數(shù)字濾波器與在語音信號分析中的作用數(shù)字信號處理課程設(shè)計報告書

1、 .PAGE21 / NUMPAGES24課 程 設(shè) 計 報 告課程名稱數(shù)字信號處理課題名稱數(shù)字濾波器設(shè)計與在語音信號分析中的應用專 業(yè) 通信工程 班 級通信工程1101 數(shù)字信號處理課程設(shè)計任務書一 、設(shè)計目的綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識進行頻譜分析和濾波器設(shè)計，通過理論推導得出相應結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進行計算機實現(xiàn)，從而加深對所學知識的理解，建立概念。二、設(shè)計要求1、 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計方法。2、 Windows 環(huán)境下語音信號采集的方法。3、數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法。4、TLAB 設(shè)計 FIR 和 nR 數(shù)字濾波器

2、的方法。5、用 MATLAB 對信號進行分析和處理6、計報告4000以上，含程序設(shè)計說明，用戶使用說明，源程序清單與程序框圖。7、機演示。8、有詳細的文檔。文檔中包括設(shè)計思路、設(shè)計仿真程序、仿真結(jié)果與相應的分析與結(jié)論。三、進度安排第一周星期一： 課題講解，查閱資料 星期二: 總體設(shè)計，詳細設(shè)計星期三： 編程，上機調(diào)試、修改程序星期四： 上機調(diào)試、完善程序星期五： 答辯星期六-星期天：撰寫課程設(shè)計報告附：課程設(shè)計報告裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、評分、附件（A4大小的圖紙與程序清單）。 正文的格式:一級標題用3號黑體,二級標題用四號宋體加粗,正文用小四號宋體;行距為22。正文的容:一、課題

3、的主要功能；二、課題的功能模塊的劃分；三、主要功能的實現(xiàn)；四、程序調(diào)試；五、總結(jié)；六、附件（所有程序的原代碼，要求對程序?qū)懗霰匾淖⑨專?；七、評分表。目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc3677098721、 課題的主要功能 PAGEREF _Toc367709872 h 1HYPERLINK l _Toc3677098731.1 問題描述 PAGEREF _Toc367709873 h 1HYPERLINK l _Toc3677098741.2 功能要求 PAGEREF _Toc367709874 h 1HYPERLINK l _Toc3677098752

4、、課題的功能模塊的劃分 PAGEREF _Toc367709875 h 2HYPERLINK l _Toc3677098763、 濾波器實現(xiàn)的原理 PAGEREF _Toc367709876 h 3HYPERLINK l _Toc3677098773.1 FIR濾波器 PAGEREF _Toc367709877 h 3HYPERLINK l _Toc3677098783.2 窗函數(shù)設(shè)計法 PAGEREF _Toc367709878 h 3HYPERLINK l _Toc3677098794、 程序調(diào)試 PAGEREF _Toc367709879 h 4HYPERLINK l _Toc36770

5、98804.1 對原始信號進行時域和頻域的分析 PAGEREF _Toc367709880 h 4HYPERLINK l _Toc3677098814.2 含噪語音信號的合成 PAGEREF _Toc367709881 h 5HYPERLINK l _Toc3677098824.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計與濾波 PAGEREF _Toc367709882 h 8HYPERLINK l _Toc3677098835、 總結(jié) PAGEREF _Toc367709883 h 16HYPERLINK l _Toc3677098846、 附件 PAGEREF _Toc367709884 h 16HYPERLI

6、NK l _Toc3677098857、評分表 PAGEREF _Toc367709885 h 21課題的主要功能1.1 問題描述 語音信號采集（每個同學必須錄制本人的語音信號）錄制一段課程設(shè)計學生的語音信號并保存為文件，要求長度不小于10秒，并對錄制的信號進行采樣；錄制時可以使用Windows自帶的錄音機，或者使用其它專業(yè)的錄音軟件，錄制時需要配備錄音硬件（如麥克風），為便于比較，需要在安靜、干擾小的環(huán)境下錄音。語音信號分析 使用MATLAB繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。根據(jù)頻譜圖求出其帶寬，并說明語音信號的采樣頻率不能低于多少赫茲。含噪語音信號合成 在MATLAB軟件平臺下，給原

7、始的語音信號疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：（1）白噪聲；（2）單頻噪色（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；（4）其它干擾，可設(shè)置為低頻、高頻、帶限噪聲，或Chirp干擾、沖激干擾。繪出疊加噪聲后的語音信號時域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號圖形對比，也可通過Windows播放軟件從聽覺上進行對比，分析并體會含噪語音信號頻譜和時域波形的改變。1.2 功能要求給定濾波器的規(guī)一化性能指標（參考指標,實際中依據(jù)每個同學所疊加噪聲情況而定）例如：通帶截止頻率wp=0.25*pi, 阻通帶截止頻率ws=0.3*pi; 通帶最大衰減Rp=1 dB; 阻帶最小衰減Rs=15 dB。采用窗函數(shù)法（至

8、少采用兩種以上不同的窗函數(shù)）分別設(shè)計各型FIR濾波器（低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型）來對疊加噪聲前后的語音信號進行濾波處理，繪出濾波器的頻域響應，繪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；在一樣的性能指標下比較各方法的濾波效果，并從理論上進行分析（或解釋）。2、課題的功能模塊的劃分根據(jù)設(shè)計的要求，首先自己錄制一段語音信號，對語音信號加入噪聲干擾，再利用矩形窗和哈明窗設(shè)計合理的FIR濾波器。最后用濾波器對干擾后的語音信號進行濾波去噪。具體設(shè)計流程圖如圖所示：開始錄制段語音信號，命名為“錄音.wav”，繪制出其時域波形和頻譜圖。加入噪聲干擾，繪制干擾后的

9、時域波形和頻譜圖。利用兩種窗函數(shù)設(shè)計合理的FIR濾波器。將干擾后的語音信號通過自己設(shè)計的濾波器，進行濾波去噪?；胤耪Z音信號，驗證是否達到去噪效果。是否達到去噪 效果？否是結(jié)束 圖 1 設(shè)計流程圖本次濾波器設(shè)計分為原始語音信號模塊，噪音模塊，濾波器設(shè)計模塊，濾波器濾波模塊。其中噪音模塊加的有高斯白噪聲，單頻余弦信號，多頻余弦信號噪音。濾波器設(shè)計模塊，我選用的是矩形窗的低通和帶通濾波器設(shè)計，哈明窗的低通和帶通濾波器設(shè)計。濾波器濾波模塊經(jīng)過多次調(diào)整，濾波效果已趨完善。濾波器實現(xiàn)的原理3.1 FIR濾波器FIR濾波器：有限長單位沖激響應濾波器，是數(shù)字信號系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同

10、時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。在設(shè)計一個濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實際的需要確定濾波器的技術(shù)指標。在很多實際應用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻操作。因此，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應。幅度指標主要以兩種方式給出。第一種是絕對指標。它提供對幅度響應函數(shù)的要求，一般應用于FIR濾波器的設(shè)計。第二種指標是相對指標。它以分貝值的形式給出要求。確定了技術(shù)指標后，就可以建立一個目標的數(shù)字濾波器模型。通常用理想的數(shù)字濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，設(shè)計出一個實際濾

11、波器模型來逼近給定的目標。根據(jù)這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗證設(shè)計結(jié)果是否滿足指標要求；或者利用計算機仿真實現(xiàn)設(shè)計的濾波器，再分析濾波結(jié)果來判斷。FIR濾波器的設(shè)計問題實際上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應的常數(shù)的問題，設(shè)計方法主要有窗函數(shù)、頻率響應法和等波紋最佳逼近法等。3.2 窗函數(shù)設(shè)計法窗函數(shù)設(shè)計法是一種通過截斷和計權(quán)的方法使無限長非因果序列成為有限長脈沖響應序列的設(shè)計方法。通常在設(shè)計濾波器之前，應該先根據(jù)具體的工程應用確定濾波器的技術(shù)指標。在大多數(shù)實際應用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻操作，所以指標的形式一般為在頻域中以分貝值給出的相對幅度響應和相位響應。窗函數(shù)設(shè)

12、計法步驟如下：（1）根據(jù)過渡帶寬與阻帶衰減要求，選擇窗函數(shù)的類型并估計窗口長度N。窗函數(shù)的類型可根據(jù)最小阻帶衰減AS獨立選擇。（2）根據(jù)待求濾波器的理想頻率響應求出理想單位脈沖響應hd(n)。（3）由性能指標確定窗函數(shù)W(n)和長度N。（4）求得實際濾波器的單位脈沖響應h(n)， h(n)即為所設(shè)計FIR濾波器系數(shù)向量b(n)。程序調(diào)試4.1 對原始信號進行時域和頻域的分析x1,fs,bits=wavread(d:/text);%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title(原始語音信號時域波形

13、);subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title(原始語音信號頻譜)圖 2 原始信號波形4.2 含噪語音信號的合成x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2);title(加高斯白噪聲語音信號的時域波形)subplot(2,1,2)plot(abs(y2);title(加高斯白噪聲語音信號的頻譜)N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t);d2=0.8*cos(2*pi*20*t);x3=x1+d;

14、x4=x1+d2+d;%sound(x3,fs,bits);figure(3)subplot(2,1,1)plot(x3)title(加單頻余弦信號的語音信號時域波形)y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title(加單頻余弦信號的語音信號頻譜)figure(12)subplot(2,1,1)plot(x4)title(加多頻余弦信號的語音信號時域波形)y4=fft(x4,32768);subplot(2,1,2);plot(abs(y4);title(加多頻余弦信號的語音信號頻譜)圖3 高斯白噪聲波形 圖 4 加單頻噪聲波形 圖 5 加多頻

15、余弦信號波形4.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計與濾波矩形窗低通濾波器設(shè)計與濾波結(jié)果%矩形窗 %低通wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(1.8*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,boxcar(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應figure(4)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(振幅/dB);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angl

16、e(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(相位/o);grid on;y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對輸入信號濾波%sound(y4,fs,bits);figure(5)subplot(2,1,1), plot(t,x3),title(輸入信號)%繪出輸入信號波形subplot(2,1,2),plot(t,y4) %繪出輸出信號波形 圖 6 矩形窗低通濾波器 圖 7 矩形窗低通濾波結(jié)果矩形帶通濾波器設(shè)計與濾波結(jié)果wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*pi;whp=0.7*pi;delta_w=whp-whs;wp=0.35 0.

17、66;N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)Fs=8000;b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器figure(6)H,f=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(振幅/dB);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(相位/o);grid on;y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾

18、波%sound(y5,fs,bits);figure(7)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title(輸入信號)%繪出輸入信號波形subplot(2,1,2),plot(t,y5) %繪出輸出信號波形hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, r) %繪制延遲到的時刻title(輸出信號),xlabel(時間/s) 圖 8 矩形窗帶通濾波器設(shè)計 圖 9 矩形窗帶通濾波器濾波結(jié)果哈明窗低通濾波器設(shè)計與濾波結(jié)果%哈明窗 %低通wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(6.6*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/

19、pi;hn=fir1(N,wc,hamming(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應figure(8)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(振幅/dB);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(相位/o);grid on;y6=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對輸入信號濾波%sound(y6,fs,bits);figure(9)

20、subplot(2,1,1), plot(t,x3),title(輸入信號)%繪出輸入信號波形subplot(2,1,2),plot(t,y6) %繪出輸出信號波形title(輸出信號),xlabel(時間/s) 圖 10 哈明窗低通濾波器圖 11 哈明窗低通濾波器濾波結(jié)果哈明窗帶通濾波器設(shè)計與濾波結(jié)果%哈明窗 %帶通%Samp7_6wp=0.35 0.65;N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)Fs=8000;b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器figure(10)H,f=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應subplot

21、(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(振幅/dB);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(相位/o);grid on;y7=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾波sound(y7,fs,bits);figure(11)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title(輸入信號)%繪出輸入信號波形subplot(2,1,2),plot(t,y7) %繪出輸出信號波形hold on;pl

22、ot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, r) %繪制延遲到的時刻title(輸出信號),xlabel(時間/s) 圖 12 哈明窗帶通濾波器 圖13 哈明窗帶通濾波器濾波結(jié)果總結(jié)這次課設(shè)是我自己辛辛苦苦做出的，雖然限于時間短暫濾波器還有一些問題，低通濾波器濾波結(jié)果很不理想，但是那種努力換得成功的感覺還是讓我著實讓我開心了許久?？偟母杏X：首先從以前對濾波器設(shè)計，語音信號降噪幾乎完全不懂慢慢有了一定了解，感覺它不再那么神秘和難以理解，自信心增長了不少；其次，對于matlab的使用更加得心應手，增強了專業(yè)與工具的聯(lián)系。最后，真心感覺很多課設(shè)是我自己可以做出來的，只是你在成功之前就已經(jīng)

23、放棄，也就是說你過不了自己這關(guān)，而不是課設(shè)。附件源程序代碼：x1,fs,bits=wavread(d:/text);%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title(原始語音信號時域波形);subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title(原始語音信號頻譜)x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2);title(加高斯白噪聲語音信號的時域波形)subplot(2,

24、1,2)plot(abs(y2);title(加高斯白噪聲語音信號的頻譜)N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t);d2=0.8*cos(2*pi*20*t);x3=x1+d;x4=x1+d2+d;%sound(x3,fs,bits);figure(3)subplot(2,1,1)plot(x3)title(加單頻余弦信號的語音信號時域波形)y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title(加單頻余弦信號的語音信號頻譜)figure(12)subplot(2,1,1)plot(x4)

25、title(加多頻余弦信號的語音信號時域波形)y4=fft(x4,32768);subplot(2,1,2);plot(abs(y4);title(加多頻余弦信號的語音信號頻譜)%矩形窗 %低通wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(1.8*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,boxcar(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率求出頻率響應figure(4)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(振幅

26、/dB);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(相位/o);grid on;y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt對輸入信號濾波%sound(y4,fs,bits);figure(5)subplot(2,1,1), plot(t,x3),title(輸入信號)%繪出輸入信號波形subplot(2,1,2),plot(t,y4) %繪出輸出信號波形title(輸出信號),xlabel(時間/s)%矩形窗 %帶通wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.

27、625*pi;whp=0.7*pi;delta_w=whp-whs;wp=0.35 0.66;N=48; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）和濾波器階數(shù)Fs=8000;b=fir1(N,wp); %設(shè)計FIR帶通濾波器figure(6)H,f=freqz(b,1,512,Fs); %以50Hz為采樣頻率求出濾波器頻率響應subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(振幅/dB);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel(頻率/Hz);ylabel(相位/o

28、);grid on;y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt對輸入信號濾波%sound(y5,fs,bits);figure(7)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title(輸入信號)%繪出輸入信號波形subplot(2,1,2),plot(t,y5) %繪出輸出信號波形hold on;plot(N/2*0.02*ones(1,2),ylim, r) %繪制延遲到的時刻title(輸出信號),xlabel(時間/s)%哈明窗 %低通wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;Bt=ws-wp;N=ceil(6.6*pi/Bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,hamming(N+1);H,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000Hz的采樣頻率