語音信號(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)自己的語音進(jìn)行錄制,然后設(shè)計(jì)IIR濾波器,并通過所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行語音信號(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:語音信號(hào)的處理與濾波〔難度系數(shù)：0.81．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)這些無效點(diǎn)的采樣？3．畫出語音信號(hào)的時(shí)域波形;然后對(duì)語音信號(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?！部紤]如何解決一個(gè)實(shí)際問題：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)這些無效點(diǎn)的采樣？2．語音信號(hào)的頻譜分析要求首先畫出語音信號(hào)的時(shí)域波形；然后對(duì)語音號(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,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。5．比較濾波前后語音信號(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)語音采集。第二個(gè)是使用Matlab中的wavread函數(shù)也可以進(jìn)行語音采集。不過wavread函數(shù)只能讀取計(jì)算機(jī)中已經(jīng)有的".wav"文件,也就是說必須事先使用windows的錄音機(jī)等設(shè)備把有關(guān)的語音資料錄制并存儲(chǔ)為".wav"文件。顯然wavread函數(shù)不能用于實(shí)時(shí)語音信號(hào)采集。另外語音采集的頻率和精度不能改變。回放時(shí)也有兩個(gè)函數(shù)可以選用。Sound函數(shù)和wavplay,只不過后者的功能沒有前者強(qiáng)大。不過在本設(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。一般是無限長的,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)因果的有限長的濾波器h<n>,最直接的方法是截?cái)?即截取為有限長因果序列,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),用來選擇主瓣寬度和旁瓣衰減之間的交換關(guān)系,一般說來,β越大,過渡帶越寬,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?！?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)?！?確定延時(shí)值〔4計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng),?！?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低通濾波器來濾我們錄制的語音,用fftfilt函數(shù)可以把我們錄制的語音放到設(shè)計(jì)好的濾波器進(jìn)行濾波.然后angle函數(shù)求出濾波后語音的相位譜,用abs求出幅度譜.然后再用wavwrite對(duì)濾波后的語音保存為聲音文件.五、實(shí)現(xiàn)過程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)格線通過觀察圖形,發(fā)現(xiàn)在錄音過程中出現(xiàn)了這樣一個(gè)現(xiàn)象：錄制剛開始時(shí),出現(xiàn)一些無效的點(diǎn),后面也出現(xiàn)一些無效的點(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)了一些無效點(diǎn),而后面出現(xiàn)的無效的點(diǎn),主要是已經(jīng)沒有聲音的動(dòng)作。我們首先要想辦法要去掉這些無效點(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'>;%讀取原始語音信號(hào)d=fft<y,8000>;%對(duì)語音信號(hào)做8000點(diǎn)的FFT變換subplot<2,2,1>;%分割窗口plot<abs<d>>;%繪出語音信號(hào)的幅度譜xlabel<'頻率'>;%加X軸說明ylabel<'幅值'>;%加Y軸說明title<'8000點(diǎn)幅度譜'>;%加圖形說明grid;%添加網(wǎng)格subplot<2,2,2>;%分割窗口plot<angle<d>>;%繪出語音信號(hào)的相位譜xlabel<'頻率'>;%加X軸說明ylabel<'angle<d>'>;%加Y軸說明title<'8000點(diǎn)相位譜'>;%加圖形說明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'>;%讀取原始語音信號(hào)d=fft<y,16000>;%對(duì)語音信號(hào)做16000點(diǎn)的FFT變換subplot<2,2,3>;%分割窗口plot<abs<d>>;%繪出語音信號(hào)的幅度譜xlabel<'頻率'>;%加X軸說明ylabel<'幅值'>;%加Y軸說明title<'16000點(diǎn)幅度譜'>;%加圖形說明grid;%添加網(wǎng)格subplot<2,2,4>;%分割窗口plot<angle<d>>;%繪出語音信號(hào)的相位譜xlabel<'頻率'>;%加X軸說明ylabel<'angle<d>'>;%加Y軸說明title<'16000點(diǎn)相位譜'>;%加圖形說明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)'>;%加圖形說明xlabel<'\omega/\pi'>;%加X軸說明〔/后表示轉(zhuǎn)義字符ylabel<'振幅<幅值>'>;%加Y軸說明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)'>;%加圖形說明xlabel<'\omega/\pi'>;%加X軸說明〔/后表示轉(zhuǎn)義字符ylabel<'振幅<分貝>'>;%加Y軸說明4．對(duì)聲音進(jìn)行濾波：把我們上面錄制的語音放到濾波器里進(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'>;%讀取原始語音信號(hào)y1=wavread<'F:\新建文件夾\dgw1.wav'>;%讀取濾波后語音信號(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