語音信號的處理與濾波

廣西科技大學(xué)數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)題目：語音信號的處理與濾波(難度系數(shù)：0.8)系別：計(jì)算機(jī)工程學(xué)院專業(yè)：通信工程班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)教師：日期：目錄摘要： 3一．設(shè)計(jì)容 3二．設(shè)計(jì)目的 4三．基本步驟 4四、相關(guān)原理知識 5五、實(shí)現(xiàn)過程 91．錄制聲音 92．分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因 113．濾波器的設(shè)計(jì) 134．對聲音進(jìn)行濾波 145．把處理后的所有數(shù)據(jù)存儲為聲音文件，與原始聲音進(jìn)行比較 15六、心得體會 16七、參考文獻(xiàn) 17摘要：本次設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB工具對自己的語音進(jìn)行錄制，然后設(shè)計(jì)IIR濾波器，并通過所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行語音信號濾波以及分析等，對以前所學(xué)的知識進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的歸納和進(jìn)一步理解，并且在實(shí)際應(yīng)用操作當(dāng)中體會我們《數(shù)字信號處理》這門課程的相關(guān)知識點(diǎn)。一、設(shè)計(jì)容1.設(shè)計(jì)題目一:語音信號的處理與濾波（難度系數(shù)：0.8）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)。2．在MATLAB環(huán)境中，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(gè)實(shí)際問題：錄制剛開始時(shí)，常會出現(xiàn)實(shí)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(diǎn)的采樣？）3．畫出語音信號的時(shí)域波形;然后對語音信號進(jìn)行FFT,得到信號的頻譜特性,然后分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因。4．針對信道（最高3500Hz），設(shè)計(jì)一個(gè)FIR或IIR濾波器進(jìn)行濾波，把抽樣率轉(zhuǎn)變?yōu)?000Hz/s，并進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜。5.用自己設(shè)計(jì)的IIR濾波器分別對采集的信號進(jìn)行濾波比較濾波前后語音信號的波形及頻譜..畫出濾波前后的波形和頻譜.加深對濾波器的了解.6．把處理后的所有數(shù)據(jù)儲存為聲音文件，與原始聲音進(jìn)行比較。7.保存濾波后的語音 二、設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用本課程的理論知識進(jìn)行頻譜分析以及濾波器設(shè)計(jì)，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)的理論知識，提高對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，并從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。三、基本步驟1．語音信號的采集熟悉并掌握MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、播放、存儲和讀取的函數(shù)，在MATLAB環(huán)境中，使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制3秒左右自己的聲音。（考慮如何解決一個(gè)實(shí)際問題：錄制剛開始時(shí)，常會出現(xiàn)實(shí)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(diǎn)的采樣？）2．語音信號的頻譜分析要求首先畫出語音信號的時(shí)域波形；然后對語音號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性，從而加深對頻譜特性的理解。3．設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器并畫出其頻率響應(yīng)給出各濾波器的性能指標(biāo)：(1)低通濾波器性能指標(biāo)：fb＝1000Hz，fc＝1200Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。(2)高通濾波器性能指標(biāo)：fc＝4800Hz，fb＝5000HzAs＝100dB，Ap＝1dB。(3)帶通濾波器性能指標(biāo)：fp1＝1200Hz，fp2＝3000Hz，fsc1＝1000Hz，fsc2＝3200Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。要求用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計(jì)上面要求的3種濾波器。在Matlab中，使用函數(shù)butter，cheby1等函數(shù)設(shè)計(jì)IIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。4．用濾波器對信號進(jìn)行濾波要求用自己設(shè)計(jì)的各種濾波器分別對采集的信號進(jìn)行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)行濾波。5．比較濾波前后語音信號的波形及頻譜要求在一個(gè)窗口同時(shí)畫出濾波前后的波形及頻譜。6．回放語音信號在Matlab中，使用相關(guān)聲音函數(shù)對聲音進(jìn)行回放。辨別濾波前后的聲音有何變化。四、相關(guān)原理知識1.錄音原理Matlab中有兩個(gè)函數(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)錄音功能，一個(gè)是waverecord函數(shù)調(diào)用windows音頻設(shè)備進(jìn)行錄音，主要用于實(shí)時(shí)語音采集。第二個(gè)是使用Matlab中的wavread函數(shù)也可以進(jìn)行語音采集。不過wavread函數(shù)只能讀取計(jì)算機(jī)中已經(jīng)有的“.wav”文件，也就是說必須事先使用windows的錄音機(jī)等設(shè)備把有關(guān)的語音資料錄制并存儲為“.wav”文件。顯然wavread函數(shù)不能用于實(shí)時(shí)語音信號采集。另外語音采集的頻率和精度不能改變?；胤艜r(shí)也有兩個(gè)函數(shù)可以選用。Sound函數(shù)和wavplay，只不過后者的功能沒有前者強(qiáng)大。不過在本設(shè)計(jì)中主要是對已有的信號進(jìn)行處理，所以選用wavread錄放。同時(shí)，由于信號的時(shí)域描述只能反映信號的幅值隨時(shí)間的變化情況，除只有一個(gè)頻率分量的簡諧波外一般很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量的大小，因此，我們要把它轉(zhuǎn)換成頻域來分析，它能夠提供比時(shí)域信號波形更直觀，豐富的信息。2、濾波器的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方法FIR濾波器的設(shè)計(jì)問題在于尋求一系統(tǒng)函數(shù)，使其頻率響應(yīng)逼近濾波器要求的理想頻率響應(yīng)，其對應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)。1、用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的基本方法設(shè)計(jì)思想：從時(shí)域從發(fā)，設(shè)計(jì)逼近理想。設(shè)理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)為。以低通線性相位FIR數(shù)字濾波器為例。一般是無限長的，且是非因果的，不能直接作為FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)。要想得到一個(gè)因果的有限長的濾波器h(n)，最直接的方法是截?cái)?，即截取為有限長因果序列，并用合適的窗函數(shù)進(jìn)行加權(quán)作為FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)。按照線性相位濾波器的要求，h(n)必須是偶對稱的。對稱中心必須等于濾波器的延時(shí)常數(shù)，即用矩形窗設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器，所設(shè)計(jì)濾波器的幅度函數(shù)在通帶和阻帶都呈現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象，且最大波紋大約為幅度的9%，這個(gè)現(xiàn)象稱為吉布斯（Gibbs）效應(yīng)。為了消除吉布斯效應(yīng)，一般采用其他類型的窗函數(shù)。2、典型的窗函數(shù)（1）矩形窗(RectangleWindow)其頻率響應(yīng)和幅度響應(yīng)分別為：，（2）三角形窗(BartlettWindow)其頻率響應(yīng)為：（3）漢寧(Hanning)窗，又稱升余弦窗其頻率響應(yīng)和幅度響應(yīng)分別為：（4）漢明(Hamming)窗，又稱改進(jìn)的升余弦窗其幅度響應(yīng)為：（5）布萊克曼(Blankman)窗，又稱二階升余弦窗其幅度響應(yīng)為：（6）凱澤(Kaiser)窗其中：β是一個(gè)可選參數(shù)，用來選擇主瓣寬度和旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，一般說來，β越大，過渡帶越寬，阻帶越小衰減也越大。I0(·)是第一類修正零階貝塞爾函數(shù)。若阻帶最小衰減表示為，β的確定可采用下述經(jīng)驗(yàn)公式：若濾波器通帶和阻帶波紋相等即δp=δs時(shí)，濾波器節(jié)數(shù)可通過下式確定：式中：3．利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的具體步驟如下：（1）按允許的過渡帶寬度△ω及阻帶衰減AS，選擇合適的窗函數(shù)，并估計(jì)節(jié)數(shù)N：其中A由窗函數(shù)的類型決定。（2）由給定的濾波器的幅頻響應(yīng)參數(shù)求出理想的單位脈沖響應(yīng)。（3）確定延時(shí)值（4）計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)，。（5）驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。3.IIR數(shù)字濾波器IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)是Z的有理數(shù),可表示為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是要確定系數(shù),以使濾波器達(dá)到要求.設(shè)計(jì)方法為,用模擬濾波器理論來設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器.在IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中較多的采用這種方法.用計(jì)算機(jī)助設(shè)計(jì),優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì).針對信道我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)IIR低通濾波器來濾我們錄制的語音,用fftfilt函數(shù)可以把我們錄制的語音放到設(shè)計(jì)好的濾波器進(jìn)行濾波.然后angle函數(shù)求出濾波后語音的相位譜,用abs求出幅度譜.然后再用wavwrite對濾波后的語音保存為聲音文件.五、實(shí)現(xiàn)過程1．錄制自己的聲音文件（wav格式），容為“數(shù)字信號課程設(shè)計(jì)，鄧國望”程序如下：fs=8000;%抽樣頻率channel=1;%1信道t=3;%設(shè)定錄音時(shí)間為3秒鐘fprintf('按任意鍵后開始%d秒錄音：',t);pause;%文字提示%暫停命令fprintf('錄音中...');%提示當(dāng)前正在錄音當(dāng)中x=wavrecord(t*fs,fs,channel,'double');%錄制自己的聲音信號fprintf('錄音結(jié)束\n');%提示錄音已經(jīng)結(jié)束wavwrite(x,fs,'F:\新建文件夾\dgw.wav');%存儲錄音信號fprintf('按任意鍵后回放:');pause;wavplay(x,fs);%播放錄制的聲音下面讀取原始聲音，并且畫出它的時(shí)域圖形，程序如下：y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav',[120000]);%讀取聲音plot(y);%畫出聲音時(shí)域圖形title('原始聲音信號時(shí)域圖形');%標(biāo)題xlabel('時(shí)間');%x軸坐標(biāo)ylabel('幅值');%y軸坐標(biāo)grid;%添加網(wǎng)格線通過觀察圖形，發(fā)現(xiàn)在錄音過程中出現(xiàn)了這樣一個(gè)現(xiàn)象：錄制剛開始時(shí)，出現(xiàn)一些無效的點(diǎn)，后面也出現(xiàn)一些無效的點(diǎn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是錄音開始時(shí)，人的反應(yīng)慢了半拍，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些無效點(diǎn)，而后面出現(xiàn)的無效的點(diǎn)，主要是已經(jīng)沒有聲音的動作。我們首先要想辦法要去掉這些無效點(diǎn)，可以這樣操作：截取有效點(diǎn)程序如下：y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav',[300018000]);%從3000點(diǎn)開始截取到18000點(diǎn)結(jié)束plot(y);%重新畫出截取后的圖形title('截取后的聲音時(shí)域圖形');%標(biāo)題xlabel('時(shí)間');%x軸坐標(biāo)ylabel('幅值');%y軸坐標(biāo)grid;%添加網(wǎng)格線2．分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜，比較二者異同并分析原因。取8000點(diǎn)頻譜分析y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語音信號d=fft(y,8000);%對語音信號做8000點(diǎn)的FFT變換subplot(2,2,1);%分割窗口plot(abs(d));%繪出語音信號的幅度譜xlabel('頻率');%加X軸說明ylabel('幅值');%加Y軸說明title('8000點(diǎn)幅度譜');%加圖形說明grid;%添加網(wǎng)格subplot(2,2,2);%分割窗口plot(angle(d));%繪出語音信號的相位譜xlabel('頻率');%加X軸說明ylabel('angle(d)');%加Y軸說明title('8000點(diǎn)相位譜');%加圖形說明grid;%添加網(wǎng)格%取16000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語音信號d=fft(y,16000);%對語音信號做16000點(diǎn)的FFT變換subplot(2,2,3);%分割窗口plot(abs(d));%繪出語音信號的幅度譜xlabel('頻率');%加X軸說明ylabel('幅值');%加Y軸說明title('16000點(diǎn)幅度譜');%加圖形說明grid;%添加網(wǎng)格subplot(2,2,4);%分割窗口plot(angle(d));%繪出語音信號的相位譜xlabel('頻率');%加X軸說明ylabel('angle(d)');%加Y軸說明title('16000點(diǎn)相位譜');%加圖形說明grid觀察兩圖可以看出，取8000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析和取16000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析所得的幅度譜和相位譜的圖形基本上是相同的；不同之處是8000點(diǎn)圖形線比16000點(diǎn)的圖形線梳，原因是在同樣的抽樣頻率下，對不同點(diǎn)數(shù)進(jìn)行頻譜分析得出的幅度譜和相位譜線疏密不同，點(diǎn)數(shù)越多，線越密。3．濾波器的設(shè)計(jì)：針對信道我們設(shè)計(jì)一個(gè)IIR低通濾波器對我們錄制的語音進(jìn)行濾波,具體程序如下:%低通濾波器設(shè)計(jì)wp=2*1200/7000;%歸一化通帶數(shù)字頻率wpws=2*2000/7000;%歸一化阻帶數(shù)字截止頻率wsRp=0.5;%通帶波紋系數(shù)RpRs=60;%最小阻帶衰減Rs[N,Wn]=buttord(wp,ws,Rp,Rs);%求階數(shù)N和濾波器截止頻率Wn[num,den]=butter(N,Rp);%傳輸分子和分母的系數(shù)[h,w]=freqz(num,den);%求頻率響應(yīng)subplot(2,1,1);%窗口分成2行1列繪圖區(qū),第1個(gè)區(qū)為當(dāng)前活動區(qū)plot(w/pi,abs(h));%二維連續(xù)圖形grid;%添加網(wǎng)格title('巴特沃思型低通濾波器的幅頻響應(yīng)');%加圖形說明xlabel('\omega/\pi');%加X軸說明（/后表示轉(zhuǎn)義字符）ylabel('振幅(幅值)');%加Y軸說明subplot(2,1,2);%窗口分成2行1列繪圖區(qū),第2個(gè)區(qū)為當(dāng)前活動區(qū)plot(w/pi,20*log10(abs(h)));%二維連續(xù)圖形grid;%添加網(wǎng)格title('巴特沃思型低通濾波器的幅頻響應(yīng)');%加圖形說明xlabel('\omega/\pi');%加X軸說明（/后表示轉(zhuǎn)義字符）ylabel('振幅(分貝)');%加Y軸說明4．對聲音進(jìn)行濾波：把我們上面錄制的語音放到濾波器里進(jìn)行濾波，具體程序如下:%濾濾后的幅度、相位譜圖fs=8000;y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語音信號f=filter(num,den,y);%濾波f1=fft(f,1024);subplot(2,1,1)plot(abs(f1));%畫出濾波后的時(shí)域圖title('濾波后的幅度譜');grid;subplot(2,1,2)plot(angle(f1));%畫出濾波后的時(shí)域圖title('濾波后的相位譜');grid;wavwrite(f,fs,'F:\新建文件夾\dgw1.wav');5．把處理后的所有數(shù)據(jù)存儲為聲音文件，與原始聲音進(jìn)行比較程序如下：%原始語音與濾波后的信號比較fs=8000;y=wavread('F:\新建文件夾\dgw.wav');%讀取原始語音信號y1=wavread('F:\新建文件夾\dgw1.wav');%讀取濾波后語音信號yx=fft(y);yx1=fft(y1);subplot(2,1,1)plot(20*log10(abs(yx)));title('濾波前的相對幅度譜');subplot(2,1,2);plot(20*log10(abs(yx1)));title('濾波后的相對幅度譜');結(jié)論：通過濾波前后兩種信號的比