數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)---基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理

1、<p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目： 基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理</p><p><b>　　學(xué)院： </b></p><p>　　專(zhuān)業(yè)： </p><p>　　班級(jí)： </p><p>　　學(xué)號(hào)：

2、 </p><p>　　姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)旨在熟悉在Windows環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法，掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法，掌握MAT

3、LAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法并且學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。</p><p>　　課題的制作過(guò)程中，首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集和頻譜分析，然后再分別用低通、高通和帶通三種濾波器進(jìn)行濾波處理，最后回放語(yǔ)音信號(hào)。</p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾波處理后，雜音有所減少，效果變的更好。</p><p><b>　　目錄</b&g

4、t;</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：.4</b></p><p>　　一、語(yǔ)音信號(hào)的采集.........................4</p><p>　　二、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析.4</p><p>　　三、用濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波.4</p><p>　　四、回放語(yǔ)音信號(hào)

5、.4</p><p>　　實(shí)驗(yàn)原理：...................................................................................4</p><p>　　一、數(shù)字濾波器..........................................................................

6、......4</p><p>　　二、MATLAB....................................................................................5</p><p>　　實(shí)驗(yàn)步驟：.....................................................................

7、.................6</p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)的采集.........................................................................6</p><p>　　二、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析................................................................

8、6</p><p>　　三、信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波..............................................................8</p><p>　　四、信號(hào)經(jīng)高通濾波器濾波..............................................................9</p><p>　　

9、五、信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾波...........................................................12</p><p>　　六、回放語(yǔ)音信號(hào)...........................................................................14</p><p>　　結(jié)論：.............

10、................................................................................14</p><p>　　參考文獻(xiàn)：...................................................................................14</p><p><

11、b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：</b></p><p><b>　　1、語(yǔ)音信號(hào)的采集</b></p><p>　　利用Windows下的錄音機(jī), 錄制一段自己的話音, 時(shí)間在幾秒內(nèi)。然后在Matlab軟件平臺(tái)下, 利用函數(shù)wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣, 記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　[y,fs,bits]=wavre

12、ad();</p><p>　　2、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　首先畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形， 然后對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。 在Matlab 中, 可以利用函數(shù)fft對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換, 得到信號(hào)的頻譜特性。</p><p>　　3、用濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　設(shè)計(jì)濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波, 比較濾波前后

13、語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。</p><p>　　要求自己確定濾波器的性能指標(biāo)，用沖激響應(yīng)不變法、雙線性變換法或窗函數(shù)法設(shè)計(jì)3種濾波器：低通、高通和帶通濾波器。</p><p><b>　　4、回放語(yǔ)音信號(hào)</b></p><p>　　在Matlab中, 函數(shù)sound 可以對(duì)聲音進(jìn)行回放，其調(diào)用格式: </p><p>　　

14、sound (x, fs, bits)；</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理：</b></p><p><b>　　1．?dāng)?shù)字濾波器</b></p><p>　　數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號(hào)的過(guò)濾

15、、檢測(cè)和參數(shù)的估計(jì)等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。因此，數(shù)字濾波器本身既可以是用數(shù)字硬件裝配成的一臺(tái)完成給定運(yùn)算的專(zhuān)用的數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可以將所需要的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。</p><p>　　從數(shù)字濾波器的

16、單位沖擊響應(yīng)來(lái)看，可以分為兩大類(lèi):有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器和無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器。濾波器按功能上分可以分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)、帶阻濾波器(BSF)。</p><p>　　在很多實(shí)際應(yīng)用中如語(yǔ)音和音頻信號(hào)處理中，數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻功能。因此，指標(biāo)的形式應(yīng)為頻域中的幅度和相位響應(yīng)。在通帶中，通常希望具有線性相位響應(yīng)。在FIR濾波器中可以得到精確的線性

17、相位。FIR濾波器傳遞函數(shù)的極點(diǎn)是固定在原點(diǎn)，是不能動(dòng)的，它只能靠改變零點(diǎn)位置來(lái)改變它的性能，所以要達(dá)到高的選擇性，必須用高的階數(shù)，對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可能比IIR濾波器高5-10倍，結(jié)果成本高，信號(hào)延時(shí)也較大，如果按線性相位要求來(lái)說(shuō)，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣大大增加了濾波器的階數(shù)和復(fù)雜性。而FIR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位。</p><p>　　不論是I

18、IR濾波器還是FIR濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個(gè)步驟：</p><p>　　(1) 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。</p><p>　　(2) 用一個(gè)因果、穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求 可以用IIR系統(tǒng)函數(shù)，也可以用FIR系統(tǒng)函數(shù)去逼近。</p><p>　　(3) 利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選

19、擇、字長(zhǎng)選擇等。</p><p><b>　　2．MATLAB</b></p><p>　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專(zhuān)業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要

20、比用C,FORTRAN等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。</p><p>　　功能工具包用來(lái)擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類(lèi)。</p><p>　　MATLAB具有許多的優(yōu)點(diǎn)比如：語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富；MATLA

21、B既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語(yǔ)句和if語(yǔ)句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，等等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專(zhuān)用MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB 環(huán)

22、境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類(lèi)型的問(wèn)題。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)步驟： </b></p><p><b>　　一、語(yǔ)音信號(hào)的采集</b></p><p>　　[y,fs,bits]=wavread();</p><p><b>　　fs =</b></p>

23、;<p>　　22050 %采樣頻率</p><p><b>　　bits =</b></p><p>　　16 %采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　二、語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)程序：</b></p><

24、;p>　　[x1,Fs,bits]=wavread('C:\WINNT\Media\ding.wav');</p><p>　　%sound(y,Fs,bits);</p><p>　　figure(1);</p><p>　　plot(x1); %做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形</p><p&

25、gt;　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)');</p><p>　　xlabel('時(shí)間 n');ylabel('音量 n');</p><p>　　figure(2);</p><p>　　y1=fft(x1); %做length(x1)點(diǎn)的FFT</p><p>　　y1=fftshif

26、t(y1);%平移，是頻率中心為0</p><p>　　derta_Fs = Fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔，分辨率</p><p>　　plot([-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs],abs(y1));%畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖</p><p>　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜');grid on;<

27、;/p><p>　　三、信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波：</p><p><b>　　fs=22050;</b></p><p><b>　　fc1=1100;</b></p><p>　　wc1=2*pi*fc1/fs;</p><p>　　wp1=2*pi*1000/fs;ws1=2*

28、pi*1200/fs;</p><p>　　N1=ceil(200*2*pi/ws1-wp1);</p><p>　　Window=boxcar(N1+1); %長(zhǎng)度為N1的矩形窗Window</p><p>　　b1=fir1(N1,wc1/pi,Window);</p><p>　　figure(3);</p><p&

29、gt;　　freqz(b1,1,512);</p><p>　　title('低通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　x1_low = filter(b1,1, x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波</p><p>　　figure(4);</p><p>　　plot(x1_low);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器

30、(時(shí)域)');</p><p>　　figure(5);</p><p>　　plot([-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs],abs(fftshift(fft(x1_low))));</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器（頻域）');</p><p>　　四、信號(hào)經(jīng)高通濾波器濾

31、波：</p><p><b>　　fc2=4900;</b></p><p>　　wc2=2*pi*fc2/fs;</p><p>　　wp2=2*pi*4800/fs;ws2=2*pi*5000/fs;</p><p>　　N2=ceil(4*pi/(ws2-wp2));</p><p>　　W

32、indow=boxcar(N2+1);</p><p>　　b2=fir1(N2,wc2/pi,Window);</p><p>　　figure(6);</p><p>　　freqz(b2,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)</p><p>　　title('高通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p&g

33、t;　　x1_high = filter(b2,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波</p><p>　　figure(7);plot(x1_high);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器(時(shí)域)');</p><p>　　figure(8);plot([-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs],abs(fftshift(fft(x1_high))));<

34、;/p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器（頻域）');</p><p>　　五、信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾波：</p><p>　　f1=1100;f2=3100; %帶通濾波器的通帶范圍</p><p>　　w1=2*pi*f1/fs; %0.1567=0.0499pi</p><p>

35、;　　w2=2*pi*f2/fs; %0.4417=0.1407pi</p><p>　　w=[w1,w2];</p><p>　　N3=ceil(4*pi/(2*pi*200/fs));</p><p>　　b3=fir1(N3,w/pi,'high');%帶通濾波器</p><p>　　figure(9);&l

36、t;/p><p>　　freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)</p><p>　　title('高通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　x1_daitong = filter(b3,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波</p><p>　　figure(10);plot(x1_daitong);title(

37、9;信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器(時(shí)域)');</p><p>　　figure(11);</p><p>　　plot([-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs],abs(fftshift(fft(x1_daitong))));</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器（頻域）');</p><p&

38、gt;<b>　　六、回放語(yǔ)音信號(hào)：</b></p><p>　　在Matlab中, 函數(shù)sound 可以對(duì)聲音進(jìn)行回放，其調(diào)用格式: </p><p>　　sound (x, fs, bits)；</p><p>　　sound(x1_low,Fs); </p><p>　　sound(x1_high,Fs); <

39、;/p><p>　　sound(x1_daitong,Fs);</p><p>　　可以感覺(jué)濾波前后的聲音變化。</p><p><b>　　結(jié)論：</b></p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我了解到數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)

40、模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。還了解到MATLAB具有許多的優(yōu)點(diǎn)比如：語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富；MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語(yǔ)句和if語(yǔ)句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1 黃文梅，熊佳林，楊勇編著.信號(hào)分析與處理——MATALB言 及應(yīng)