電子設(shè)計(jì) 基于MATLAB的有噪聲語(yǔ)音信號(hào)處理

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目： 基于MATLAB的有噪聲語(yǔ)音信號(hào)處理 二O一一 年 六 月 十 日摘要濾波器設(shè)計(jì)在數(shù)字信號(hào)處理中占有極其重要的地位，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器和IIR濾波器是濾波器設(shè)計(jì)的重要組成局部。Matlab功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)、編程效率高,深受廣闊科技工作者的歡送。特別是Matlab還具有信號(hào)分析工具箱,不需具備很強(qiáng)的編程能力,就可以很方便地進(jìn)行信號(hào)分析、處理和設(shè)計(jì)。利用MATLAB信號(hào)處理工具箱可以快速有效地設(shè)計(jì)各種數(shù)字濾波器。課題基于MATLAB有噪音語(yǔ)音信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析和濾波。通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用MAT

2、LAB作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，使用窗函數(shù)法來(lái)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線(xiàn)性變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，并利用MATLAB作為輔助工具完成設(shè)計(jì)中的計(jì)算與圖形的繪制。通過(guò)對(duì)對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB信號(hào)處理工具箱可以有效快捷地設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器，過(guò)程簡(jiǎn)單方便，結(jié)果的各項(xiàng)性能指標(biāo)均到達(dá)指定要求。關(guān)鍵詞 數(shù)字濾波器；MATLAB；窗函數(shù)法； 巴特沃斯； 切比雪夫； 雙線(xiàn)性變換Abstract Filter design in digital signal processing plays an extremely imp

3、ortant role, FIR digital filters and IIR filter is an important part of filter design. Matlab is powerful, easy to learn, programming efficiency, which was welcomed by the majority of scientists. Matlab also has a particular signal analysis toolbox, it need not have strong programming skills can be

4、easily signal analysis, processing and design. Using MATLAB Signal Processing Toolbox can quickly and efficiently design a variety of digital filters. MATLAB based on the noise issue speech signal processing design and implementation of digital signal processing integrated use of the theoretical kno

5、wledge of the speech signal plus noise, time domain, frequency domain analysis and filtering. The corresponding results obtained through theoretical derivation, and then use MATLAB as a programming tool for in the design process, using the window function method to design FIR digital filters with Bu

6、tterworth, Chebyshev and bilinear Reform IIR digital filter design and use of MATLAB as a supplementary tool to complete the calculation and graphic design Drawing. Through the simulation of the designed filter and the frequency analysis shows that using Matlab Signal Processing Toolbox can quickly

7、and easily design digital filters FIR and IIR, the process is simple and convenient, the results of the performance indicators to meet the specified requirements.Keywords： digital filter; MATLAB; Chebyshev; Butterworth;Window function method; bilinear transformation 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _T

8、oc295833465 1緒論 PAGEREF _Toc295833465 h 1 HYPERLINK l _Toc295833466 研究的目的和意義 PAGEREF _Toc295833466 h 2 HYPERLINK l _Toc295833467 1.2 國(guó)內(nèi)同行研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295833467 h 2 HYPERLINK l _Toc295833468 本課題的研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc295833468 h 4 HYPERLINK l _Toc295833469 2.原始語(yǔ)音信號(hào)采集與處理 PAGEREF _Toc295833469 h 5 HYPER

9、LINK l _Toc295833470 2.1 Matlab簡(jiǎn)單介紹 PAGEREF _Toc295833470 h 5 HYPERLINK l _Toc295833471 2.2 語(yǔ)音信號(hào)的采樣理論依據(jù) PAGEREF _Toc295833471 h 6 HYPERLINK l _Toc295833472 語(yǔ)音信號(hào)的采集 PAGEREF _Toc295833472 h 7 HYPERLINK l _Toc295833473 程序流程圖 PAGEREF _Toc295833473 h 7 HYPERLINK l _Toc295833474 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析 PAGEREF _Toc2958

10、33474 h 8 HYPERLINK l _Toc295833475 2.6 語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析 PAGEREF _Toc295833475 h 9 HYPERLINK l _Toc295833476 2.7 本章小結(jié) PAGEREF _Toc295833476 h 11 HYPERLINK l _Toc295833477 3設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器 PAGEREF _Toc295833477 h 12 HYPERLINK l _Toc295833478 3.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的根本思路 PAGEREF _Toc295833478 h 12 HYPERLINK l _Toc295833479 3.

11、2 模擬濾波器概述 PAGEREF _Toc295833479 h 12 HYPERLINK l _Toc295833480 3.3 IIR數(shù)字濾波器概述 PAGEREF _Toc295833480 h 12 HYPERLINK l _Toc295833481 3.4 FIR數(shù)字濾波器概述 PAGEREF _Toc295833481 h 13 HYPERLINK l _Toc295833482 3.5 FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器比擬 PAGEREF _Toc295833482 h 13 HYPERLINK l _Toc295833483 3.6 低通，高通及帶通濾波器 PAGEREF

12、_Toc295833483 h 14 HYPERLINK l _Toc295833484 3.7 設(shè)計(jì)FIR濾波器 PAGEREF _Toc295833484 h 14 HYPERLINK l _Toc295833485 3.8 設(shè)計(jì)IIR濾波器 PAGEREF _Toc295833485 h 15 HYPERLINK l _Toc295833486 3.9 雙線(xiàn)性變換法和窗函數(shù)法 PAGEREF _Toc295833486 h 15 HYPERLINK l _Toc295833487 3.10 本章小結(jié) PAGEREF _Toc295833487 h 18 HYPERLINK l _Toc2

13、95833488 4 進(jìn)行濾波，比擬濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜 PAGEREF _Toc295833488 h 19 HYPERLINK l _Toc295833489 4.1驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器 PAGEREF _Toc295833489 h 19 HYPERLINK l _Toc295833490 濾波 PAGEREF _Toc295833490 h 21 HYPERLINK l _Toc295833491 本章小結(jié) PAGEREF _Toc295833491 h 23 HYPERLINK l _Toc295833492 界面 PAGEREF _Toc295833492 h 24 HYPE

14、RLINK l _Toc295833493 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)工具GUI概述 PAGEREF _Toc295833493 h 24 HYPERLINK l _Toc295833494 創(chuàng)立GUI界面 PAGEREF _Toc295833494 h 24 HYPERLINK l _Toc295833495 創(chuàng)立開(kāi)關(guān)按鈕 PAGEREF _Toc295833495 h 25 HYPERLINK l _Toc295833496 保存和修改fig文件 PAGEREF _Toc295833496 h 26 HYPERLINK l _Toc295833497 編寫(xiě)M文件 PAGEREF _Toc29583349

15、7 h 28 HYPERLINK l _Toc295833498 本章小結(jié) PAGEREF _Toc295833498 h 33 HYPERLINK l _Toc295833499 總結(jié) PAGEREF _Toc295833499 h 34 HYPERLINK l _Toc295833500 致謝 PAGEREF _Toc295833500 h 35 HYPERLINK l _Toc295833501 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295833501 h 36 HYPERLINK l _Toc295833502 附錄 PAGEREF _Toc295833502 h 38 HYPERLINK

16、 l _Toc295833503 附錄I 設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器 PAGEREF _Toc295833503 h 38 HYPERLINK l _Toc295833504 附錄II比擬濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜 PAGEREF _Toc295833504 h 461緒論數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識(shí)別等加工處理，借以到達(dá)提取信息和便于應(yīng)用的目的。它在語(yǔ)音、雷達(dá)、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器, 是數(shù)字信號(hào)處

17、理中及其重要的一局部。隨著信息時(shí)代和數(shù)字技術(shù)的開(kāi)展，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。數(shù)字濾波器可以通過(guò)數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活不存在阻抗匹配問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。數(shù)字濾波器種類(lèi)很多，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即有限沖激響應(yīng)( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)( IIR，Infinite Impulse Response)濾波器。FIR濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反應(yīng)，系統(tǒng)函數(shù)H (z)在處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處因果系統(tǒng)，因而只能用較

18、高的階數(shù)到達(dá)高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線(xiàn)性相位，就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過(guò)fir濾波器后他們的時(shí)間差不變，這是很好的性質(zhì)。FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶或多阻帶濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。IIR濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反應(yīng)環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等根本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反應(yīng)回路。同時(shí)，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成

19、熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫(xiě)出模擬濾波器的公式，然后通過(guò)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。濾波器的設(shè)計(jì)可以通過(guò)軟件或設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著MATLAB軟件及信號(hào)處理工具箱的不斷完善，MATLAB很快成為應(yīng)用學(xué)科等領(lǐng)域不可或缺的根底軟件。它可以快速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、分析和仿真，極大地減輕了工作量,有利于濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化1。研究的目的和意義 語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析技術(shù)是一門(mén)涉及面很廣的交叉科學(xué)，它的應(yīng)用和開(kāi)展與語(yǔ)音學(xué)、聲音測(cè)量學(xué)、電子測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)

20、處理等學(xué)科緊密聯(lián)系，語(yǔ)音是人類(lèi)獲取信息的重要來(lái)源和利用信息的重要手段。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)條件或各種其他主觀(guān)或客觀(guān)條件的原因，語(yǔ)音處理系統(tǒng)都不可防止地要受到各種噪聲的干擾。噪聲不但降低了語(yǔ)音質(zhì)量和語(yǔ)音的可懂度，而且還將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的急劇惡化，嚴(yán)重時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺

21、脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言如C、Fortran的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以極大程度上削弱噪聲影響，復(fù)原出真實(shí)的語(yǔ)音信號(hào)相符度在90%以上2。1.2 國(guó)內(nèi)同行研究現(xiàn)狀 MATLAB是Matrix Laboratory矩陣實(shí)驗(yàn)室的縮寫(xiě)，是MathWorks推出的一套高性能可視化軟件，它集數(shù)值分析，矩陣運(yùn)算，函數(shù)生成，信號(hào)處理，圖像處理，建模與仿真等諸多功能于一體，為使用者提供一個(gè)高效的編程工具。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們就用它作為編程工具和輔助工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。噪聲污染位于聯(lián)合國(guó)四大公認(rèn)污染之一，無(wú)論是鋒利的火車(chē)汽笛聲，還是我們?nèi)舛?tīng)不到的超聲波，次聲波都有可

22、能給人們生活帶來(lái)極大不便。在機(jī)械方面，機(jī)械件碰撞帶來(lái)的噪聲會(huì)縮短器件壽命，在電子方面，電器件在噪聲的影響下可能會(huì)失靈。華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)工程研究中心武漢劉智老師曾經(jīng)就機(jī)械噪聲給人們身心帶來(lái)的傷害進(jìn)行過(guò)一次計(jì)算機(jī)仿真，同時(shí)用MATLAB進(jìn)行了信號(hào)處理。此次研究，他通過(guò)比擬加噪前后，語(yǔ)音的頻譜和語(yǔ)音回放，能明顯的感覺(jué)到參加噪聲后回放的聲音與原始的語(yǔ)音信號(hào)有很大的不同,前者隨較鋒利的干擾嘯叫聲。從含噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖中可以看出含噪聲的語(yǔ)音信號(hào)頻譜,在整個(gè)頻域范圍內(nèi)分是布均勻。其實(shí)，這正是干擾所造成的。通過(guò)濾波前后的比照，得出低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差的結(jié)果3。大連理工大學(xué)2000

23、級(jí)碩士蔣瑞艷也曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)振動(dòng)，噪聲處理系統(tǒng)，它是WINDOWS界面下的振動(dòng)、噪聲信號(hào)處理系統(tǒng)，它在專(zhuān)用模擬輸入硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持下，可以完成振動(dòng)、噪聲信號(hào)的數(shù)據(jù)采集以及功率譜、倒譜、譜陣和傳遞函數(shù)分析等功能。能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成各種對(duì)應(yīng)的圖形，并具備ZOOM功能。它可以廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和教學(xué)中做振動(dòng)、噪聲的測(cè)試和分析，可以代替專(zhuān)用信號(hào)處理機(jī)的工作。 本系統(tǒng)軟件采用先進(jìn)的C+ Builder語(yǔ)言編制，在WINDOWS系統(tǒng)下運(yùn)行。軟件界面的設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足大多數(shù)用戶(hù)為主，力求直觀(guān)通俗，通過(guò)菜單驅(qū)動(dòng)完成各個(gè)功能4。華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院就“基于MATLAB的噪聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)研究 做過(guò)

24、研究報(bào)告，他們利用MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱(DAQ)和信號(hào)處理工具箱開(kāi)發(fā)了一套聲音信號(hào)采集分析系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低本錢(qián)、高精度的實(shí)時(shí)采集,還能將聲音信號(hào)資料導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。利用另外一個(gè)工具Compiler使編制的MATLAB程序能夠獨(dú)立運(yùn)行從而提高了運(yùn)行速度;配備了友好的圖形用戶(hù)界面(GUI),方便用戶(hù)操作。最后給出了系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)噪聲診斷方面的應(yīng)用實(shí)例5。在機(jī)械方面，西北工業(yè)大學(xué)航海工程學(xué)院就“基于MATLAB的艦船輻射噪聲信號(hào)小波消噪處理 做過(guò)研究報(bào)告,他們針對(duì)艦船輻射噪聲信號(hào)的特點(diǎn)提出了小波消噪的方法,對(duì)小波消噪理論作了簡(jiǎn)要的闡述,并設(shè)計(jì)了一種消噪方案,最后利用MAT

25、LAB,在計(jì)算機(jī)上選用不同的小波基和閾值進(jìn)行了實(shí)船信號(hào)的消噪處理試驗(yàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析比擬。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,在選擇了適宜的小波基和閾值的情況下,利用小波變換的方法對(duì)艦船輻射噪聲進(jìn)行消噪處理可以取得良好的效果6。 由此可見(jiàn)，MATLAB給噪聲處理帶來(lái)了極大“福音。1.3本課題的研究?jī)?nèi)容課題基于MATLAB有噪音語(yǔ)音信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析和濾波。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)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，使用窗函數(shù)法來(lái)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線(xiàn)性變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，

26、并利用MATLAB 作為輔助工具完成設(shè)計(jì)中的計(jì)算與圖形的繪制。通過(guò)對(duì)對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB信號(hào)處理工具箱可以有效快捷地設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器。2.原始語(yǔ)音信號(hào)采集與處理2.1 Matlab簡(jiǎn)單介紹 MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室Matrix Laboratory的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、

27、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言如C、Fortran的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)立用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域

28、。 MATLAB的根本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也參加了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶(hù)也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶(hù)可以直接進(jìn)行下載就可以用。MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物

29、學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱單獨(dú)提供的專(zhuān)用 MATLAB 函數(shù)集擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類(lèi)型的問(wèn)題。2.2 語(yǔ)音信號(hào)的采樣理論依據(jù)采樣頻率采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)聲音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率越高，即采樣的間隔時(shí)間越短，那么在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對(duì)聲音波形的表示也越精確。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音復(fù)原成為原來(lái)的聲音。這就是說(shuō)采樣頻率是衡量聲卡采集、記錄和復(fù)原聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣位數(shù)采樣位數(shù)即采

30、樣值或取樣值，用來(lái)衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對(duì)聲音信號(hào)的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的復(fù)原就越真實(shí)越自然。采樣位數(shù)和采樣率對(duì)于音頻接口來(lái)說(shuō)是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論采樣頻率如何，理論上來(lái)說(shuō)采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個(gè)采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多那么捕捉到的信號(hào)越精確。對(duì)于采樣率來(lái)說(shuō)你可以想象它類(lèi)似于一個(gè)照相機(jī)，44.1kHz意味著音頻流進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)每秒會(huì)對(duì)其拍照達(dá)441000次。顯然采樣率越高，計(jì)算機(jī)攝取的圖片越多，對(duì)于原始音頻

31、的復(fù)原也越加精確。采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中，最高頻率fmax的2倍時(shí)，即：fs.max=2fmax,那么采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保存了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的510倍；采樣定理又稱(chēng)奈奎斯特定理。 1924年奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式:理想低通信道的最高大碼元傳輸速率=2W*log2 N (其中W是理想低通信道的帶寬,N是電平強(qiáng)度)2.3語(yǔ)音信號(hào)的采集利用PC機(jī)上的聲卡和WINDOWS操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。將話(huà)筒輸入計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音輸入插口上,啟動(dòng)錄音機(jī)。按

32、下錄音按鈕,接著對(duì)話(huà)筒說(shuō)話(huà)“語(yǔ)音信號(hào)處理,說(shuō)完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長(zhǎng)度。點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“Orisound保存入c : MATLAB work中?？梢钥吹?文件存儲(chǔ)器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是WINDOWS操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)始用wavread讀取語(yǔ)音信號(hào)，并進(jìn)行采樣，建立數(shù)據(jù)文件，并用plot畫(huà)出數(shù)據(jù)文件時(shí)域波形圖和頻譜圖利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲參加到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析?；胤耪Z(yǔ)音信號(hào)得出所設(shè)計(jì)濾波器在語(yǔ)音處理中的優(yōu)劣并開(kāi)始用wavread讀取語(yǔ)音信號(hào)，并進(jìn)行采樣，建立數(shù)據(jù)文件，并用plo

33、t畫(huà)出數(shù)據(jù)文件時(shí)域波形圖和頻譜圖利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲參加到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析?；胤耪Z(yǔ)音信號(hào)得出所設(shè)計(jì)濾波器在語(yǔ)音處理中的優(yōu)劣并設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)界面。結(jié)束運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理理論設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器， 并對(duì)被噪聲污染的語(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。圖 2-1程序流程圖在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)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)，Wavread函數(shù)調(diào)用格式y(tǒng)=wavreadfile%讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。y,fs,bits=wavread(file) %采樣值

34、放在向量y中，fs表示采樣頻率hz，bits表示采樣位數(shù)。y=wavreadfile，N%讀取前N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。y=wavreadfile，N1,N2%讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)Orisound.wav進(jìn)行采樣其程序如下：y,fs,nbits=wavread (OriSound); %把語(yǔ)音信號(hào)加載入MATLAB仿真軟件平臺(tái)中畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計(jì)算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：Xk=fft(xn,N) 式2-1參數(shù)xn為被變換的時(shí)域序列向量，N是DFT變換區(qū)間長(zhǎng)度，當(dāng)N大于xn的長(zhǎng)

35、度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。程序如下：y,fs,nbits=wavread(OriSound); %語(yǔ)音信號(hào)的采集sound(y,fs,nbits); %語(yǔ)音信號(hào)的播放n=length(y) ; Y=fft(y,n); %快速傅里葉變換figure;subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信號(hào)波形,fontweight,bold);axis( 78000 80000 -1 1);grid;subplot(2,

36、1,2);plot(abs(Y);title(原始信號(hào)頻譜,fontweight,bold);axis( 0 150000 0 4000);grid;程序結(jié)果如下列圖： 圖 2-2 原始信號(hào)采集波形圖2.6 語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析在MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，我們可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù)：一個(gè)是WGN，另一個(gè)是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN那么用于在某一信號(hào)中參加高斯白噪聲。也可直接用randn函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。在本次設(shè)計(jì)中，我們是利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲參加到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜分析。Randn函數(shù)有兩種根本調(diào)

37、用格式：Randn(n)和Randnm,n,前者產(chǎn)生nn服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生mn的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randnm,n函數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：y,fs,nbits=wavread(OriSound);sound(y,fs,nbits); n = length (y) ; Noise=0.2*randn(n,2);s=y+Noise;sound(s);figure;subplot(2,1,1);plot(s);title(加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形,fontweight,bold);axis( 78000 80000 -1 1);grid;S=ff

38、t(s); subplot(2,1,2);plot(abs(S);title(加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻域波形,fontweight,bold);axis( 0 150000 0 4000);grid; 圖 2-3 信號(hào)加噪時(shí)域波形圖與頻譜圖2.7 本章小結(jié) 本章介紹了語(yǔ)音信號(hào)的采集，信號(hào)加白噪聲，加噪后的時(shí)域與頻域分析。3設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器3.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的根本思路數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：一個(gè)從數(shù)字域到模擬域間的變換，這個(gè)變換實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)到模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，同樣也實(shí)現(xiàn)了模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)到數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的轉(zhuǎn)換；另一個(gè)是從模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)到滿(mǎn)足該指標(biāo)的模擬濾波器的設(shè)計(jì)

39、。3.2 模擬濾波器概述用模擬數(shù)字變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，首先必須設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器，它有許多不同的類(lèi)型，主要有以下兩種類(lèi)型： = 1 * GB3 巴特沃思Botterworth簡(jiǎn)寫(xiě)B(tài)W濾波器。BW濾波器是根據(jù)幅頻特性在通帶內(nèi)具有最拼圖特性而定義的濾波器，對(duì)一個(gè)N階低通濾波器來(lái)說(shuō)，所謂最平坦特性就是模擬函數(shù)的前2N-1階導(dǎo)數(shù)在處都為零。BW濾波器的另一個(gè)特性是在通帶和阻帶內(nèi)的幅頻特性始終是頻率的單調(diào)下降函數(shù)，且其模擬函數(shù)隨階次N 的增大而更接近于理想低通濾波器。 = 2 * GB3 切比雪夫Chbyshev簡(jiǎn)寫(xiě)為CB濾波器。CB低通濾波器的模擬函數(shù)由切比雪夫多項(xiàng)式定義，且在通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)

40、是波動(dòng)的，在阻帶那么單調(diào)變化。3.3 IIR數(shù)字濾波器概述IIR(Infinite Impulse Response)數(shù)字濾波器，又名“無(wú)限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器，或“遞歸濾波器。遞歸濾波器，也就是IIR數(shù)字濾波器，顧名思義，具有反應(yīng)，一般認(rèn)為具有無(wú)限的脈沖響應(yīng)。IIR濾波器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1封閉函數(shù)：IIR數(shù)字濾波器的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/710031.htm t _blank 系統(tǒng)函數(shù)可以寫(xiě)成封閉函數(shù)的形式。 2IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)：IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反應(yīng)環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等根本運(yùn)算組

41、成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反應(yīng)回路。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2027004.htm t _blank 寄生振蕩。 3借助成熟的模擬濾波器的成果：IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3044598.htm t _blank 橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計(jì)工作量比擬小，對(duì)計(jì)算工具的要求不高。在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫(xiě)出模擬濾波器的

42、公式，再通過(guò)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。4需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)：IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對(duì)相位要求較高時(shí)，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。3.4 FIR數(shù)字濾波器概述FIR數(shù)字濾波器finite impulse response filter又名“有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器，這類(lèi)濾波器對(duì)于脈沖輸入信號(hào)的響應(yīng)最終趨向于0，因此而得名。有限脈沖響應(yīng)濾波器FIR filter的優(yōu)點(diǎn)：1 脈沖響應(yīng)impulse response為有限長(zhǎng)：造成當(dāng)輸入數(shù)位訊號(hào)為有限長(zhǎng)的時(shí)候，輸出數(shù)位訊號(hào)也為有限長(zhǎng)。2 比無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器IIR filter較容易最正確化optimize。3 線(xiàn)性相位li

43、near phase：造成h(n),是偶對(duì)稱(chēng)even或奇對(duì)稱(chēng)odd且有限長(zhǎng)。4一定是穩(wěn)定的stable：因?yàn)閆轉(zhuǎn)換Z transform后所有的極點(diǎn)pole都在單位圓內(nèi)3.5 FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器比擬 不管是IIR濾波器還是FIR濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個(gè)步驟：(1)按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。(2)用一個(gè)因果、穩(wěn)定的離散線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求可以用IIR系統(tǒng)函數(shù)，也可以用FIR系統(tǒng)函數(shù)去逼近。(3)利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長(zhǎng)選擇等。但I(xiàn)IR濾波器和FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法完全不同。IIR濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直

44、接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行的。其設(shè)計(jì)步驟是：先設(shè)計(jì)過(guò)渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)Hs，然后將Hs按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。FIR濾波器比鞥采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對(duì)于線(xiàn)性相位濾波器，經(jīng)常采用FIR濾波器。3.6 低通，高通及帶通濾波器低通濾波器：對(duì)于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱(chēng)為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線(xiàn)路如音頻設(shè)備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障acoustic barriers、圖像模糊處理等等，

45、這兩個(gè)工具都通過(guò)剔除短期波動(dòng)、保存長(zhǎng)期開(kāi)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式。低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)moving average)所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。高通濾波器：去掉信號(hào)中不必要的低頻成分，去掉低頻干擾的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/141368.htm t _blank 濾波器。在電力系統(tǒng)中， HYPERLINK :/baike.baidu /view/189692.htm t _blank 諧波補(bǔ)償時(shí)用高通濾波器濾除某次及其以上的各次諧波。高通濾波器是指車(chē)載功放中能

46、夠讓中、高頻信號(hào)通過(guò)而不讓低頻信號(hào)通過(guò)的電路，其作用是濾去音頻信號(hào)中的低音成分，增強(qiáng)中音和高音成分以驅(qū)動(dòng) HYPERLINK :/baike.baidu /view/29867.htm t _blank 揚(yáng)聲器的中音和高音單元。此外高通濾波器常常和iew/204522.htm t _blank 低通濾波器成對(duì)出現(xiàn)，不管哪一種，都是為了把一定的聲音頻率送到應(yīng)該去的單元。帶通濾波器：能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/30964.htm t _blank 頻率分量、但將其他范圍的頻率分量 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6

47、39663.htm t _blank 衰減到極低水平的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/141368.htm t _blank 濾波器，與 HYPERLINK :/baike.baidu /view/204526.htm t _blank 帶阻濾波器的概念相對(duì)。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路(RLC circuit)。這些濾波器也可以用 HYPERLINK :/baike.baidu /view/204522.htm t _blank 低通濾波器同 HYPERLINK :/baike.baidu /view/204523.htm t _blank 高

48、通濾波器組合來(lái)產(chǎn)生。3.7 設(shè)計(jì)FIR濾波器如前所述，IIR濾波器和FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有很大的區(qū)別。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。如下：1根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過(guò)渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)類(lèi)型矩形窗、三角窗、漢寧窗、哈明窗、凱塞窗等，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類(lèi)型。原那么是在保證阻帶衰減滿(mǎn)足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。2構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。3計(jì)算h(n).。4加窗得到設(shè)計(jì)結(jié)果。3.8 設(shè)計(jì)IIR濾波器無(wú)論是數(shù)字濾波器還是模擬濾波器，他們技術(shù)指標(biāo)的建立都是以所謂的“固有衰減參數(shù)為參照。以數(shù)字濾波器為例，固有衰減參數(shù)關(guān)于之旅分量歸一化定義為 A(w

49、)=-20lg|H(ejw)|-20lg|Hej0| 式3-1目前IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的最通用的方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法。模擬濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一套相當(dāng)成熟的方法，它不但有完整的設(shè)計(jì)公式，而且還有較為完整的圖表供查詢(xún)，因此，充分利用這些已有的資源將會(huì)給數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟是： = 1 * GB3 按一定規(guī)那么將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)； = 2 * GB3 根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)模擬低通濾波器； = 3 * GB3 再按一定規(guī)那么將G(s)轉(zhuǎn)換成H(z)。假設(shè)設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器是低通的，那么上述設(shè)計(jì)工作可以結(jié)束，假設(shè)所

50、設(shè)計(jì)的是高通，帶通或帶阻濾波器，那么還有步驟 = 4 * GB3 ； = 4 * GB3 將高通、帶通、或帶阻數(shù)字l不去的技術(shù)指標(biāo)先轉(zhuǎn)化為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后按照上述步驟 = 2 * GB3 設(shè)計(jì)出低通，再將轉(zhuǎn)換為所需的H(z)。3.9 雙線(xiàn)性變換法和窗函數(shù)法對(duì)于數(shù)字高通、帶通濾波器的設(shè)計(jì)，通用方法為雙線(xiàn)性變換法?？梢越柚谀M濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)一個(gè)所需類(lèi)型的過(guò)渡模擬濾波器，再經(jīng)過(guò)雙線(xiàn)性變換將其轉(zhuǎn)換籌劃那個(gè)所需的數(shù)字濾波器。具體設(shè)計(jì)步驟如下：1確定所需類(lèi)型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)。2將所需類(lèi)型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為)式3-2(3)將相應(yīng)類(lèi)型的模

51、擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標(biāo)。4設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。5通過(guò)頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類(lèi)型的過(guò)渡模擬濾波器。6采用雙線(xiàn)性變換法將相應(yīng)類(lèi)型的過(guò)渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類(lèi)型的數(shù)字濾波器。我們知道，脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻響偏離模擬濾波器的頻響特性。為了克服之一缺點(diǎn)，可以采用雙線(xiàn)性變換法。下面我們總結(jié)一下利用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器的步驟：1確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：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(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。3按照模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)及過(guò)渡模擬低通

52、濾波器。4用雙線(xiàn)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(lái)，我們根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器的性能指標(biāo)：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB高通濾波器的性能指標(biāo)：fp=3500Hz，fc=4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；帶通濾波器的性能指標(biāo)：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB在Matlab中，可以利用函數(shù)fir1設(shè)計(jì)FIR濾波器，利用函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器，利用Matlab中的函

53、數(shù)freqz畫(huà)出各步步器的頻率響應(yīng)。hn=fir1(M，wc，window)，可以指定窗函數(shù)向量window。如果缺省window參數(shù)，那么fir1默認(rèn)為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相應(yīng)的都有實(shí)現(xiàn)函數(shù)。MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)buttp buttor butter是巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，其有5種調(diào)用格式，本課程設(shè)計(jì)中用到的是N,wc=butter(N,wc,Rp,As,s),該格式用于計(jì)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(hào)處理工具箱函數(shù)cheblap,cheblord和c

54、heeby1是切比雪夫I型濾波器設(shè)計(jì)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,ftypr)函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線(xiàn)性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可。下面我們以IIR低通濾波器的設(shè)計(jì)為例：Ft=8000;Fp=1000;Fs=1200;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); b11,a11=butter(n11,wn11,

55、s); num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5);h,w=freqz(num11,den11);figure;plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);legend(IIR低通濾波器,Location,NorthWest);grid;程序結(jié)果如下列圖： 圖3-1 IIR低通濾波器IIR高通要用cheby1即切比雪夫I型濾波器函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，1p2hp其中p；pose模型，hhigh,同理，1p2bp中b表示band帶通，F(xiàn)IR與此類(lèi)似。其余具體程序及運(yùn)行結(jié)果如 附錄I 設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器3.10 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，利

56、用MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)，我們很容易寫(xiě)出其相應(yīng)程序。4 進(jìn)行濾波，比擬濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器為了驗(yàn)證濾波器的可使用性，我們用常用的sin函數(shù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。其具體程序及運(yùn)行結(jié)果如下：t=0:1/1023:1;s=sin(2*pi*t);N=length(s);y=s+0.5*rand(1,N);subplot(2,1,1);plot(y);title(加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形,fontweight,bold);S=fft(y); subplot(2,1,2);plot(abs(S);title(加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻域波形,fontweight,bold);Ft=8000;

57、Fp=1000;Fs=1200;wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;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=bilinear(b11,a11,0.5); %利用雙線(xiàn)性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)S域到Z域的變換 z11=filter(num11,den11,s);sound(z11);m11=fft(z11); %求濾波后的信號(hào)figure;subplot(2,2,1);plot(abs(S),g);title(濾波前信號(hào)的頻譜

58、,fontweight,bold);grid;subplot(2,2,2);plot(abs(m11),r);title(濾波后信號(hào)的頻譜,fontweight,bold);grid;subplot(2,2,3);plot(y);title(濾波前信號(hào)的波形,fontweight,bold);grid;subplot(2,2,4);plot(z11);title(濾波后的信號(hào)波形,fontweight,bold);grid; 圖 4-1 驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器由所得結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的濾波器符合要求。濾波用自己設(shè)計(jì)的各濾波器分別對(duì)加噪的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftf

59、ilt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。函數(shù)fftfilt用的是重疊相加法實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性卷積的計(jì)算。調(diào)用：y=fftfilter(h,x,M)。其中，h是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)向量；x是輸入序列向量；y是系統(tǒng)的輸出序列向量；M是有用戶(hù)選擇的輸入序列的分段長(zhǎng)度，缺省時(shí)，默認(rèn)的輸入向量的重長(zhǎng)度M=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter(B，A.xn)，它是按照直線(xiàn)型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)xn的濾波。其中xn是輸入信號(hào)向量，yn輸出信號(hào)向量。 由于所設(shè)計(jì)的濾波器有六個(gè)，故我們需要進(jìn)行六次濾波，然后比擬得出哪種濾波器的效果最好。下面我們以IIR低通為例：y,fs,nbits=wa

60、vread (OriSound); %IIR低通n = length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度Noise=0.2*randn(n,2); %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y+Noise; %語(yǔ)音信號(hào)參加噪聲S=fft(s); Ft=8000;Fp=1000;Fs=1200;wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;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=bilinear(b11,a11,0.5); %利用雙線(xiàn)性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)