語(yǔ)音信號(hào)處理與濾波課程設(shè)計(jì)

1、數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 語(yǔ)音信號(hào)處理與濾波 專(zhuān) 業(yè)： 信息與計(jì)算科學(xué) 學(xué) 號(hào)： 0709302-27 姓 名： 張 鳳 指導(dǎo)教師： 胡 振 華 成 績(jī)： 二一 年 一 月 八 日一、課程設(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。二、課程設(shè)計(jì)基本要求及分組1、對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握要求：（1）熟悉離散信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域特性。（2）掌握序列快速傅里葉變換fft方法。（3）學(xué)會(huì)matlab的使用，掌握matlab的程序設(shè)計(jì)方法。（4）利用matlab對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。（5）掌

2、握matlab設(shè)計(jì)fir和iir數(shù)字濾波器的方法。2、分組情況：組長(zhǎng)：張鳳組員：張鳳、張志廣、李云、黃生涯、曾勝、沈呈潔分工情況：張鳳：設(shè)計(jì)全過(guò)程的監(jiān)督及協(xié)助、部分源程序代碼的編寫(xiě)和整個(gè)源程序代碼的整理。張志廣：語(yǔ)音信號(hào)的錄制以及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采樣，fir低通濾波器的設(shè)計(jì)。李云：fir高通濾波器、fir帶通濾波器的設(shè)計(jì)以及用此兩種濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。黃生涯：iir低通濾波器、iir高通濾波器的設(shè)計(jì)。曾勝：iir帶通濾波器的設(shè)計(jì)和用此濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。沈呈潔：系統(tǒng)界面設(shè)置和用fir低通濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程1、問(wèn)題描述：錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，取不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)語(yǔ)音

3、信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和抽取處理，改變抽樣率再對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；設(shè)計(jì)fir和iir數(shù)字濾波器，并對(duì)被抽樣后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，分析濾波后信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，回放語(yǔ)音信號(hào)。2、詳細(xì)操作步驟和部分運(yùn)行結(jié)果（1）采集語(yǔ)音信號(hào)：利用windows下的錄音機(jī)，錄制一段自己的話(huà)音，時(shí)間控制在1s左右；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，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)使用wavread函數(shù)，理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。wavread函數(shù)調(diào)用格式如下：y=wavread(file)，讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。y,fs,nbit

4、s=wavread(file)，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(hz)，nbits表示采樣位數(shù)。y=wavread(file,n)，讀取前n點(diǎn)的采樣值放在向量y中。y=wavread(file,n1，n2)，讀取從n1點(diǎn)到n2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。采集語(yǔ)音的程序代碼：x1,fs,nbits=wavread(e:yy.wav);sound(x1,fs,bits);y=fft(x1,1024);subplot(2,1,1); plot(x1); title(原始采樣后時(shí)域信號(hào));原始語(yǔ)音采樣后的的時(shí)域信號(hào)波形圖： （2）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析：在matlab中，利用函數(shù)fft對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速

5、傅里葉變換，得到信號(hào)的頻譜特性。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。 程序代碼：x1,fs,bits=wavread(d:yy.wav);y1=fft(x1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(1)subplot(2,1,1); plot(f,abs(1:512); title(原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜);xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2); plot(abs(y1(1:1024); title(原始語(yǔ)音信號(hào)fft頻譜);xlabel(點(diǎn)數(shù)n);ylabel(幅值);原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖：原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜和f

6、ft轉(zhuǎn)換后的頻譜圖 （3）設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫(huà)出頻率響應(yīng)：根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的性能指標(biāo)： 低通濾波器性能指標(biāo)：fp=1000hz，fc=1200hz，as=100db，ap=1db； 高通濾波器性能指標(biāo)：fc=4800hz，fp=5000hz，as=100db，ap=1db； 帶通濾波器性能指標(biāo)：fp1=1200hz，fp2=3000hz，fc1=1000hz，fc2=3200hz，as=100db，ap=1db。首先用窗函數(shù)法（矩形窗(rectangular window)、三角窗(triangular window)、漢寧窗(hanning window)、海明窗(hammin

7、g window)、布拉克曼窗(blackman window)、切比雪夫窗(chebyshev window)、巴特里特窗(bartlett window)及凱塞窗(kaiser window)。）設(shè)計(jì)上面要求的三種濾波器。在matlab中，利用函數(shù)fir1設(shè)計(jì)fir濾波器；然后再用雙線(xiàn)性變換法設(shè)計(jì)上面要求的三種濾波器，利用函數(shù)butte、cheby1和ellip設(shè)計(jì)iir濾波器；最后，利用matlab中的函數(shù)freqz畫(huà)出各種濾波器的頻率響應(yīng)。（4）低通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)低通濾波器：程序代碼：fp=1000; fc=1200; as=100; ap=1; fs=22050;wc

8、=2*fc/fs; wp=2*fp/fs;n=ceil（(as-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2)+1;beta=0.1102*(as-8.7);win=kaiser(n+1,beta);b=fir1(n,wc,win);freqz(b,1,512,fs);運(yùn)行結(jié)果如下圖： 用雙線(xiàn)性變換法設(shè)計(jì)的低通濾波器:程序代碼：fp=1000; fc=1200; as=100; ap=1; fs=22050;wc=2*fc/fs; wp=2*fp/fs;n,wn=ellipord(wp,wc,ap,as);b,a=ellip(n,ap,as,wn);freqz(b,a,512,fs);程序運(yùn)行

9、結(jié)果如下圖： （5）高通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程 程序代碼：fp=5000; fc=4800; as=100; ap=1; fs=22050;wc=2*fc/fs; wp=2*fp/fs;n,wn=ellipord(wp,wc,ap,as);b,a=ellip(n,ap,as,wn);freqz(b,a,512,fs);程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：（6）帶通濾波器的設(shè)計(jì)全過(guò)程 程序代碼: fp1=1200;fp2=3000; fc1=1000; fc2=3200;as=100; ap=1; fs=22050;wc=2*fc1/fs,2*fc2/fs; wp=2*fp1/fs,2*fp2/fs;n,wn=ell

10、ipord(wp,wc,ap,as);b,a=ellip(n,ap,as,wn);freqz(b,a,512,fs); 程序運(yùn)行結(jié)果： （7）iir濾波器的設(shè)計(jì) iir低通濾波器： iir高通濾波器： iir帶通濾波器： （8）用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波比較兩種濾波器性能，然后用性能好的濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波。在matlab中，fir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。（9）比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜，在同一個(gè)窗體中畫(huà)出濾波前后的波形圖: fir低通濾波器濾波前后的波形圖：fir高通濾波器濾波前后的波形圖：fir帶通濾波器濾波前后的

11、波形圖：iir低通濾波器濾波前后的波形圖:iir高通濾波器濾波前后的波形圖：iir帶通濾波器濾波前后的波形圖： （10）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)用格式為sound(x,fs,bits)，可以感覺(jué)濾波前后的聲音有變化。（11）設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的類(lèi)型，輸入濾波器的參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇信號(hào)等。 界面如下圖所示：四、調(diào)試分析1、a用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)低通濾波器中，語(yǔ)句n=ceil(as-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2)+1;出錯(cuò)，將其改為n=ceil(as-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2)+1;

12、即可。2、在帶通濾波器的設(shè)計(jì)中程序出現(xiàn)如下錯(cuò)誤：? undefined function or variable s.經(jīng)過(guò)調(diào)試分析，觀(guān)察后發(fā)現(xiàn)是書(shū)寫(xiě)錯(cuò)誤，將語(yǔ)句wp=2*fp1/fs,2*fp2/s;改成wp=2*fp1/fs,2*fp2/fs;即可五、結(jié)果分析1、題目要求最大衰減ap=1db，fp=1000hz，由圖可看出基本符合，而最小衰減as=100db，fc=1200hz，基本符合。2、濾波前后的頻譜分析：由于所取的采樣點(diǎn)數(shù)比較大，濾波前后的頻譜比較相近，但仔細(xì)對(duì)比仍然可以看出下圖的結(jié)果濾掉了高頻的成分。3、題目要求最大衰減ap=1db，fp=5000hz，由圖可看出，基本符合，而最小

13、衰減as=100db，fc=4800hz，也基本符合。4、濾波前后的頻譜分析:由圖明顯可以看出，此濾波器將低頻成分濾掉了。5、題目要求最大衰減ap=1db時(shí) ,fp1=1000hz，fp2=3200hz，由圖可看出，基本符合，而最小衰減as=100db時(shí),fc1=1000hz，fc2=3200hz，基本符合。6、濾波前后的頻譜分析：該濾波器將低頻成分和高頻成分都濾掉了，只剩下通帶里的頻率。7、選用凱澤窗設(shè)計(jì)方法，濾波器的幅度和相位響應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的指標(biāo)但濾波器長(zhǎng)度（n=708）太長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難，主要原因是濾波器的指標(biāo)太苛刻，因此，一向不用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)這種類(lèi)型的濾波器。在雙線(xiàn)性變換法的設(shè)計(jì)中選用

14、橢圓函數(shù)設(shè)計(jì)，濾波器的幅度和相位均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。六、心得體會(huì)通過(guò)一學(xué)期的數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí)，在這次做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，真的發(fā)現(xiàn)自己沒(méi)學(xué)到啥東西，所以導(dǎo)致做的過(guò)程中困難重重，拿著課本只好重頭看，通過(guò)網(wǎng)上查資料，同學(xué)之間的相互合作，最終我們還是戰(zhàn)勝了困難，順利完成了此次的課程設(shè)計(jì)。我深深的體會(huì)到了知識(shí)的重要性，不管是為了應(yīng)付考試還是怎么樣也好，對(duì)于自身的幫助還是很大的，整整兩天坐在電腦面前的功夫沒(méi)有白費(fèi)，我還是收獲了很多，對(duì)于matlab軟件的使用也更加熟悉了。一年之計(jì)在于春，而我們一學(xué)期的學(xué)習(xí)就在于這次課程設(shè)計(jì)了，我覺(jué)得這才是真正學(xué)到知識(shí)的，也鍛煉了自己的動(dòng)手實(shí)踐能力，耐心和毅力。學(xué)會(huì)團(tuán)結(jié)，才

15、能把事情做得更好。七、參考文獻(xiàn)和附錄1丁美玉，高西全 數(shù)字信號(hào)處理2版。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20012懷琛 數(shù)字信號(hào)處理教程matlab釋疑與實(shí)現(xiàn)。北京：電子工業(yè)出版社，20043王宏 matlab6.5及其在信號(hào)處理中的應(yīng)用。北京：清華大學(xué)出版社，20044劉順蘭，吳杰 數(shù)字信號(hào)處理。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003附錄：源程序代碼：b=menu(請(qǐng)選擇選項(xiàng),原始信號(hào)采樣后時(shí)域圖和頻譜圖,fir濾波器,iir濾波器,退出);if b=4 b=0;endif b=1 temp=menu(請(qǐng)選擇選項(xiàng),播放原始語(yǔ)音,原始語(yǔ)音時(shí)域圖和頻率響應(yīng)圖,原始語(yǔ)音頻譜圖及做fft變換后頻譜圖,

16、返回); if temp=1 voice; main; else if temp=2 pingpu; main; else main; endelse if b=2 temp=1 fir_lp; main;else if temp=2 fir_hp; main;else if temp=3 fir_bp; main; else main;endelse if b=3 temp=menu(請(qǐng)選擇選項(xiàng),iir低通濾波器,iir高通濾波器,iir帶通濾波器,返回); if temp=1 iir_lp; main; else if temp=2 iir_hp; main; else if temp=3

17、 iir_bp; main; else main; endendfs=22050;x1=wavread(d:yy.wav);wp1=2*pi*1200/fs;wp2=2*pi*3000/fs;ws1=2*pi*1000/fs;ws2=2*pi*3200/fs;rp=1;rs=100;wn=(wp1+ws1)/2;ws=(wp2+ws2)/2;wdelta=wp1-ws1;n=ceil(8*i/wdelta);wn=wp,ws;b,a=firl(n,wn/pi,bandpass);figure(1)freqz(b,a,512);title(fir帶通濾波器);f1=filter(b,a,x1);

18、figure(2)y1=fft(f1,1024);y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title(fir帶通濾波器濾波前的頻譜)；xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512);title(fir帶通濾波器濾波后的頻譜)xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);fs=22050;x1=wavread(d:yy.wav);wp=2*pi*5000/fs;ws=2*pi*4800/fs;rp=1;rs=100;wdelta=wp-ws;n=ceil(

19、8*pi/wdelta);wn=(wp+ws)/2;b,a=firl(n,wn/pi,high);figure(1)freqz(b,a,512);title(fir高通濾波器）;f2=filter(b,a,x1);figure(2)y1=fft(f1,1024);y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title(fir高通濾波器濾波前的頻譜)；xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512);title(fir高通濾波器濾波后的頻譜)xlabel(頻率/hz

20、);ylabel(幅值);fs=10000;x1=wavread(d:yy.wav);wp=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;rp=1;rs=100;wdelta=ws-wp;n=ceil(8*pi/wdelta);wn=(wp+ws)/2;b,a=firl(n,wn/pi,hamming(n+1);figure(1)freqz(b,a,512);title(fir低通濾波器）;f1=filter(b,a,x1);figure(2)y1=fft(f1,1024);y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);ti

21、tle(fir低通濾波器濾波前的頻譜)；xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512);title(fir低通濾波器濾波后的頻譜)xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);fs=22050;x1=wavread(d:yy.wav);ts=1/fs;r1=30;fb1=1200;fb2=3000;fc1=1000;fc2=3200;fs=22050;w1=2*fb1*pi/fs;w2=2*fc1*pi/fs;w3=2*fb2*pi/fs;w4=2*fc2*pi/fs;wp=w1,w3;ws=w2,w4;rp=1;r

22、l=100;wp1=2/ts*tan(wp/2);ws1=2/ts*tan(ws/2);n,wn=cheb2ord(wp1,ws1,rp,rl,s);z,p,k=cheb2ap(n,r);bap,aap=zpwtf(z,p,k);b,a=ip2bp(bap,aap,2100*2*pi,1800*2*pi);bz,az=bilinear(b,a,fs);h,w=freqz(bz,az);figure(1)plot(w*fs/(2*pi),abs(h)gridxlabel(頻率/hz);ylabel(頻率響應(yīng)幅度);title(iir帶通濾波器)fl=filter(bz,az,x1);figure

23、(2)y1=fft(f1,1024);y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1;512);title(iir帶通濾波器濾波前的頻譜);xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1;512);title(iir帶通濾波器濾波后的頻譜);xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);fs=22050;x1=wavread(d:yy.wav);ts=1/fs;r1=50;wp=2*pi*5000/fs;ws=2*pi*4800/fs;rp=1;rl=100;wp1=2/ts*ta

24、n(wp/2);ws1=2/ts*tan(ws/2);n,wn=chebyord(wp1,ws1,rp,rl,s);z,p,k=chebyap(n,r);bap,aap=zpwtf(z,p,k);b,a=ip2bp(bap,aap,2100*2*pi,1800*2*pi);bz,az=bilinear(b,a,fs);h,w=freqz(bz,az);figure(1)plot(w*fs/(2*pi),abs(h)gridxlabel(頻率/hz);ylabel(頻率響應(yīng)幅度);title(iir高通濾波器)fl=filter(bz,az,x1);figure(2)y1=fft(f1,1024);y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1;512);title(iir高通濾波器濾波前的頻譜);xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1;512);title(iir高通濾波器濾波后的頻譜);xlabel(頻率/hz);ylabel(幅值);fs=22050;x1=wavread(d:yy.wav);ts=1/fs;r1=10;wp=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs