基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計 及其對語音信號的應(yīng)用

1、基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計及其對語音信號的應(yīng)用 學院：電子與信息工程學院 班級：電信1002 姓名： 學號：1010930220 指導教師： 2013-12-2 1課程設(shè)計的目的22課程設(shè)計內(nèi)容23課程設(shè)計基礎(chǔ)24.具體步驟與要求24.1語音信號的采集24.2語音信號的頻譜分析24.3設(shè)計數(shù)字濾波器，畫出其頻率響應(yīng)曲線34.4用濾波器對信號進行濾波，比較濾波前后語音信號的波形及頻譜64.5 回放語音信號115.實驗結(jié)論11 111課程設(shè)計的目的1）掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法； 2）掌握MATLAB設(shè)計FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法； 3）掌握在Windows環(huán)境下語音

2、信號采集以及時域、頻域分析；4）學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計方法；5）學會用MATLAB對信號進行分析和處理。2課程設(shè)計內(nèi)容錄制一段自己的語音信號,對錄制的信號進行采樣；畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標,采用MATLAB設(shè)計數(shù)字濾波器,并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計的濾波器對采集的信號進行濾波,畫出濾波后信號的時域波形和頻譜,并對濾波前后的信號進行對比,分析信號的變化；回放語音信號。3課程設(shè)計基礎(chǔ)MATLAB編程基礎(chǔ)、數(shù)字信號處理知識、語音信號處理知識。4.具體步驟與要求4.1語音信號的采集錄制一段自己的話音,或利用老師給的語音，在MAT

3、LAB軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù)。程序：I,Fs,bits=wavread('2.wav');%讀取語音信號2.wavsound(I); %重放語音wavrecord(2*Fs,Fs); %使用基于PC的音頻輸入設(shè)備4.2語音信號的頻譜分析要求畫出語音信號的時域波形；然后對語音號進行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜特性。程序：clear allI,Fs,bits=wavread('3.wav');%讀取語音信號3.wavsound(I); %重放語音Y=fft(I); %進行快速傅里葉變換mag=abs(Y); %

4、求取幅度譜 phase=angle(Y); %求取相位譜phase=phase*180/pi; %轉(zhuǎn)換為Pi單位dB=20*log10(abs(Y)+eps); %求取對數(shù)幅度譜t=(0:length(I)-1)/Fs; %設(shè)置標度subplot(221);plot(t,I);title('波形圖');xlabel('時間(s)');ylabel('幅度');%設(shè)置標題和橫縱坐標f=(1:length(Y)*Fs/length(Y); %設(shè)置標度subplot(222);plot(f,mag);title('幅度譜');xlabe

5、l('頻率(Hz)');ylabel('頻譜幅度');%設(shè)置標題和橫縱坐標subplot(223);plot(f,phase);title('相位譜');xlabel('頻率(Hz)');ylabel('頻譜相位');%設(shè)置標題和橫縱坐標subplot(224);plot(f,dB);title('對數(shù)幅度譜');xlabel('頻率(Hz)');ylabel('頻譜幅度(dB)');%設(shè)置標題和橫縱坐標 圖2 時域波形和信號的頻譜特性4.3設(shè)計數(shù)字濾波器，畫出其頻率

6、響應(yīng)曲線各濾波器的性能指標：(1)低通濾波器性能指標fp1000Hz, fs1200Hz, As40dB, Ap1dB。(2)高通濾波器性能指標fs4000Hz, fp4300Hz, As40dB, Ap1dB(3)帶通濾波器性能指標fp11200 Hz, fp23 000 Hz, fs11000 Hz, fs23200 Hz, As40dB, Ap1dB。要求：(1) 頻率變換法設(shè)計IIR濾波器： 可以利用函數(shù)butter、cheby1、cheby2和ellip等設(shè)計。(2) (選做)設(shè)計IIR濾波器：用雙線性變換法設(shè)計上面要求的3種濾波器。bilinear(3) (選做)設(shè)計FIR濾波器：

7、用窗函數(shù)法設(shè)計上面要求的3種濾波器。可以利用函數(shù)fir1設(shè)計FIR濾波器。(4) 采用函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。程序：%LPF設(shè)計fpL=1000; %通帶頻率HzfsL=1200; %阻帶頻率HzapL=1; %通帶紋波DBasL=40; %阻帶衰減DBWpL = fpL*2/Fs; %通帶角頻率radWsL = fsL*2/Fs; %阻帶角頻率rad%巴特沃斯低通濾波器nL,WnL = buttord(WpL,WsL,apL,asL); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率bL,aL = butter(nL,WnL,'low'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系

8、數(shù)hL,wL=freqz(bL,aL); title('巴特沃斯低通濾波器')%cheby1低通濾波器n1L,Wn1L = cheb1ord(WpL,WsL,apL,asL); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b1L,a1L = cheby1(n1L,apL,Wn1L,'low'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h1L,w1L=freqz(b1L,a1L); title('cheby1低通濾波器')%cheby2低通濾波器n2L,Wn2L = cheb2ord(WpL,WsL,apL,asL); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻

9、率b2L,a2L = cheby2(n2L,apL,Wn2L,'low'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h2L,w2L=freqz(b2L,a2L); title('cheby2低通濾波器')%橢圓低通濾波器n3L,Wn3L = ellipord(WpL,WsL,apL,asL); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b3L,a3L = ellip(n3L,apL,asL,Wn3L,'low'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h3L,w3L=freqz(b3L,a3L); title('橢圓低通 % HPF設(shè)計fpH=4300; %通帶

10、頻率HzfsH=4000; %阻帶頻率HzapH=1; %通帶紋波DBasH=40; %阻帶衰減DBWpH = fpH*2/Fs; %通帶角頻率radWsH = fsH*2/Fs; %通帶角頻率rad%巴特沃斯高通濾波器nH,WnH = buttord(WpH,WsH,apH,asH); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率bH,aH = butter(nH,WnH,'high'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)hH,wH=freqz(bH,aH); title('巴特沃斯高通濾波器')%cheby1高通濾波器n1H,Wn1H = cheb1ord(WpH,

11、WsH,apH,asH); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b1H,a1H = cheby1(n1H,apH,Wn1H,'high'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h1H,w1H=freqz(b1H,a1H); title('cheby1高通濾波器')%cheby2高通濾波器n2H,Wn2H = cheb2ord(WpH,WsH,apH,asH); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b2H,a2H = cheby2(n2H,apH,Wn2H,'high'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h2H,w2H=freqz(b2H,a2H)

12、; title('cheby2高通濾波器')%橢圓高通濾波器n3H,Wn3H = ellipord(WpH,WsH,apH,asH); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b3H,a3H = ellip(n3H,apH,asH,Wn3H,'high'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h3H,w3H=freqz(b3H,a3H); title('橢圓高通濾波器')%BPF設(shè)計fp1=1200; %通帶截止頻率fp2=3000; %通帶截止頻率fpB=1200 3000; %通帶頻率fs1=1000; %阻帶截止頻率fs2=3200; %阻帶截止

13、頻率fsB=1000 3200; %阻帶頻率apB=1; %通帶紋波asB=40; %阻帶衰減WpB = fpB*2/Fs; %通帶角頻率radWsB = fsB*2/Fs; %通帶角頻率rad%巴特沃斯高通濾波器nB,WnB = buttord(WpB,WsB,apB,asB); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率bB,aB = butter(nB,WnB); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)hB,wB=freqz(bB,aB); title('巴特沃斯帶通濾波器')%cheby1高通濾波器n1B,Wn1B = cheb1ord(WpB,WsB,apB,asB); %求得n

14、和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b1B,a1B = cheby1(n1B,apB,Wn1B'); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h1B,w1B=freqz(b1B,a1B); title('cheby1帶通濾波器')%cheby2高通濾波器n2B,Wn2B = cheb2ord(WpB,WsB,apB,asB); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b2B,a2B = cheby2(n2B,apB,Wn2B); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)h2B,w2B=freqz(b2B,a2B); title('cheby2帶通濾波器')%橢圓高通濾波器n3B,W

15、n3B = ellipord(WpB,WsB,apB,asB); %求得n和Wn，n是最小階數(shù)，Wn是截止頻率b3B,a3B = ellip(n3B,apB,asB,Wn3B); %低通濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)% figure(10)h3B,w3B=freqz(b3B,a3B); title('橢圓帶通濾波器')4.4用濾波器對信號進行濾波，比較濾波前后語音信號的波形及頻譜要求用自己設(shè)計的各濾波器分別對采集的語音信號進行濾波，并在一個窗口同時畫出濾波前后的波形及頻譜。(1) IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波；(2) FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波。%

16、LPF濾波且進行頻譜變換%IIR低通濾波IIRyL = filter(bL,aL,x); %語音信號通過butter低通濾波器IIRy1L = filter(b1L,a1L,x); %語音信號通過cheby1低通濾波器IIRy2L = filter(b2L,a2L,x); %語音信號通過cheby2低通濾波器IIRy3L = filter(b3L,a3L,x); %語音信號通過ellip低通濾波器%FIR低通濾波FIRyL = fftfilt(bL,x); %語音信號通過butter低通濾波器FIRy1L = fftfilt(b1L,x); %語音信號通過cheby1低通濾波器FIRy2L =

17、 fftfilt(b2L,x); %語音信號通過cheby2低通濾波器FIRy3L = fftfilt(b3L,x); %語音信號通過ellip低通濾波器%IIR低通濾波后FFTFFTIIRyL = fft(IIRyL); %語音信號通過butter低通濾波器后FFTFFTIIRy1L = fft(IIRy1L); %語音信號通過cheby1低通濾波器后FFTFFTIIRy2L = fft(IIRy2L); %語音信號通過cheby2低通濾波器后FFTFFTIIRy3L = fft(IIRy3L); %語音信號通過ellip低通濾波器后FFT%FIR低通濾波后FFTFFTFIRyL = fft

18、(FIRyL); %語音信號通過butter低通濾波器后FFTFFTFIRy1L = fft(FIRy1L); %語音信號通過cheby1低通濾波器后FFTFFTFIRy2L = fft(FIRy2L); %語音信號通過cheby2低通濾波器后FFTFFTFIRy3L = fft(FIRy3L); %語音信號通過ellip低通濾波器后FFT% 繪制原始語音、IIR、FIR低通濾波后語音波形、及濾波后頻譜圖 figure(3)subplot(6,4,1),plot(x),title('原始語音信號');subplot(6,4,2),plot(x),title('原始語音信

19、號');subplot(6,4,3),plot(x),title('原始語音信號');subplot(6,4,4),plot(x),title('原始語音信號');subplot(6,4,5),plot(IIRyL),title('butter-IIR-LPF');subplot(6,4,6),plot(IIRy1L),title('cheby1-IIR-LPF');subplot(6,4,7),plot(IIRy2L),title('cheby2-IIR-LPF');subplot(6,4,8),plot

20、(IIRy3L),title('ellip-IIR-LPF');subplot(6,4,9),plot(FFTIIRyL),title('butter-IIR-FFT');subplot(6,4,10),plot(FFTIIRy1L),title('cheby1-IIR-FFT');subplot(6,4,11),plot(FFTIIRy2L),title('cheby2-IIR-FFT');subplot(6,4,12),plot(FFTIIRy3L),title('ellip-IIR-FFT');subplot

21、(6,4,13),plot(FIRyL),title('butter-FIR-LPF');subplot(6,4,14),plot(FIRy1L),title('cheby1-FIR-LPF');subplot(6,4,15),plot(FIRy2L),title('cheby2-FIR-LPF');subplot(6,4,16),plot(FIRy3L),title('ellip-FIR-LPF');subplot(6,4,17),plot(FFTFIRyL),title('butter-FIR-FFT');su

22、bplot(6,4,18),plot(FFTFIRy1L),title('cheby1-FIR-FFT');subplot(6,4,19),plot(FFTFIRy2L),title('cheby2-FIR-FFT');subplot(6,4,20),plot(FFTFIRy3L),title('ellip-FIR-FFT');subplot(6,4,21),plot(wL*Fs/(2*pi),abs(hL),title('butter-LPF');subplot(6,4,22),plot(w1L*Fs/(2*pi),abs(h1

23、L),title('cheby1-LPF');subplot(6,4,23),plot(w2L*Fs/(2*pi),abs(h2L),title('cheby2-LPF');subplot(6,4,24),plot(w3L*Fs/(2*pi),abs(h3L),title('ellip-LPF');原始語音、IIR、FIR低通濾波后語音波形、及濾波后頻譜圖如下：HPF濾波且進行頻譜變換%IIR高通濾波IIRyH = filter(bH,aH,x); %語音信號通過低通濾波器IIRy1H = filter(b1H,a1H,x); %語音信號通過低通

24、濾波器IIRy2H = filter(b2H,a2H,x); %語音信號通過低通濾波器IIRy3H = filter(b3H,a3H,x); %語音信號通過低通濾波器%FIR高通濾波FIRyH = fftfilt(bH,x); %語音信號通過低通濾波器FIRy1H = fftfilt(b1H,x); %語音信號通過低通濾波器FIRy2H = fftfilt(b2H,x); %語音信號通過低通濾波器FIRy3H = fftfilt(b3H,x); %語音信號通過低通濾波器%IIR高通濾波后FFTFFTIIRyH = fft(IIRyH); %語音信號通過butter低通濾波器后FFTFFTIIR

25、y1H = fft(IIRy1H); %語音信號通過cheby1低通濾波器后FFTFFTIIRy2H = fft(IIRy2H); %語音信號通過cheby2低通濾波器后FFTFFTIIRy3H = fft(IIRy3H); %語音信號通過ellip低通濾波器后FFT%FIR高通濾波后FFTFFTFIRyH = fft(FIRyH); %語音信號通過butter低通濾波器后FFTFFTFIRy1H = fft(FIRy1H); %語音信號通過cheby1低通濾波器后FFTFFTFIRy2H = fft(FIRy2H); %語音信號通過cheby2低通濾波器后FFTFFTFIRy3H = fft

26、(FIRy3H); %語音信號通過ellip低通濾波器后FFT% 繪制原始語音、IIR、FIR高通濾波后語音波形、及濾波后頻譜圖 figure(4)subplot(5,4,1),plot(x),title('原始語音信號');subplot(5,4,2),plot(x),title('原始語音信號');subplot(5,4,3),plot(x),title('原始語音信號');subplot(5,4,4),plot(x),title('原始語音信號');subplot(5,4,5),plot(IIRyH),title('

27、butter-IIR-HPF');subplot(5,4,6),plot(IIRy1H),title('cheby1-IIR-HPF');subplot(5,4,7),plot(IIRy2H),title('cheby2-IIR-HPF');subplot(5,4,8),plot(IIRy3H),title('ellip-IIR-HPF');subplot(5,4,9),plot(FFTIIRyH),title('butter-IIR-FFT');subplot(5,4,10),plot(FFTIIRy1H),title(

28、'cheby1-IIR-FFT');subplot(5,4,11),plot(FFTIIRy2H),title('cheby2-IIR-FFT');subplot(5,4,12),plot(FFTIIRy3H),title('ellip-IIR-FFT');subplot(5,4,13),plot(FIRyH),title('butter-FIR-LPF');subplot(5,4,14),plot(FIRy1H),title('cheby1-FIR-LPF');subplot(5,4,15),plot(FIRy2

29、H),title('cheby2-FIR-LPF');subplot(5,4,16),plot(FIRy3H),title('ellip-FIR-LPF');subplot(5,4,17),plot(FFTFIRyH),title('butter-FIR-FFT');subplot(5,4,18),plot(FFTFIRy1H),title('cheby1-FIR-FFT');subplot(5,4,19),plot(FFTFIRy2H),title('cheby2-FIR-FFT');subplot(5,4,20

30、),plot(FFTFIRy3H),title('ellip-FIR-FFT');subplot(6,4,21),plot(wH*Fs/(2*pi),abs(hH),title('butter-HPF');subplot(6,4,22),plot(w1H*Fs/(2*pi),abs(h1H),title('cheby1-HPF');subplot(6,4,23),plot(w2H*Fs/(2*pi),abs(h2H),title('cheby2-HPF');subplot(6,4,24),plot(w3H*Fs/(2*pi),ab

31、s(h3H),title('ellip-HPF'); BPF濾波且進行頻譜變換%IIR低通濾波IIRyB = filter(bB,aB,x); %語音信號通過butter低通濾波器IIRy1B = filter(b1B,a1B,x); %語音信號通過cheby1低通濾波器IIRy2B = filter(b2B,a2B,x); %語音信號通過cheby2低通濾波器IIRy3B = filter(b3B,a3B,x); %語音信號通過ellip低通濾波器%FIR低通濾波FIRyB = fftfilt(bB,x); %語音信號通過butter低通濾波器FIRy1B = fftfilt

32、(b1B,x); %語音信號通過cheby1低通濾波器FIRy2B = fftfilt(b2B,x); %語音信號通過cheby2低通濾波器FIRy3B = fftfilt(b3B,x); %語音信號通過ellip低通濾波器%IIR低通濾波后FFTFFTIIRyB = fft(IIRyB); %語音信號通過butter低通濾波器后FFTFFTIIRy1B = fft(IIRy1B); %語音信號通過cheby1低通濾波器后FFTFFTIIRy2B = fft(IIRy2B); %語音信號通過cheby2低通濾波器后FFTFFTIIRy3B = fft(IIRy3B); %語音信號通過ellip

33、低通濾波器后FFT%FIR低通濾波后FFTFFTFIRyB = fft(FIRyB); %語音信號通過butter低通濾波器后FFTFFTFIRy1B = fft(FIRy1B); %語音信號通過cheby1低通濾波器后FFTFFTFIRy2B = fft(FIRy2B); %語音信號通過cheby2低通濾波器后FFTFFTFIRy3B = fft(FIRy3B); %語音信號通過ellip低通濾波器后FFT%繪制原始語音、IIR、FIR帶通濾波后語音波形、及濾波后頻譜圖 figure(5)subplot(6,4,1),plot(x),title('原始語音信號');subpl

34、ot(6,4,2),plot(x),title('原始語音信號');subplot(6,4,3),plot(x),title('原始語音信號');subplot(6,4,4),plot(x),title('原始語音信號');subplot(6,4,5),plot(IIRyB),title('butter-IIR-BPF');subplot(6,4,6),plot(IIRy1B),title('cheby1-IIR-BPF');subplot(6,4,7),plot(IIRy2B),title('cheby2

35、-IIR-BPF');subplot(6,4,8),plot(IIRy3B),title('ellip-IIR-BPF');subplot(6,4,9),plot(FFTIIRyB),title('butter-IIR-FFT');subplot(6,4,10),plot(FFTIIRy1B),title('cheby1-IIR-FFT');subplot(6,4,11),plot(FFTIIRy2B),title('cheby2-IIR-FFT');subplot(6,4,12),plot(FFTIIRy3B),titl

36、e('ellip-IIR-FFT');subplot(6,4,13),plot(FIRyB),title('butter-FIR-BPF');subplot(6,4,14),plot(FIRy1B),title('cheby1-FIR-BPF');subplot(6,4,15),plot(FIRy2B),title('cheby2-FIR-BPF');subplot(6,4,16),plot(FIRy3B),title('ellip-FIR-BPF');subplot(6,4,17),plot(FFTFIRyB),

37、title('butter-FIR-FFT');subplot(6,4,18),plot(FFTFIRy1B),title('cheby1-FIR-FFT');subplot(6,4,19),plot(FFTFIRy2B),title('cheby2-FIR-FFT');subplot(6,4,20),plot(FFTFIRy3B),title('ellip-FIR-FFT');subplot(6,4,21),plot(wB*Fs/(2*pi),abs(hB),title('butter-BPF');subplot(6,4,22),plot(w1B*Fs/(2*pi),abs(h1B),title('cheby1-BPF');subplot(6,4,23),plot(w2B*Fs/(2*pi),abs(h2B),title('cheby2-BPF');subplot(6,4,24),plot(w3B*Fs/(2*pi),abs(h3B),title('ellip-BPF');原始語音、IIR、FIR帶通濾波后語音波形、及濾波后頻譜圖如下：4.5 回放語音信號在MATLAB中,函數(shù)sound可以對