾波器43.5 巴特沃思帶通數(shù)字濾波器54. 實驗步驟65. 實驗程序設計及測試75.1 語音信號的采集與頻譜分析75.2 巴特沃斯低通濾波器的設計與仿真85.3 巴特沃斯高通濾波器的設計與仿真115.4

2、巴特沃斯帶通濾波器的設計與仿真156.實驗結果分析207.附錄211. 實驗目的1. 掌握數(shù)字信號處理的基本概念，基本理論和基本方法。1. 熟悉離散信號和系統(tǒng)的時域特性。2. 掌握序列快速傅里葉變換方法。3. 學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設計方法。4. 掌握利用MATLAB對語音信號進行頻譜分析。5. 掌握濾波器的網(wǎng)絡結構。6. 掌握MATLAB設計數(shù)字濾波器的方法和對信號進行濾波的方法。2. 實驗器材1. Windows下的錄音機2. Matlab軟件3. 實驗原理3.1 濾波器頻譜范圍語音信號的頻譜范圍主要為800HZ左右，并且在5000HZ左右有一個小信號，因此，在設計

3、低通濾波器時，應把噪聲頻譜設定在5000HZ以上，這樣，通過低通濾波器，即可濾除噪聲信號從而還原語音信號；在設計高通濾波器時，應把噪聲設定在800HZ以內(nèi)，以通過高通濾波器濾除低頻的噪聲信號，從而還原相對頻率較高的語音信號；在設計帶通濾波器時，可把噪聲設計在低于800HZ或高于5000HZ頻譜上，已通過帶通濾波器還原帶通范圍內(nèi)的語音信號。3.2 設計IIR數(shù)字濾波器的基本思想設計IIR數(shù)字濾波器的方法主要有基于沖激響應不變法的IIR數(shù)字濾波器設計，基于雙線性Z變換法的IIR數(shù)字濾波器設計，數(shù)字高通、帶通及帶阻IIR濾波器設計，基于MATLAB函數(shù)直接設計IIR數(shù)字濾波器。本實驗中采用雙線性變換

4、法變換的巴特沃思數(shù)字濾波器。3.3 巴特沃思低通數(shù)字濾波器(1)選擇來自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語音信號(2)給信號加一個大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠大于語音信號的最大頻率），產(chǎn)生污染信號。(3)設計一個巴特沃思低通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設定為小于噪聲信號頻率。(4)將設計好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。還原語音信號。3.4 巴特沃思高通數(shù)字濾波器 (1) 選擇來自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語音信號(2)給信號加一個小頻率的噪聲（取噪聲頻率遠小于語音信號的最小頻率），產(chǎn)生污染信號。(3)設計一個巴特沃思高

5、通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設定為大于噪聲信號頻率。(4)將設計好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。還原語音信號。3.5 巴特沃思帶通數(shù)字濾波器 (1) 選擇來自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語音信號(2)給信號加一個小頻率或大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠小于語音信號的最小頻率或大于語音信號的最大頻率），產(chǎn)生污染信號。本實驗取小頻率的噪聲信號。(3)設計一個巴特沃思帶通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設定為不包括噪聲信號頻率。(4)將設計好的巴特沃思帶通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。還原語音信號。4. 實驗步驟(1)利用Windows下的

6、錄音機或其他軟件錄一段聲音信號，或者選擇Windows系統(tǒng)的“?！保―ing.wav），并對該信號進行采樣；(2)語音信號的頻譜分析，畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；(3)產(chǎn)生噪聲信號加到語音信號中，得到被污染的語音信號，并回放語音信號；(4)污染信號的頻譜分析，畫出被污染的語音信號時域波形和頻譜； (5) 根據(jù)有關的頻譜特性，采用間接法設計IIR數(shù)字濾波器，并畫出相應濾波器的幅頻圖（設計3個IIR濾波器，本實驗中設計的模擬濾波器類型：巴特沃思低通濾波器，巴特沃思高通濾波器，巴特沃思帶通濾波器）；(6)用設計出的濾波器對被噪聲污染的信號進行濾波；(7)分析得到信號的頻譜，畫出濾波后信號的

7、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；(8)回放語音信號。5. 實驗程序設計及測試5.1 語音信號的采集與頻譜分析將windows系統(tǒng)自帶的聲音文件Ding.wav復制到E盤，并利用wavread函數(shù)將該聲音文件導入matlab中，可以利用函數(shù)fft對信號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性；繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。程序如下：%導入語音信號Fs=22050;x,FS,bits=wavread('E:signal20113289Ding.wav');x=x(:,1);figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);%在命令

8、窗口輸入 sound(x,FS,bits) 回放語音title('語音信號時域波形圖')y=fft(x,3260);f=(FS/1630)*1:1630; subplot(2,1,2);plot(f(1:1630),abs(y(1:1630);title('語音信號頻譜圖');運行程序得到語音時域和頻譜圖形如下5.2 巴特沃斯低通濾波器的設計與仿真（1）產(chǎn)生高頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050)，MATLAB程序如下：%產(chǎn)生高頻噪聲信號t=0:length(x)-1;zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/2205

9、0);zs0=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050000);figure(2);subplot(2,1,1)plot(zs0)title('高頻噪聲信號波形');zs1=fft(zs,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪聲 subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title('高頻噪聲信號頻譜');程序運行得高頻噪聲的時域波形和頻譜如下：（2）將高頻信號添加到原聲音信號，得到污染的聲音信號，并利用fft對污染后的信號進行快速傅里葉變換，得到頻譜特性。matlab程序如下：%將

10、噪聲添加到聲音信號x1=x+zs'%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪聲后的語音y1=fft(x1,1200);figure(3);subplot(2,1,1);plot(x1);title('加入高頻噪聲后的信號波形');subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title('加入高頻噪聲后的信號頻譜');程序運行結果得加入噪聲信號后的聲音信號時域波形和頻譜：（3）巴特沃斯低通濾波器的設計根據(jù)語音信號的特點給出有關濾波器的性能指標，設計低通濾波器性能指標如下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=300

11、0Hz，fs=3500 Hz， rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設計程序如下：%設計巴特沃斯低通濾波fp=3000;fs=3500;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'s');Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(4);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,

12、abs(h);title('巴特沃斯低通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('損耗（dB）');grid on;程序運行結果如下：（4）巴特沃斯低通濾波器的仿真利用巴特沃斯濾波器對含有噪聲的聲音進行低通濾波，程序如下%對信號進行低通濾波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(5);subplot(2,1,1);plot(yd); title('低通濾波后信號波形');ydd=fft(yd,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);tit

13、le('低通濾波后信號頻譜');sound(yd,FS,bits)運行結果如下：5.3 巴特沃斯高通濾波器的設計與仿真（1）產(chǎn)生低頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，MATLAB程序如下：%產(chǎn)生低頻噪聲信號t=0:length(x)-1;zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);figure(6);subplot(2,1,1)plot(zs0);axis(0 2000 -0.05 0.05)title('低頻噪聲信號波形');zs1=fft(zs0,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放

14、噪聲 subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title('低頻噪聲信號頻譜');程序運行得低頻噪聲的時域波形和頻譜如下：（2）將低頻信號添加到原聲音信號，得到污染的聲音信號，并利用fft對污染后的信號進行快速傅里葉變換，得到頻譜特性。程序如下：%低頻信號加載到聲音信號x1=x+zs0'%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪聲后的語音y1=fft(x1,1200);figure(7);subplot(2,1,1);plot(x1);title('加入低頻噪聲后的信號波形');subplot(2,

15、1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title('加入低頻噪聲后的信號頻譜');程序運行結果得加入噪聲信號后的聲音信號時域波形和頻譜：（3）巴特沃斯高通濾波器的設計根據(jù)語音信號的特點給出有關濾波器的性能指標，設計高通濾波器性能指標如下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=600Hz，fs=400 Hz， rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設計程序如下：%設計巴特沃斯高通濾波器fp=600;fs=400;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2

16、);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'high','s');Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(8);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h);title('巴特沃斯高通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('損耗（dB）');grid on;程序運行結果如下：（4）巴特沃斯高通濾波器的仿真利用巴特沃斯濾波器對

17、含有噪聲的聲音進行高通濾波，程序如下%用巴特沃斯高通濾波器進行濾波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(9);subplot(2,1,1);plot(yd); title('高通濾波后信號波形');ydd=fft(yd,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);title('高通濾波后信號頻譜');sound(yd,FS,bits)運行結果如下：5.4 巴特沃斯帶通濾波器的設計與仿真（1）產(chǎn)生低頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，MATLAB程序如下：%

18、產(chǎn)生低頻噪聲信號t=0:length(x)-1;zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);figure(6);subplot(2,1,1)plot(zs0);axis(0 2000 -0.05 0.05)title('低頻噪聲信號波形');zs1=fft(zs0,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪聲 subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title('低頻噪聲信號頻譜');程序運行得低頻噪聲的時域波形和頻譜如下：（2）將低頻信號添加到原聲音信號，得到污染的聲音信號，并利

19、用fft對污染后的信號進行快速傅里葉變換，得到頻譜特性。程序如下：%低頻信號加載到聲音信號x1=x+zs0'%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪聲后的語音y1=fft(x1,1200);figure(7);subplot(2,1,1);plot(x1);title('加入低頻噪聲后的信號波形');subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title('加入低頻噪聲后的信號頻譜');程序運行結果得加入噪聲信號后的聲音信號時域波形和頻譜：（3）巴特沃斯帶通濾波器的設計根據(jù)語音信號的特點給出有關濾波器

20、的性能指標，設計高通濾波器性能指標如下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=600,6000Hz，fs=400,7000 Hz， rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設計程序如下：%設計巴特沃斯帶通濾波器fp=600,6000;fs=400,7000;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'s');Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(12);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h);title('巴特沃斯帶通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('損耗（dB)');grid on;程序運行結果如下：（4）巴特沃斯帶通濾波器的仿真利用巴特沃斯濾波器對含有噪聲的聲音進行帶通濾波，程序如下%用巴特沃斯帶通濾波器進行濾波¨yd=filter(Bz,Az,x1);figure(13);subplot(2,1,1);plot(yd);t