語音信號的濾波課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　2設(shè)計任務(wù)與方案2</p><p><b>　　2.1設(shè)計要求2</b></p><p><b>　　2.2設(shè)計方案2</b></p

2、><p>　　3MATLAB簡介4</p><p><b>　　4設(shè)計過程5</b></p><p><b>　　4.1原理分析5</b></p><p>　　4.2語音信號的獲取5</p><p>　　4.2.1語音信號的采集5</p><p>

3、;　　4.2.2語音信號的時頻分析7</p><p>　　4.3干擾信號及其頻譜8</p><p>　　4.3.1干擾信號的產(chǎn)生8</p><p>　　4.3.2干擾信號的時頻分析9</p><p>　　4.4信號合成10</p><p>　　4.5數(shù)字濾波器的設(shè)計11</p><p&g

4、t;　　4.6數(shù)字信號的濾波13</p><p>　　4.7結(jié)果比較分析14</p><p><b>　　5結(jié)束語16</b></p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　致謝18</b></p><p>&l

5、t;b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代信號處理正向著數(shù)字化、軟件化方向發(fā)展。濾波器設(shè)計是信號處理的重要組成部分，而研究語音信號的濾波設(shè)計是現(xiàn)代信息處理的基本內(nèi)容。本設(shè)計利用計算機WINDOWS下的錄音機錄入一句語音信號，用MATLAB軟件對其進行頻譜分析，然后加入一干擾信號，利用設(shè)計好的濾波器將干擾信號去除，最后對各部分的頻譜進行分析比較。</p&g

6、t;<p>　　關(guān)鍵詞：語音信號；濾波器；MATLAB</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with the information technology development modern signal processing to the digitization, the software dire

7、ction is developing The important component of the signal processing is the wave filter design While studying the design of the signal wave filter is fundamental content of modern information processing In this design a

8、computer sound recorder of WINDOWS is used. First let the recorder remember a sound signal Then use MATLAB to analyses this frequency spectrum and add a disturbed sign</p><p>　　Key words: sound signal；proces

9、sing；MATLAB</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　信號處理是現(xiàn)代信息處理的基本內(nèi)容，數(shù)字信號的處理更是重中之重。數(shù)字信號處理的研究內(nèi)容主要是語音信號和圖像信號，而研究語音信號對于現(xiàn)代語音通信有著積極的意義。研究語音信號又分為時域和頻域兩個方面。</p><p>　?。?）語音信號的時域分析處理：一類是進行語

10、音信號分析，另一類是生成和變換各種調(diào)制信號，對信號平均累加器的動態(tài)范圍進行壓縮擴張，用門限方法進行噪聲的抑制等等。前一類是屬于時域中信號平均累加器的線性處理，主要通過信號的加減、時移、倍乘、卷積、求相關(guān)函數(shù)等來實現(xiàn)。而后一類，則屬于非線性的變換和處理。</p><p>　?。?）語音信號的頻譜分析處理：信號的時域頻譜分析通常是要結(jié)合在一起進行的。</p><p>　　在數(shù)字設(shè)計系統(tǒng)中，任何

11、信號處理器件都可以看成是一個濾波器，濾波器設(shè)計是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容。濾波器就是在對信號進行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計適當?shù)南到y(tǒng)，提取有用的信號，抑制噪聲信號干擾。濾波器的設(shè)計通常是在頻率域進行的[1]。</p><p>　　本設(shè)計是用MATLAB仿真軟件設(shè)計濾波器對受干擾的語音信號進行濾波處理，并對各部分進行頻譜分析。</p><p><b>　　2設(shè)計任務(wù)與方案</b>

12、</p><p><b>　　2.1設(shè)計要求</b></p><p>　　本設(shè)計是設(shè)計一個濾波器對話音信號進行濾波，具體要求如下：</p><p>　?。?）語音信號的采集及頻譜分析[1]</p><p>　　利用PC機WINDOW下的錄音機，用單聲道錄制一句自己的聲音，時間在3S內(nèi)。在MATLAB軟件平臺下用命令對語音

13、信號進行時頻變換、時頻分析。</p><p>　?。?）對合成信號時頻分析</p><p>　　構(gòu)造一段干擾信號，對其進行時頻分析，再在MATLAB軟件下加入錄制的語音信號當中，并對合成的語音信號進行時頻分析。</p><p>　?。?）設(shè)計數(shù)字濾波器</p><p>　　濾波器的性能指標：BW型帶阻濾波器指標f0=2000/4000；fc=

14、100/4000；Ap=1；As=30；用窗函數(shù)法或線性變換法設(shè)計以上要求數(shù)字濾波器，繪制頻率響應(yīng)曲線。</p><p>　?。?）用濾波器對信號進行濾波</p><p>　　用設(shè)計好的濾波器對加入噪聲的語音信號進行濾波處理，繪制處理后的語音信號的頻譜圖，并對原始語音信號，加入噪聲后的語音信號和去噪后的語音信號的頻譜圖進行比較分析。</p><p><b>

15、;　?。?）回放語音信號</b></p><p>　　在MATLAB軟件下，對各個階段的話音信號進行回放。</p><p><b>　　2.2設(shè)計方案</b></p><p>　　采用MATLAB仿真軟件對WINDOWS下錄音機錄制的語音信號進行采集，并設(shè)計恰當?shù)臑V波器，對合成的語音進行濾波處理，對前后濾波前后的頻譜進行分析比較，其

16、原理框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 語音信號的濾波原理示意圖</p><p>　　3 MATLAB簡介</p><p>　　MATLAB是MathWorks公司開發(fā)的一種跨平臺的用于多種仿真的簡單高效的數(shù)學語言。MATLAB語言是一種廣泛應(yīng)用于工程計算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級語言，MATLAB功能強大、簡單易學、編程效率高，深受廣大科技工作者的歡迎。特別

17、是MATLAB還具有信號分析工具箱，不需具備很強的編程能力就可以很方便地進行信號分析、處理和設(shè)計。與其它計算機高級語言相比，其語言編程要簡潔得多，編程語句更加接近數(shù)學描述，可讀性好，其強大的圖形功能和可視化數(shù)據(jù)處理能力也是其它高級語言不可比擬的。</p><p>　　與其它高級語言相比較，MATLAB具有獨特的優(yōu)勢[2]：</p><p>　?。?）MATLAB是一種跨平臺的數(shù)學語言。采用

18、MATLAB編寫的程序可在目前所有的操作系統(tǒng)上運行（只要這些系統(tǒng)上安裝了MATLAB軟件仿真平臺）。MATLAB程序不依賴于計算機類型和操作系統(tǒng)類型。</p><p>　?。?）MATLAB是一種超高級語言。MATLAB平臺本身是用C語言寫成的，其中匯集了當前最新的數(shù)學庫，是許多專業(yè)數(shù)學家和工程師學者多年的勞動結(jié)晶。使用MATLAB在編程效率、程序的可讀性、可靠性和可移植上遠遠超過了常規(guī)的高級語言。</p&

19、gt;<p>　?。?）MATLAB具有強大的繪圖功能。利用MATLAB的繪圖功能，可以輕易的獲得高質(zhì)量的曲線圖。具有多種形式來表達二維、三維圖形。</p><p>　?。?）MATLAB具有串口操作、聲音輸入輸出等邏輯硬件操控能力。 </p><p>　　本設(shè)計主要是利用MATLAB仿真的聲音輸出、圖形繪制和濾波器設(shè)計。</p><p><b

20、>　　4設(shè)計過程</b></p><p><b>　　4.1原理分析</b></p><p>　　本設(shè)計主要是對語音信號的時頻進行分析，并對語音信號加噪后設(shè)計濾波器對其進行濾波處理，對話音信號加噪聲前后的頻譜進行比較分析，對合成語音信號濾波前后進行頻譜的分析比較。</p><p>　　首先用PC機WINDOWS下的錄音機錄制一

21、段3S長的語音信號，并保存入MATLAB軟件的根目錄下文件名為“daojiahao”，再運行MATLAB仿真軟件把錄制好的語音信號用wavread函數(shù)加載入MATLAB仿真軟件的工作環(huán)境中，輸入命令對語音信號進行時域，頻譜變換。再在MATLAB中用命令設(shè)計一段噪聲信號，對噪聲信號進行頻譜變換。把設(shè)計的噪聲信號加入到錄制的語音信號中，用命令可以得到其頻譜圖。對該段合成的語音信號，用命令在MATLAB中設(shè)計一個恰當?shù)臑V波器對其進行濾波處理，

22、此處用BW帶阻濾波器對其進行濾波，濾波后用命令可以繪制出其頻譜圖，回放語音信號。對原始語音信號、合成的語音信號和經(jīng)過濾波器處理的語音信號進行頻譜的比較分析。</p><p>　　4.2語音信號的獲取</p><p>　　4.2.1語音信號的采集</p><p>　　利用PC機上的硬件和WINDOWS操作系統(tǒng)可以很方便地進行數(shù)字信號的采樣。</p>&l

23、t;p>　　在計算機的話筒輸入插口上，插入話筒。打開計算機，用鼠標依次點擊[開始]/[程序]/[附件]/[娛樂]/[錄音機]。使用錄音機操作界面出現(xiàn)在在屏幕上如圖2所示。</p><p>　　圖2 錄音機操作界面</p><p>　　用鼠標單擊有以紅色圓點為標志的錄音按鈕，接著對話筒說話“大家好”，說完后立即按下以方塊為了標志的停止按鈕，屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。這里顯示的是0.

24、77s。點擊上面的三角形按鈕，可以實現(xiàn)所錄音的放音重現(xiàn)。這一步工作中，已利用了計算機上的A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬的聲音信號變成了離散的量化了的數(shù)字信號，放音時，它又通過D/A轉(zhuǎn)換器，把保存的數(shù)字數(shù)據(jù)恢復為原來的模擬的聲音信號?，F(xiàn)在把這段聲音以數(shù)據(jù)文件的形式存儲起。單擊主菜單上的[文件]/[保存]，以文件名“dajiahao”（因為MATLAB等軟件不接受中文文件名，所以用拼音）保存入g:\MATLAB\work中?？梢钥吹?，文件存儲器的后綴

25、默認為.wav，這是WINDOWS操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標準。為了進一步看出它的特征，再單擊[文件]/[屬性]就可以出現(xiàn)如圖3所示的文件屬性界面。 </p><p><b>　　圖3 錄音文件屬性</b></p><p>　　從圖3可以清楚看到整個文件的數(shù)據(jù)大小為6226字節(jié)，它的采樣頻點是8000Hz，量化為8位二進制碼，編碼方式為PCM（脈沖編碼調(diào)制）。這幾個

26、數(shù)據(jù)格式是系統(tǒng)默認設(shè)定。然后打開MATLAB軟件，在MATLAB軟件平臺下利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣，得到了聲音數(shù)據(jù)變量x，同時也把x的采樣頻率Fs=8000Hz和數(shù)據(jù)位Nbits=8Bit放進了MATALB的工作空間。其程序如下[3]：</p><p>　　Fs=8000Hz； %給出抽樣頻率</p><p>　　Nbits=8Bit；

27、 %放入數(shù)據(jù)位</p><p>　　[x,fs,Nbits]=wavread(‘g：\matlab\work\dajiahao.wav’)；%把語音信號進行加載入Matlab仿真軟件平臺中</p><p>　　sound(x,fs)； %對加載的語音信號進行回放</p><p>　　4.2.2語

28、音信號的時頻分析</p><p>　　首先在MATLAB軟件仿真平臺中畫出語音信號的時域波形如圖4所示。其命令如下[4]：</p><p>　　stem(x)； %繪制時域波形圖</p><p>　　title(‘語音信號的時域波形’)； %加入圖形的標題</p><p>　　圖4 語音信號的時域波

29、形圖</p><p>　　從圖4可以看出在時域環(huán)境下，說出一個字時就會出現(xiàn)一個不規(guī)則的隨機信號。</p><p>　　然后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，得到信號的頻譜圖如圖5所示。其命令如下[5]：</p><p>　　n=length(x)； %求出語音信號的長度</p&g

30、t;<p>　　x1=fft(x,n)； %傅里葉變換</p><p>　　x2=fftshift(x1)； %對頻譜圖進行平移</p><p>　　f=0:fs/s:fs*(s-1)/s； %得出頻點</p><p>　　plot(f,abs(x2))；

31、 %繪制頻譜圖</p><p>　　title(‘語音信號的時域波形’)； %加入圖形的標題</p><p>　　圖5 語音信號的頻譜圖</p><p>　　從圖5可以看出對各個頻點上的隨機信號在頻域進行抽樣，抽樣頻率為8000Hz。</p><p>　　4.3干擾信號及其頻譜</p><p&

32、gt;　　4.3.1干擾信號的產(chǎn)生</p><p>　　在MATLAB中設(shè)計一段噪聲干擾信號。噪聲信號通常為隨機序列，為方便設(shè)計，在本設(shè)計中用正弦序列代替，干擾信號如下[6]：</p><p>　　c1=10*sin(2*pi*2000*k) (k=1:1:s)；</p><p>　　4.3.2干擾信號的時頻分析</p><p>　　在MAT

33、LAB仿真平臺中用命令得出其時域圖如圖6所示。命令如下：</p><p>　　k=1:1:s； %定義k值</p><p>　　c1=10*sin(2*pi*2000*k)； %噪聲信號的函數(shù)</p><p>　　plot(k(1:50)，c1(1:50))； %畫出噪聲信號的時域波形并取其中一

34、段</p><p>　　title(‘噪聲信號的時域波形圖)； % 加入圖形的標題 </p><p>　　圖6 干擾信號時域波形圖</p><p>　　從圖6可以看出給出的干擾信號為一個正弦信號。針對上面的語音信號，采集了一其中一段。</p><p>　　然后再對噪音信號進行頻譜變換得到其頻譜圖如圖7所示。其命令如下：&

35、lt;/p><p>　　s=length(c1)； %求噪聲信號的長度</p><p>　　xc=fft(c1,s)； %頻譜變換</p><p>　　xcc=fftshift(xc)； %對頻譜圖進行平移</p><p>　　f=0:fs/s:fs*(s-

36、1)/s； %得出頻點</p><p>　　plot(f,abs(xcc))； %畫出噪聲信號的頻譜圖</p><p>　　title(‘噪聲的頻譜圖’)； %加入圖形的標題[5]</p><p>　　圖7 干擾信號頻譜圖</p><p>　　從圖7可以看出干擾信號在2000

37、Hz和6000Hz頻點處有一高峰。2000Hz正是本設(shè)計所要利用的。</p><p><b>　　4.4信號合成</b></p><p>　　在MATLAB中把語音信號與噪聲信號進行疊加。對其進行播放，并畫出其頻譜圖如圖8所示。其命令如下[7]：</p><p>　　z=x’+c1； %噪聲信號的疊加<

38、;/p><p>　　y=fft(z,s)； %對疊加信號進行頻譜變換</p><p>　　y1=fftshift(y)； %對頻譜圖平移</p><p>　　f=0:fs/s:fs*(s-1)/s； %得出頻點</p><p>　　plot(f,abs(y1

39、))； %繪出頻譜圖</p><p>　　axis([0 8000 0 400])；</p><p>　　title('含噪語音信號的頻譜')； %加入圖形的標題</p><p>　　pause； %暫停</p><p>　　sound(z,fs)；

40、 %對疊加了噪聲信號的語音信號回放</p><p>　　圖8 加噪聲后的語音信號頻譜圖</p><p>　　從圖8可以看出，在該語音信號的2000Hz處有一高峰，這正是干擾所造成的。</p><p>　　4.5數(shù)字濾波器的設(shè)計</p><p>　　數(shù)字濾波器分為FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種，可以用硬

41、件和軟件來設(shè)計實現(xiàn)。軟件設(shè)計主要有脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法、窗口函數(shù)法。本設(shè)計是用雙線性變換法設(shè)計BW帶阻型濾波器[8]。</p><p>　　針對以上語音信號給出濾波器的性能指標：</p><p>　　BW帶阻型濾波器性能指標：f0=2000/4000；fc=100/4000；Ap=1；As=30；</p><p>　　用雙線性變換法設(shè)計上面要求的濾波器。在M

42、ATLAB中，可以利用函數(shù)butterworth,設(shè)計IIR濾波器，利用MATLAB中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。程序如下[9]：</p><p>　　f0=2000/4000;c=100/4000； %給出指標</p><p>　　ws=[f0-0.5*fc f0+0.5*fc]； %ws為帶阻濾波器阻帶截頻</p><p>

43、　　wp=[f0-fc f0+fc]； %wp為帶阻濾波器通帶截頻</p><p>　　Ap=1;s=30； %Ap是濾波器的通帶衰減，As是濾波器的阻帶衰減</p><p>　　[n wc]=buttord(wp,s,p.s,’s’)； %n為BW濾波器的階數(shù)，wc等于BW濾波器3db截頻</p>&l

44、t;p>　　[num,den]=butter(n,c,’stop’)； %設(shè)計帶阻濾波器的系數(shù)</p><p>　　w=linspace(0,pi,512)；</p><p>　　[h,w]=freqz(num,den,fs)； %設(shè)計帶阻濾波器的系數(shù)</p><p>　　plot(w/pi,20*log10(abs(h)))；

45、%得出濾波器的頻譜圖</p><p>　　grid； %加入表格</p><p>　　title(‘BW型阻帶濾波器’)； %加入圖形標題</p><p>　　由以上命令得出BW型帶阻濾波器，畫出其增益響應(yīng)曲線如圖8所示。該濾波器的通帶和阻帶衰減分別為Ap=1；As=30。</p><p&g

46、t;　　圖8 帶阻濾波器的增益響應(yīng)</p><p>　　4.6數(shù)字信號的濾波</p><p>　　用設(shè)計好的帶阻濾波器對合成語音信號進行濾波，在MATLA中FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。在一個窗口同時畫出濾波前后的波形及頻譜如圖9所示。其程序如下[10]：</p><p>　　y= filter(n

47、um,den,z)； %對加入噪聲的語音信號進行濾波</p><p>　　X= fft(y,s)； %濾波后的信號進行FFT變換</p><p>　　Y=fftshift(X)； %對得出的頻譜圖進行平移</p><p>　　n=length(Y)；

48、 %求Y的長度</p><p>　　plot(f,abs(Y))； %畫出濾波后的語音信號頻譜</p><p>　　title(‘濾波后的語音信號頻譜圖’)</p><p>　　pause； %暫停</p><p>　　Sound(y,fs)；

49、 %回放濾波后的語音信號</p><p>　　圖9濾波后的語音信號頻譜圖</p><p>　　從圖9可以看出，在圖7中2000Hz看到的高峰消失了，語音信號與開始的一樣，濾波器成功的濾除了干擾信號。</p><p><b>　　4.7結(jié)果比較分析</b></p><p>　　為方便對比，現(xiàn)將前述各圖排列在

50、一起，如圖10所示。本設(shè)計可以得出如下結(jié)論：加入噪聲后回放可以聽到“大家好”的聲音與原始的語音信號有明顯的不同，其伴隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語音信號的頻譜圖中可以看出是伴有噪聲的語音信號的頻譜，在2000Hz處有上高峰，這正是干擾所造成的。當回放通過BW型帶阻濾波器濾波后的含噪聲語音信號，可以聽到不含噪聲“大家好”的聲音，把濾波噪聲后語音信號的頻譜圖與原始語音信號的頻譜圖相比較，可以明顯看出兩頻譜一樣，濾波器成功的濾除了噪聲信號。因

51、此，軟件設(shè)計的濾波器代替硬件濾波器是可行的，軟件設(shè)計的濾波器可以完成硬件的濾濾功能。</p><p>　　圖10 信號仿真顯示</p><p><b>　　5結(jié)束語</b></p><p>　　在完成本設(shè)計的過程中，指導老師給出了設(shè)計的具體思路。設(shè)計中信號的采集，濾波器的設(shè)計及濾波前后頻譜的變化和濾波效果都是與指導老師，同學一起討論、查閱資料、

52、修改參數(shù)、多次仿真完成的。通過設(shè)計，我對信號的采集、處理、傳輸、顯示和濾波器的設(shè)計等有一個較系統(tǒng)的掌握和理解，加深了對課堂抽象知識的理解，鞏固了數(shù)字信號處理的理論知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳懷琛.數(shù)字信號處理教程——MATLAB釋義與實現(xiàn).北京：電子工業(yè)出版社，2004.12：11-25</p>&

53、lt;p>　　[2] 徐明遠，邵玉斌.MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學出版社，2005：47-58</p><p>　　[3] 唐建鋒,游開明,陳列尊.基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計研究型實驗探討.湖南：衡陽師范學院學報，2006：164-166</p><p>　　[4] 雷學堂，徐火希.可直接感受的基于MATLAB的語音濾波.湖北：黃岡師范學院學

54、報，2006：45-52</p><p>　　[5] 袁小平，王艷芬，史良.基于MATLAB的數(shù)字信號處理課程的實驗教學[J].上海:實驗室研究與探索,2002：58-60</p><p>　　[6] 程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社,2002：158-204</p><p>　　[7] 李永全. MATLAB在數(shù)字信號處理課程設(shè)計中的應(yīng)用[J]

55、.西安：現(xiàn)代電子技術(shù)，2004,27 (7)：37-38. </p><p>　　[8] 陳懷琛,吳大正,高西全. MATLAB及其在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002：19-25</p><p>　　[9] 陳后金.數(shù)字信號處理[M].北京:高等教育出版社,2004：195-200</p><p>　　[10] 劉敏,魏玲.Matlab通信

56、仿真與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001：15-19</p><p>　　[11] 語音信號處理(第4版高等學校十一五規(guī)劃教材) 作者：胡航；出版社：哈爾濱工業(yè)大學</p><p><b>　　致謝 </b></p><p>　　衷心感謝我的指導老師張文碩士在設(shè)計的寫作過程中對我的悉心指導，他嚴謹精細的治學態(tài)度，淵博的知識，孜孜不倦的