數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)--語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波

1、<p>　　數(shù)字信號(hào)處理 課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　說 明 書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目 語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………3</p><p>　　設(shè)

2、計(jì)內(nèi)容………………………………3</p><p>　　二．濾波器設(shè)計(jì)原理………………………3</p><p>　　三．設(shè)計(jì)步驟………………………………4</p><p>　　1．語(yǔ)音信號(hào)的采集…………………………………4</p><p>　　2.實(shí)際問題的解決…………………………………5</p><p>　　3.比較8

3、000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅度和相位譜…7</p><p>　　4.濾波器的設(shè)計(jì)及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波…………8</p><p>　　四．心得體會(huì)……………………………14</p><p>　　五．參考文獻(xiàn)……………………………14</p><p>　　摘要：本課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理中所學(xué)知識(shí)在MATLAB中的綜合應(yīng)用，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采

4、樣及進(jìn)行頻譜分析，濾波器的設(shè)計(jì)及利用濾波器對(duì)信號(hào)的濾波。</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波：使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制3秒左右自己的聲音。掌握MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取的函數(shù)；并解決實(shí)際發(fā)出聲音落后錄制動(dòng)作半拍的現(xiàn)象。畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。對(duì)錄制的聲音信號(hào)分別取8000

5、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。給定濾波器的性能指標(biāo)，分別設(shè)計(jì)一個(gè)IIR低通與帶通濾波器，并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析語(yǔ)音信號(hào)的變化。</p><p>　　二、濾波器設(shè)計(jì)原理：</p><p>　　濾波器，顧名思義，就是對(duì)系統(tǒng)的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。本設(shè)計(jì)采用Filter()函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。

6、并采用IIR數(shù)字濾波器。其基本步驟（以低通數(shù)字濾波器為例）：</p><p>　　1）確定數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)：通帶臨界頻率fp、阻帶臨界頻率fr；通帶內(nèi)的最大衰減Ap；阻帶內(nèi)的最小衰減Ar；采樣周期T；</p><p>　　2） 確定相應(yīng)的數(shù)字角頻率，ωp=2πfpT；ωr=2πfrT； </p><p>　　3） 計(jì)算經(jīng)過預(yù)畸的相應(yīng)模擬低通原

7、型的頻率， ；</p><p>　　4） 根據(jù)Ωp和Ωr計(jì)算模擬低通原型濾波器的階數(shù)N，并求得低通原型的傳遞函數(shù)Ha(s)；</p><p>　　5） 用雙線性變換公式代入Ha(s)，把s平面的虛軸單值地映射于z平面的單位圓上，s平面的左半平面完全映射到z平面的單位圓內(nèi)。雙線性變換不存在混疊問題。求出所設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù)H(z)；即</p><p>

8、<b>　　三．設(shè)計(jì)步驟</b></p><p><b>　　1．語(yǔ)音信號(hào)的采集</b></p><p>　　MATLAB中有關(guān)聲音（wave）錄制、讀取、播放、存儲(chǔ)和讀取的函數(shù)有wavrecord（）；wavread()；wavwrite()；sound().錄制3秒左右自己的聲音, 畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形；然后對(duì)語(yǔ)音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到

9、信號(hào)的頻譜特性。</p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　fs=8000;%采樣頻率</p><p>　　y=wavrecord(3*fs,fs,'double');%錄制3秒自己的聲音</p><p>　　wavplay(y,fs);%播放錄音</p>&l

10、t;p>　　wavwrite(y,fs,'E:/音樂');%存儲(chǔ)聲音</p><p>　　wavread('E:/音樂');%讀取聲音</p><p>　　subplot(1,2,1);</p><p>　　plot(abs(y)); %畫出聲音采樣后的時(shí)域波形</p><p><b>　　gr

11、id on;</b></p><p>　　title('信號(hào)的時(shí)域波形');</p><p>　　xlabel('時(shí)間');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　y1=fft(y,1024); %對(duì)信號(hào)做fs點(diǎn)FFT變換</p><

12、p>　　subplot(1,2,2);</p><p>　　f=fs*(0:499)/1024;%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　plot(f,abs(y1(1:500))); %畫出原始語(yǔ)音信號(hào)的幅頻響應(yīng)圖</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　title('fft后信號(hào)

13、的頻譜特性');</p><p>　　xlabel('頻率');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　2.實(shí)際發(fā)出聲音落后錄制動(dòng)作半拍問題的解決</p><p>　　錄制剛開始時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際發(fā)出聲音落后錄制動(dòng)作半拍的現(xiàn)象。在MATLAB中先用wavread(‘filen

14、ame’,’’size’)函數(shù)讀取聲音長(zhǎng)度，然后再用wavread('filename',[n1 n2])函數(shù)從n1點(diǎn)開始讀取聲音，即去掉了前面的無效點(diǎn)。</p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　size=wavread('E:/音樂','size');%讀取聲音長(zhǎng)度</p>

15、<p>　　size=24000;</p><p>　　p=wavread('E:/音樂',[2000 24000]);%去除前2000個(gè)無效點(diǎn)</p><p>　　wavplay(p,8000);%播放聲音</p><p>　　wavwrite(p,8000,'E:/my');%聲音的存儲(chǔ)</p><

16、p>　　wavread('E:/my');%讀取聲音</p><p>　　subplot(1,2,1)</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　plot(abs(p)) %畫出去除無效點(diǎn)后的時(shí)域波形</p><p>　　title('去除無效點(diǎn)后的時(shí)域波形&

17、#39;);</p><p>　　xlabel('時(shí)間');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　y1=fft(p,1024); %對(duì)信號(hào)做fs點(diǎn)fft變換</p><p>　　subplot(1,2,2)</p><p><b>　　grid

18、on;</b></p><p>　　fs=8000;%采樣頻率</p><p>　　f=fs*(0:499)/1024;%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　plot(f,abs(y1(1:500)))%繪出去除無效點(diǎn)后信號(hào)的幅頻響應(yīng)圖</p><p>　　title('fft后聲音的頻譜特性');</p>

19、<p>　　xlabel('頻率');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　比較去除無效點(diǎn)前后波形可知：其時(shí)域波形和頻譜圖大體一致，從其時(shí)域可看出去除無效點(diǎn)后的波形更貼近Y軸，更加接近實(shí)際的聲音圖形。</p><p>　　3.比較8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅度和相位譜</p>

20、;<p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　y=wavread('E:/my');%讀取聲音</p><p>　　y2=fft(y,8000);</p><p>　　subplot(2,2,1);</p><p>　　f1=fs*(0:499)/8000;%采樣點(diǎn)數(shù)&

21、lt;/p><p>　　plot(f1,abs(y2(1:500)));%繪出其幅度圖</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　title('8000點(diǎn)的幅度圖');</p><p>　　xlabel('頻率');</p><p>　　

22、ylabel('振幅');</p><p>　　subplot(2,2,2);</p><p>　　plot(angle(y2));%繪出其相位譜</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　title('8000點(diǎn)的相位譜');</p><

23、;p>　　xlabel('頻率');</p><p>　　ylabel('相位');</p><p>　　y3=fft(y,16000);</p><p>　　subplot(2,2,3);</p><p>　　f2=fs*(0:499)/16000;%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　

24、　plot(f2,abs(y3(1:500)));%繪出其幅度圖</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　title('16000點(diǎn)的幅度圖');</p><p>　　xlabel('頻率');</p><p>　　ylabel('振幅')

25、;</p><p>　　subplot(2,2,4);</p><p>　　plot(angle(y3));%繪出其相位譜</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　title('16000點(diǎn)的相位譜');</p><p>　　xlabel('

26、;頻率');</p><p>　　ylabel('相位');</p><p>　　由其幅度譜可看出：點(diǎn)數(shù)越多，其頻率越小。其幅度與點(diǎn)數(shù)大致成正比。</p><p>　　4.濾波器的設(shè)計(jì)及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　設(shè)計(jì)：在Matlab中，使用函數(shù)butter，cheby1等函數(shù)設(shè)計(jì)IIR濾波器；由給定的性能

27、指標(biāo)將數(shù)字頻率預(yù)畸為模擬濾波器頻率，即w=2/Ttan(W/2). 求契比雪夫I型濾波器階數(shù)和濾波器截止頻率wn的函數(shù)：[N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs)。然后求傳輸函數(shù)分子和分母的系數(shù)；即：</p><p>　　[num,den]=cheby1(N,Rp,Wn)。最后利用巴特沃思逼近將模擬系數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字系數(shù)，并用freqz(num,den)函數(shù)畫出其頻率響應(yīng)。</p><

28、;p>　　濾波：采用Filter()函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。</p><p>　　給出各濾波器的性能指標(biāo)：</p><p>　　(1)低通濾波器性能指標(biāo)：fb＝1000 Hz，fc＝1200 Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。</p><p>　　(2)高通濾波器性能指標(biāo)：fc＝4800 Hz，fb＝5000 Hz As＝100dB，Ap＝1dB。<

29、/p><p>　　(3)帶通濾波器性能指標(biāo)：fp1＝1200 Hz，fp2＝3000 Hz，fsc1＝1000 Hz，fsc2＝3200Hz，As＝100dB，Ap＝1dB。</p><p>　　為了比較各種濾波器對(duì)信號(hào)濾波的效果，本設(shè)計(jì)采用IIR低通與IIR帶通。</p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><

30、p>　　IIR低通濾波器設(shè)計(jì)：</p><p>　　fs=7000;%采樣頻率</p><p>　　Wp=1000;%通帶臨界頻率</p><p>　　Ws=1200;%阻帶臨界頻率</p><p>　　Rp=1;%阻帶內(nèi)的最小衰減</p><p>　　Rs=100;%通帶內(nèi)的最大衰減</p>&l

31、t;p>　　wc=2*fs*tan(2*pi*Wp/(2*fs));%將數(shù)字頻率預(yù)畸為模擬濾波器的通帶最大頻率</p><p>　　wt=2*fs*tan(2*pi*Ws/(2*fs));%將數(shù)字頻率預(yù)畸為模擬濾波器的阻帶最小頻率</p><p>　　[N,wn]=cheb1ord(wc,wt,1,100,'s'); %求階數(shù)N和濾波器截止頻率wn</p>

32、<p>　　[B,A]=cheby1(N,1,wn,'low','s'); % 傳輸分子和分母的系數(shù)</p><p>　　[num,den]=bilinear(B,A,8000);%模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字低通系數(shù)向量</p><p>　　freqz(num,den);%求頻率響應(yīng)</p><p><b>　　grid

33、on;</b></p><p>　　title('低通濾波器')</p><p><b>　　對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的濾波：</b></p><p>　　y=wavread('E:/my');%讀取聲音</p><p>　　y1=fft(y,1024); %對(duì)聲音做fs點(diǎn)FFT變換<

34、/p><p>　　fs=7000;%采樣頻率</p><p>　　Wp=1000; %通帶臨界頻率</p><p>　　Ws=1200; %阻帶臨界頻率</p><p>　　Rp=1; %阻帶內(nèi)的最小衰減</p><p>　　Rs=100; %通帶內(nèi)的最大衰減 </p><p>　　wc=2*fs*

35、tan(2*pi*Wp/(2*fs));%將數(shù)字頻率預(yù)畸為模擬濾波器的通帶最大頻率</p><p>　　wt=2*fs*tan(2*pi*Ws/(2*fs));%將數(shù)字頻率預(yù)畸為模擬濾波器的阻帶最小頻率</p><p>　　[N,wn]=cheb1ord(wc,wt,1,100,'s'); %求出N和阻帶截止頻率wn</p><p>　　[B,A]=

36、cheby1(N,1,wn,'low','s'); % 傳輸分子和分母的系數(shù) </p><p>　　[num,den]=bilinear(B,A,7000); %模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字低通系數(shù)向量</p><p>　　y2=filter(num,den,y); %對(duì)聲音濾波</p><p>　　sound(y2,8000,16); %播放濾

37、波后的聲音</p><p>　　wavwrite(y2,fs,'E:/低通');%聲音的存儲(chǔ)</p><p>　　subplot(1,2,1)</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　plot(abs(y2)) %濾波后信號(hào)的時(shí)域波形</p>

38、<p>　　title('低通后信號(hào)的時(shí)域波形')</p><p>　　xlabel('時(shí)間');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　y3=fft(y2,1024); %將濾波后的聲音進(jìn)行fft的1024點(diǎn)變換</p><p>　　subplot(1,

39、2,2)</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　f=fs*(0:499)/1024;</p><p>　　plot(f,abs(y3(1:500)));</p><p>　　title('低通后信號(hào)的頻譜');</p><p>　　xlabel(

40、'頻率');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　由低通后信號(hào)的頻譜易看出：語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后，濾除了高頻部分，與理論相符。</p><p>　　2）IIR帶通濾波器設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　fs=8000;</b></p>&

41、lt;p>　　Wp=[1200 3000]/4000;%歸一化通帶數(shù)字截止頻率</p><p>　　Ws=[1000 3200]/4000;%歸一化阻帶數(shù)字截止頻率</p><p>　　Rp=1;%阻帶內(nèi)的最小衰減</p><p>　　Rs=100;%通帶內(nèi)的最大衰減</p><p>　　[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,

42、Rs);%求階數(shù)N和濾波器截止頻率Wn</p><p>　　[b,a]=butter(n,Wn);%傳輸分子和分母的系數(shù)</p><p>　　freqz(b,a);%求頻率響應(yīng)</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　title('帶通濾波器')</p>&

43、lt;p><b>　　對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的濾波：</b></p><p>　　y=wavread('E:/my');%讀取聲音</p><p><b>　　fs=8000;</b></p><p>　　Wp=[1200 3000]/4000;%歸一化通帶數(shù)字截止頻率</p><p>　

44、　Ws=[1000 3200]/4000;%歸一化阻帶數(shù)字截止頻率</p><p>　　Rp=1;%阻帶內(nèi)的最小衰減</p><p>　　Rs=100;%通帶內(nèi)的最大衰減</p><p>　　[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs);%求階數(shù)N和濾波器截止頻率Wn</p><p>　　[b,a]=butter(n,Wn);%傳輸

45、分子和分母的系數(shù)</p><p>　　y2=filter(b,a,y); %對(duì)聲音濾波</p><p>　　sound(y2,8000,16) %播放濾波后的聲音</p><p>　　wavwrite(y2,fs,'E:/帶通');%聲音的存儲(chǔ)</p><p>　　subplot(1,2,1)</p><

46、p><b>　　grid on</b></p><p>　　plot(abs(y2)) %濾波后信號(hào)的時(shí)域波形</p><p>　　title('帶通后信號(hào)的時(shí)域波形');</p><p>　　xlabel('時(shí)間');</p><p>　　ylabel('振幅

47、9;);</p><p>　　y1=fft(y2,1024); %將濾波后的聲音進(jìn)行fft的1024點(diǎn)變換</p><p>　　subplot(1,2,2)</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　f=fs*(0:499)/1024;</p><p

48、>　　plot(f,abs(y1(1:500)));</p><p>　　title('帶通后信號(hào)的頻譜');</p><p>　　xlabel('頻率');</p><p>　　ylabel('振幅');</p><p>　　由帶通后信號(hào)的頻譜可得：經(jīng)帶通濾波器后，濾除了低頻與高頻部分，

49、與理論相符。</p><p>　　繪制其濾波后的相位圖：</p><p>　　y1=wavread('E:/低通');%讀取聲音</p><p>　　p1=fft(y1,1024);</p><p>　　subplot(1,2,1)</p><p><b>　　grid on;</b&g

50、t;</p><p>　　fs=7000;%采樣頻率</p><p>　　f1=fs*(0:499)/1024;%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　plot(angle(p1));</p><p>　　title('低通后信號(hào)的相位圖')</p><p>　　xlabel('頻率')<

51、/p><p>　　ylabel('相位')</p><p>　　y2=wavread('E:/帶通');</p><p>　　p2=fft(y2,1024);</p><p>　　subplot(1,2,2)</p><p><b>　　grid on;</b><

52、/p><p>　　fs=7000;%采樣頻率</p><p>　　f2=fs*(0:499)/1024;%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　plot(angle(p2));</p><p>　　title('帶通后信號(hào)的相位圖')</p><p>　　xlabel('頻率')</p>

53、<p>　　ylabel('相位')</p><p><b>　　四．心得體會(huì)</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)MATLAB軟件和DSP開發(fā)系統(tǒng)作為工具有了更深刻的了解與認(rèn)識(shí)。同時(shí)鞏固了數(shù)字信號(hào)處理所學(xué)知識(shí)。提高了對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，并從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。對(duì)濾波器的原理和作用有了一定的了解。加強(qiáng)了我們

54、動(dòng)手、思考和解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的相互結(jié)合。但是，在此設(shè)計(jì)過程中也遇到了不少問題。不懂分析相位譜。比如怎么分析濾波器后的相位譜，濾波后的相位譜能說明什么。同時(shí)認(rèn)識(shí)到自己所學(xué)知識(shí)的局限性，要真正學(xué)好還需發(fā)大量時(shí)間。</p><p><b>　　五．參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1）MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用 薛年喜 編著 清華大學(xué)