基于數(shù)字濾波器的語音轉換畢業(yè)設計

1、<p><b>　　蘭州工業(yè)學院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題目 基于數(shù)字濾波器的語音轉換 </p><p>　　系 別 電子信息工程系 </p><p>　　專 業(yè) 電子

2、信息工程技術 </p><p>　　班 級 電信10-2班 </p><p>　　姓　 名 李國平 </p><p>　　學 號 201010101209 </p><p>　　指導教師（職稱） 馬

3、宏鋒（教授） </p><p>　　日 期 2013年3月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術和語音學知識對語音信號進行處理的新興的學科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學研究領域的核心技術之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效

4、、最常用和最方便的交換信息形式。</p><p>　　Matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析以及信號的可視化，使人機交互更

5、加便捷。信號處理是Matlab重要應用的領域之一。</p><p>　　本設計針對現(xiàn)在大部分語音處理軟件內容繁多、操作不便等問題，采用MATLAB7.0綜合運用GUI界面設計、各種函數(shù)調用等來實現(xiàn)語音信號的變頻、變幅、傅里葉變換及濾波，程序界面簡練，操作簡便，具有一定的實際應用意義。</p><p>　　關鍵字：Matlab 語音信號 傅里葉變換 信號處理 語音轉換 </p

6、><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Speech signal processing is carried out by using digital signal processing technology and phonetics knowledge on speech signal processing of the emerging

7、 discipline, is the most rapid development of the information science research in the field of one of the core technology. Through the phonetic transfer information is the most important and the most effective, most comm

8、only used and the most convenient exchange information form.</p><p>　　Matlab language is a kind of data analysis and processing functions very powerful computer application software, it can sound file conver

9、sion for discrete data file, and then use its powerful matrix operation capability to deal with data, such as digital filter, Fourier transform, time domain and frequency domain analysis, sound playback and various map p

10、resent, its signal processing and analysis tools for speech signal analysis provides a very rich functions, use these functions can be quickly </p><p>　　This design for now most speech processing software of

11、 content, operating inconvenience, the integrated use MATLAB7.0 GUI interface design, all kinds of function calls to realize voice signal frequency, amplitude, Fourier transform and filtering, the program interface simpl

12、e, the operation is simple, have certain practical application significance.</p><p>　　Keywords: Matlab speech signal Fourier transform signal processing</p><p>　　Voice Conversion</p>&

13、lt;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 前 言1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 本課題的研究內容和方法1</p><p>　　1.2.1 研究內容1</p>&

14、lt;p>　　1.2.2運行環(huán)境2</p><p>　　1.2.3 開發(fā)環(huán)境2</p><p>　　1.3 濾波器的基本概念2</p><p>　　1.3.1 濾波器的定義2</p><p>　　1.3.2 濾波器的分類3</p><p>　　1.3.3 Matlab簡介3</p>

15、<p>　　第2章 語音信號采集及分析5</p><p>　　2.1 語音的錄入與打開5</p><p>　　2.2 采樣位數(shù)和采樣頻率5</p><p>　　2.3 時域信號的FFT分析5</p><p>　　2.4 原始語音信號采樣后的時域、頻域分析6</p><p>　　2.5

16、采樣后信號的FFT變換分析7</p><p>　　第3章 語音信號處理9</p><p>　　3.1 系統(tǒng)基本概述9</p><p>　　3.2 系統(tǒng)基本要求9</p><p>　　3.3 系統(tǒng)框架及實現(xiàn)9</p><p>　　3.3.1語音信號的時域分析9</p><p>　

17、　3.3.2語音信號的頻域分析10</p><p>　　3.3.3語音信號的效果顯示10</p><p>　　3.4 系統(tǒng)初步流程圖11</p><p>　　第4章 數(shù)字濾波器設計13</p><p>　　4.1 數(shù)字濾波器的概念13</p><p>　　4.2 數(shù)字濾波器設計原理13</p&g

18、t;<p>　　4.2.1 IIR數(shù)字濾波器設計原理13</p><p>　　4.2.2 FIR數(shù)字濾波器設計原理14</p><p>　　4.3 數(shù)字濾波器的設計方法概述14</p><p>　　4.4 數(shù)字濾波器應用前景15</p><p>　　4.5 數(shù)字濾波器的工作原理16</p>&l

19、t;p>　　4.6 數(shù)字濾波器的分類16</p><p>　　4.7 雙線性變換法設計IIR數(shù)字濾波器17</p><p>　　4.8 窗函數(shù)法設計FIR數(shù)字濾波器19</p><p>　　第5章 語音信號的轉換處理23</p><p>　　5.1 圖形用戶界面設計23</p><p>　　5

20、.2 信號的采集23</p><p>　　5.3 語音信號的處理設計23</p><p>　　5.3.1 語音信號的提取23</p><p>　　5.3.2 語音信號的調整25</p><p>　　5.3.2.1 語音信號的頻率調整25</p><p>　　5.3.2.2 語音信號的振幅調整26<

21、/p><p>　　5.3.3 語音信號的傅里葉變換27</p><p>　　5.3.4 語音信號的濾波28</p><p>　　5.3.4.1 語音信號的低通濾波28</p><p>　　5.3.4.2 語音信號的高通濾波29</p><p>　　5.3.4.3 語音信號的帶通濾波30</p>&l

22、t;p>　　5.3.4.4 語音信號的帶阻濾波31</p><p>　　5.4 語音信號的輸出31</p><p><b>　　結 論33</b></p><p><b>　　參考文獻34</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p&g

23、t;<p><b>　　第1章 前 言</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　語音是語言的聲學表現(xiàn)，是人類交流信息最自然、最有效、最方便的手段。隨著社會文化的進步和科學技術的發(fā)展，人類開始進入了信息化時代，用現(xiàn)代手段研究語音處理技術，使人們能更加有效地產生、傳輸、存儲、和獲取語音信息，這對于促

24、進社會的發(fā)展具有十分重要的意義，因此，語音信號處理正越來越受到人們的關注和廣泛的研究。</p><p>　　1.2 本課題的研究內容和方法</p><p>　　語音信號處理是一門比較實用的電子工程的專業(yè)課程，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。通過語言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和記載幾千年人類文明史的根本手段，沒有語言就沒有今天的人

25、類文明。語音是語言的聲學表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。</p><p>　　語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術對語音信號進行處理的一門學科，它是一門新興的學科，同時又是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科。</p><p>　　1.2.1 研究內容</p><p>　　本論文主要介紹的是的語音信號的簡

26、單處理。本論文針對以上問題，運用數(shù)字信號學基本原理實現(xiàn)語音信號的處理，在matlab7.0環(huán)境下綜合運用信號提取，幅頻變換以及傅里葉變換、濾波等技術來進行語音信號處理。我所做的工作就是在matlab7.0軟件上編寫一個處理語音信號的程序，能對語音信號進行采集，并對其進行各種處理，達到簡單的語音信號處理的目的。</p><p><b>　　1.2.2運行環(huán)境</b></p>&l

27、t;p>　　運行環(huán)境主要介紹了硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。</p><p><b>　　硬件環(huán)境：</b></p><p>　　處理器：Inter Pentium 166 MX 或更高</p><p>　　內存：512MB或更高</p><p>　　硬盤空間：40GB或更高</p><p>　　顯卡

28、：SVGA顯示適配器</p><p><b>　　軟件環(huán)境：</b></p><p>　　操作系統(tǒng)：Window 98/ME/2000/XP</p><p>　　1.2.3 開發(fā)環(huán)境</p><p>　　開發(fā)環(huán)境主要介紹了本系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)、開發(fā)語言。</p><p>　　(1) 操作系統(tǒng)：Wi

29、ndows XP</p><p>　　(2) 開發(fā)環(huán)境：Matlab 7.0</p><p>　　1.3 濾波器的基本概念 </p><p>　　1.3.1 濾波器的定義</p><p>　　濾波器是指用來對輸入信號進行濾波的硬件或軟件。如果濾波器的輸入，輸出都是離散信號，則該濾波器的沖擊響應也必然是離散的，這樣的濾波器定義為數(shù)字濾波器

30、。 </p><p>　　數(shù)字濾波器的功能，就是把輸入序列通過一定的運算變換成輸出序列。</p><p>　　數(shù)字濾波器在數(shù)字信號處理的各種應用中發(fā)揮著十分重要的作用，它是通過對抽樣數(shù)據(jù)進行數(shù)學運算處理來達到頻域濾波的目的。數(shù)學運算通常有兩種實現(xiàn)方式，一種是頻域法，即利用FFT快速算法對輸入信號進行離散傅立葉變換，分析其頻譜，然后根據(jù)所希望的頻率特性進行濾波，再利用傅立葉反變換快速算

31、法恢復出時域信號，這種方法具有交好的頻率選擇特性和靈活性，并且由于信號頻率與所希望的頻譜特性是簡單的相乘關系，它比計算等價的時域卷積要快的多。另一種方法是時域法，這種方法是對離散抽樣數(shù)據(jù)做差分數(shù)學運算來達到濾波的目的。</p><p>　　一般用兩種方法來實現(xiàn)數(shù)字濾波器：一是采用通用計算機，利用計算機的存儲器，運算器和控制器把濾波器所要完成的運算編成程序通過計算機來執(zhí)行，也就是采用計算機軟件來實現(xiàn)；二是設計專用的

32、數(shù)字處理硬件。</p><p>　　數(shù)字濾波器用硬件實現(xiàn)的基本部件包括延時器，乘法器和加法器；用軟件來實現(xiàn)時，它只是一段線性卷積程序。軟件實現(xiàn)的優(yōu)點是系統(tǒng)函數(shù)具有可變性，僅依賴于算法結構，并且易于獲得較理想的濾波性能。所以軟件濾波在濾波器的使用中起到了越來越重要的作用。</p><p>　　1.3.2 濾波器的分類</p><p>　　濾波器的種類很多，有各種不同

33、的分類方法。</p><p>　　一般分為兩類即模擬濾波器和數(shù)字濾波器。</p><p>　　從濾波器的實現(xiàn)方法上分，可分為IIR濾波器和FIR濾波器兩種。</p><p>　　從濾波器功能上可分為如下四類：</p><p>　　1）低通濾波器（LPF）；</p><p>　　2）高通濾波器（HPF）；</p&g

34、t;<p>　　3）帶通濾波器（BPF）；</p><p>　　4）帶阻濾波器（BSF）；</p><p>　　1.3.3 Matlab簡介</p><p>　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能

35、集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為四大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)

36、、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等。其開發(fā)界面如圖1-1：</p><p>　　圖1-1 matlab開發(fā)工作界面</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 </p><p>　　第2章

37、語音信號采集及分析</p><p>　　2.1 語音的錄入與打開</p><p>　　在MATLAB中，[y,fs]=wavread('Blip',[N1 N2]);用于讀取語音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。[N1 N2]表示讀取從N1點到N2點的值（若只有一個N的點則表示讀取前N點的采樣值）。</p><p&g

38、t;　　sound(x,fs,bits); 用于對聲音的回放。向量y則就代表了一個信號（也即一個復雜的“函數(shù)表達式”）也就是說可以像處理一個信號表達式一樣處理這個聲音信號。</p><p>　　2.2 采樣位數(shù)和采樣頻率</p><p>　　采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設備在一秒鐘內對

39、聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。</p><p>　　采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標，也是選擇音頻接口的兩個重要標準。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個采樣位數(shù)相當于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機，44.1kHz意味著音頻流進入計算機時計算機每秒會對其拍照

40、達441000次。顯然采樣率越高，計算機攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。</p><p>　　2.3 時域信號的FFT分析</p><p>　　FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。在MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快

41、速傅立葉變換，其調用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長度；若x為一矩陣，則y是對矩陣的每一列向量進行FFT。如果x長度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基－2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調用格式為y=fft(x,N)，式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點的FFT，若x為向量且長度小于

42、N，則函數(shù)將x補零至長度N；若向量x的長度大于N，則函數(shù)截短x使之長度為N；若x 為矩陣，按相同方法對x進行處理。</p><p>　　2.4 原始語音信號采樣后的時域、頻域分析</p><p><b>　　1、源程序如下：</b></p><p>　　[x1,fs]=wavread('10.wmv'); %讀取語音信號

43、的數(shù)據(jù)，賦給變量x1</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　plot(x1) %做原始語音信號以44.1k采樣后的時域圖形</p><p>　　title('原始語音采樣后時域信號');</p><p>　　xlabel('時間軸 n');<

44、;/p><p>　　ylabel('幅值 A');</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　freqz(x1) %繪制原始語音信號采樣后的頻率響應圖</p><p>　　title('原始語音信號采樣后頻率響應圖');</p><p

45、>　　[x1,fs]=wavread('10.wav');%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1</p><p>　　sound(x1,fs); %播放語音信號</p><p>　　2、運行結果如圖2-1、2-2所示：</p><p>　　圖2-1 原始語音采樣后時域信號</p><p>　　圖2-2 原始語音信

46、號采樣后頻率響應</p><p>　　2.5 采樣后信號的FFT變換分析</p><p><b>　　1、源程序如下：</b></p><p>　　[x1,fs]=wavread('10.wav'); %讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1</p><p>　　y1=fft(x1,1024);

47、 %對采樣后信號做1024點FFT變換</p><p>　　f=fs*(0:511)/1024; %生成頻率序列</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(f,abs(y1(1:512)));</p>

48、<p>　　title('原始語音信號頻譜')</p><p>　　xlabel('頻率/Hz');</p><p>　　ylabel('幅值');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(y1(1:1024))); %采樣后信

49、號的FFT頻譜圖</p><p>　　title('原始語音信號FFT頻譜')</p><p>　　xlabel('點數(shù)N');</p><p>　　ylabel('幅值');</p><p>　　2、運行結果如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 原始語音信號頻

50、譜及FFT頻譜</p><p><b>　　3、 頻譜分析：</b></p><p>　　從圖2-3可以看出，采樣點數(shù)為1024，離散點數(shù)越多，越接近原始信號頻普。 </p><p>　　這一塊的總結太少了，每一章結束要有個整體的總結。</p><p>　　第3章 語音信號處理</p>&

51、lt;p>　　3.1 系統(tǒng)基本概述</p><p>　　圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱 GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。GUI的廣泛應用是當今計算機發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、

52、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)基本要求</p><p>　　本文是用Matlab對含噪的的語音信號同時在時域和頻域進行濾波處理和分析，在MATLAB應用軟件下設計一個簡單易用的圖形用戶界面（GUI），來解決一般應用條件下的各種語音信號的處理。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)框架及實現(xiàn)</p><p>

53、;　　1)語音信號的采集 </p><p>　　使用電腦的聲卡設備采集一段語音信號，并將其保存在電腦中。</p><p><b>　　2)語音信號的處理</b></p><p>　　語音信號的處理主要包括信號的提取、信號的調整、信號的變換和濾波等。</p><p>　　3.3.1語音信號的時域分析</p>

54、<p>　　語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成、語音識別和語音增強等語音處理中無一例外需要提取語音中包含的各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析可以分為時域和變換域等處理方法，其中時域分析是最簡單的方法，直接對語音信號的時域波形進行分析，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時能量，短時平均過零率，短時自相關函數(shù)等。</p><p&

55、gt;　　提?。和ㄟ^圖形用戶界面上的菜單功能按鍵采集電腦設備上的一段音頻信號，完成音頻信號的頻率，幅度等信息的提取，并得到該語音信號的波形圖。</p><p>　　調整：在設計的用戶圖形界面下對輸入的音頻信號進行各種變化，如變化幅度、改變頻率等操作，以實現(xiàn)對語音信號的調整。</p><p>　　3.3.2語音信號的頻域分析</p><p>　　信號的傅立葉表示在信號

56、的分析與處理中起著重要的作用。因為對于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復指數(shù)和的響應，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項紅物理現(xiàn)象。</p><p>　　由于語音信號是隨著時間變化的，通常認為，語音是一個受準周期脈沖或隨機噪聲源激勵的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應與激勵源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響

57、應及激勵源都是隨時間變化的，因此一般標準的傅立葉表示雖然適用于周期及平穩(wěn)隨機信號的表示，但不能直接用于語音信號。由于語音信號可以認為在短時間內，近似不變，因而可以采用短時分析法。</p><p>　　變換：在用戶圖形界面下對采集的語音信號進行Fourier等變換，并畫出變換前后的頻譜圖和變換后的倒譜圖。</p><p>　　濾波：濾除語音信號中的噪音部分，可采用低通濾波、高通濾波、帶通濾波

58、和帯阻濾波，并比較各種濾波后的效果。</p><p>　　3.3.3語音信號的效果顯示</p><p>　　通過用戶圖形界面的輸出功能，將處理后的信號的語音進行播放，試聽處理后的效果。</p><p>　　3.4 系統(tǒng)初步流程圖</p><p>　　圖3.1列出了整個語音信號處理系統(tǒng)的工作流程：</p><p>　　

59、圖3.1 語音信號處理系統(tǒng)的工作流程</p><p>　　其中信號調整包括信號的幅度和頻率的任意倍數(shù)變化。如下圖2.2</p><p><b>　　圖3.2 信號調整</b></p><p>　　信號的濾波采用了四種濾波方式，來觀察各種濾波性能的優(yōu)缺點：</p><p>　　圖3.3 語音信號濾波的方式（圖的背景最好去

60、掉）</p><p>　　在以上三圖中，可以看到整個語音信號處理系統(tǒng)的流程大概分為三步，首先要讀入待處理的語音信號，然后進行語音信號的處理，包括信息的提取、幅度和頻率的變換以及語音信號的傅里葉變換、濾波等；濾波又包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等方式。最后對處理過的語音信號進行處理后的效果顯示。以上是本系統(tǒng)的工作流程，本文將從語音信號的采集開始做詳細介紹。</p><p>　　第

61、4章 數(shù)字濾波器設計</p><p>　　4.1 數(shù)字濾波器的概念</p><p>　　數(shù)字濾波器 (digital filter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種裝置。其功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進行運算處理，以達到改變信號頻譜的目的。由于電子計算機技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器已可用計算機軟件實現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實時實現(xiàn)。數(shù)字濾波器是一個離 散時間系統(tǒng)

62、（按預定的算法，將輸入離散時間信號轉換為所要求的輸出離散時間信號的特定功能裝置）。應用數(shù)字濾波器處理模擬信號時，首先須對輸入模擬信號進行限帶、抽樣和模數(shù)轉換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應大于被處理信號帶寬的兩倍，其頻率響應具有以抽樣頻率為間隔的周期重復特性，且以折疊頻率即1／2抽樣頻率點呈鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經數(shù)模轉換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復用、便于集成等優(yōu)點。數(shù)字濾

63、波器在語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學生物信號處理以及其他應用領域都得到了廣泛應用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時不變的或時變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應用最廣的是線性、時不變數(shù)字濾波器.</p><p>　　4.2 數(shù)字濾波器設計原理</p><p>　　4.2.1 IIR數(shù)字濾波器設計原理</p><p>　　利用雙

64、線性變換設計IIR濾波器（巴特沃斯數(shù)字低通濾波器的設計），首先要設計出滿足指標要求的模擬濾波器的傳遞函數(shù)Ha(s),然后由Ha(s)通過雙線性變換可得所要設計的IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。如果給定的指標為數(shù)字濾波器的指標，則首先要轉換成模擬濾波器的技術指標，這里主要是邊界頻率Wp和Ws的轉換，對ap和as指標不作變化。邊界頻率的轉換關系為 ∩=2/T tan(w/2)。接著，按照模擬低通濾波器的技術指標根據(jù)相應設計公式求出濾波器的階

65、數(shù)N和3dB截止頻率 ∩c ；根據(jù)階數(shù)N查巴特沃斯歸一化低通濾波器參數(shù)表，得到歸一化傳輸函數(shù)Ha(p)；最后，將p=s/ ∩c 代入Ha(p)去歸一，得到實際的模擬濾波器傳輸函數(shù)Ha(s)。之后，通過雙線性變換法轉換公式s=2/T((1-1/z)/(1+1/z))得到所要設計的IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。</p><p>　　4.2.2 FIR數(shù)字濾波器設計原理</p><p>　　

66、基于窗函數(shù)的FIR 數(shù)字濾波器的設計方法通常也稱之為傅立葉級數(shù)法，是用一定寬度窗函數(shù)截取無限脈沖響應序列，獲得有限長的脈沖響應序列，從而得到FIR 濾波器。它是在時域進行的，由理想濾波器的頻率響應推導出其單位沖激響應hd (n)，再設計一個FIR數(shù)字濾波器的單位沖激響應h(n)去逼近hd (n)，表示= （4-1）</p><p>　　由此得到的離散濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)Hd (z) 為 </p>&

67、lt;p><b>　　＝（4-2），</b></p><p>　　該hd (n) 為無限長序列，因此Hd (z)是物理不可實現(xiàn)的。為了使系統(tǒng)變?yōu)槲锢砜蓪崿F(xiàn)的，且使實際的FIR 濾波器頻率響應盡可能逼近理想濾波器的頻率響應，采用窗函數(shù)將無限脈沖響應hd (n)截取一段h(n)來近似表示hd (n)，可得：h (n) = hd (n)w(n) ,從而有：式中N 表示窗口長度，這樣H(z)就

68、是物理可實現(xiàn)的系統(tǒng)。并且從線性相位FIR濾波器的充要條件可知，為了獲得線性相位FIR 數(shù)字濾波器的沖激響應h(n) ，那么序列h(n) 應有τ = (N ?1) / 2的延遲。由于窗函數(shù)的選擇對結果起著重要的作用，針對不同的信號和不同的處理目的來確定窗函數(shù)的選擇才能收到良好的效果。</p><p>　　4.3 數(shù)字濾波器的設計方法概述</p><p>　　隨著電子產品的發(fā)展，濾波器也有了

69、翻天腹地的變化，數(shù)字濾波器有很多方面優(yōu)于模擬濾波器，它具有高精度、高穩(wěn)定性，是一種具有頻率選擇性的離散線性系統(tǒng)，即選頻濾波器。它在確定信號與隨機信號的數(shù)字處理中有著廣泛的應用。數(shù)字濾波器的設計是確定其系統(tǒng)函數(shù)并實現(xiàn)的過程。經常用的一類設計方法是借助于模擬濾波器的設計方法進行的。其設計步驟是：先設計模擬濾波器得到傳輸函數(shù)Ha(s)，然后將Ha(s)按某種方法轉換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。 </p><p>　

70、　設計數(shù)字濾波器有很多方法：</p><p>　　一、設計數(shù)字濾波器兩種變換法（模擬頻率變換法，數(shù)字頻率變換法）；</p><p>　　二、利用模擬濾波器來設計數(shù)字濾波器的兩種方法（沖激不變法、雙線性變換法）；</p><p>　　三、（計算機輔助設計）最優(yōu)化技術設計（最小均方誤差法、最小誤差設計法）；</p><p>　　在本論文中，主要介

71、紹了模擬頻域變換法實現(xiàn)數(shù)字濾波器的過程。</p><p>　　4.4 數(shù)字濾波器應用前景</p><p>　　濾波器在數(shù)值信號處理中有廣泛的應用。若濾波器的輸入、輸出都是離散時間信號，那么，該濾波器的沖激響應也必然是離散的，我們稱這樣的濾波器為數(shù)字濾波器。當硬件實現(xiàn)一個DF時，所需的元件延遲器、乘法器和加法器。當在計算機上用軟件實現(xiàn)時，它就是一段線性卷積的程序。我們知道，模擬濾波器只能用

72、硬件來實現(xiàn)，其元件是L、C、R及運算放大器或開關電路。因此，DF的實現(xiàn)要比AF容易的多，而且易獲得較為理想的效果。</p><p>　　濾波器的種類很多，分類方法也不同，如可以從功能上分，也可以從實現(xiàn)方法上分，或從設計方法上來分等等。但總的來說濾波器可以分為兩大類，即經典濾波器和現(xiàn)代濾波器。經典濾波器是假定輸入信號x(n)中的有效信號和噪聲信號成分各在不同的頻帶，當x(n)通過一個線性濾波系統(tǒng)后，可以將欲噪聲信號

73、成分有效地去除?？墒?，如果有效信號和噪聲信號的頻率帶相互重疊，那么經典的濾波器將無能為力?，F(xiàn)在的地質雷達信號處理中的濾波器主要采用經典的濾波器進行處理。因此有時濾波效果較好，有時較差。</p><p>　　現(xiàn)代濾波理論研究的主要內容是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄中估計出信號的某些特征或信號本身。一旦信號被估計出，那么估計出的信號將比原信號會有高的信噪比?，F(xiàn)代濾波器把信號和噪聲都視為隨機信號，利用他們的統(tǒng)計特征（如自相關函

74、數(shù)、功率譜函數(shù)等等）導出一套最佳的估值算法，然后用硬件和軟件實現(xiàn)。目前現(xiàn)代濾波器主要有：維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預測器、自適應濾波器等，很多專家將基于特征分解的頻率估計及奇異值分解算法都歸入現(xiàn)代濾波器的范疇。GR雷達信號處理分析系統(tǒng)中的信號分析中的滑動平均譜和常規(guī)處理中的反卷積運算采用了現(xiàn)代處理的部分功能。</p><p>　　目前GR雷達信號處理分析系統(tǒng)開發(fā)人員目前仍在摸索和試算現(xiàn)代濾波器處理的各種算法，

75、我想在不久的將來，必將推出在地質雷達中應用中效果極佳的現(xiàn)代濾波器。</p><p>　　4.5 數(shù)字濾波器的工作原理</p><p>　　設x(n)是系統(tǒng)的輸入，是其傅氏變換，是其系統(tǒng)的輸入， 是其傅氏變換。則：</p><p>　　則LTI系統(tǒng)的輸出為： （4-3）</p><p>　　看出輸入系統(tǒng)的頻譜經過濾波器（其系統(tǒng)性能用表

76、示）后變成選取，使濾波器輸出符合我們的要求，這就是數(shù)字濾波器的工作原理。</p><p>　　4.6 數(shù)字濾波器的分類</p><p>　　數(shù)字濾波器的種類有很多，分類的方法也各不相同，具體分類如下：</p><p>　?。?）從功能上分：分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器；</p><p>　　第一，低通濾波器（Lowpa

77、ss），是指讓某一定頻率以下的頻率通過，并使得該指定頻率減少3dB的輸出。而且通過的頻率稱為斜向頻率（Slope）； 第二，高通濾波器（Highpass），與低通濾波器正好相反，是指讓某一指定頻率以上的聲音頻率通過，并使得該指定頻率減少3dB的輸出； 第三，帶通濾波器（Bandpass），指分別指定兩個不同頻率，并讓這兩個不同頻率所形成的音頻帶通過，并減少3dB的輸出； 第四，帶阻濾波器（Band Reject）

78、，剛好與帶通濾波器相反，是指使設定的兩個音頻帶以外的聲音通過，并使得指定頻率減少3dB的輸出。</p><p>　　注意：論文中編號要統(tǒng)一</p><p>　　4.7 雙線性變換法設計IIR數(shù)字濾波器</p><p>　　低通濾波器性能指標 fp=1000Hz，fst=1200Hz，Ap=1db，As=100db。</p><p>　　（1

79、） 源程序如下：</p><p>　　fs=22050; </p><p>　　[x2]=wavread(' 10.wav');</p><p>　　Ts=1/fs;R1=10;</p><p>　　wp=2*pi*1000/fs; %通帶截止頻率</p><p>　　ws=2*pi*1200/fs

80、; %阻帶截止頻率</p><p>　　Rp=1; %通帶衰減</p><p>　　Rl=100; %阻帶衰減</p><p>　　wp1=2/Ts*tan(wp/2); %將模擬指標轉換成數(shù)字指標</p><p>　　ws1=2/Ts*tan(ws/2); </p><p>　　[N,Wn]

81、=buttord(wp1,ws1,Rp,R1,'s'); %選擇濾波器的最小階數(shù)</p><p>　　[Z,P,K]=buttap(N); %創(chuàng)建butterworth模擬低通濾波器</p><p>　　[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);</p><p>　　[b,a]=lp2lp(Bap,Aap,Wn；</p&g

82、t;<p>　　[bz,az]=bilinear(b,a,fs); %用雙線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾</p><p><b>　　波器的轉換</b></p><p>　　[H,W]=freqz(bz,az); %繪制頻率響應曲線</p><p><b>　　figure(1)</b><

83、/p><p>　　plot(W*fs/(2*pi),abs(H))</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　xlabel('頻率／Hz')</p><p>　　ylabel('頻率響應幅度')</p><p>　　title('IIR低

84、通濾波器')</p><p>　　f1=filter(bz,az,x2);</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　subplot(2,1,1)</p><p>　　plot(x2) %畫出濾波前的時域圖</p><p>　　title('

85、;IIR低通濾波器濾波前的時域波形');</p><p>　　subplot(2,1,2)</p><p>　　plot(f1); %畫出濾波后的時域圖</p><p>　　title('IIR低通濾波器濾波后的時域波形');</p><p>　　sound(f1,44100); %播放濾波后的信號<

86、;/p><p>　　F0=fft(f1,1024);</p><p>　　f=fs*(0:511)/1024;</p><p><b>　　figure(3)</b></p><p>　　y2=fft(x2,1024);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><

87、;p>　　plot(f,abs(y2(1:512))); %畫出濾波前的頻譜圖</p><p>　　title('IIR低通濾波器濾波前的頻譜')</p><p>　　xlabel('頻率/Hz');</p><p>　　ylabel('幅值');</p><p>　　subp

88、lot(2,1,2)</p><p>　　F1=plot(f,abs(F0(1:512))); %畫出濾波后的頻譜圖</p><p>　　title('IIR低通濾波器濾波后的頻譜')</p><p>　　xlabel('頻率/Hz');</p><p>　　ylabel('幅值');&

89、lt;/p><p>　?。?） 運行結果如圖4-1、4-2和4-所示：</p><p>　　圖4-1 IIR低通濾波器</p><p>　　圖4-2 IIR低通濾波器濾波前后時域波形</p><p>　　圖4-3 IIR低通濾波器濾波前后的頻譜</p><p><b>　　（3） 頻譜分析：</b>&

90、lt;/p><p>　　從圖4-3可以看出，經過IIR低通濾波器濾波后將高頻部分濾除了。</p><p>　　4.8 窗函數(shù)法設計FIR數(shù)字濾波器</p><p>　　1） 低通濾波器性能指標 fp=1000Hz，fst=1200Hz，Ap=1db，As=100db。</p><p><b>　?。?）源程序如下：</b>

91、</p><p><b>　　fs=10000;</b></p><p>　　x1=wavread(' 10.wav');</p><p>　　wp=2*pi*1000/fs;</p><p>　　ws=2*pi*1200/fs;</p><p><b>　　Rp=1;&

92、lt;/b></p><p><b>　　Rs=100;</b></p><p>　　wdelta=ws-wp;</p><p>　　N=ceil(8*pi/wdelta); %取整</p><p>　　wn=(wp+ws)/2;</p><p>　　[b,a]

93、=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1)); %選擇窗函數(shù)，并歸一化截止頻率</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　freqz(b,a,512);</p><p>　　title('FIR低通濾波器');</p><p>　　f2=filter(b,a

94、,x1);</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　subplot(2,1,1)</p><p><b>　　plot(x1)</b></p><p>　　title('FIR低通濾波器濾波前的時域波形');</p><p>

95、;　　subplot(2,1,2)</p><p><b>　　plot(f2);</b></p><p>　　title('FIR低通濾波器濾波后的時域波形');</p><p>　　sound(f2,44100); %播放濾波后的語音信號</p><p>　　F

96、0=fft(f2,1024);</p><p>　　f=fs*(0:511)/1024;</p><p><b>　　figure(3)</b></p><p>　　y2=fft(x1,1024);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(f,abs(y2

97、(1:512)));</p><p>　　title('FIR低通濾波器濾波前的頻譜')</p><p>　　xlabel('頻率/Hz');</p><p>　　ylabel('幅值');</p><p>　　subplot(2,1,2)</p><p>　　F2=pl

98、ot(f,abs(F0(1:512)));</p><p>　　title('FIR低通濾波器濾波后的頻譜')</p><p>　　xlabel('頻率/Hz');</p><p>　　ylabel('幅值');</p><p>　?。?）運行結果如圖4-4、4-5和4-6所示：</p&g

99、t;<p>　　圖4-4 FIR低通濾波器</p><p>　　圖4-5 FIR低通濾波器濾波前后時域波形</p><p>　　圖4-6 FIR低通濾波器濾波前后頻</p><p><b>　?。?）頻譜分析：</b></p><p>　　從圖4-6可以看出，經過FIR低通濾波器濾波后，將高頻部分濾除了

100、。</p><p>　　同樣的問題：總結太少</p><p>　　第5章 語音信號的轉換處理</p><p>　　5.1 圖形用戶界面設計</p><p>　　在MATLAB主窗口中，選擇File菜單中的New菜單項，再選擇其中的GUI命令，就會顯示圖形用戶界面的設計模板。MATLAB為GUI設計一共準備了4種模板，分別是Blank GU

101、I(默認) 、GUI with Uicontrols(帶控件對象的GUI模板) 、GUI with Axes and Menu(帶坐標軸與菜單的GUI模板)與Modal Question Dialog(帶模式問話對話框的GUI模板)。</p><p>　　設計語音信號處理系統(tǒng)的用戶圖形操作界面（GUI）SoundProcess，其中菜單主要包括File、Process和Output三大主要部分，其中File菜單包

102、括輸入（Input）、保存（Save）和退出（Quit）等功能；Process菜單主要包括提?。‥xtract）、調整（Extract）、變換（Transform）和濾波（Filter）菜單，其中調整（Extract）包括幅度調整（Range）和頻率調整（Frequency），濾波（Filter）菜單包含低通濾波（LowpassFilter）、高通濾波（HighpassFilter）、帶通濾波（BandpassFilter）和帯阻濾波（

103、BandstopFilter）等功能菜單。</p><p>　　5.2 信號的采集</p><p>　　該系統(tǒng)是以一段簡短的的語音信號做為分析樣本，通過計算機系統(tǒng)將一段“主人，信息收到了”的語音信號保存到到計算機中，并且保存格式為“*.wav”。</p><p>　　5.3 語音信號的處理設計</p><p>　　5.3.1 語音信號的提

104、取</p><p>　　在Matlab中使用Wavread函數(shù)，可得出信號的采樣頻率為22500，并且聲音是單聲道的。利用Sound函數(shù)可以清晰的聽到“主人，信息收到了”的語音。采集數(shù)據(jù)并畫出波形圖。</p><p>　　其中聲音的采樣頻率Fs=22050Hz，y為采樣 數(shù)據(jù)，NBITS表示量化階數(shù)。</p><p><b>　　部分程序如下：</b

105、></p><p>　　fn=input(' Enter WAV filename:','s'); %獲取一個*.wav的文件</p><p>　　[x,fs,nb]=wavread(fn);</p><p>　　ms2=floor(fs*0.002);</p><p>　　ms10=floor(fs*0

106、.01);</p><p>　　ms20=floor(fs*0.02);</p><p>　　ms30=floor(fs*0.03);</p><p>　　t=(0:length(x)-1)/fs; %計算樣本時刻 </p><p>　　subplot(2,1,1); %確定顯示位置</p>&l

107、t;p>　　plot(t,x); %畫波形圖</p><p>　　legend('Waveform');</p><p>　　xlabel( 'Time(s)');</p><p>　　ylabel('Amplitude'); </p><p>　　運行后彈

108、出語音信號處理系統(tǒng)的操作界面如圖5-1：</p><p>　　圖5-1語音信號處理系統(tǒng)的操作界面</p><p>　　然后點擊File菜單中的子菜單Input，回到Matlab軟件的輸入界面如圖5-2：</p><p><b>　　圖5-2輸入界面</b></p><p>　　輸入要處理的語音信號的名稱，便可得到語音語音

109、的波形圖如圖5-3：</p><p>　　圖5-3語音語音的波形圖（和圖放到一頁中）</p><p>　　如圖中提取的語音的波形圖所示，整段音頻數(shù)據(jù)中得聲音高低起伏與錄入的聲音信號基本一致，并且可以觀察到其中包含部分高頻噪聲。</p><p>　　5.3.2 語音信號的調整</p><p>　　在語音信號的研究中，經常會對語音信號進行進行多倍

110、頻率以及多倍幅度變換調整，日常應用中，這種變換調整也經常要用到。所以在設計中也添加了這種功能，并能夠觀察調整后的信號的波形圖得變化， 而且能通過語音處理界面的輸出功能試聽處理后的語音信號。</p><p>　　5.3.2.1 語音信號的頻率調整</p><p>　　在設計中，可以將語音信號的采樣頻率提高或降低，來實現(xiàn)語音信號的調整，得到理想的語音信號。例如將采樣頻率提高一倍，即可得到語音信

111、號頻率為原頻率2倍新的語音信號。運行ProcessAdjustFrequency，得到如圖5-4的信號波形圖，并試聽調整后的效果。</p><p>　　圖5-4頻率調整后波形圖</p><p>　　與原語音信號相比，經過調整后的信號周期變?yōu)樵瓉淼?/2，此時的語速明顯變快，即實現(xiàn)了信號的2倍頻功能。</p><p>　　5.3.2.2 語音信號的振幅調整</p

112、><p>　　在設計中，可以將語音信號的幅度進行提高或降低操作，來實現(xiàn)語音信號的調整，得到聲音音量大小不同的語音信號，例如將原語音信號的幅度提高一倍，得到如下圖5-5的信號波形圖，可以通過GUI操作界面的輸出功能試聽調整后的效果。</p><p>　　圖5-5 幅度調整后波形圖</p><p>　　此時聽到的調整后聲音聲調變高，但不是很明顯，可以將幅度的變化值設置的比較

113、大，那樣的話就可以得到效果相當明顯的語音信號了。</p><p>　　5.3.3 語音信號的傅里葉變換</p><p>　　倒譜分析是指信號短時振幅譜的對數(shù)進行傅里葉反變換。它具有可近似地分離并提取出頻譜包絡信息和細微結構信息的特點。</p><p>　　對語音信號進行頻譜分析，在Matlab中可以利用函數(shù)fft對信號行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜圖，并進行倒譜分

114、析，得到倒譜圖。</p><p>　　傅里葉變換的部分程序如下：</p><p>　　x=y(44101:55050,1); %提取原語音信號的一部分</p><p>　　t=(0:length(x)-1)/fs; %計算樣本時刻</p><p>　　subplot(3,1,1); %

115、確定顯示位置</p><p>　　plot(t,x); %畫波形圖</p><p>　　legend('波形圖');</p><p>　　xlabel( 'Time(s)');</p><p>　　ylabel('Amplitude');</p>

116、<p>　　Y=fft(x,hamming(length(x))); %做加窗傅里葉變換</p><p>　　fm=5000*length(Y)/fs; %限定頻率范圍</p><p>　　f=(0:fm)*fs/length(Y); %確定頻率刻度</p><p>　　subplot(3,1,2);</p>

117、<p>　　plot(f,20*log10(abs(Y(1:length(f)))+eps));</p><p>　　legend('頻譜圖'); %畫頻譜圖</p><p>　　ylabel('幅度(db)');</p><p>　　xlabel('頻率(Hz)');</p

118、><p>　　c=fft(log(abs(x)+eps)); %倒頻譜計算</p><p>　　ms1=fs/1000;</p><p>　　ms20=fs/50</p><p>　　q=(ms1:ms20)/fs; %確定倒頻刻度</p><p>　　subplot(3,1,3)