數(shù)字濾波器及在語(yǔ)音信號(hào)分析中的作用數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)

1、.課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱(chēng) 數(shù)字信號(hào)處理 課題名稱(chēng) 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及在語(yǔ)音信號(hào)分析中的應(yīng)用 專(zhuān) 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 通信工程1101 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一 、設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念。二、設(shè)計(jì)要求1、 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計(jì)方法。2、 Windows 環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法。3、數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法。4、TLAB 設(shè)計(jì) FIR 和 nR 數(shù)字濾波器的方法。5、用 MATLAB

2、對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理6、計(jì)報(bào)告4000以上，含程序設(shè)計(jì)說(shuō)明，用戶(hù)使用說(shuō)明，源程序清單及程序框圖。7、機(jī)演示。8、有詳細(xì)的文檔。文檔中包括設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)仿真程序、仿真結(jié)果及相應(yīng)的分析與結(jié)論。三、進(jìn)度安排第一周 星期一： 課題講解，查閱資料 星期二: 總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)星期三： 編程，上機(jī)調(diào)試、修改程序星期四： 上機(jī)調(diào)試、完善程序星期五： 答辯星期六-星期天：撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告附：課程設(shè)計(jì)報(bào)告裝訂順序：封面、任務(wù)書(shū)、目錄、正文、評(píng)分、附件（A4大小的圖紙及程序清單）。 正文的格式:一級(jí)標(biāo)題用3號(hào)黑體,二級(jí)標(biāo)題用四號(hào)宋體加粗,正文用小四號(hào)宋體;行距為22。正文的內(nèi)容:一、課題的主要功能；二、課題的功能

3、模塊的劃分；三、主要功能的實(shí)現(xiàn)；四、程序調(diào)試；五、總結(jié)；六、附件（所有程序的原代碼，要求對(duì)程序?qū)懗霰匾淖⑨專(zhuān)黄?、評(píng)分表。 目 錄1、 課題的主要功能11.1 問(wèn)題描述11.2 功能要求12、課題的功能模塊的劃分23、 濾波器實(shí)現(xiàn)的原理33.1 FIR濾波器33.2 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法34、 程序調(diào)試44.1 對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析44.2 含噪語(yǔ)音信號(hào)的合成54.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及濾波85、 總結(jié)166、 附件167、評(píng)分表21.;1、 課題的主要功能1.1 問(wèn)題描述 語(yǔ)音信號(hào)采集（每個(gè)同學(xué)必須錄制本人的語(yǔ)音信號(hào)） 錄制一段課程設(shè)計(jì)學(xué)生的語(yǔ)音信號(hào)并保存為文件，要求長(zhǎng)度不小于10秒，并

4、對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；錄制時(shí)可以使用Windows自帶的錄音機(jī)，或者使用其它專(zhuān)業(yè)的錄音軟件，錄制時(shí)需要配備錄音硬件（如麥克風(fēng)），為便于比較，需要在安靜、干擾小的環(huán)境下錄音。語(yǔ)音信號(hào)分析 使用MATLAB繪出采樣后的語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。根據(jù)頻譜圖求出其帶寬，并說(shuō)明語(yǔ)音信號(hào)的采樣頻率不能低于多少赫茲。含噪語(yǔ)音信號(hào)合成 在MATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語(yǔ)音信號(hào)疊加上噪聲，噪聲類(lèi)型分為如下幾種：（1）白噪聲；（2）單頻噪色（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；（4）其它干擾，可設(shè)置為低頻、高頻、帶限噪聲，或Chirp干擾、沖激干擾。繪出疊加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺(jué)上與原始語(yǔ)

5、音信號(hào)圖形對(duì)比，也可通過(guò)Windows播放軟件從聽(tīng)覺(jué)上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語(yǔ)音信號(hào)頻譜和時(shí)域波形的改變。1.2 功能要求 給定濾波器的規(guī)一化性能指標(biāo)（參考指標(biāo),實(shí)際中依據(jù)每個(gè)同學(xué)所疊加噪聲情況而定）例如：通帶截止頻率wp=0.25*pi, 阻通帶截止頻率ws=0.3*pi; 通帶最大衰減Rp=1 dB; 阻帶最小衰減Rs=15 dB。采用窗函數(shù)法（至少采用兩種以上不同的窗函數(shù)）分別設(shè)計(jì)各型FIR濾波器（低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類(lèi)型）來(lái)對(duì)疊加噪聲前后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，繪出濾波器的頻域響應(yīng)，繪出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；在相同的性能

6、指標(biāo)下比較各方法的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析（或解釋?zhuān)?、課題的功能模塊的劃分根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，首先自己錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲干擾，再利用矩形窗和哈明窗設(shè)計(jì)合理的FIR濾波器。最后用濾波器對(duì)干擾后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪。具體設(shè)計(jì)流程圖如圖所示：開(kāi)始錄制段語(yǔ)音信號(hào)，命名為“錄音.wav”，繪制出其時(shí)域波形和頻譜圖。加入噪聲干擾，繪制干擾后的時(shí)域波形和頻譜圖。 利用兩種窗函數(shù)設(shè)計(jì)合理的FIR濾波器。將干擾后的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)自己設(shè)計(jì)的濾波器，進(jìn)行濾波去噪。回放語(yǔ)音信號(hào)，驗(yàn)證是否達(dá)到去噪效果。 是否達(dá)到去噪 效果？ 否 是結(jié)束 圖 1 設(shè)計(jì)流程圖 本次濾波器設(shè)計(jì)分為原始語(yǔ)音信號(hào)模塊，噪音

7、模塊，濾波器設(shè)計(jì)模塊，濾波器濾波模塊。其中噪音模塊加的有高斯白噪聲，單頻余弦信號(hào)，多頻余弦信號(hào)噪音。濾波器設(shè)計(jì)模塊，我選用的是矩形窗的低通和帶通濾波器設(shè)計(jì)，哈明窗的低通和帶通濾波器設(shè)計(jì)。濾波器濾波模塊經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，濾波效果已趨完善。3、 濾波器實(shí)現(xiàn)的原理3.1 FIR濾波器FIR濾波器：有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實(shí)際的需要確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)。在很多實(shí)際

8、應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻操作。因此，指標(biāo)的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。幅度指標(biāo)主要以?xún)煞N方式給出。第一種是絕對(duì)指標(biāo)。它提供對(duì)幅度響應(yīng)函數(shù)的要求，一般應(yīng)用于FIR濾波器的設(shè)計(jì)。第二種指標(biāo)是相對(duì)指標(biāo)。它以分貝值的形式給出要求。確定了技術(shù)指標(biāo)后，就可以建立一個(gè)目標(biāo)的數(shù)字濾波器模型。通常用理想的數(shù)字濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際濾波器模型來(lái)逼近給定的目標(biāo)。根據(jù)這個(gè)描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿(mǎn)足指標(biāo)要求；或者利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的濾波器，再分析濾波結(jié)果來(lái)判斷。FIR濾波器的設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)際上是確定能滿(mǎn)足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的

9、常數(shù)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)、頻率響應(yīng)法和等波紋最佳逼近法等。3.2 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是一種通過(guò)截?cái)嗪陀?jì)權(quán)的方法使無(wú)限長(zhǎng)非因果序列成為有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)序列的設(shè)計(jì)方法。通常在設(shè)計(jì)濾波器之前，應(yīng)該先根據(jù)具體的工程應(yīng)用確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻操作，所以指標(biāo)的形式一般為在頻域中以分貝值給出的相對(duì)幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法步驟如下：（1）根據(jù)過(guò)渡帶寬及阻帶衰減要求，選擇窗函數(shù)的類(lèi)型并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。窗函數(shù)的類(lèi)型可根據(jù)最小阻帶衰減AS獨(dú)立選擇。（2）根據(jù)待求濾波器的理想頻率響應(yīng)求出理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)。（3）由性能指標(biāo)確定窗函數(shù)W(n)和

10、長(zhǎng)度N。（4）求得實(shí)際濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)， h(n)即為所設(shè)計(jì)FIR濾波器系數(shù)向量b(n)。 4、 程序調(diào)試4.1 對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析x1,fs,bits=wavread('d:/text');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜') 圖 2 原始信號(hào)波形4.2 含噪語(yǔ)音信號(hào)的合成x2=awgn(x1,1

11、0);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形')subplot(2,1,2)plot(abs(y2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'d2=0.8*cos(2*pi*20*t)'x3=x1+d;x4=x1+d2+d;%sound(x3,fs,bits);figure(3)subplot(2,1,

12、1)plot(x3)title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜')figure(12)subplot(2,1,1)plot(x4)title('加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y4=fft(x4,32768);subplot(2,1,2);plot(abs(y4);title('加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜') 圖3 高斯白噪聲波形 圖 4 加單頻噪聲波形 圖 5 加多頻余弦信號(hào)波形4.3

13、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及濾波矩形窗低通濾波器設(shè)計(jì)及濾波結(jié)果%矩形窗 %低通wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(1.8*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,boxcar(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)figure(4)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*u

14、nwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對(duì)輸入信號(hào)濾波%sound(y4,fs,bits);figure(5)subplot(2,1,1), plot(t,x3),title('輸入信號(hào)')%繪出輸入信號(hào)波形subplot(2,1,2),plot(t,y4) %繪出輸出信號(hào)波形 圖 6 矩形窗低通濾波器 圖 7 矩形窗低通濾波結(jié)果矩形帶通濾波器設(shè)計(jì)及濾波結(jié)果wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*

15、pi;whp=0.7*pi;delta_w=whp-whs;wp=0.35 0.66;N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)Fs=8000;b=fir1(N,wp); %設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器figure(6)H,f=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應(yīng)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel(&#

16、39;頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對(duì)輸入信號(hào)濾波%sound(y5,fs,bits);figure(7)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入信號(hào)')%繪出輸入信號(hào)波形subplot(2,1,2),plot(t,y5) %繪出輸出信號(hào)波形hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, 'r') %繪制延遲到的時(shí)刻title('輸出信號(hào)'),xlabel('時(shí)間/s&

17、#39;) 圖 8 矩形窗帶通濾波器設(shè)計(jì) 圖 9 矩形窗帶通濾波器濾波結(jié)果哈明窗低通濾波器設(shè)計(jì)及濾波結(jié)果%哈明窗 %低通wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(6.6*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,hamming(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)figure(8)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;sub

18、plot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;y6=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對(duì)輸入信號(hào)濾波%sound(y6,fs,bits);figure(9)subplot(2,1,1), plot(t,x3),title('輸入信號(hào)')%繪出輸入信號(hào)波形subplot(2,1,2),plot(t,y6) %繪出輸出信號(hào)波形title('輸出信號(hào)'),xlabel('時(shí)間/s') 圖 1

19、0 哈明窗低通濾波器 圖 11 哈明窗低通濾波器濾波結(jié)果哈明窗帶通濾波器設(shè)計(jì)及濾波結(jié)果%哈明窗 %帶通%Samp7_6wp=0.35 0.65;N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)Fs=8000;b=fir1(N,wp); %設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器figure(10)H,f=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應(yīng)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,1

20、80/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;y7=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對(duì)輸入信號(hào)濾波sound(y7,fs,bits);figure(11)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入信號(hào)')%繪出輸入信號(hào)波形subplot(2,1,2),plot(t,y7) %繪出輸出信號(hào)波形hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, 'r') %繪制延遲到的時(shí)刻title(

21、9;輸出信號(hào)'),xlabel('時(shí)間/s') 圖 12 哈明窗帶通濾波器 圖13 哈明窗帶通濾波器濾波結(jié)果5、 總結(jié) 這次課設(shè)是我自己辛辛苦苦做出的，雖然限于時(shí)間短暫濾波器還有一些問(wèn)題，低通濾波器濾波結(jié)果很不理想，但是那種努力換得成功的感覺(jué)還是讓我著實(shí)讓我開(kāi)心了許久。總的感覺(jué)：首先從以前對(duì)濾波器設(shè)計(jì)，語(yǔ)音信號(hào)降噪幾乎完全不懂慢慢有了一定了解，感覺(jué)它不再那么神秘和難以理解，自信心增長(zhǎng)了不少；其次，對(duì)于matlab的使用更加得心應(yīng)手，增強(qiáng)了專(zhuān)業(yè)與工具的聯(lián)系。最后，真心感覺(jué)很多課設(shè)是我自己可以做出來(lái)的，只是你在成功之前就已經(jīng)放棄，也就是說(shuō)你過(guò)不了自己這關(guān)，而不是課設(shè)。 6、

22、 附件源程序代碼：x1,fs,bits=wavread('d:/text');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜')x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)

23、域波形')subplot(2,1,2)plot(abs(y2);title('加高斯白噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'d2=0.8*cos(2*pi*20*t)'x3=x1+d;x4=x1+d2+d;%sound(x3,fs,bits);figure(3)subplot(2,1,1)plot(x3)title('加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title(

24、'加單頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜')figure(12)subplot(2,1,1)plot(x4)title('加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形')y4=fft(x4,32768);subplot(2,1,2);plot(abs(y4);title('加多頻余弦信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)頻譜')%矩形窗 %低通wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(1.8*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,boxcar(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣

25、頻率求出頻率響應(yīng)figure(4)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對(duì)輸入信號(hào)濾波%sound(y4,fs,bits);figure(5)subplot(2,1,1), plot(t,x3),

26、title('輸入信號(hào)')%繪出輸入信號(hào)波形subplot(2,1,2),plot(t,y4) %繪出輸出信號(hào)波形title('輸出信號(hào)'),xlabel('時(shí)間/s')%矩形窗 %帶通wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*pi;whp=0.7*pi;delta_w=whp-whs;wp=0.35 0.66;N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)Fs=8000;b=fir1(N,wp); %設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器figure(6)H,f=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波

27、器頻率響應(yīng)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對(duì)輸入信號(hào)濾波%sound(y5,fs,bits);figure(7)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title('輸入

28、信號(hào)')%繪出輸入信號(hào)波形subplot(2,1,2),plot(t,y5) %繪出輸出信號(hào)波形hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, 'r') %繪制延遲到的時(shí)刻title('輸出信號(hào)'),xlabel('時(shí)間/s')%哈明窗 %低通wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(6.6*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,hamming(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應(yīng)figure(8)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angl