簡單語音處理系統(tǒng)設(shè)計

山東輕工業(yè)學院課程計任務(wù)書學院電子信息與控制工程學院

專業(yè)

通信工程姓名

王光龍

班級

通信09-1

學號200902041017題目主要內(nèi)容：

簡單語音處理系統(tǒng)設(shè)計在一個正常的聽覺過程中波外耳經(jīng)由中耳到達耳蝸那里聲信號被轉(zhuǎn)換成電脈沖并傳向大腦大多數(shù)的嚴重聽損傷病例都有耳蝸聲電轉(zhuǎn)換功能損壞這一問題存在工耳蝸起到了模擬和替代從外耳到內(nèi)耳的整體聽覺功能的作用信號處理器就是人工耳蝸的大腦。了解人工耳蝸中語音信號處理的原理，綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識進行頻譜分析和濾波器設(shè)計擬工耳蝸語音信號處理的過程對語音信號進行處理而深對所學知識的理解建概念。錄制段語音信號定樣頻率；畫出采樣得到信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標，采用窗函數(shù)法（或等波紋最佳逼近法性變換法或其他設(shè)計方法設(shè)計一組濾波器出波器的頻率響應(yīng)后設(shè)計的一組濾波器對采集的信號進行濾波，放大（放大倍數(shù)由增益確定各路信號時域包絡(luò)；然后將各路信號通過一定的方式疊加在一起，合成原信號，繪制時域波形，頻譜，并進行回放?；疽螅?掌握數(shù)字信號處理的基本概念本原理和基本方法；掌握D對擬信號進行頻譜分析的方法定系統(tǒng)的采樣頻windows環(huán)境下進行語音信號采集數(shù)據(jù)的方法掌握設(shè)計FIR和IIR數(shù)濾波器的方法工的應(yīng)用）設(shè)計出系統(tǒng)模塊圖記錄仿真結(jié)果）對結(jié)果進行分析，寫出設(shè)計報告。主要參考資料高西全，丁玉數(shù)信號處第三)西安電子科技大學出版社.2009.01奧本海姆，謝離散時間數(shù)字信處理(第版)[3]胡書.數(shù)信號處理.清華大學出版社.語音信號處理方面、人工耳蝸方面的參考資料完成期限2012

年6

月28

日至2010

年7

月13日指導(dǎo)教師：

張凱麗

教研室主任：

孫寶江

要數(shù)字信號處理是一門以算法為核心、理論和實踐性較強的學科。是通信工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了鞏固所學的數(shù)字信號處理理論知識，理解信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲過程以及培養(yǎng)運用專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力次課程設(shè)計要求設(shè)計一個基于MATLAB的語音處理系統(tǒng)以實現(xiàn)對語音信號的濾波濾波器按頻率劃分有低通高通通帶阻、全通等類型經(jīng)過濾波器處理后不僅濾除掉了原信號的部分頻率分量原信號的幅度也會有所衰減通過對濾波前后各波形的比較能更清楚的發(fā)現(xiàn)濾波器能濾除掉阻帶內(nèi)的頻率分量而保留通帶內(nèi)的頻率分量的作用這次設(shè)計中采用了雙線性變換法和窗函數(shù)法兩種方法設(shè)計濾波器這兩種方法設(shè)計的濾波器又分別采用了高通低通帶通三種頻率特性實現(xiàn)從橫向上和縱向上都可以進行對比，表現(xiàn)出各種濾波器的不同特性。關(guān)鍵詞數(shù)字信號處理

濾波器

雙線性變換法

窗函數(shù)法

1緒論.2設(shè)計目的及要求.2.1課程設(shè)計目的.2.2課程設(shè)計基本要求.3課程設(shè)計的內(nèi)容.3.1語音信號的采集.3.2語音信號的頻譜分析.3.3設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)3.4用濾波器對信號進行濾波.3.5比較濾波前后語音信號的波形及頻譜3.6回放語音信號.3.7設(shè)計系統(tǒng)界面.3.8運行結(jié)果和分析.總結(jié).參考文獻.

1

數(shù)字信號處理課程設(shè)計緒論數(shù)字信號處理（digitalsignalprocessing,DSP）是從世紀年代以來，隨著信息學科和計算機學科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學科的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來簡言之數(shù)字信號處理是把信號用數(shù)字或符號表示的序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計算方法處理（例如濾波、變換、壓縮、增強、估計、識別等達到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。數(shù)字信號處理的應(yīng)用包括濾波與變換、通信、語音、語言、圖像、圖形、消費電子、儀器、工業(yè)控制與自動化、醫(yī)療、軍事等。其發(fā)展方向也是多方面的，包括數(shù)字匯聚、遠程會議系統(tǒng)、融合網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字圖書館、圖像與文本合一的信息檢索業(yè)務(wù)、多媒體通信、個人信息終端等。在本次設(shè)計中，就以設(shè)計一個數(shù)字濾波器系統(tǒng)為目的。2

設(shè)計目的及求程計的（1

鞏固所學的數(shù)字信號處理理論知識，理信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲過程；（2（3

綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力學習資料的收集與整理，學會撰寫課程設(shè)計報告程計本求（1）錄制一段個人自己的語音信號，并對錄制的信號進行采樣；畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標，采用窗函數(shù)法和雙線性變換設(shè)計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計的濾波器對采集的信號進行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化；回放語音信號；最后設(shè)計一個信號處理系統(tǒng)界面

。（2）利用課余時間去圖書館或上網(wǎng)查閱課題相關(guān)資料深入理課題含義及設(shè)計要求，注意材料收集與整理；1

數(shù)字信號處理課程設(shè)計3課程設(shè)的內(nèi)容音號采利用下的錄音機，錄制一段自己的話音，時間1s。然后在Matlab件平臺下利用函數(shù)wavread語音信號進行采樣記住采樣頻率和采樣點數(shù)通過wavread函數(shù)的使用生很快理解了采樣頻率采樣位數(shù)等概念。音號頻分首先畫出語音信號的時域波形然后對語音號進行快速傅里葉變換得到信號的頻譜特性，從而加深學生對頻譜特性的理解。計字波和出頻響給出各濾波器的性能指標：低通濾波器性能指標＝1＝1Hz＝dB＝1dB。高通濾波器性能指標＝4Hzfb＝5HzAs＝100dBAp1dB。帶通濾波器性能指標fb1＝1Hz，fb2＝3Hzfc11，＝3Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計上面要求的種濾波器。在Matlab中，可以利用函數(shù)fir1設(shè)FIR濾波器，可以利用函數(shù)butte，cheby1和設(shè)計IIR濾波器；利用Matlab的函數(shù)畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。濾器信進濾用自己設(shè)計的各濾波器分別對采集的信號進行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。較波后音號波及譜在一個窗口同時畫出濾波前后的波形及頻譜。放音號在Matlab，函數(shù)sound以對聲音進行回放。其調(diào)用格式：，fs，；可以感覺濾波前后的聲音有變化。計統(tǒng)面為了簡化界面的設(shè)計過程，在這次課程設(shè)計中采用了MATLAB中的工具。其設(shè)計過程為：打開GUI窗口：File→New→GUI→CreateGUI→GUI(Default)→OK（2）控件設(shè)計：在控件布局設(shè)計區(qū)放置十個PushButton件（3）修改控件屬性：選中需要修改屬性的控件，雙擊打開屬性查看器（4保設(shè)置好各個控件的屬性回到GUI主窗保存給文件命名為why，同時why.m文件打開。（5）設(shè)置回調(diào)函數(shù)：why.m文件窗口中設(shè)置回函數(shù)。這里，雖UI動生成了回調(diào)函數(shù)，但是回調(diào)函數(shù)是空的，需要文件中對它進行定義說明。2

數(shù)字信號處理課程設(shè)計該程序只需要對十個Push控件的回調(diào)函數(shù)進行定義說明：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,x1=wavread();%讀取原始信號figure(1);制原始信號的波形plot(x1);title('原始信號的時域波形);xlabel('時間軸);ylabel('幅值A(chǔ)');functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,x1=wavread();fs=22052;f=fs*(0:511)/1024;y=fft(x1,1024);figure(2)；%繪制原始信號的頻譜plot(f,abs(y(1:512)));title('原始信號的頻譜)functionpushbutton3_Callback(hObject,eventdata,[x1,fs,bits]=wavread();%播放原始語音信號functionpushbutton4_Callback(hObject,eventdata,IIR低通濾波器x2=wavread();ws=2*pi*fc/fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2);ws1=2/Ts*tan(ws/2);[N,Wn]=buttord(wp1,ws1,Ap,R1,);[Z,P,K]=buttap(N);[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);[bz,az]=bilinear(b,a,fs);[H,W]=freqz(bz,az);figure(1)plot(W*fs/(2*pi),abs(H))xlabel('頻率/Hz')ylabel('頻率響應(yīng)幅度'title(低通濾波器')figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2)title(低通濾波器濾波前的時域波形'subplot(2,1,2)3

數(shù)字信號處理課程設(shè)計plot(f1);title(低通濾波器濾波后的時域波形'F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)plot(f,abs(y2(1:512)));title(低通濾波器濾波前的頻譜'xlabel('頻率/'ylabel('幅值);subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0(1:512)));title('低通濾波器濾波前的頻譜)xlabel('頻率/'ylabel('幅值);functionpushbutton5_Callback(hObject,eventdata,fs=22050;%IIR高通濾波器x1=wavread();Fs=22050;Ts=1/Fs;R1=50;Wp=2*pi*5000/fs;Rp=1;Rl=100;'s'[Z,P,K]=cheb2ap(N,Rl);[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);[bz,az]=bilinear(b,a,Fs);[H,W]=freqz(bz,az);figure(1)plot(W*fs/(2*pi),abs(H))gridxlabel('頻率/'ylabel('頻率響應(yīng)幅度'title(高通濾波器')figure(2)subplot(2,1,1)plot(x1)4

數(shù)字信號處理課程設(shè)計title(高通濾波器濾波前的時域波形'subplot(2,1,2)plot(f1);title('高通濾波器濾波后的時域波形'F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)plot(f,abs(y2(1:512)));title(高通濾波器濾波前的頻譜'xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值);subplot(2,1,2)title('高通濾波器濾波后的頻譜)xlabel('頻率/'ylabel('幅值);functionpushbutton6_Callback(hObject,eventdata,%IIR帶通濾波器Fs=22050;x1=wavread();W1=2*fb1*pi/fs;W2=2*fc1*pi/fs;W3=2*fb2*pi/fs;W4=2*fc2*pi/fs;Wb=[W1,W3];Wc=[W2,W4];Wc1=2/Ts*tan(Wc/2);[N,Wn]=cheb2ord(Wb1,Wc1,Ap,R1,);[Z,P,K]=cheb2ap(N,R1);[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);[bz,az]=bilinear(b,a,Fs);[H,W]=freqz(bz,az);figure(1)plot(W*fs/(2*pi),abs(H))gridxlabel('頻率/Hz')ylabel('頻率響應(yīng)幅度'title('帶通濾波器')figure(2)5

數(shù)字信號處理課程設(shè)計subplot(2,1,1)plot(x1)title(帶通濾波器濾波前的時域波形'subplot(2,1,2)plot(f1);title('帶通濾波器濾波前的時域波形'F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)plot(f,abs(y2(1:512)));title(帶通濾波器濾波前的頻譜'xlabel('頻率/'ylabel('幅值);subplot(2,1,2)title(帶通濾波器濾波前的頻譜'xlabel('頻率/'ylabel('幅值);functionpushbutton7_Callback(hObject,eventdata,%FIR低通濾波器x1=wavread();N=ceil((As-7.95)/(2.286*wn));beta=0.1102*(As-8.7);b=fir1(N,wc/pi,'low',Win);figure(1);title('低通濾波器');figure(2)subplot(2,1,1)plot(x1)title('FIR低通濾波器濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(f2);title('FIR低通濾波器濾波后的時域波形);F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;6

數(shù)字信號處理課程設(shè)計figure(3)plot(f,abs(y2(1:512)));title('FIR低通濾波器濾波前的頻譜)xlabel('頻率/'ylabel('幅值);subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512)));title('低通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/'ylabel('幅值);functionpushbutton8_Callback(hObject,eventdata,%FIR高通濾波器x1=wavread();wn=wb-wc;beta=0.1102*(As-8.7);b=fir1(N,(fb+fc)/(2*fs),,Win);figure(1);title('高通濾波器');figure(2);subplot(2,1,1)plot(x1)title('高通濾波器濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(f2);title('高通濾波器濾波后的時域波形');F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)plot(f,abs(y2(1:512)));title('高通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/'ylabel('幅值);subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512)));7

數(shù)字信號處理課程設(shè)計title('高通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/'ylabel('幅值);functionpushbutton9_Callback(hObject,eventdata,%FIR帶通濾波器x1=wavread();wb1=2*pi*fb1/fs;wb2=2*pi*fb2/fs;wc1=2*pi*fc1/fs;wc2=2*pi*fc2/fs;wc=pi*(fb1+fc1)/fs;wb=pi*(fb2+fc2)/fs;wn=wb-wc;beta=0.1102*(As-8.7);b=fir1(N,[wc,wb]);figure(1);title('帶通濾波器');figure(2)subplot(2,1,1)plot(x1)title('帶通濾波器濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(f2);title('帶通濾波器濾波后的時域波形');F0=fft(f2,1024);f=fs*(1:512)/1024;figure(3)plot(f,abs(y2(1:512)));title('帶通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/'ylabel('幅值);subplot(2,1,2)title('帶通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/'ylabel('幅值);functionpushbutton10_Callback(hObject,handles)%結(jié)束(6)保存修改后的why.m文件，單擊GUI主口工具欄中的“激活運行”按鈕，在GUI界面中按下“原始信號”按鍵就可以看到原始信號的波形頻譜，8

數(shù)字信號處理課程設(shè)計并播放原始信號選擇濾波器種類就可以看到原信號經(jīng)過濾波器后的信號的波形與頻譜，并播放該信號。

運結(jié)和析3.8.1原始信號采樣后時域圖和頻譜圖：（1）原始語音信號時域圖：圖1（2）原始語音信號頻譜圖：9

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖23.8.2FIR濾波器及信號通過FIR濾波器后的時域、頻譜分析：（1）

FIR低通濾波器：圖圖10

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖（2）

FIR高通濾波器：圖11

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖圖（3）

FIR帶通濾波器

：12

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖圖1013

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖113.8.3IIR濾波器及信號通過IIR濾波器后的時域、頻譜分析：（1）

IIR低通濾波器：圖1214

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖13圖14（2）

IIR高通濾波器：15

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖15圖1616

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖17（3）

IIR帶通濾波器：圖1817

數(shù)字信號處理課程設(shè)計圖19圖2018

數(shù)字信號處理課程設(shè)計3.8.4主程序圖：圖213.8.5結(jié)果分析：在圖1—圖21的波形圖和頻譜圖中可以看出，經(jīng)過濾波器處理后，不僅濾除掉了原信號的部分頻率分量原信號的幅度也會有所衰減低通濾波器產(chǎn)生的信號相對于原信號變化不大因為設(shè)定的選頻范圍是原信號的頻率段中較集中的部分與此同時高通和帶通濾波器產(chǎn)生的信號相對于原信號的幅