數(shù)字信號處理課程設(shè)計--語音信號的處理與濾波

1、<p><b>　　數(shù)字信號處理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　課題名稱： 語音信號的處理與濾波 </p><p>　　系 別： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2007年10月25日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘錄………………………………………………………

3、…….3</p><p>　　正文…………………………………………………………….4</p><p>　　一、設(shè)計內(nèi)容…………………………………………………..4</p><p>　　二、設(shè)計原理…………………………………………………..4</p><p>　　三、設(shè)計過程………………………………………………..…7</p>&

4、lt;p>　　1、語音信號的錄制…………………………………………....7</p><p>　　2、取點頻譜分析……………………………………………...8</p><p>　　3、低通濾波器設(shè)計…………………………………………..10</p><p>　　4、濾濾前后信號對比………………………………………..12</p><p>　　結(jié)

5、論…………………………………………………………...14</p><p>　　參考文獻……………………………………………………...15</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著計算機和信息科學(xué)的飛速發(fā)展，信號處理逐漸發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科，成為信息科學(xué)的重要組成部分，在語音處理、雷達、圖像處理、通信、生物醫(yī)學(xué)工程等眾

6、多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 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(xué)、編程效率高，深受廣大科技工作者的喜愛。特別是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語音信號分析、處理和設(shè)計。

7、 數(shù)字信號處理課程在現(xiàn)代科學(xué)中具有很大重要性及自身特點，理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，對用Matlab進行數(shù)字信號處理課程設(shè)計的思路，具有很大幫助。 語音信號的處理與濾波是數(shù)字信號處理課程中常出現(xiàn)的課題，也是現(xiàn)代科學(xué)中值得深入究研的一個課題。 </p>&

8、lt;p>　　關(guān)鍵詞：抽樣頻率；濾波器；抽樣點；頻譜分析</p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　一、設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　1、熟悉并掌握MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、播放、存儲和讀取的函數(shù)。</p><p>　　2．在MATLAB環(huán)境

9、中，使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制2秒左右自己的聲音，抽樣率是8000Hz/s。（考慮如何解決一個實際問題：錄制剛開始時，常會出現(xiàn)實際發(fā)出聲音落后錄制動作半拍的現(xiàn)象，如何排除對這些無效點的采樣？）</p><p>　　3．分別取8000個和16000個數(shù)據(jù)進行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因。</p><p>　　4．針對電話信道（最高3500Hz），設(shè)計一個FIR或IIR濾波器進

10、行濾波，把抽樣率轉(zhuǎn)變?yōu)?000Hz/s，并進行頻譜分析，得到幅度和相位譜。</p><p>　　5．把處理后的所有數(shù)據(jù)儲存為聲音文件，與原始聲音進行比較。</p><p><b>　　二、設(shè)計原理</b></p><p><b>　　語音信號的采樣</b></p><p><b>　　語音

11、信號的錄制</b></p><p>　　語音信號的錄制可通過MATLAB工具也可以通過windows自帶的錄音機錄制一段自己的聲音。在MATLAB里面，用函數(shù)wavrecord錄制一段時間自定的聲音，用函數(shù)wavwrite存儲原始語音信號。其調(diào)用格式如下：</p><p>　　X=wavrecord(n ,fs ,ch ,dtype) ；</p><p>

12、;　　式中n 為抽樣點數(shù)，決定了錄音長度；</p><p>　　fs為抽樣頻率，默認值為11025Hz，還可根據(jù)要求自己選擇合適的抽樣率；</p><p>　　ch為聲道數(shù)，默認值為1，表示單聲道，如果指定為2，則抽樣為雙聲道立體聲數(shù)據(jù)；</p><p>　　dtype為抽樣數(shù)據(jù)的存儲格式，用字符串指定，可以是‘double’、‘single’、‘int16’、‘i

13、nt8’，指定存儲格式的同時也就規(guī)定了每個抽樣值量化的精度，int8 對應(yīng)8 位精度抽樣，其它都是16 位抽樣精度。</p><p>　　語音信號的存儲可用函數(shù)wavwrite實現(xiàn),其調(diào)用格式如下: wavwrite(X,Fs,'f:\課程設(shè)計\sound.wav');</p><p>　　式中X為所錄制的語音信號，F(xiàn)s為抽樣頻率，引號內(nèi)表示存儲路徑</p&g

14、t;<p><b>　　語音信號的頻譜分析</b></p><p>　　對語音信號進行頻譜分析，是認識語音信號和處理語音信號的重要方法。下面將采用頻譜來分析語音信號。</p><p>　　對一個語音時域離散信號{x(n)}，其頻譜函數(shù)是x(n)的傅里葉變換。傅里葉變換定義為：</p><p>　　其中j為虛數(shù)單位，稱為數(shù)字頻率。&

15、lt;/p><p>　　由于處理的信號是有限長的，即，故實際采用的是離散傅里葉變換DFT 。 長度為N的序列x(n)，其DFT定義為：</p><p><b>　　，其中</b></p&

16、gt;<p>　　如果x(n)為一個周期序列，得到的X(k)為x(n)的周期頻譜。若x(n)不是周期序列，先對x(n)進行周期性擴展，把它看成某個周期性信號的一個周期，得到的X(k)是x(n) 頻譜在一個周期的采樣。</p><p>　　DFT有一種快速算法FFT，稱為快速傅里葉變換。MATLAB中采用的就是FFT算法。</p><p><b>　　2、濾波器設(shè)計&

17、lt;/b></p><p>　　濾波器的設(shè)計一般可分為無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（IIR）和有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR）。本課題設(shè)計主要用FIR濾波器來設(shè)計。</p><p><b>　　IIR數(shù)字濾波器</b></p><p>　　IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)是Z的有理函數(shù)，可表示為系統(tǒng)函數(shù)的設(shè)計就是要確定系數(shù)或者零、極點，以使濾波器滿

18、足給定的性能要求。這種設(shè)計方法如下：</p><p>　?。?）用模擬濾波器理論來設(shè)計數(shù)字濾波器。在IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計中較多采用這種方法。</p><p>　?。?）用計算機輔助設(shè)計，優(yōu)化技術(shù)設(shè)計。即要求所設(shè)計的數(shù)字濾波器的輸入x(n)等于x(t)的抽樣信號x(Tn)時，輸出y(n)也恰好等于y(t)的抽樣信號。</p><p><b>　　FIR數(shù)字

19、濾波器</b></p><p>　　（1）FIR數(shù)字濾波器的算法描述</p><p>　　FIR數(shù)字濾波器又稱卷積濾波器，因為它在時域上的輸入x(n)和輸出信號y(n)的數(shù)學(xué)關(guān)系是卷積運算：y(n)= hd(n)*x(n)。其中hd(n)是FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)函數(shù)，其表達式是由理想濾波器頻響的幅度函數(shù)H（w）進行傅里葉逆變換得到的，式中wc為濾波器的截止頻率。

20、 </p><p>　　（2）FIR濾波器的窗函數(shù)設(shè)計法</p><p>　　窗函數(shù)法的基本思想是，由于濾波器的時間響應(yīng)函數(shù)hd(n)是無限長的，不能用FIR濾波的方法實現(xiàn)，所以要截取hd(n)幅度較大的部分，舍棄hd(n)幅度較小的部分來近似表示hd(n)。截取方法是用某一種窗函數(shù)和截取hd(n)的一段進行卷積以得到實際濾波器的相應(yīng)hd(n)。窗函數(shù)不同，窗口寬度不同，

21、實際頻響會有較大區(qū)別。如加海明窗的頻響曲線的通帶和阻帶特性比矩形窗好；窗口寬度N的階數(shù)高，也能提高濾波器頻響性能，但實時信號處理的時間會相應(yīng)增加。因此，應(yīng)根據(jù)濾波參數(shù)要求確定選用窗函數(shù)的類型和階數(shù)。</p><p><b>　?。?）逼近</b></p><p>　　確定了技術(shù)指標后，就可以建立一個目標數(shù)字濾波器模型。通常采用理想的數(shù)字濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器

22、的設(shè)計方法，設(shè)計一個實際濾波器模型來逼近給定的目標。</p><p>　?。?）性能分析和計算機仿真</p><p>　　上兩步的結(jié)果是得到以差分或系統(tǒng)函數(shù)或沖激響應(yīng)描述的濾波器。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。</p><p>　?。?）線性相位FIR濾波器具體的窗

23、函數(shù)法設(shè)計方法</p><p>　　線性相位FIR濾波器通常采用窗函數(shù)法設(shè)計。窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器的基本思想是：根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標，選擇濾波器長度N和窗函數(shù)w(n)，使其具有最窗寬度的主瓣和最小的旁瓣。其核心是從給定的頻率特性，通過加窗確定有限長單位脈沖響應(yīng)序列h(n)。工程中常用的窗函數(shù)共有6種，即矩形窗、巴特勒特(bartlett)窗、漢寧(hanning)窗、海明(hamming)窗、布萊克曼(b

24、lackman)窗和凱澤(kaiser)窗。</p><p>　　三、設(shè)計過程（程序?qū)崿F(xiàn)）</p><p><b>　　語音信號的錄制</b></p><p><b>　　語音信號的錄制</b></p><p>　　Fs=8000; %抽樣頻率

25、</p><p>　　time=3; %錄音時間</p><p>　　fprintf('按Enter鍵錄音%ds',time); %文字提示</p><p>　　pause; %暫停命令</p><p

26、>　　fprintf('錄音中......');</p><p>　　x=wavrecord(time*Fs,Fs,'double'); %錄制語音信號</p><p>　　fprintf('錄音結(jié)束'); %文字提示</p><p>　　fprintf(&

27、#39;按Enter鍵回放錄音'); </p><p>　　pause; %暫停命令</p><p>　　wavplay(x,Fs); %播放語音信號</p><p>　　wavwrite(x,Fs,'f:\課程設(shè)計\s

28、ound.wav'); %存儲語音信號</p><p>　　在錄音過程中，出現(xiàn)了這樣一個現(xiàn)象：錄制剛開始時，常會出現(xiàn)實際發(fā)出聲音落后錄制動作半拍的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是錄音開始時，人的反應(yīng)慢了半拍，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些無效點。要去掉這些無效點，可用函數(shù)wavread()來濾除。調(diào)用格式如下：</p><p>　　y= wavread('f:\課程設(shè)計\sound.wa

29、v',[3423 20050]);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p><b>　　plot(y);</b></p><p>　　title('濾除無效點后的語音信號')</p><p>　　取8000點進行頻譜分析</p><p>　　y

30、=wavread('f:\課程設(shè)計\sound.wav'); %讀取原始語音信號</p><p>　　u=fft(y,8000); %對語音信號做8000點的FFT變換</p><p>　　subplot(2, 2, 1); %分割窗口</p><p>　　pl

31、ot(abs(u)); %繪出語音信號的幅度譜 </p><p>　　axis([0, 4000 ,0,80]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('8000點幅度譜'); %加圖形說明</p><p&

32、gt;　　grid; %添加網(wǎng)格</p><p>　　subplot(2, 2, 2); %分割窗口</p><p>　　plot(angle(u)); %繪出語音信號的相位譜 </p><p>　　axi

33、s([0, 4000 ,-4,4]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('8000點相位譜'); %加圖形說明</p><p>　　grid; %添加網(wǎng)格</p><p>　　取16000點進行頻譜分析<

34、;/p><p>　　y=wavread('f:\課程設(shè)計\sound.wav'); %讀取原始語音信號</p><p>　　u=fft(y,16000); %對語音信號做16000點的FFT變換</p><p>　　subplot(2, 2, 3); %分割窗口&l

35、t;/p><p>　　plot(abs(u)); %繪出語音信號的幅度譜 </p><p>　　axis([0, 8000 ,0,150]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('16000點幅度譜');

36、 %加圖形說明</p><p>　　grid; %添加網(wǎng)格</p><p>　　subplot(2, 2, 4); %分割窗口</p><p>　　plot(angle(u)); %繪出語音信號的相位譜 <

37、;/p><p>　　axis([0, 8000 ,-4,4]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('16000點相位譜'); %加圖形說明</p><p>　　grid %添加網(wǎng)格</p><

38、p>　　8000點和16000點數(shù)的頻譜分析圖</p><p>　　取8000點和16000點進行頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)兩幅度譜和相位譜圖形狀大致相同，但在取數(shù)點的始段，16000點比8000點的振幅大，因為取16000點比取8000點數(shù)多，16000點顯示得更詳細，更接近真實值，而8000點相對于16000點來說只是大致趨向真實值而已。</p><p><b>　　濾波器的設(shè)

39、計</b></p><p>　　function hd = ideallp(Wc,N); %自定義函數(shù)</p><p>　　% hd = ideallp(Wc,N)</p><p>　　% ----------------------------------------------</p><p>　　% hd = 點0

40、 到 N-1之間的理想脈沖響應(yīng)</p><p>　　% wc = 截止頻率(弧度) </p><p>　　% N = 理想濾波器的長度</p><p><b>　　%</b></p><p>　　tao = (N-1)/2; % 理想脈沖響應(yīng)的對稱中心位置</p><p>

41、;　　n = [0: (N-1)]; % 設(shè)定脈沖響應(yīng)長度</p><p>　　m = n - tao + eps; % 加一個小數(shù)以避免零作除數(shù)</p><p>　　hd = sin(Wc*m) ./ (pi*m); % 理想脈沖響應(yīng)</p><p>　　function [db,mag,pha,W]=freqz_m(b,a);

42、 %自定義函數(shù)</p><p>　　%db為相對振幅(dB)；mag為絕對振幅；pha為相位響應(yīng)；W頻率樣本點向量。</p><p>　　[H,W]=freqz(b,a,1000, 'whole');</p><p>　　%b和a分別為H(z)分子和分母多項式系數(shù);</p><p>　　H=(H(1:501))

43、9;;</p><p>　　W=(W(1:501))';</p><p>　　mag=abs(H);</p><p>　　db=20*log10((mag+eps)/max(mag));</p><p>　　pha=angle(H);</p><p>　　%。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

44、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。</p><p>　　Wp=2* 3000/7000; Ap=1; %濾波器性能指標</p><p>　　Wr=2* 2400/7000; Ar=50;</p><p>　　Width= Wp-Wr; %過渡帶寬度</p>

45、;<p>　　Wc= (Wr+Wp)/2; %理想濾波器的截止頻率</p><p>　　N1=ceil(6.6*pi/Width); %濾波器長度</p><p>　　N=N1+mod(N1+1,2); %確保N為奇數(shù)</p><p>　　n=0:1:N-1;

46、 %步長</p><p>　　hd=ideallp(Wc,N); %理想單位脈沖響應(yīng)</p><p>　　window=hamming(N)'; %海明窗</p><p>　　h=window.*hd; %截取得到實際單

47、位脈沖響應(yīng)</p><p>　　[db,mag,pha,W]=freqz_m(h,1); %計算實際濾波器的幅頻響應(yīng)</p><p>　　subplot(2,1,1); %分割窗口</p><p>　　stem(n,h); %繪出實際單位脈沖響應(yīng)</p>

48、<p>　　title('實際脈沖響應(yīng)h(n)'); %加標題說明</p><p>　　grid; %添加網(wǎng)格</p><p>　　subplot(2,1,2); %分割窗口</p><p>　　plot(W/pi,db)

49、; %繪出實際濾波器的幅頻響應(yīng)</p><p>　　title('幅度響應(yīng)(db)'); %加標題說明</p><p>　　grid %添加網(wǎng)格</p><p>　　%濾波后信號的頻譜分析</p><p&g

50、t;　　fs=8000; %抽樣頻率</p><p>　　y=wavread('f:\課程設(shè)計\sound.wav'); %讀取原始語音信號</p><p>　　y1=fftfilt(h,y); %將語音信號送入濾波器濾波，y1為輸出

51、 </p><p>　　y2=fft(y1); %將濾波后的信號做FFT變換</p><p>　　subplot(2,1,1); %分割窗口</p><p>　　plot(abs(y2)); %繪出幅度圖</p>

52、<p>　　axis([0, 12000 ,0,200]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('濾波后信號的幅度譜圖'); %加標題說明</p><p>　　grid; %添加網(wǎng)格</p><p>　　s

53、ubplot(2,1,2); %分割窗口</p><p>　　plot(angle(y2)); %繪出相位圖</p><p>　　axis([0, 12000 ,-4,4]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('濾波

54、后信號的相位譜圖'); %加標題說明</p><p>　　grid; %添加網(wǎng)格</p><p>　　wavwrite(y1,fs,'f:\課程設(shè)計\sound1.wav'); %儲存濾波后的語音信號</p><p>　　實際濾波器的幅度響應(yīng)</p>

55、<p>　　濾波器的長度為121，最小阻帶衰減53dB，滿足濾波器設(shè)計要求。</p><p>　　濾波后信號的幅度、相位譜圖</p><p>　　原始信號與濾波后的信號相比較</p><p>　　ys=wavread('f:\課程設(shè)計\sound.wav'); %讀取原始語音信號</p><p>　

56、　ys1= wavread('f:\課程設(shè)計\sound1.wav'); %讀取濾波后語音信號</p><p>　　fprintf('按Enter鍵播放原始語音信號'); %文字提示</p><p>　　pause; %暫停命令</p><p>　　w

57、avplay(ys,fs); %播放原始語音信號</p><p>　　fprintf('按Enter鍵播放濾波后語音信號'); %文字提示</p><p>　　pause; %暫停命令</p><p>　　wavplay(ys1

58、,fs); %播放濾波后語音信號</p><p>　　yf=fft(ys); %對原始聲音進行FFT變換</p><p>　　subplot(2,1,1); %分割窗口</p><p>　　plot(abs(y

59、f)); %繪出原始信號的振幅圖</p><p>　　axis([0, 12000 ,0,200]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('濾波前的振幅圖'); %加圖形標題說明</p>

60、<p>　　yf1=fft(ys1); %對濾波后的聲音進行FFT變換</p><p>　　subplot(2,1,2); %分割窗口</p><p>　　plot(abs(yf1)); %繪出濾

61、波后信號的振幅圖</p><p>　　axis([0, 12000 ,0,200]); %顯示X軸、Y軸取值范圍</p><p>　　title('濾波后的振幅圖'); %加圖形標題說明</p><p>　　通過濾波前后兩信號的比較，通過上面的振幅圖可以很清晰地觀察到

62、經(jīng)過濾波后與濾波前存在明顯差別，濾波后的圖比較平穩(wěn)，原始語音信號比濾波后的信號清晰，濾波后的聲音顯得比較低沉，因為原始信號經(jīng)過低通濾波器后，低通濾波器已經(jīng)把信號高頻部分濾掉了，只剩下低頻部分。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過一個星期的設(shè)計，本人基本按質(zhì)按量完成了課程設(shè)計的各項工作。通過本次課程設(shè)計，使我加深了對數(shù)字信號處理這門課和M

63、ATLAB這個軟件工具的認識。語音信號處理是以MATLAB為工具平臺、數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)而形成的一門綜合性學(xué)科，處理的目的是要得到一些語音參數(shù)以便高效的傳輸或存儲，或者通過處理的某種運算以達到某種用途的要求。而MATLAB是一款多功能多特點的的軟件，對于現(xiàn)代科學(xué)工程的計算和分析具有重要的意義。語音信號處理與濾波的設(shè)計對于所學(xué)的數(shù)字信號處理課程的理論得到了綜合的應(yīng)用，并從實踐上初步實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。</p><p&

64、gt;　　在設(shè)計過程中遇到了很多從未遇到過的問題，小到一些標點符號，大到程序的設(shè)計，但我還是有耐心，經(jīng)過多方面查資料和請教老師、同學(xué)，逐漸把一些不懂的問題解決，最終完成本次課程設(shè)計。在本次設(shè)計過程中，使我對數(shù)字信號處理的設(shè)計和MATLAB軟件的認識更進一層，更重要的是使我學(xué)會了如何面對困難。在設(shè)計中，總結(jié)了以下幾點經(jīng)驗，這也是自己在實踐中一步一步摸索出來。</p><p>　　1、開始設(shè)計時，不要太過了想象完美，

65、有思路就馬上記錄下來，在查閱資料也要注意記錄重點。</p><p>　　2、遇到問題，不要著急，保住沉著的心態(tài)，通過查閱資料、請教老師或同學(xué)找出解決途徑。</p><p>　　3、做設(shè)計，單憑自己的力量是不夠的，要學(xué)會學(xué)習(xí)別人好的方面，多查閱資料，多與老師、同學(xué)交流，把別人的知識轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱闹R。</p><p>　　4、養(yǎng)成良好的工作態(tài)度，對以后工作具有具有重要意

66、義。</p><p>　　在完成設(shè)計的過程中，由于所學(xué)知識的狹窄，本次設(shè)計不免有很多不理想的地方，這些都是有待提高的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　(1)程佩青.數(shù)字信號處理教程(第三版).清華大學(xué)出版社.2007年2月</p><p>　　(2)趙紅怡,張常年.數(shù)字信號處理及其MA