語音數(shù)字濾波系統(tǒng)要點

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《數(shù)字信號辦理實驗》課程設(shè)計

學號：2011289

教師姓名：李敏

學院：光電工程學院

時間：2013年12月15日

中國﹒重慶重慶大學光電工程學院

二〇一三年十二月光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

目錄1.實驗目的32.實驗器材33.實驗原理4

3.1濾波器頻譜范圍43.2設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的基本思想43.3巴特沃思低通數(shù)字濾波器43.4巴特沃思高通數(shù)字濾波器43.5巴特沃思帶通數(shù)字濾波器5

4.實驗步驟6

5.實驗程序設(shè)計及測試7

5.1語音信號的采集與頻譜分析7

5.2巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計與仿真8

5.3巴特沃斯高通濾波器的設(shè)計與仿真11

5.4巴特沃斯帶通濾波器的設(shè)計與仿真15

6.實驗結(jié)果分析20

7.附錄錯誤！不決義書簽。

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實驗目的

掌握數(shù)字信號辦理的基本見解，基本理論和基本方法。

熟悉失散信號和系統(tǒng)的時域特點。

掌握序列迅速傅里葉變換方法。

學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計方法。

掌握利用MATLAB對語音信號進行頻譜分析。

掌握濾波器的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。

掌握MATLAB設(shè)計數(shù)字濾波器的方法和對信號進行濾波的方法。

實驗器材

Windows下的錄音機

Matlab軟件

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實驗原理

3.1濾波器頻譜范圍

語音信號的頻譜范圍主要為800HZ左右，并且在5000HZ左右有一個小信號，

因此，在設(shè)計低通濾波器時，應把噪聲頻譜設(shè)定在5000HZ以上，這樣，經(jīng)過低

通濾波器，即可濾除噪聲信號進而復原語音信號；在設(shè)計高通濾波器時，應把噪

聲設(shè)定在800HZ以內(nèi)，以經(jīng)過高通濾波器濾除低頻的噪聲信號，進而復原相對頻

率較高的語音信號；在設(shè)計帶通濾波器時，可把噪聲設(shè)計在低于800HZ或高于

5000HZ頻譜上，已經(jīng)過帶通濾波器復原帶通范圍內(nèi)的語音信號。

3.2設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的基本思想

設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的方法主要有鑒于沖激響應不變法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)

計，鑒于雙線性Z變換法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計，數(shù)字高通、帶通及帶阻IIR

濾波器設(shè)計，鑒于MATLAB函數(shù)直接設(shè)計IIR數(shù)字濾波器。本實驗中采用雙線性

變換法變換的巴特沃思數(shù)字濾波器。

3.3巴特沃思低通數(shù)字濾波器

選擇來自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語音信號

給信號加一個大頻次的噪聲（取噪聲頻次遠大于語音信號的最大頻次），產(chǎn)生污染信號。

設(shè)計一個巴特沃思低通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻次設(shè)定為小于噪聲信號頻次。

將設(shè)計好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。復原語音信號。

3.4巴特沃思高通數(shù)字濾波器

(1)選擇來自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語音信號

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(2)給信號加一個小頻次的噪聲（取噪聲頻次遠小于語音信號的最小頻次），

產(chǎn)生污染信號。

設(shè)計一個巴特沃思高通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻次設(shè)定為大于噪聲信號頻次。

將設(shè)計好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。復原語音信號。

3.5巴特沃思帶通數(shù)字濾波器

選擇來自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語音信號

給信號加一個小頻次或大頻次的噪聲（取噪聲頻次遠小于語音信號的最小頻次或大于語音信號的最大頻次），產(chǎn)生污染信號。本實驗取小頻次的噪聲信號。

設(shè)計一個巴特沃思帶通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻次設(shè)定為不包括噪聲信號頻次。

將設(shè)計好的巴特沃思帶通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。復原語音信號。

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實驗步驟

利用Windows下的錄音機或其他軟件錄一段聲音信號，或許選擇Windows系統(tǒng)的“叮”（Ding.wav），并對該信號進行采樣；

語音信號的頻譜分析，畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；

產(chǎn)生噪聲信號加到語音信號中，獲得被污染的語音信號，并回放語音信號；

污染信號的頻譜分析，畫出被污染的語音信號時域波形和頻譜；

依照相關(guān)的頻譜特點，采用間接法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，并畫出相應濾波器的幅頻圖（設(shè)計3個IIR濾波器，本實驗中設(shè)計的模擬濾波器種類：巴特沃思低通濾波器，巴特沃思高通濾波器，巴特沃思帶通濾波器）；

用設(shè)計出的濾波器對被噪聲污染的信號進行濾波；

分析獲守信號的頻譜，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比較，分析信號的變化；

回放語音信號。

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實驗程序設(shè)計及測試

5.1語音信號的采集與頻譜分析

將windows系統(tǒng)自帶的聲音文件Ding.wav復制到E盤，并利用wavread函

數(shù)將該聲音文件導入matlab中，能夠利用函數(shù)fft對信號進行迅速傅里葉變換，

獲守信號的頻譜特點；繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。程序以下：

%導入語音信號

Fs=22050;

[x,FS,bits]=wavread('E:\signal20113289\Ding.wav');

x=x(:,1);

figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(x);

%在命令窗口輸入sound(x,FS,bits)回放語音

title('語音信號時域波形圖')

y=fft(x,3260);

f=(FS/1630)*[1:1630];

subplot(2,1,2);

plot(f(1:1630),abs(y(1:1630)));

title('語音信號頻譜圖');

運行程序獲得語音時域和頻譜圖形以下

語音信號時域波形圖

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

00.511.522.53

4x10語音信號頻譜圖

150

100

50

000.511.522.533.544.5

4x10

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5.2巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計與仿真

1）產(chǎn)生高頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050)，

MATLAB程序以下：

%產(chǎn)生高頻噪聲信號

t=0:length(x)-1;

zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050);

zs0=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050000);

figure(2);

subplot(2,1,1)

plot(zs0)

title('高頻噪聲信號波形');

zs1=fft(zs,1200);

%sound(zs,FS,bits);%回放噪聲

subplot(2,1,2)

plot(f(1:600),abs(zs1(1:600)));

title('高頻噪聲信號頻譜');

程序運行得高頻噪聲的時域波形和頻譜以下：

高頻噪聲信號波形

0.05

0

-0.05

00.511.522.53

4

x10高頻噪聲信號頻譜

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

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（2）將高頻信號增添到原聲音信號，獲得污染的聲音信號，并利用fft對污染

后的信號進行迅速傅里葉變換，獲得頻譜特點。

matlab程序以下：

%將噪聲增添到聲音信號

x1=x+zs';

%sound(x1,FS,bits);%回放加入噪聲后的語音

y1=fft(x1,1200);

figure(3);

subplot(2,1,1);plot(x1);

title('加入高頻噪聲后的信號波形');

subplot(2,1,2);

plot(f(1:600),abs(y1(1:600)));

title('加入高頻噪聲后的信號頻譜');

程序運行結(jié)果得加入噪聲信號后的聲音信號時域波形和頻譜：

加入高頻噪聲后的信號波形

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

00.511.522.53

4

x10加入高頻噪聲后的信號頻譜

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

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3）巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計

依照語音信號的特點給出相關(guān)濾波器的性能指標，設(shè)計低通濾波器性能指標

以下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=3000Hz，fs=3500Hz，rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設(shè)計程序以下：

%設(shè)計巴特沃斯低通濾波fp=3000;fs=3500;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(4);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯低通濾波器');xlabel('頻次（HZ）');ylabel('耗費（dB）');gridon;

程序運行結(jié)果以下：

巴特沃斯低通濾波器

1.4

1.2

1

0.8Bd

（

耗費0.6

0.4

0.2

0020004000600080001000012000頻次（HZ）

10/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

4）巴特沃斯低通濾波器的仿真

利用巴特沃斯濾波器對含有噪聲的聲音進行低通濾波，程序以下

%對信號進行低通濾波

yd=filter(Bz,Az,x1);

figure(5);

subplot(2,1,1);plot(yd);title('低通濾波后信號波形');

ydd=fft(yd,1200);

subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600)));

title('低通濾波后信號頻譜');

sound(yd,FS,bits)

運行結(jié)果以下：

低通濾波后信號波形

0.2

0.1

0

-0.1

-0.200.511.522.53

4

x10低通濾波后信號頻譜

20

15

10

5

0

020004000600080001000012000140001600018000

5.3巴特沃斯高通濾波器的設(shè)計與仿真

1）產(chǎn)生低頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，

MATLAB程序以下：

%產(chǎn)生低頻噪聲信號

t=0:length(x)-1;

zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);

figure(6);

subplot(2,1,1)

plot(zs0);

11/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

axis([02000-0.050.05])

title('低頻噪聲信號波形');

zs1=fft(zs0,1200);

%sound(zs,FS,bits);%回放噪聲

subplot(2,1,2)

plot(f(1:600),abs(zs1(1:600)));

title('低頻噪聲信號頻譜');

程序運行得低頻噪聲的時域波形和頻譜以下：

低頻噪聲信號波形

0.05

0

-0.05010002000300040005000600070008000900010000

低頻噪聲信號頻譜

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

（2）將低頻信號增添到原聲音信號，獲得污染的聲音信號，并利用fft對污染

后的信號進行迅速傅里葉變換，獲得頻譜特點。程序以下：

%低頻信號加載到聲音信號

x1=x+zs0';

%sound(x1,FS,bits);%回放加入噪聲后的語音

y1=fft(x1,1200);

figure(7);

subplot(2,1,1);plot(x1);

title('加入低頻噪聲后的信號波形');

subplot(2,1,2);

plot(f(1:600),abs(y1(1:600)));

title('加入低頻噪聲后的信號頻譜');

12/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

程序運行結(jié)果得加入噪聲信號后的聲音信號時域波形和頻譜：

加入低頻噪聲后的信號波形

0.4

0.2

0

-0.2

-0.400.511.522.53

4

x10加入低頻噪聲后的信號頻譜

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

3）巴特沃斯高通濾波器的設(shè)計

依照語音信號的特點給出相關(guān)濾波器的性能指標，設(shè)計高通濾波器性能指標

以下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=600Hz，fs=400Hz，rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設(shè)計程序以下：

%設(shè)計巴特沃斯高通濾波器fp=600;fs=400;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'high','s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(8);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯高通濾波器');xlabel('頻次（HZ）');ylabel('耗費（dB）');gridon;

13/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

程序運行結(jié)果以下：

巴特沃斯高通濾波器

1.4

1.2

1

0.8Bd

（損0.6

耗

0.4

0.2

0020004000600080001000012000

頻次（HZ）

4）巴特沃斯高通濾波器的仿真

利用巴特沃斯濾波器對含有噪聲的聲音進行高通濾波，程序以下

%用巴特沃斯高通濾波器進行濾波

yd=filter(Bz,Az,x1);

figure(9);

subplot(2,1,1);plot(yd);title('高通濾波后信號波形');

ydd=fft(yd,1200);

subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600)));

title('高通濾波后信號頻譜');

sound(yd,FS,bits)

運行結(jié)果以下：

14/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

高通濾波后信號波形

0.3

0.2

0.1

0

-0.100.511.522.53

4x10

高通濾波后信號頻譜

8

6

4

2

0

020004000600080001000012000140001600018000

5.4巴特沃斯帶通濾波器的設(shè)計與仿真

1）產(chǎn)生低頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，

MATLAB程序以下：

%產(chǎn)生低頻噪聲信號

t=0:length(x)-1;

zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);

figure(6);

subplot(2,1,1)

plot(zs0);

axis([02000-0.050.05])

title('低頻噪聲信號波形');

zs1=fft(zs0,1200);

%sound(zs,FS,bits);%回放噪聲

subplot(2,1,2)

plot(f(1:600),abs(zs1(1:600)));

title('低頻噪聲信號頻譜');

15/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

程序運行得低頻噪聲的時域波形和頻譜以下：

低頻噪聲信號波形

0.05

0

-0.05010002000300040005000600070008000900010000

低頻噪聲信號頻譜

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

（2）將低頻信號增添到原聲音信號，獲得污染的聲音信號，并利用fft對污染

后的信號進行迅速傅里葉變換，獲得頻譜特點。程序以下：

%低頻信號加載到聲音信號

x1=x+zs0';

%sound(x1,FS,bits);%回放加入噪聲后的語音

y1=fft(x1,1200);

figure(7);

subplot(2,1,1);plot(x1);

title('加入低頻噪聲后的信號波形');

subplot(2,1,2);

plot(f(1:600),abs(y1(1:600)));

title('加入低頻噪聲后的信號頻譜');

程序運行結(jié)果得加入噪聲信號后的聲音信號時域波形和頻譜：

16/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

加入低頻噪聲后的信號波形

0.4

0.2

0

-0.2

-0.400.511.522.53

4x10

加入低頻噪聲后的信號頻譜

30

20

10

0

020004000600080001000012000140001600018000

3）巴特沃斯帶通濾波器的設(shè)計

依照語音信號的特點給出相關(guān)濾波器的性能指標，設(shè)計高通濾波器性能指標如

下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=[600,6000]Hz，fs=[400,7000]Hz，rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設(shè)計程序以下：

%設(shè)計巴特沃斯帶通濾波器

fp=[600,6000];fs=[400,7000];Fs=22050;

rp=1;rs=10;

wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(12);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯帶通濾波器');xlabel('頻次（HZ）');ylabel('耗費（dB)');gridon;

程序運行結(jié)果以下：

17/20光電工程學院數(shù)字信號辦理實驗語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計

巴特沃斯帶通濾波器

1.4

1.2

1

）0.8Bd

（損0.6

耗

0.4

0.2

0020004000600080001000012000

頻次（HZ）

4）巴特沃斯帶通濾波器的仿真

利用巴特沃斯濾波器對含有噪聲的聲音進行帶通濾波，程序以下

%用巴特沃斯帶通濾波器進行濾波¨

yd=filter(Bz,Az,x1);

figure(13);

subplot(2,1,