基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)的FIR數(shù)字濾波處理

1、-基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)的FIR數(shù)字濾波處理 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 目錄 1 緒論 . 2 2課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) . 3 2.1 語(yǔ)音信號(hào)的錄制 . 3 2.2 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法 . 3 3語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析 . 4 3.1語(yǔ)音信號(hào)載入MATLAB . 4 3.2語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域和頻域分析 . 5 3.3設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器 . 6 3.3.1 窗函數(shù)hamming設(shè)計(jì)帶通濾波器 . 7 3.3.2 窗函數(shù)hanning設(shè)計(jì)帶通濾波器 . 8 3.3.3 窗函數(shù)Blackman設(shè)計(jì)帶通濾波器 . 9 3.3.4 窗函數(shù)Boxcar設(shè)計(jì)帶通濾波器 . 10 3.4濾波之后的時(shí)域和頻域分

2、析 . 11 3.4.1 窗函數(shù)hamming設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 . 11 3.4.2 窗函數(shù)hanning設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 . 11 3.4.3 窗函數(shù)Blackman設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 . 12 3.4.4 窗函數(shù)Boxcar設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 . 13 3.5回放語(yǔ)音信號(hào) . 13 結(jié)論 . 14 參考文獻(xiàn) . 15 1 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1 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，借以達(dá)到提取信息和便于應(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)

3、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)處理中及其重要的一部分。隨著信息時(shí)代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)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)，

4、沒(méi)有輸出到輸入的反饋，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)），因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。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)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器 運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以

5、組合成 2 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時(shí)，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)域不可或缺的基礎(chǔ)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

6、最優(yōu)化。 2課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 2.1 語(yǔ)音信號(hào)的錄制 聲音格式有很多種類，而MATLAB能夠識(shí)別的有兩種：*.wav和*au。 利用不同方式錄制的音頻文件格式不正確時(shí)，需要利用專門(mén)的軟件處理。一種簡(jiǎn)便的方法是利用“千千靜聽(tīng)”播放器進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。 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)。按下錄音按鈕,接著對(duì)話筒說(shuō)話“電子信息工程”,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“fengxiao”?？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

7、的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)，以下以wav格式進(jìn)行。 2.2 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有許多種，如窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、頻率采樣設(shè)計(jì)法 3 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 和最優(yōu)化設(shè)計(jì)法等。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本原理是用一定寬度窗函數(shù)截取無(wú)限脈沖響應(yīng)序列獲得有限長(zhǎng)的脈沖響應(yīng)序列，主要設(shè)計(jì)步驟為： (1) 通過(guò)傅里葉逆變換獲得理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)hd(n)。 (2) 由性能指標(biāo)確定窗函數(shù)W(n)和窗口長(zhǎng)度N。 (3) 求得實(shí)際濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)， h(n)即為所設(shè)計(jì)FIR濾波器系數(shù)向量b(n)。 (4) 檢驗(yàn)濾波器性能。 根據(jù)濾波前后的時(shí)域和頻域波形，比較去噪性能。 3語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析

8、 3.1語(yǔ)音信號(hào)載入MATLAB 利用MATLAB中的“wavread”命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再對(duì)其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。 Wavread的函數(shù)調(diào)用格式為： y,fs,nbits=wavered (wav文件的存放路徑); %把語(yǔ)音信號(hào)加載入Matlab 仿真軟件平臺(tái)中，并返回采樣頻率fs。 4 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.2語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域和頻域分析 時(shí)域波形用plot(y)就可以畫(huà)出。 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) 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

9、大于xn的長(zhǎng)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。其程序如下： clc; clear all; x1,Fs,bits=wavread(F:學(xué)習(xí)新建文件夾2.wav);sound(x1,Fs); figure(1); subplot(2,1,1);plot(x1); %做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形 title(原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形); xlabel(time n); ylabel(yinliang n);axis(0,200000,-0.4,0

10、.4); y1=fft(x1); %做length(x1)點(diǎn)的FFT y1=fftshift(y1);%平移，是頻率中心為0 derta_Fs = Fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔，分辨率 subplot(2,1,2);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(y1);%畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖 title(原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜);axis(-25000,25000,0,400);grid on; 波形為： 5 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.3設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器 根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜特點(diǎn)，大致在3003400之間，因此考慮用帶通濾波器對(duì)噪聲部分進(jìn)行

11、過(guò)濾。 MATLAB中設(shè)計(jì)FIR濾波器的方法有窗函數(shù)法、多帶方法、最小二乘法、任意響應(yīng)法、余弦法等。本設(shè)計(jì)從比較熟知的窗函數(shù)法入手，通過(guò)不同窗函數(shù)的分析和比較進(jìn)行編程。 h(n)=hd(n)w(n) W(n)所加的窗函數(shù)，通過(guò)上式將理想濾波器變?yōu)槲锢砜蓪?shí)現(xiàn)的濾波器。MATLAB中提供的窗函數(shù)有矩形窗、漢明窗、漢寧窗、Blackman窗、三角窗、Kaiser窗等。各種窗函數(shù)都有明顯的主瓣和旁瓣，主瓣和旁瓣的幅值衰減決定了窗函數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。矩形窗具有最窄的主瓣，但也具有最大的旁瓣峰值;Blackman窗具有最大的旁瓣衰減，但也具有最寬的主瓣寬度。不同的窗函數(shù)在這兩方面的特點(diǎn)不同，因此應(yīng)根據(jù)具體的問(wèn)

12、題進(jìn)行選擇。通常來(lái)講，哈明窗和漢寧窗的主瓣具有較小的旁瓣和較大的衰減速度， 是 6 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 較為常用的窗函數(shù)。 3.3.1 窗函數(shù)hamming設(shè)計(jì)帶通濾波器 以下是基于窗函數(shù)hamming帶通濾波器： f1=500; f2=4000; %帶通濾波器的通帶范圍 w1=2*pi*f1/Fs; w2=2*pi*f2/Fs; w=w1,w2; N3=ceil(4*pi/(2*pi*200/Fs); %計(jì)算濾波器的階數(shù) b3=FIR1(N3,w/pi,DC-0); %設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器 figure(2); freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng) title(帶通濾波

13、器的頻率響應(yīng)); 7 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.3.2 窗函數(shù)hanning設(shè)計(jì)帶通濾波器 以下是基于窗函數(shù)hanning的帶通濾波器 f1=100; f2=2000; %帶通濾波器的通帶范圍 w1=2*pi*f1/Fs; w2=2*pi*f2/Fs; w=w1,w2; N=ceil(4*pi/(2*pi*200/Fs); Nw=N; Windows=HANNING(N) ; b3=FIR1(N,w, Windows);%帶通濾波器 figure(2);freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng) title(帶通濾波器的頻率響應(yīng)); 8 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.3.3 窗函

14、數(shù)Blackman設(shè)計(jì)帶通濾波器 以下是帶通濾波器1(基于窗函數(shù)Blackman) f1=100; f2=2000; %帶通濾波器的通帶范圍 w1=2*pi*f1/Fs; w2=2*pi*f2/Fs; w=w1,w2; N=ceil(4*pi/(2*pi*200/Fs); Nw=N; Windows=BLACKMAN(N+1) ; b3=FIR1(N,w,Windows);%帶通濾波器 figure(2); freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng) title(帶通濾波器的頻率響應(yīng)); 9 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.3.4 窗函數(shù)Boxcar設(shè)計(jì)帶通濾波器 以下是基于窗函數(shù)Ka

15、iser的帶通濾波器 f1=200;f2=3400; %帶通濾波器的通帶范圍 w1=2*pi*f1/Fs;w2=2*pi*f2/Fs; w=w1,w2; N=ceil(4*pi/(2*pi*200/Fs); Nw=N; Windows=BOXCAR(N+1) ; b3=FIR1(N,w,Windows);%帶通濾波器 figure(2); freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng) title(帶通濾波器的頻率響應(yīng) ); 10 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.4濾波之后的時(shí)域和頻域分析 x1_daitong = filter(b3,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。 3.4.1 窗函數(shù)

16、hamming設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 濾波后的波形為： 1、利用haimming窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器濾波后: 3.4.2 窗函數(shù)hanning設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 利用hainning窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器濾波后 : 11 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.4.3 窗函數(shù)Blackman設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 利用Blackman窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器濾波后 : 12 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3.4.4 窗函數(shù)Boxcar設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波 利用窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器濾波后 : 3.5回放語(yǔ)音信號(hào) 經(jīng)過(guò)以上的加噪聲處理后，可在Matlab中用函數(shù)sound對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,bits)?？梢圆煊X(jué)濾波前后的聲音有明顯的變化。 13 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 結(jié)論 本設(shè)計(jì)圓滿的完成了對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)的讀取與打開(kāi)，與課題的要求十分相符；也較好的完成了對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)和加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，通過(guò)fft變換，得出了語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖；在濾波這一部分，課題主要是從窗函數(shù)巴特沃斯濾波器入手來(lái)設(shè)計(jì)濾波器，實(shí)現(xiàn)了的濾波效果； 不足之處是對(duì)MATLAB中函數(shù)運(yùn)用熟練，設(shè)計(jì)的濾波器濾波效果不是太明顯。 通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我了解到數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性