數(shù)字信號處理課程設計語音信號的處理與濾波

1、工學院數(shù)字信號處理課程設計說 明 書設計題目 語音信號的處理與濾波系 別 計算機工程系專業(yè)班級 通信061學生姓名 學 號 指導教師 日 期 日摘要： 本文主要利用matlab工具采用雙線性法和窗函數(shù)法設計iir濾波器和fir數(shù)字濾波器，并通過所設計的濾波器進行語音信號濾波分析，初步學會信號處理的過程和分析問題的能力。關鍵詞：matlab 濾波器設計 一引言隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為今一門極其重要的學科和技術領域。數(shù)字信號處理在通信語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用。在數(shù)字信號處理應用中，數(shù)字濾波器十分重要并已獲得廣泛應用

2、。二matlab工具簡介1matlab是矩陣實驗室（matrixlaboratory）之意，現(xiàn)已發(fā)展成為適合多學科，多種工作平臺的功能強大的大型軟件，已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)理統(tǒng)計，數(shù)字信號處理，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具；2matlab的語言特點（1）。語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。matlab程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領域的專家編寫，用戶不必擔心函數(shù)的可靠性。（2）運算符豐富。由于matlab是用c語言編寫的，matlab提供了和c語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用

3、matlab的運算符將使程序變得極為簡短。 （3）matlab既具有結構化的控制語句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。 （4）程序限制不嚴格，程序設計自由度大。例如，在matlab里，用戶無需對矩陣預定義就可使用。 （5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。 （6）matlab的圖形功能強大。在fortran和c語言里，繪圖都很不容易，但在matlab里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。matlab還具有較強的編輯圖形界面的能力。 （7）matlab的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于matlab

4、的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。 （8）功能強大的工具箱是matlab的另一特色。matlab包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用于多種學科。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control,toolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。（9）源程序的開放性。開放性也許是matlab最受人們歡迎的特

5、點。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有matlab的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構成新的工具箱。三設計目的通過對課程設計，對信號的采集，處理，傳輸，顯示，存儲和分析等有一個系統(tǒng)的掌握和理解。鞏固和運用在數(shù)字信號處理課程中所學的理論知識和實驗技能，掌握最基本的數(shù)字信號處理的理論和方法，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。四設計理論依據(jù)采樣頻率，采樣位數(shù)的概念，采樣定理；時域信號的dft，fft及頻譜分析；數(shù)字濾波器的設計原理和方法。五設計過程（設計步驟）1語音信號的采集及頻譜分析用windows下的錄音機，用單聲道錄制一段音樂或聲音，時間在5s內(nèi)。然

6、后matlab軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)。對語音信號進行快速傅立葉變換，在一個窗口同時畫出信號的時域波形圖和頻譜圖，分析語音信號的頻譜特點。程序如下：y,fs,bits=wavread(music.wav,1024 61500);sound(y,fs,bits);y=fft(y); plot(y);figure(1); title(語音信號的時域波形);gridfigure(2); plot(abs(y); title(語音信號的頻譜特性);grid圖形如下：2：設計數(shù)字濾波器給出個濾波器的性能指標：（1）低通濾波器性能指標 fb=1000hz

7、,fc=1200hz,as=100db,ap=1db（2) 高通濾波器性能指標 fb=2800hz,fc=3000hz,as=100db,ap=1db（3）帶通濾波器性能指標 fb1=1200hz,fc1=1000hz, fb2=2800hz,fc2=3000hz as=100db,ap=1db用窗函數(shù)法和雙線性變換法設計以上要求的3種數(shù)字濾波器繪制個濾波器的頻率響應。iir低通濾波器，程序如下：ap=1; as=100; fs=4000;fb=1000;fc=1200;%頻率預畸wb=(fb/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示wc=(fc/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示o

8、megap=2*fs*tan(wb/2);omegas=2*fs*tan(wc/2);n,wn=buttord(omegap,omegas,ap,as,s);b,a=butter(n,wn,s);bz,az=bilinear(b,a,fs);%映射為數(shù)字的h,w=freqz(bz,az);%繪出頻率響應plot(w*fs/(2*pi),abs(h);title(iir低通濾波器);iir高通濾波器，程序如下：fs=22050;ap=1;as=100;fb=5000;fc=4800;wb=(fb/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示wc=(fc/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示o

9、megap=2*fs*tan(wb/2);omegas=2*fs*tan(wc/2);n,wn=cheb1ord(omegap,omegas,ap,as,s);b,a=cheby1(n,ap,wn,high,s); bz,az=bilinear(b,a,fs);%映射為數(shù)字的h,w=freqz(bz,az);%繪出頻率響應f=w/pi*11025; plot(f,20*log10(abs(h);title(iir高通濾波器);iir帶通濾波器，程序如下：fb1=1200;fb2=3000;fc1=1000;fc2=3200;ap=1;as=100;fs=8000;wb1=(fb1/fs)*2*

10、pi; wb2=(fb2/fs)*2*pi;wc1=(fc1/fs)*2*pi; wc2=(fc2/fs)*2*pi;omegap1=2*fs*tan(wb1/2); omegap2=2*fs*tan(wb2/2);omegas1=2*fs*tan(wc1/2); omegas2=2*fs*tan(wc2/2);n,wn=cheb1ord(omegap1,omegap2,omegas1,omegas2,ap,as,s);b,a=cheby1(n,ap,wn,bandpass,s);bz,az=bilinear(b,a,fs);%映射為數(shù)字的h,w=freqz(bz,az);%繪出頻率響應f=f

11、s*w/pi/2;plot(f,20*log10(abs(h);title(iir帶通濾波器);fir低通濾波器，程序如下：fb=1000;fc=1200;fs=22050;beta=10.056;wb=2*pi*fb/fs;wc=2*pi*fc/fs;width=wc-wb;wn=(wb+wc)/2;n=ceil(12.8/width*pi);b=fir1(n,wn/pi,kaiser(n+1,beta);h,w=freqz(b);f=fs*w/pi/2;plot(f,20*log10(abs(h);grid on;fir高通濾波器，程序如下：fb=5000;fc=4800;fs=22050

12、;n,wn,beta,typ=kaiserord(fc, fb,0 1,0.001 0.001,fs);b=fir1(n,wn,typ,kaiser(n+1,beta),noscale);h,w=freqz(b);f=fs*w/pi/2;%f=w/pi*(fs/2);plot(f,20*log10(abs(h);title(fir高通濾波器); grid on;fir帶通濾波器，程序如下：fs=12000;fcuts=1000,1200,3000,3200;mags=0,1,0;devs=0.01,0.0078,0.01;n,wn,beta,ftype=kaiserord(fcuts,mags

13、,devs,fs);n=n+rem(n,2);b=fir1(n,wn,ftype,kaiser(n+1,beta),noscale);h,w=freqz(b,1,1024,fs);plot(w,abs(h);title(fir帶通濾波器);各濾波器的圖形如下： 3：用濾波器對信號進行濾波iir低通濾波器濾波，程序如下：ap=1; as=100; fs=4000;fb=1000;fc=1200;%頻率預畸wb=(fb/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示wc=(fc/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示omegap=2*fs*tan(wb/2);omegas=2*fs*tan(wc/

14、2);n,wn=buttord(omegap,omegas,ap,as,s);b,a=butter(n,wn,s);bz,az=bilinear(b,a,fs);%映射為數(shù)字的h,w=freqz(bz,az);%繪出頻率響應plot(w*fs/(2*pi),abs(h);title(iir低通濾波器);y,fs,bits=wavread(music.wav);x=filter(bz,az,y);plot(x);title(濾波后的波形);grid onx=fft(x);plot(abs(x);title(濾波后的頻譜);grid oniir高通濾波器濾波，程序如下：fs=22050;ap=1;

15、as=100;fb=5000;fc=4800;wb=(fb/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示wc=(fc/fs)*2*pi;%臨界頻率采用角頻率表示omegap=2*fs*tan(wb/2);omegas=2*fs*tan(wc/2);n,wn=cheb1ord(omegap,omegas,ap,as,s);b,a=cheby1(n,ap,wn,high,s); bz,az=bilinear(b,a,fs);%映射為數(shù)字的h,w=freqz(bz,az);%繪出頻率響應f=w/pi*11025; plot(f,20*log10(abs(h);title(iir高通濾波器);grid

16、on;y,fs,bits=wavread(music.wav);x=filter(bz,az,y);plot(x);title(濾波后的波形);grid onx=fft(x);plot(abs(x);title(濾波后的頻譜);grid on iir帶通濾波器濾波，程序如下：fb1=1200;fb2=3000;fc1=1000;fc2=3200;ap=1;as=100;fs=8000;wb1=(fb1/fs)*2*pi; wb2=(fb2/fs)*2*pi;wc1=(fc1/fs)*2*pi; wc2=(fc2/fs)*2*pi;omegap1=2*fs*tan(wb1/2); omegap2

17、=2*fs*tan(wb2/2);omegas1=2*fs*tan(wc1/2); omegas2=2*fs*tan(wc2/2);n,wn=cheb1ord(omegap1,omegap2,omegas1,omegas2,ap,as,s);b,a=cheby1(n,ap,wn,bandpass,s);bz,az=bilinear(b,a,fs);%映射為數(shù)字的h,w=freqz(bz,az);%繪出頻率響應f=fs*w/pi/2;plot(f,20*log10(abs(h);title(iir帶通濾波器);grid on;y,fs,bits=wavread(music.wav);x=filt

18、er(bz,az,y);plot(x);title(濾波后的波形);grid onx=fft(x);plot(abs(x);title(濾波后的頻譜);grid on fir低通濾波器濾波，程序如下：fb=1000;fc=1200;fs=22050;beta=10.056;wb=2*pi*fb/fs;wc=2*pi*fc/fs;width=wc-wb;wn=(wb+wc)/2;n=ceil(12.8/width*pi);b=fir1(n,wn/pi,kaiser(n+1,beta);h,w=freqz(b);f=fs*w/pi/2;%f=w/pi*(fs/2);plot(f,20*log10(

19、abs(h);title(fir低通濾波器);grid on;y,fs,bits=wavread(music.wav);x=fftfilt(b,y);plot(x);title(濾波后的波形);grid onx=fft(x);plot(abs(x);title(濾波后的頻譜);grid on fir高通濾波器濾波，程序如下：fb=5000;fc=4800;fs=22050;n,wn,beta,typ=kaiserord(fc, fb,0 1,0.001 0.001,fs);b=fir1(n,wn,typ,kaiser(n+1,beta),noscale);h,w=freqz(b);f=fs*w/pi/2;%f=w/pi*(fs/2);plot(f,20*log10(abs(h);title(fir高通濾波器); grid on;y,fs,bits=wavread(music.wav);x=fftfilt(b,y);plot(x);title(濾波后的波形);grid onx=fft(x);plot(abs(x);title(濾波后的頻譜);grid on fir帶通濾波器濾波，程序如下：fs=12000;fcuts=1000,1200,3000,3200;mags=0,1,