数字信号处理课程设计..

1课程设计报告课程名称：数字信号处理课题名称：语音信号的处理与滤波姓名：学号：院系：专业班级：指导教师：完成日期：2013年7月2日2目录第1部分课程设计报告………………………………………3一．设计目的……………………………………………3二．设计内容……………………………………………3三．设计原理……………………………………………3四．具体实现……………………………………………51.录制一段声音…………………………………52.巴特沃斯滤波器的设计………………………83.将声音信号送入滤波器滤波…………………134.语音信号的回放………………………………195.男女语音信号的频谱分析……………………196.噪声的叠加和滤除……………………………22五．结果分析……………………………………………27第2部分课程设计总结………………………………28一．参考文献……………………………………………283第1部分课程设计报告一．设计目的综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。二．设计内容录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换法设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；回放语音信号；换一个与你性别相异的人录制同样一段语音内容，分析两段内容相同的语音信号频谱之间有什么特点；再录制一段同样长时间的背景噪声叠加到你的语音信号中，分析叠加前后信号频谱的变化，设计一个合适的滤波器，能够把该噪声滤除；三．设计原理1.在Matlab软件平台下，利用函数wavrecord()，wavwrite(),wavread(),wavplay()对语音信号进行录制，存储，读取，回放。42.用y=fft(x)对采集的信号做快速傅立叶变换，并用[h1,w]=freqz(h)进行DTFT变换。3.掌握FIRDF线性相位的概念，即线性相位对)()(Hnh、及零点的约束，了解四种FIRDF的频响特点。4.在Matlab中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波。5.抽样定理连续信号经理想抽样后时域、频域发生的变化（理想抽样信号与连续信号频谱之间的关系）理想抽样信号能否代表原始信号、如何不失真地还原信号即由离散信号恢复连续信号的条件（抽样定理）理想采样过程描述：时域描述：频域描述：利用傅氏变换的性质，时域相乘频域卷积，若()()TTjt则有1ˆ()()()2aaTXjXjjˆ()aXj与()aXj的关系：理想抽样信号的频谱是连续信号频谱的ˆ()()()()()()()aaTaannxtxttxttnTxnTtnT()()TnttnTˆ()()aaXjxt()()aaXjxt121ˆ()()()aaaskkXjXjjkXjjkTTT5周期延拓,重复周期为s(采样角频率)。如果：即连续信号是带限的，且信号最高频率不超过抽样频率的二分之一，则可不失真恢复。奈奎斯特采样定理：要使实信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍：22shshff或四．具体实现1.录制一段声音1.1录制并分析在MATLAB中用wavrecord、wavread、wavplay、wavwrite对声音进行录制、读取、回放、存储。程序如下：Fs=8000;%抽样频率time=3;%录音时间fprintf('按Enter键录音%ds',time);%文字提示pause;%暂停命令fprintf('录音中......');x=wavrecord(time*Fs,Fs,'double');%录制语音信号fprintf('录音结束');%文字提示fprintf('按Enter键回放录音');pause;%暂停命令()/2()0/2asasXjXj6wavplay(x,Fs);%按任意键播放语音信号wavwrite(x,Fs,'C:\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav');%存储语音信号N=length(x);%返回采样点数df=fs/N;%采样间隔n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%频带宽度figure(2);subplot(2,1,1);plot(x);%录制信号的时域波形title('原始信号的时域波形');%加标题ylabel('幅值/A');%显示纵坐标的表示意义grid;%加网格y0=fft(x);%快速傅立叶变换figure(2);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y0(n1)));%原始信号的频谱图title('原始信号的频谱图');%加标题xlabel('频率w/pi');%显示横坐标表示的意义ylabel('幅值');%显示纵坐标表示的意义title('原始信号的频谱图');%加标题7grid;%加网格图1.1原始信号的时域与频谱图1.2滤除无效点针对实际发出声音落后录制动作半拍的现象，如何拔除对无效点的采样的问题:出现这种现象的原因主要是录音开始时，人的反应慢了半拍，导致出现了一些无效点，而后而出现的无效的点，主要是已经没有声音的动作，先读取声音出来，将原始语音信号时域波形图画出来，根据己得到的信号，可以在第二次读取声音的后面设定采样点，取好有效点，画出滤除无效点后的语音信号时域波形图，对比可以看出。这样就可以解决这个问题。x=wavread('C:\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav',8[4000,24000]);%从4000点截取到24000结束plot(x);%画出截取后的时域图形title('截取后的声音时域图形');%标题xlabel('频率');ylabel('振幅');grid;%画网格图1.2去除无效点2.巴特沃斯滤波器的设计2.1设计巴特沃思低通滤波器MATLAB程序如下。滤波器图如图3.3所示。9%低通滤波fp=1000;fs=1200;Fs=22050;rp=1;rs=100;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(1);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯低通滤波器');xlabel('频率（HZ）');ylabel('耗损（dB）');gridon;10图2.1巴特沃思低通滤波器2.2设计巴特沃思高通滤波器MATLAB程序如下。滤波器图如图3.5所示。%高通滤波fp=4800;fs=5000;Fs=22050;rp=1;rs=100;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);11[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');[B,A]=butter(N,wc,'high','s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(1);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯高通滤波器');xlabel('频率（HZ）');ylabel('耗损（dB）');gridon;图2.2巴特沃思高通滤波器122.3设计巴特沃思带通滤波器MATLAB程序如下。滤波器图如图3.7所示。%带通滤波fp=[1200,3000];fs=[1000,3200];Fs=8000;rp=1;rs=100;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(4);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*1000);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯带通滤波器');xlabel('频率（HZ）');ylabel('耗损（dB）');gridon;13图2.3巴特沃思带通滤波器3．将声音信号送入滤波器滤波x=wavread('C:\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav');%播放原始信号wavplay(x,fs);%播放原始信号N=length(x);%返回采样点数df=fs/N;%采样间隔n1=1:N/2;f=[(n1-1)*(2*pi/N)]/pi;%频带宽度figure(4);subplot(4,2,1);plot(x);%录制信号的时域波形14title('原始信号的时域波形');%加标题ylabel('幅值/A');%显示纵坐标的表示意义grid;%加网格y0=fft(x);%快速傅立叶变换subplot(4,2,3);plot(f,abs(y0(n1)));%原始信号的频谱图title('原始信号的频谱图');%加标题xlabel('频率w/pi');%显示横坐标表示的意义ylabel('幅值');%显示纵坐标表示的意义title('原始信号的频谱图');%加标题grid;%加网格3．1低通滤波器滤波fs=8000;beta=10.056;wc=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;width=ws-wc;wn=(ws+wc)/2;n=ceil(12.8*pi/width);h=fir1(n,wn/pi,'band',kaiser(n+1,beta));[h1,w]=freqz(h);15ys=fftfilt(h,x);%信号送入滤波器滤波，ys为输出fftwave=fft(ys);%将滤波后的语音信号进行快速傅立叶变换figure(4);subplot(4,2,2);%在四行两列的第二个窗口显示图形plot(ys);%信号的时域波形title('低通滤波后信号的时域波形');%加标题xlabel('频率w/pi');ylabel('幅值/A');%显示标表示的意义grid;%网格subplot(4,2,4);%在四行两列的第四个窗口显示图形plot(f,abs(fftwave(n1)));%绘制模值xlabel('频率w/pi');ylabel('幅值/A');%显示标表示的意义title('低通滤波器滤波后信号的频谱图');%标题grid;%加网格wavplay(ys,8000);%播放滤波后信号3．2高通滤波器滤波fs=8000;beta=10.056;ws=2*5000/fs;wc=2*4800/fs;16width=ws-wc;wn=(ws+wc)/2;n=ceil(12.8*pi/width);h=fir1(n,wn/pi,'high',kaiser(n+2,beta));[h1,w]=freqz(h);ys=fftfilt(h,x);%将信号送入高通滤波器滤波subplot(4,2,5);%在四行两列的第五个窗口显示图形plot(ys);%信号的时域波形xlabel('频率w/pi');ylabel('幅值/A');%显示标表示的意义title('高通滤波后信号的时域波形');%标题