数字语音滤波器的设计要点

I走分类号：学校代码：11460学号：0909406南京晓庄学院本科生毕业设计数字语音滤波器的设计Designofdigitalvoicefilter所在院（系）：物理与电子工程学院学生姓名：蒋伟指导教师：金彩虹研究起止日期：二○一二年十一月至二○一三年五月二○一三年五月II数字语音滤波器的设计摘要：在数字信号中往往存在很多扰动信号，如在离散控制系统中输入数字信号所含的干扰对系统的性能就会产生很大的影响，因此需要对输入信号进行处理，以提取有用信号，即数字信号处理。其中主要方法是数字滤波器的设计，数字滤波器主要为两大类，（FIR）有限脉冲滤波器和（IIR）无限脉冲响应滤波器。本文主要介绍有限长冲击响应（FIR）滤波器的设计，采用MATLAB软件对FIR数字滤波器进行设计，可以简化设计中繁琐的计算。一般有窗函数法，频率采样法和优化设计方法等设计方法，本文采用窗函数法，通过调用MATLAB函数设计FIR数字滤波器。绘制对应的幅频特性曲线。最后用基于MATLAB函数设计的FIR数字滤波器进行语音滤波处理，通过滤波前后信号的频谱图和时域语音信号的对比，分析不同滤波器的滤波效果。关键词：FIR数字滤波器;窗函数法;MATLAB仿真DesignofdigitalvoicefilterAbstract：Indigitalcontrolsystem,interence,whichismixedintheinputsignal,hasagreateffectonperformanceofthesystem..Therefore,processingofinputsignalhastobedonetogetusefulsignal.Finiteimpulseresponse(FIR)filterplaysanimportantroleintheprocessingofdigitalsignal.DesigningtheFIRfilterbyMatlabcansimplifythecomplicatedcomputationinsimulationandimprovetheperformance.Byusingthemethodsofwindowfunction,frequencysaplingandoptimizationtechniques,thedesignofFIRdigitalfoilterhasbeenprocessedinMatlab.IntheviewofthedesignedprogramofMatlabandthefigureoftheamplitude-frequencycharacterization.Atlast,byusingtheFIRdigitalfilterwhichhavebeendesignedtoprocessthesoundsignalbasedontheMatlabfunction,thefilteringeffectofdifferentdigitalfiltersisanalyzedbycomparingthecomparingthesignal’sspectrumviewersandthesoundfileswhichhavebeengenerated.TheexperimentalresultsshowthattheFIRfiltersdesignedinthispaperareeffective.Keywords：FIRdigitalfilterwindowfunctionmethodMATLABsoundIII目录第一章绪论..............................................................11.1数字滤波器简介.......................................................11.2研究数字滤波器的目的及意义...........................................11.3研究内容.............................................................21.4研究方法.............................................................2第二章数字滤波器........................................................32.1数字滤波器原理......................................................32.2数字滤波器的分类.....................................................32.3实现数字滤波器的方法.................................................42.4设计数字滤波器的一般步骤.............................................42.5数字滤波器的特点.....................................................52.6IIR滤波器与FIR滤波器的分析比较.....................................5第三章MATLAB软件........................................................73.1MATLAB的简介........................................................73.2滤波器函数的调用.....................................................9第四章FIR数字滤波器设计................................................104.1数字滤波器的设计原理................................................104.2FIR数字滤波器的设计方法...........................................11第五章利用MATLAB实现FIR滤波器设计....................................205.1设计要求及方法......................................................205.2MATLAB程序设计.....................................................225.2.1原始信号的波形图及频谱图......................................225.2.2设计FIR滤波器去除语音信号中的噪声............................235.2.3设计FIR帯阻滤波器去噪........................................255．3总结................................................................29致谢....................................................................29参考文献................................................................30南京晓庄学院13届本科毕业论文01第一章绪论1.1数字滤波器简介1.1.1数字滤波器概述数字滤波器在信号的过滤，检测和参数估计等方面起着重要的作用。信号往往夹杂着噪声及无用信号成分，必须将这些干扰成分滤除。数字滤波器对信号进行筛选，可通过特定频段的信号。一般来说，噪声信号往往是高频信号，而经典滤波器正是假定有用信号与噪声信号具有不同的频段，所以利用经典滤波器可以去除噪声，但若有用信号和无用信号（或噪声信号）的频谱相互重叠，那么经典滤波器则不能实现理想的滤波性能。现代滤波器的作用是从含有噪声的信号中估计出信号的某些特征或信号本身，一旦信号被估计出，那估计出的信号与原始信号相比会有更高的信噪比。这类滤波器主要有维纳滤波器，卡尔曼滤波器，自适应滤波器等。1.1.2数字滤波器的优点及现状数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛地应用于各个科学技术领域,例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。随着信息数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，在前面部分已经提到，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。1.2研究数字滤波器的目的及意义本设计意在熟悉在windows环境下语音信号采集的方法，掌握数字信号处理的基本概念，基本理论，基本方法。掌握MATLAB设计FIR和IIR数字滤波器的方法，并学会用MATLAB对信号进行分析和处理。并加深我们对数字信号处理的理解，通过各种滤波器的设计来提高我们的设计力。研究数字滤波器的意义就在于它们正日益成为一种主要的DSP(DigitaISignalProcessing)运算，并正在逐渐代替传统的模拟滤波器，在工程中得到显著的运用。它可以保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性。使它更加广泛地应用于实时数字信号处理领域。使音频视频言语的发展空间更加广阔，最终实现高性能，低规模，低成本这样的设计目标。南京晓庄学院13届本科毕业论文02而MATLAB现已成为系统级高层设计流行仿真的工具，在电子信息方向的运用越来越广泛。1.3研究内容本课题基于MATLAB，对有噪音语音信号进行处理，综合运用数字信号处理的理论知识对加噪声语音信号进行时域、频域分析和滤波。通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现。在设计实现的过程中，主要使用窗函数法来设计FIR数字滤波器，并利用MATLAB作为辅助工具完成设计中的计算与图形的绘制。通过对对所设计滤波器的频率特性分析，可知利用MATLAB信号处理工具箱可以有效快捷地设计FIR和IIR数字滤波器。1.4研究方法录制一段个人的语音信号，并对录制的信号进行采样；可以画出时域语音信号的波形，进行语音信号的频谱分析；可以得到语音信号的频谱图，通过对语音信号的频谱分析，设计出低通FIR数字滤波器消除语音信号在录制过程中混杂的高频噪声。根据性能指标尝试用不同的方法进行滤波器的设计。先尝试设计了巴特沃斯低通数字滤波器，并画出滤波前后的声音信号波形图和频谱图，再尝试运用不同窗函数设计，如汉纳窗、凯泽窗等，画出滤波前后的声音信号波形图和频谱图，并回放语音信号，对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化，评估滤波器的效果。南京晓庄学院13届本科毕业论文03第二章数字滤波器2.1数字滤波器原理数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，数字滤波器广泛用于数字信号处理中，如电视、VCD、音响等。随着数字技术的不断发展，在许多场合数字滤波器正在快速取代模拟滤波器，与模拟滤波相比，它具有精度和稳定性高，系统函数容易改变，灵活性强，便于大规模集成和可实现多维滤波等优点。在信号的过滤，检测和参数的估计等方面，经典数字滤波器是使用最广泛的一种线性系统。数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对入信号波形进行加工处理。或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。数字滤波器是一个离散的系统，