信號與系統(tǒng)課程設(shè)計報告

1、信號與系統(tǒng)課程設(shè)計報告 基于IIR的有噪聲語音信號處理 班 級：電子 121 班 姓 名： 成 績： 指導教師： 日 期：2015年1月6日 目 錄1、摘要及關(guān)鍵字22、 實驗目的與具體任務(wù)33、MATLAB設(shè)計與運行結(jié)果及分析43.1 基于IIR濾波器的語音信號的處理4 3.1.1 語音信號的采集與播放 4 3.1.2 語音信號的時域分析及頻譜分析 53.2 加噪后的語音信號時域及頻譜分析 63.3 用濾波器對加噪語音信號進行濾波 7 3.3.1 濾波器的設(shè)計 7 3.3.2 濾波后的時域及頻譜分析10 3.3.3 比較濾波前后的語音信號的頻譜波形12 3.3.4 IIR濾波器的處理結(jié)果的分

2、析123.4 設(shè)計的GUI界面143.5 流程圖154、LABVIEW仿真及結(jié)果分析16 4.1 LABVIWE的仿真 16 4.1.1 LABVIEW仿真程序框圖 16 4.1.2 LABVIEW仿真前面板 17 4.2 LABVIEW結(jié)果分析 175、實驗總結(jié) 196、參考文獻 201、摘要及關(guān)鍵字摘要本課題基于MATLAB有噪音語音信號處理的設(shè)計與實現(xiàn)，綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識對加噪聲語音信號進行時域、頻域分析和濾波。通過理論推導得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進行計算機實現(xiàn)。在設(shè)計實現(xiàn)的過程中，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，在設(shè)計IIR數(shù)字

3、濾波器時，我們根據(jù)指標先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。并利用MATLAB 作為輔助工具完成設(shè)計中的計算與圖形的繪制。然后再利用LABVIEW軟件進行相應(yīng)的實體仿真，通過對對所設(shè)計濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB以及LABVIEW可以有效快捷地設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，最終實驗結(jié)果的各項性能指標均達到指定要求。 ABSTRACTThis topic noisy speech signal processing based on MATLAB, the design and implementation of the integra

4、ted use of theoretical knowledge of digital signal processing to add noise speech signal in time domain, frequency domain analysis and filtering. Corresponding conclusions through theoretical derivation, using MATLAB as a programming tool for computer implementation. In the process of design impleme

5、ntation, using butterworth, chebyshev, and bilinear reform IIR digital filter design, in the design of IIR digital filter, we first write in the formula of analog filter based on index, and then through a certain transformation, converts analog filter formula into digital filter formula. And by usin

6、g the MATLAB as an auxiliary tool to complete the design of computing and graphics drawing. Then using the LABVIEW software corresponding physical simulation, through a simulation for the designed filter and frequency characteristic analysis, using MATLAB and LABVIEW can quickly and effectively IIR

7、digital filter design, finally the experimental results of various performance indicators are to meet the specified requirements.關(guān)鍵字：語音信號、加噪處理、IIR濾波器、MATLAB、LABVIEW2、實驗目的及具體任務(wù)實驗目的 本設(shè)計課題主要研究數(shù)字語音信號的初步分析方法、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計及應(yīng)用。本設(shè)計研究的主要內(nèi)容是先進行語音信號的采集，然后對語音信號進行頻譜分析，再利用IIR兩種濾波器對語音信號進行過濾和頻譜分析，畫出濾波之后的頻譜圖與時域波形，并對信號

8、濾波前后進行分析比較，分析信號的變化，得出幾種濾波器的濾波性能。通過完成本課題的設(shè)計，主要達到以下幾個目的：（1）掌握Matlab軟件的特點和使用方法。（2）掌握對信號和系統(tǒng)的時域、頻域特性進行分析的方法。（3）掌握IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法及應(yīng)用。（4）了解語音信號的特性及分析方法。（5）了解LabVIEW虛擬儀器的特點以及采用LabVIEW進行仿真的方法。（6）通過本課題的設(shè)計，培養(yǎng)學生運用所學知識分析和解決實際問題的能力。實驗具體任務(wù)選擇一個語音信號或錄制一段語音信號作為分析的對象，對其進行頻譜分析；利用MATLAB產(chǎn)生正弦波噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被干擾，并對其進行頻譜分析；

9、設(shè)計IIR數(shù)字濾波器， 并對被噪聲干擾的語音信號進行濾波， 分析濾波后信號的時域和頻域特征，最后回放語音信號。課題具體任務(wù)如下：（一）利用Matlab設(shè)計基于IIR濾波的數(shù)字語音信號處理系統(tǒng)。其基本功能包括：利用GUI設(shè)計友好的圖形用戶界面，實現(xiàn)語音信號讀取，時域波形顯示，頻譜分析，設(shè)計IIR數(shù)字濾波器(巴特沃斯、切比雪夫、橢圓濾波器任選)實現(xiàn)噪聲濾除。具體任務(wù)如下：（1）對語音信號進行采集（讀?。瑢?shù)字語音信號加入干擾噪聲，畫出原始信號及帶噪信號的時域波形，利用FFT進行頻域分析，畫出相應(yīng)波形，并對語音進行播放。（3）分析語音信號頻譜及噪聲頻率，根據(jù)實際情況設(shè)計IIR數(shù)字濾波器實現(xiàn)噪聲的濾

10、除。（4）分析、對比噪聲濾除前后的語音時域、頻域特性，并對噪聲濾除前后語音進行播放。（5）利用GUI設(shè)計圖形用戶界面（包含以上功能）。（二）利用LabVIEW進行仿真設(shè)計。實現(xiàn)簡單數(shù)字語音信號處理系統(tǒng)的功能，要求給出系統(tǒng)的前面板和框圖，并記錄仿真結(jié)果。3、MATLAB設(shè)計與運行結(jié)果及分析3.1 基于濾波器的語音信號的處理3.1.1語音信號的采集與播放本實驗選擇已有的語音信號ai2.wav作為分析對象對其進行原始語音信號的采集與分析以及加噪后頻譜分析，利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，利用Wavread 函數(shù)的調(diào)用格式為y=wavread（file）讀取file所

11、規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。然后畫出語音信號的時域波形，再對語音信號進行頻譜分析。在本次設(shè)計中，我們利用fft對語音信號進行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。源程序：H='*.wav' filename,pathname=uigetfile(H,'請選擇打開信號'); file=strcat(pathname,filename); y=wavread(file); plot(y);title('原信號時域波形');播放原始語音信號源程序：fs=16000;sound (y,fs); 3.1.2原始信號時域分析及頻譜分析 所得

12、原始語音信號的時域波形如圖3-1 圖 3-1原始語音信號頻譜分析X=fft(y);N=length(y);k=0:N-1;plot(k,abs(X);title('原始語音信號頻譜圖')波形如圖3-2 圖3-23.2 加噪后的語音信號的播放，時域及頻譜分析播放加噪聲后的語音信號：sound(s,16000);加噪聲后的信號時域分析N=length(y);t=0:N-1; d=0.05*cos(0.03*t)' s=y+d; plot(s,'r');title('加噪后信號時域圖');波形如下圖3-3 圖3-3加噪聲后的信號頻譜分析N=le

13、ngth(y);t=0:N-1; d=0.05*cos(3*t)' s=y+d; S=fft(s);plot(abs(S);title('加噪后信號頻域圖');波形如圖3-4 圖3-43.3 用濾波器對加噪語音信號進行濾波3.3.1 濾波器的設(shè)計IIR濾波器設(shè)計方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法進行的。其設(shè)計步驟是：先設(shè)計過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)H（s），然后將H（s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。 對于數(shù)字高通、帶通濾波器的設(shè)計，通用方法為雙線性變換法?？梢越柚谀M濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計一個所需類型的過渡模擬濾波器，再經(jīng)過雙線性

14、變換將其轉(zhuǎn)換策劃那個所需的數(shù)字濾波器。以利用模擬濾波器設(shè)計IIR數(shù)字低通濾波器為例總結(jié)設(shè)計過程的具體步驟如下：（1）確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標：通帶邊界頻率、通帶最大衰減，阻帶截止頻率、阻帶最小衰減。（2）將數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標。（3）按照模擬低通濾波器的技術(shù)指標設(shè)計及過渡模擬低通濾波器。（4）用雙線性變換法，模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)。接下來，我們根據(jù)語音信號的特點給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標：低通濾波器的性能指標：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB高通濾波器的性能指標：fp=3500Hz，fc=

15、4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；帶通濾波器的性能指標：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB在Matlab中，可以利用函數(shù)butter,cheby1設(shè)計IIR濾波器。巴特沃斯濾波器設(shè)計函數(shù)有多種調(diào)用格式，本課程設(shè)計中用到的是N,wc=butter(N,wc,Rp,As,s),該格式用于計算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率wc。MATLAB信號處理工具箱函數(shù)cheeby1是切比雪夫I型濾波器設(shè)計函數(shù)。我們用到的是cheeby1函數(shù)，其調(diào)用格式如下：B,A=cheby1(N,Rp,wpo,fty

16、pr)B,A=cheby1(N,Rp,wpo,ftypr,s) 函數(shù)butter,cheby1設(shè)計IIR濾波器時都是默認的雙線性變換法，所以在設(shè)計濾波器時只需要代入相應(yīng)的實現(xiàn)函數(shù)即可。IIR數(shù)字濾波器的主要程序。%=IIR低通濾波器=wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;fp=2*Ft*tan(wp/2);fs=2*Fs*tan(wp/2);n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,'s'); %求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率b11,a11=butter(n11,wn11,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù) num11,den11

17、=bilinear(b11,a11,0.5); %雙線性變換實現(xiàn)S域到Z域的變換 h,w=freqz(num11,den11); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);legend('用butter設(shè)計');圖3-5 IIR低通濾波器%=IIR帶通=wp1=tan(pi*Fp1/Ft); %帶通到低通濾波器的轉(zhuǎn)換wp2=tan(pi*Fp2/Ft);ws1=tan(pi*Fs1/Ft);ws2=tan(pi*Fs2/Ft);w=wp1*wp2/ws2;bw=wp2-wp1;wp=1;ws=(wp1*wp2-w.2)/(bw*w);n12,wn

18、12=buttord(wp,ws,1,50,'s'); %求低通濾波器階數(shù)和截止頻率b12,a12=butter(n12,wn12,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)參數(shù)num2,den2=lp2bp(b12,a12,sqrt(wp1*wp2),bw);%將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為帶通的num12,den12=bilinear(num2,den2,0.5);%雙線性變換實現(xiàn)S域到Z域的轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num12,den12); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);axis(0 4000 0 1.5);legend('用b

19、utter設(shè)計');圖3-6 IIR帶通濾波器%=IIR高通=Ft=8000;Fp=4000;Fs=3500;wp1=tan(pi*Fp/Ft); %高通到低通濾波器參數(shù)轉(zhuǎn)換ws1=tan(pi*Fs/Ft);wp=1;ws=wp1*wp/ws1;n13,wn13=cheb1ord(wp,ws,1,50,'s'); %求模擬的低通濾波器階數(shù)和截止頻率b13,a13=cheby1(n13,1,wn13,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù)num,den=lp2hp(b13,a13,wn13); %將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為高通的num13,den13=biline

20、ar(num,den,0.5); %利用雙線性變換實現(xiàn)S域到Z域轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num13,den13);plot(w*21000*0.5/pi,abs(h);title('IIR高通濾波器');legend('用cheby1設(shè)計');圖3-7 IIR 高通濾波器3.3.2 濾波后的時域及頻譜分析Ft=8000;Fp=4000;Fs=3500;wp1=tan(pi*Fp/Ft); %高通到低通濾波器參數(shù)轉(zhuǎn)換ws1=tan(pi*Fs/Ft);wp=1;ws=wp1*wp/ws1;n13,wn13=cheb1ord(wp,ws,1,50,'s

21、9;); %求模擬的低通濾波器階數(shù)和截止頻率b13,a13=cheby1(n13,1,wn13,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù)num,den=lp2hp(b13,a13,wn13); %將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為高通的num13,den13=bilinear(num,den,0.5); %利用雙線性變換實現(xiàn)S域到Z域轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num13,den13);plot(w*21000*0.5/pi,abs(h);title('IIR高通濾波器');legend('用cheby1設(shè)計'); 圖3-8 切比雪夫濾波器濾波后的頻譜分析Ft=8000

22、;Fp=4000;Fs=3500;wp1=tan(pi*Fp/Ft); %高通到低通濾波器參數(shù)轉(zhuǎn)換ws1=tan(pi*Fs/Ft);wp=1;ws=wp1*wp/ws1;n13,wn13=buttord(wp,ws,1,50,'s');%求高通濾波器的階數(shù)和截止頻率?b13,a13=butter(n13,wn13,'s');%求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù)?num11,den11=bilinear(b13,a13,0.5);%利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應(yīng)S域到Z域的變換n = length (y) ; %求出語音信號的長度t=0:n-1; d=0.5*cos(3*t)' %隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y+d; %語音信號加入噪聲S=fft(s); %傅里葉變換z11=filter(num11,den11,s);m11=fft(z11);pl