基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理_數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

1、數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)題目： 基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理摘要：語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和語(yǔ)音學(xué)知識(shí)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的新興學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一，通過(guò)語(yǔ)音傳遞信息是人類(lèi)最重要，最有效，最常用和最方便的交換信息手段，所以對(duì)其的研究更顯得尤為重要。Matlab語(yǔ)言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，它可以將聲音文件變換成離散的數(shù)據(jù)文件，然后用起強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)。這為我們的本次設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大并良好的環(huán)境！本設(shè)計(jì)要求自己錄制一段自己的語(yǔ)音后，在MATLAB軟件中采集語(yǔ)音信號(hào)、回放語(yǔ)音信號(hào)并畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。再在Matlab中分別設(shè)計(jì)不

2、同形式的FIR數(shù)字濾波器。之后對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的濾波器（低通、高通、帶通）后，觀察不同的波形，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜的分析。對(duì)比處理前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析各種濾波器對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)的影響。最后分別收聽(tīng)進(jìn)行濾波后的語(yǔ)音信號(hào)效果，做到了解在怎么樣的情況下該用怎么樣的濾波器。目錄1.設(shè)計(jì)容42.設(shè)計(jì)原理42.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析42.2語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析53.設(shè)計(jì)過(guò)程53.1實(shí)驗(yàn)程序源代碼63.1.1原語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域、頻域圖63.1.2低通濾波器的設(shè)計(jì)63.1.3高通濾波器的設(shè)計(jì)73.1.4帶通濾波器的設(shè)計(jì)83.1.5語(yǔ)音信號(hào)的回放93.2調(diào)試結(jié)果描述103.3所遇問(wèn)題與結(jié)果分析153.3.1所遇主

3、要問(wèn)題163.3.2結(jié)果分析164.體會(huì)與收獲175.參考文獻(xiàn)171.設(shè)計(jì)容：1首先錄制好一段自己的語(yǔ)音。2用Matlab分別設(shè)計(jì)好3種類(lèi)型的濾波器（指標(biāo)自己確定）：低通型、高通型、帶通型。3用Matlab將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，并分別將其通過(guò)所設(shè)計(jì)的3種濾波器。4用Matlab自帶的語(yǔ)音返回函數(shù)收聽(tīng)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)，分析并比較其與原語(yǔ)音信號(hào)的差異。2.設(shè)計(jì)原理：語(yǔ)音信號(hào)時(shí)一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它帶著各種信息。在語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音增強(qiáng)等語(yǔ)音處理中無(wú)一例外需要提取語(yǔ)音中包含的各種信息。語(yǔ)音信號(hào)分析的目的就在于方便有效的提取并表示語(yǔ)音信號(hào)所攜帶的信息。語(yǔ)音信號(hào)處理可以分為時(shí)域和變換域等

4、處理方法，其中時(shí)域分析是最簡(jiǎn)單的方法，直接對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行分析，崎嶇的特征參數(shù)主要有語(yǔ)音的短時(shí)能量，短時(shí)平均過(guò)零率，短時(shí)自相關(guān)函數(shù)等。2.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析信號(hào)提?。和ㄟ^(guò)圖形用戶界面上的菜單功能按鍵采集電腦上的一段音頻信號(hào)，完成音頻信號(hào)的頻率，幅度等信息的提取，并得到該語(yǔ)音信號(hào)的波形圖。信號(hào)調(diào)整：在設(shè)計(jì)的用戶圖形界面下對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行各種變化，如變化幅度、改變頻率等操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)整。2.2語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析信號(hào)的傅里葉表示在信號(hào)的分析和處理中起著重要的作用。因?yàn)閷?duì)于線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以很方便地確定其對(duì)正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅里葉分析方法能完善地解決許多信號(hào)分析和處理

5、問(wèn)題。另外，傅里葉表示使信號(hào)的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說(shuō)明信號(hào)的各項(xiàng)紅物理現(xiàn)象。由于語(yǔ)音信號(hào)時(shí)隨著時(shí)間變化的，通常認(rèn)為，語(yǔ)音是一個(gè)受準(zhǔn)周期脈沖或隨機(jī)噪聲源激勵(lì)的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應(yīng)與激勵(lì)源頻譜的乘積。身份到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)與激勵(lì)源都是隨時(shí)間變化的，因此一般標(biāo)準(zhǔn)的傅里葉表示雖然適用于周期與平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的表示，但不能直接用于語(yǔ)音信號(hào)。由于語(yǔ)音信號(hào)可以認(rèn)為在短時(shí)間，近似不變，因而可以采用短時(shí)分析法。1.信號(hào)變換：在用戶圖形界面西啊對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行Fourier等變換，并畫(huà)出變換前后的頻譜圖和倒譜圖。2.信號(hào)濾波：濾除語(yǔ)音信號(hào)中的噪音部分，可以采用抵用濾波、高通濾

6、波、帶通濾波，并比較各種濾波后的效果。3設(shè)計(jì)過(guò)程：3.1實(shí)驗(yàn)程序源代碼（原語(yǔ)音信號(hào)存放在e:下）：3.1.1原語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域、頻域圖x1,fs,bits=wavread('e:txwz.wav');%sound(x1,fs,bits);figure(1);plot(x1);%做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形title('原始語(yǔ)音信號(hào)');xlabel('時(shí)間 t');ylabel('音量 n');figure(2);y1=fft(x1);%做length(x1)點(diǎn)的FFTy1=fftshift(y1); %平移，是頻率中心為0derta_

7、fs = fs/length(x1); %設(shè)置頻譜的間隔，分辨率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title('原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜');grid on;3.1.2低通濾波器的設(shè)計(jì)%低通濾波：截止頻率4000，阻帶衰減20dB，過(guò)渡帶寬0.1fc1=4000;N1=2*pi*0.9/(0.1*pi)wc1=2*pi*fc1/fs;if rem(N1,2)=0N1=N1+1;endWindow=boxcar (N1+1); %長(zhǎng)度為N1的矩形窗Windowb1=fir1(N1,wc1/pi,Window)

8、;figure(3);freqz(b1,1,512);title('低通濾波器的頻率響應(yīng)');x1_low = filter(b1,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波figure(4);plot(x1_low);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器(時(shí)域)');figure(5);plot(-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_low);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器（頻域）');3.1.3高通濾波器的設(shè)計(jì)%高通濾波：截止頻率4000，阻帶衰減40dB,過(guò)渡帶寬0.1fc2=4000;N2=

9、2*pi*3.1/(0.1*pi)wc2=2*pi*fc1/fs;N2=N2+mod(N2,2);Window=hanning(N2+1);b2=fir1(N2,wc2/pi,'high',Window);figure(6);freqz(b2,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)title('高通濾波器的頻率響應(yīng)');x1_high = filter(b2,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波figure(7);plot(x1_high);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器(時(shí)域)');figure(8);plot(-fs/2:derta_fs:fs/2

10、-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_high);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器（頻域）')3.1.4帶通濾波器的設(shè)計(jì)%帶通濾波：下截止頻率4000，上截止頻率8000，阻帶衰減20dB,過(guò)渡帶寬度0.1f1=4000;f2=8000; %帶通濾波器的通帶圍w1=2*pi*f1/fs;w3=w1+0.1*pi;w2=2*pi*f2/fs;w4=w2-0.1*pi;w=(w1+w3)/2,(w2+w4)/2;B=0.1*pi;N3=ceil(2*0.9*pi/B);N3=N3+mod(N3,2);Window=boxcar(N3+1);b3=fir1(N3

11、,w/pi,'stop',Window);%帶通濾波器figure(9);freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)title('帶通濾波器的頻率響應(yīng)');x1_daitong = filter(b3,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波figure(10);plot(x1_daitong);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器(時(shí)域)');figure(11);plot(-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_daitong);title('信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器（頻域）'

12、);3.1.5語(yǔ)音信號(hào)的回放（分別執(zhí)行）sound(x1,fs,bits);%原始信號(hào)sound(x1_low,fs,bits);%經(jīng)過(guò)低通濾sound(x1_high,fs,bits); %經(jīng)過(guò)高通濾波sound(x1_daitong,fs,bits);%經(jīng)過(guò)帶通濾波3.2調(diào)試結(jié)果描述原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形：原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜：低通濾波器的頻率響應(yīng)：信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后的時(shí)域波形：信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后的頻域波形高通濾波器的頻率響應(yīng)：信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后的時(shí)域波形：信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后的頻域波形：帶通濾波器的頻率響應(yīng)：信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波后的時(shí)域波形：信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波后的頻域波形：3.3所遇問(wèn)題與結(jié)果分析3

13、.3.1所遇主要問(wèn)題1在高通與帶通濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)老是報(bào)錯(cuò)，但同樣的用法在低通濾波器中就可以實(shí)現(xiàn)b2=fir1(N2,wc2/pi,'high',Window);? Error using => fir1The window length must be the same as the filter length.其要求在fir函數(shù)中所選用的窗長(zhǎng)要和濾波器長(zhǎng)度一致。但在參考書(shū)上指出，濾波器階數(shù)必須為窗長(zhǎng)加1。經(jīng)上網(wǎng)查詢后，原來(lái)高通、帶阻濾波器的階數(shù)應(yīng)該控制為奇數(shù)，因?yàn)槿绻A數(shù)為偶數(shù)，則在點(diǎn)必有一零點(diǎn)，這對(duì)于高通帶阻來(lái)說(shuō)是不允許的，故取階數(shù)為奇數(shù)，而你FIR1濾波器階數(shù)為M+

14、1階，所以你的M必須為偶數(shù)，所以可以將程序中去窗長(zhǎng)算法由原程序的: N2=2*pi*0.9/(0.1*pi);if rem(N2,2)=0N2=N2+1;End和: N3=2*pi*0.9/(0.1*pi);if rem(N3,2)=0N3=N3+1;End改為了：N2=N2+mod(N2,2);和: B=0.1*pi;（B為過(guò)渡帶寬）N3=ceil(2*0.9*pi/B);N3=N3+mod(N3,2);2.在設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)先是使用的矩形窗，用矩形窗驗(yàn)證出來(lái)的結(jié)果中低頻語(yǔ)音分量依舊很強(qiáng)，不能將其全部抑制在0，之后換窗，選著了最小衰減可以到達(dá)53dB的海明窗，再次試驗(yàn)，非常成功！3.3.2結(jié)果分析經(jīng)過(guò)回放三個(gè)不同類(lèi)型濾波器輸出的語(yǔ)音信號(hào)，并與原語(yǔ)音信號(hào)對(duì)比得到了如下結(jié)論。語(yǔ)音高頻成分音質(zhì)非常尖銳，齒音中，聲音有些暗淡。語(yǔ)音低頻成分音質(zhì)沉穩(wěn)，空間感覺(jué)強(qiáng)，語(yǔ)音渾厚。語(yǔ)音中頻成分音質(zhì)有力度，有