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文檔簡介
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
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