語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波

廣西科技大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)題目：語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波(難度系數(shù)：0.8)系別：計(jì)算機(jī)工程學(xué)院專業(yè)：通信工程班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：日期：目錄摘要： 3一．設(shè)計(jì)容 3二．設(shè)計(jì)目的 4三．基本步驟 4四、相關(guān)原理知識(shí) 5五、實(shí)現(xiàn)過(guò)程 91．錄制聲音 92．分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因 113．濾波器的設(shè)計(jì) 134．對(duì)聲音進(jìn)行濾波 145．把處理后的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為聲音文件，與原始聲音進(jìn)行比較 15六、心得體會(huì) 16七、參考文獻(xiàn) 17摘要：本次設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB工具對(duì)自己的語(yǔ)音進(jìn)行錄制，然后設(shè)計(jì)IIR濾波器，并通過(guò)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)濾波以及分析等，對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的歸納和進(jìn)一步理解，并且在實(shí)際應(yīng)用操作當(dāng)中體會(huì)我們《數(shù)字信號(hào)處理》這門課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。一、設(shè)計(jì)容1.設(shè)計(jì)題目一:語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波（難度系數(shù)：0.8）1．熟悉并掌握MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取的函數(shù)。2．在MATLAB環(huán)境中，使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制2秒左右自己的聲音，抽樣率是8000Hz/s。（考慮如何解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：錄制剛開始時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際發(fā)出聲音落后錄制動(dòng)作半拍的現(xiàn)象，如何排除對(duì)這些無(wú)效點(diǎn)的采樣？）3．畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形;然后對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行FFT,得到信號(hào)的頻譜特性,然后分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因。4．針對(duì)信道（最高3500Hz），設(shè)計(jì)一個(gè)FIR或IIR濾波器進(jìn)行濾波，把抽樣率轉(zhuǎn)變?yōu)?000Hz/s，并進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜。5.用自己設(shè)計(jì)的IIR濾波器分別對(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..畫出濾波前后的波形和頻譜.加深對(duì)濾波器的了解.6．把處理后的所有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為聲音文件，與原始聲音進(jìn)行比較。7.保存濾波后的語(yǔ)音 二、設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用本課程的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析以及濾波器設(shè)計(jì)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)的理論知識(shí)，提高對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，并從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。三、基本步驟1．語(yǔ)音信號(hào)的采集熟悉并掌握MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取的函數(shù)，在MATLAB環(huán)境中，使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制3秒左右自己的聲音。（考慮如何解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：錄制剛開始時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際發(fā)出聲音落后錄制動(dòng)作半拍的現(xiàn)象，如何排除對(duì)這些無(wú)效點(diǎn)的采樣？）2．語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析要求首先畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形；然后對(duì)語(yǔ)音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號(hào)的頻譜特性，從而加深對(duì)頻譜特性的理解。3．設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器并畫出其頻率響應(yīng)給出各濾波器的性能指標(biāo)：(1)低通濾波器性能指標(biāo)：fb＝1000Hz，fc＝1200Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。(2)高通濾波器性能指標(biāo)：fc＝4800Hz，fb＝5000HzAs＝100dB，Ap＝1dB。(3)帶通濾波器性能指標(biāo)：fp1＝1200Hz，fp2＝3000Hz，fsc1＝1000Hz，fsc2＝3200Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。要求用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計(jì)上面要求的3種濾波器。在Matlab中，使用函數(shù)butter，cheby1等函數(shù)設(shè)計(jì)IIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。4．用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波要求用自己設(shè)計(jì)的各種濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。5．比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜要求在一個(gè)窗口同時(shí)畫出濾波前后的波形及頻譜。6．回放語(yǔ)音信號(hào)在Matlab中，使用相關(guān)聲音函數(shù)對(duì)聲音進(jìn)行回放。辨別濾波前后的聲音有何變化。四、相關(guān)原理知識(shí)1.錄音原理Matlab中有兩個(gè)函數(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)錄音功能，一個(gè)是waverecord函數(shù)調(diào)用windows音頻設(shè)備進(jìn)行錄音，主要用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音采集。第二個(gè)是使用Matlab中的wavread函數(shù)也可以進(jìn)行語(yǔ)音采集。不過(guò)wavread函數(shù)只能讀取計(jì)算機(jī)中已經(jīng)有的“.wav”文件，也就是說(shuō)必須事先使用windows的錄音機(jī)等設(shè)備把有關(guān)的語(yǔ)音資料錄制并存儲(chǔ)為“.wav”文件。顯然wavread函數(shù)不能用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音信號(hào)采集。另外語(yǔ)音采集的頻率和精度不能改變?；胤艜r(shí)也有兩個(gè)函數(shù)可以選用。Sound函數(shù)和wavplay，只不過(guò)后者的功能沒(méi)有前者強(qiáng)大。不過(guò)在本設(shè)計(jì)中主要是對(duì)已有的信號(hào)進(jìn)行處理，所以選用wavread錄放。同時(shí)，由于信號(hào)的時(shí)域描述只能反映信號(hào)的幅值隨時(shí)間的變化情況，除只有一個(gè)頻率分量的簡(jiǎn)諧波外一般很難明確揭示信號(hào)的頻率組成和各頻率分量的大小，因此，我們要把它轉(zhuǎn)換成頻域來(lái)分析，它能夠提供比時(shí)域信號(hào)波形更直觀，豐富的信息。2、濾波器的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方法FIR濾波器的設(shè)計(jì)問(wèn)題在于尋求一系統(tǒng)函數(shù)，使其頻率響應(yīng)逼近濾波器要求的理想頻率響應(yīng)，其對(duì)應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)。1、用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的基本方法設(shè)計(jì)思想：從時(shí)域從發(fā)，設(shè)計(jì)逼近理想。設(shè)理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)為。以低通線性相位FIR數(shù)字濾波器為例。一般是無(wú)限長(zhǎng)的，且是非因果的，不能直接作為FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)。要想得到一個(gè)因果的有限長(zhǎng)的濾波器h(n)，最直接的方法是截?cái)?，即截取為有限長(zhǎng)因果序列，并用合適的窗函數(shù)進(jìn)行加權(quán)作為FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)。按照線性相位濾波器的要求，h(n)必須是偶對(duì)稱的。對(duì)稱中心必須等于濾波器的延時(shí)常數(shù)，即用矩形窗設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器，所設(shè)計(jì)濾波器的幅度函數(shù)在通帶和阻帶都呈現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象，且最大波紋大約為幅度的9%，這個(gè)現(xiàn)象稱為吉布斯（Gibbs）效應(yīng)。為了消除吉布斯效應(yīng)，一般采用其他類型的窗函數(shù)。2、典型的窗函數(shù)（1）矩形窗(RectangleWindow)其頻率響應(yīng)和幅度響應(yīng)分別為：，（2）三角形窗(BartlettWindow)其頻率響應(yīng)為：（3）漢寧(Hanning)窗，又稱升余弦窗其頻率響應(yīng)和幅度響應(yīng)分別為：（4）漢明(Hamming)窗，又稱改進(jìn)的升余弦窗其幅度響應(yīng)為：（5）布萊克曼(Blankman)窗，又稱二階升余弦窗其幅度響應(yīng)為：（6）凱澤(Kaiser)窗其中：β是一個(gè)可選參數(shù)，用來(lái)選擇主瓣寬度和旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，一般說(shuō)來(lái)，β越大，過(guò)渡帶越寬，阻帶越小衰減也越大。I0(·)是第一類修正零階貝塞爾函數(shù)。若阻帶最小衰減表示為，β的確定可采用下述經(jīng)驗(yàn)公式：若濾波器通帶和阻帶波紋相等即δp=δs時(shí)，濾波器節(jié)數(shù)可通過(guò)下式確定：式中：3．利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的具體步驟如下：（1）按允許的過(guò)渡帶寬度△ω及阻帶衰減AS，選擇合適的窗函數(shù)，并估計(jì)節(jié)數(shù)N：其中A由窗函數(shù)的類型決定。（2）由給定的濾波器的幅頻響應(yīng)參數(shù)求出理想的單位脈沖響應(yīng)。（3）確定延時(shí)值（4）計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)，。（5）驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。3.IIR數(shù)字濾波器IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)是Z的有理數(shù),可表示為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是要確定系數(shù),以使濾波器達(dá)到要求.設(shè)計(jì)方法為,用模擬濾波器理論來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器.在IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中較多的采用這種方法.用計(jì)算機(jī)助設(shè)計(jì),優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì).針對(duì)信道我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)IIR低通濾波器來(lái)濾我們錄制的語(yǔ)音,用fftfilt函數(shù)可以把我們錄制的語(yǔ)音放到設(shè)計(jì)好的濾波器進(jìn)行濾波.然后angle函數(shù)求出濾波后語(yǔ)音的相位譜,用abs求出幅度譜.然后再用wavwrite對(duì)濾波后的語(yǔ)音保存為聲音文件.五、實(shí)現(xiàn)過(guò)程1．錄制自己的聲音文件（wav格式），容為“數(shù)字信號(hào)課程設(shè)計(jì)，鄧國(guó)望”程序如下：fs=8000;%抽樣頻率channel=1;%1信道t=3;%設(shè)定錄音時(shí)間為3秒鐘fprintf('按任意鍵后開始%d秒錄音：',t);pause;%文字提示%暫停命令fprintf('錄音中...');%提示當(dāng)前正在錄音當(dāng)中x=wavrecord(t*fs,fs,channel,'double');%錄制自己的聲音信號(hào)fprintf('錄音結(jié)束\n');%提示錄音已經(jīng)結(jié)束wavwrite(x,fs,'F:\新建文件夾\dgw.wav');%存儲(chǔ)錄音信號(hào)fprintf('按任意鍵后回放:');pause;wavplay(x,fs);%播放錄制的聲音下面讀取原始聲音，并且畫出它的時(shí)域圖形，程序如下：y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav',[120000]);%讀取聲音plot(y);%畫出聲音時(shí)域圖形title('原始聲音信號(hào)時(shí)域圖形');%標(biāo)題xlabel('時(shí)間');%x軸坐標(biāo)ylabel('幅值');%y軸坐標(biāo)grid;%添加網(wǎng)格線通過(guò)觀察圖形，發(fā)現(xiàn)在錄音過(guò)程中出現(xiàn)了這樣一個(gè)現(xiàn)象：錄制剛開始時(shí)，出現(xiàn)一些無(wú)效的點(diǎn)，后面也出現(xiàn)一些無(wú)效的點(diǎn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是錄音開始時(shí)，人的反應(yīng)慢了半拍，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些無(wú)效點(diǎn)，而后面出現(xiàn)的無(wú)效的點(diǎn)，主要是已經(jīng)沒(méi)有聲音的動(dòng)作。我們首先要想辦法要去掉這些無(wú)效點(diǎn)，可以這樣操作：截取有效點(diǎn)程序如下：y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav',[300018000]);%從3000點(diǎn)開始截取到18000點(diǎn)結(jié)束plot(y);%重新畫出截取后的圖形title('截取后的聲音時(shí)域圖形');%標(biāo)題xlabel('時(shí)間');%x軸坐標(biāo)ylabel('幅值');%y軸坐標(biāo)grid;%添加網(wǎng)格線2．分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因。取8000點(diǎn)頻譜分析y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語(yǔ)音信號(hào)d=fft(y,8000);%對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做8000點(diǎn)的FFT變換subplot(2,2,1);%分割窗口plot(abs(d));%繪出語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜xlabel('頻率');%加X軸說(shuō)明ylabel('幅值');%加Y軸說(shuō)明title('8000點(diǎn)幅度譜');%加圖形說(shuō)明grid;%添加網(wǎng)格subplot(2,2,2);%分割窗口plot(angle(d));%繪出語(yǔ)音信號(hào)的相位譜xlabel('頻率');%加X軸說(shuō)明ylabel('angle(d)');%加Y軸說(shuō)明title('8000點(diǎn)相位譜');%加圖形說(shuō)明grid;%添加網(wǎng)格%取16000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語(yǔ)音信號(hào)d=fft(y,16000);%對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做16000點(diǎn)的FFT變換subplot(2,2,3);%分割窗口plot(abs(d));%繪出語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜xlabel('頻率');%加X軸說(shuō)明ylabel('幅值');%加Y軸說(shuō)明title('16000點(diǎn)幅度譜');%加圖形說(shuō)明grid;%添加網(wǎng)格subplot(2,2,4);%分割窗口plot(angle(d));%繪出語(yǔ)音信號(hào)的相位譜xlabel('頻率');%加X軸說(shuō)明ylabel('angle(d)');%加Y軸說(shuō)明title('16000點(diǎn)相位譜');%加圖形說(shuō)明grid觀察兩圖可以看出，取8000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析和取16000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析所得的幅度譜和相位譜的圖形基本上是相同的；不同之處是8000點(diǎn)圖形線比16000點(diǎn)的圖形線梳，原因是在同樣的抽樣頻率下，對(duì)不同點(diǎn)數(shù)進(jìn)行頻譜分析得出的幅度譜和相位譜線疏密不同，點(diǎn)數(shù)越多，線越密。3．濾波器的設(shè)計(jì)：針對(duì)信道我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)IIR低通濾波器對(duì)我們錄制的語(yǔ)音進(jìn)行濾波,具體程序如下:%低通濾波器設(shè)計(jì)wp=2*1200/7000;%歸一化通帶數(shù)字頻率wpws=2*2000/7000;%歸一化阻帶數(shù)字截止頻率wsRp=0.5;%通帶波紋系數(shù)RpRs=60;%最小阻帶衰減Rs[N,Wn]=buttord(wp,ws,Rp,Rs);%求階數(shù)N和濾波器截止頻率Wn[num,den]=butter(N,Rp);%傳輸分子和分母的系數(shù)[h,w]=freqz(num,den);%求頻率響應(yīng)subplot(2,1,1);%窗口分成2行1列繪圖區(qū),第1個(gè)區(qū)為當(dāng)前活動(dòng)區(qū)plot(w/pi,abs(h));%二維連續(xù)圖形grid;%添加網(wǎng)格title('巴特沃思型低通濾波器的幅頻響應(yīng)');%加圖形說(shuō)明xlabel('\omega/\pi');%加X軸說(shuō)明（/后表示轉(zhuǎn)義字符）ylabel('振幅(幅值)');%加Y軸說(shuō)明subplot(2,1,2);%窗口分成2行1列繪圖區(qū),第2個(gè)區(qū)為當(dāng)前活動(dòng)區(qū)plot(w/pi,20*log10(abs(h)));%二維連續(xù)圖形grid;%添加網(wǎng)格title('巴特沃思型低通濾波器的幅頻響應(yīng)');%加圖形說(shuō)明xlabel('\omega/\pi');%加X軸說(shuō)明（/后表示轉(zhuǎn)義字符）ylabel('振幅(分貝)');%加Y軸說(shuō)明4．對(duì)聲音進(jìn)行濾波：把我們上面錄制的語(yǔ)音放到濾波器里進(jìn)行濾波，具體程序如下:%濾濾后的幅度、相位譜圖fs=8000;y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語(yǔ)音信號(hào)f=filter(num,den,y);%濾波f1=fft(f,1024);subplot(2,1,1)plot(abs(f1));%畫出濾波后的時(shí)域圖title('濾波后的幅度譜');grid;subplot(2,1,2)plot(angle(f1));%畫出濾波后的時(shí)域圖title('濾波后的相位譜');grid;wavwrite(f,fs,'F:\新建文件夾\dgw1.wav');5．把處理后的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為聲音文件，與原始聲音進(jìn)行比較程序如下：%原始語(yǔ)音與濾波后的信號(hào)比較fs=8000;y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語(yǔ)音信號(hào)y1=wavread('F:\新建文件夾\dgw1.wav');%讀取濾波后語(yǔ)音信號(hào)yx=fft(y);yx1=fft(y1);subplot(2,1,1)plot(20*log10(abs(yx)));title('濾波前的相對(duì)幅度譜');subplot(2,1,2);plot(20*log10(abs(yx1)));title('濾波后的相對(duì)幅度譜');結(jié)論：通過(guò)濾波前后兩種信號(hào)的比