語(yǔ)音數(shù)字濾波系統(tǒng)

1、光電工程學(xué)院 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn) 語(yǔ)音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)學(xué) 號(hào)： 2011289教師姓名： 李 敏學(xué) 院： 光電工程學(xué)院 時(shí) 間： 2013年12月15日中國(guó)重慶 重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院二一三年十二月 目錄1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2. 實(shí)驗(yàn)器材33. 實(shí)驗(yàn)原理43.1 濾波器頻譜范圍43.2 設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的基本思想43.3 巴特沃思低通數(shù)字濾波器43.4 巴特沃思高通數(shù)字濾波器43.5 巴特沃思帶通數(shù)字濾波器54. 實(shí)驗(yàn)步驟65. 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)及測(cè)試75.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集與頻譜分析75.2 巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真85.3 巴特沃斯高通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真115.4

2、巴特沃斯帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真156.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析207.附錄211. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念，基本理論和基本方法。1. 熟悉離散信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域特性。2. 掌握序列快速傅里葉變換方法。3. 學(xué)會(huì)MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法。4. 掌握利用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。5. 掌握濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。6. 掌握MATLAB設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法和對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法。2. 實(shí)驗(yàn)器材1. Windows下的錄音機(jī)2. Matlab軟件3. 實(shí)驗(yàn)原理3.1 濾波器頻譜范圍語(yǔ)音信號(hào)的頻譜范圍主要為800HZ左右，并且在5000HZ左右有一個(gè)小信號(hào)，因此，在設(shè)計(jì)

3、低通濾波器時(shí)，應(yīng)把噪聲頻譜設(shè)定在5000HZ以上，這樣，通過(guò)低通濾波器，即可濾除噪聲信號(hào)從而還原語(yǔ)音信號(hào)；在設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)，應(yīng)把噪聲設(shè)定在800HZ以內(nèi)，以通過(guò)高通濾波器濾除低頻的噪聲信號(hào)，從而還原相對(duì)頻率較高的語(yǔ)音信號(hào)；在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，可把噪聲設(shè)計(jì)在低于800HZ或高于5000HZ頻譜上，已通過(guò)帶通濾波器還原帶通范圍內(nèi)的語(yǔ)音信號(hào)。3.2 設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的基本思想設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的方法主要有基于沖激響應(yīng)不變法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，基于雙線性Z變換法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，數(shù)字高通、帶通及帶阻IIR濾波器設(shè)計(jì)，基于MATLAB函數(shù)直接設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器。本實(shí)驗(yàn)中采用雙線性變換

4、法變換的巴特沃思數(shù)字濾波器。3.3 巴特沃思低通數(shù)字濾波器(1)選擇來(lái)自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語(yǔ)音信號(hào)(2)給信號(hào)加一個(gè)大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)大于語(yǔ)音信號(hào)的最大頻率），產(chǎn)生污染信號(hào)。(3)設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃思低通濾波器，通帶范圍包括語(yǔ)音信號(hào)，阻帶頻率設(shè)定為小于噪聲信號(hào)頻率。(4)將設(shè)計(jì)好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語(yǔ)音信號(hào)。還原語(yǔ)音信號(hào)。3.4 巴特沃思高通數(shù)字濾波器 (1) 選擇來(lái)自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語(yǔ)音信號(hào)(2)給信號(hào)加一個(gè)小頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)小于語(yǔ)音信號(hào)的最小頻率），產(chǎn)生污染信號(hào)。(3)設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃思高

5、通濾波器，通帶范圍包括語(yǔ)音信號(hào)，阻帶頻率設(shè)定為大于噪聲信號(hào)頻率。(4)將設(shè)計(jì)好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語(yǔ)音信號(hào)。還原語(yǔ)音信號(hào)。3.5 巴特沃思帶通數(shù)字濾波器 (1) 選擇來(lái)自window自帶音頻文件的“ding.wav”聲音作為語(yǔ)音信號(hào)(2)給信號(hào)加一個(gè)小頻率或大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)小于語(yǔ)音信號(hào)的最小頻率或大于語(yǔ)音信號(hào)的最大頻率），產(chǎn)生污染信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)取小頻率的噪聲信號(hào)。(3)設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃思帶通濾波器，通帶范圍包括語(yǔ)音信號(hào)，阻帶頻率設(shè)定為不包括噪聲信號(hào)頻率。(4)將設(shè)計(jì)好的巴特沃思帶通濾波器濾除被噪聲污染后的語(yǔ)音信號(hào)。還原語(yǔ)音信號(hào)。4. 實(shí)驗(yàn)步驟(1)利用Windows下的

6、錄音機(jī)或其他軟件錄一段聲音信號(hào)，或者選擇Windows系統(tǒng)的“叮”（Ding.wav），并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣；(2)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；(3)產(chǎn)生噪聲信號(hào)加到語(yǔ)音信號(hào)中，得到被污染的語(yǔ)音信號(hào)，并回放語(yǔ)音信號(hào)；(4)污染信號(hào)的頻譜分析，畫(huà)出被污染的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形和頻譜； (5) 根據(jù)有關(guān)的頻譜特性，采用間接法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，并畫(huà)出相應(yīng)濾波器的幅頻圖（設(shè)計(jì)3個(gè)IIR濾波器，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的模擬濾波器類型：巴特沃思低通濾波器，巴特沃思高通濾波器，巴特沃思帶通濾波器）；(6)用設(shè)計(jì)出的濾波器對(duì)被噪聲污染的信號(hào)進(jìn)行濾波；(7)分析得到信號(hào)的頻譜，畫(huà)出濾波后信號(hào)的

7、時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；(8)回放語(yǔ)音信號(hào)。5. 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)及測(cè)試5.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集與頻譜分析將windows系統(tǒng)自帶的聲音文件Ding.wav復(fù)制到E盤，并利用wavread函數(shù)將該聲音文件導(dǎo)入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；繪出采樣后的語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。程序如下：%導(dǎo)入語(yǔ)音信號(hào)Fs=22050;x,FS,bits=wavread('E:signal20113289Ding.wav');x=x(:,1);figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);%在命令

8、窗口輸入 sound(x,FS,bits) 回放語(yǔ)音title('語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形圖')y=fft(x,3260);f=(FS/1630)*1:1630; subplot(2,1,2);plot(f(1:1630),abs(y(1:1630);title('語(yǔ)音信號(hào)頻譜圖');運(yùn)行程序得到語(yǔ)音時(shí)域和頻譜圖形如下5.2 巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真（1）產(chǎn)生高頻的噪聲信號(hào)zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050)，MATLAB程序如下：%產(chǎn)生高頻噪聲信號(hào)t=0:length(x)-1;zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/2205

9、0);zs0=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050000);figure(2);subplot(2,1,1)plot(zs0)title('高頻噪聲信號(hào)波形');zs1=fft(zs,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪聲 subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title('高頻噪聲信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行得高頻噪聲的時(shí)域波形和頻譜如下：（2）將高頻信號(hào)添加到原聲音信號(hào)，得到污染的聲音信號(hào)，并利用fft對(duì)污染后的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻譜特性。matlab程序如下：%將

10、噪聲添加到聲音信號(hào)x1=x+zs'%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪聲后的語(yǔ)音y1=fft(x1,1200);figure(3);subplot(2,1,1);plot(x1);title('加入高頻噪聲后的信號(hào)波形');subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title('加入高頻噪聲后的信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行結(jié)果得加入噪聲信號(hào)后的聲音信號(hào)時(shí)域波形和頻譜：（3）巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)低通濾波器性能指標(biāo)如下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=300

11、0Hz，fs=3500 Hz， rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)程序如下：%設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波fp=3000;fs=3500;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'s');Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(4);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,

12、abs(h);title('巴特沃斯低通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('損耗（dB）');grid on;程序運(yùn)行結(jié)果如下：（4）巴特沃斯低通濾波器的仿真利用巴特沃斯濾波器對(duì)含有噪聲的聲音進(jìn)行低通濾波，程序如下%對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(5);subplot(2,1,1);plot(yd); title('低通濾波后信號(hào)波形');ydd=fft(yd,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);tit

13、le('低通濾波后信號(hào)頻譜');sound(yd,FS,bits)運(yùn)行結(jié)果如下：5.3 巴特沃斯高通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真（1）產(chǎn)生低頻的噪聲信號(hào)zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，MATLAB程序如下：%產(chǎn)生低頻噪聲信號(hào)t=0:length(x)-1;zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);figure(6);subplot(2,1,1)plot(zs0);axis(0 2000 -0.05 0.05)title('低頻噪聲信號(hào)波形');zs1=fft(zs0,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放

14、噪聲 subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title('低頻噪聲信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行得低頻噪聲的時(shí)域波形和頻譜如下：（2）將低頻信號(hào)添加到原聲音信號(hào)，得到污染的聲音信號(hào)，并利用fft對(duì)污染后的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻譜特性。程序如下：%低頻信號(hào)加載到聲音信號(hào)x1=x+zs0'%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪聲后的語(yǔ)音y1=fft(x1,1200);figure(7);subplot(2,1,1);plot(x1);title('加入低頻噪聲后的信號(hào)波形');subplot(2,

15、1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title('加入低頻噪聲后的信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行結(jié)果得加入噪聲信號(hào)后的聲音信號(hào)時(shí)域波形和頻譜：（3）巴特沃斯高通濾波器的設(shè)計(jì)根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)高通濾波器性能指標(biāo)如下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=600Hz，fs=400 Hz， rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)程序如下：%設(shè)計(jì)巴特沃斯高通濾波器fp=600;fs=400;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2

16、);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'high','s');Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(8);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h);title('巴特沃斯高通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('損耗（dB）');grid on;程序運(yùn)行結(jié)果如下：（4）巴特沃斯高通濾波器的仿真利用巴特沃斯濾波器對(duì)

17、含有噪聲的聲音進(jìn)行高通濾波，程序如下%用巴特沃斯高通濾波器進(jìn)行濾波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(9);subplot(2,1,1);plot(yd); title('高通濾波后信號(hào)波形');ydd=fft(yd,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);title('高通濾波后信號(hào)頻譜');sound(yd,FS,bits)運(yùn)行結(jié)果如下：5.4 巴特沃斯帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真（1）產(chǎn)生低頻的噪聲信號(hào)zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，MATLAB程序如下：%

18、產(chǎn)生低頻噪聲信號(hào)t=0:length(x)-1;zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);figure(6);subplot(2,1,1)plot(zs0);axis(0 2000 -0.05 0.05)title('低頻噪聲信號(hào)波形');zs1=fft(zs0,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪聲 subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title('低頻噪聲信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行得低頻噪聲的時(shí)域波形和頻譜如下：（2）將低頻信號(hào)添加到原聲音信號(hào)，得到污染的聲音信號(hào)，并利

19、用fft對(duì)污染后的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻譜特性。程序如下：%低頻信號(hào)加載到聲音信號(hào)x1=x+zs0'%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪聲后的語(yǔ)音y1=fft(x1,1200);figure(7);subplot(2,1,1);plot(x1);title('加入低頻噪聲后的信號(hào)波形');subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title('加入低頻噪聲后的信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行結(jié)果得加入噪聲信號(hào)后的聲音信號(hào)時(shí)域波形和頻譜：（3）巴特沃斯帶通濾波器的設(shè)計(jì)根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器

20、的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)高通濾波器性能指標(biāo)如下，F(xiàn)s=22050Hz，fp=600,6000Hz，fs=400,7000 Hz， rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)程序如下：%設(shè)計(jì)巴特沃斯帶通濾波器fp=600,6000;fs=400,7000;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'s');Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(12);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h);title('巴特沃斯帶通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('損耗（dB)');grid on;程序運(yùn)行結(jié)果如下：（4）巴特沃斯帶通濾波器的仿真利用巴特沃斯濾波器對(duì)含有噪聲的聲音進(jìn)行帶通濾波，程序如下%用巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行濾波¨yd=filter(Bz,Az,x1);figure(13);subplot(2,1,1);plot(yd);t