应用Matlab对含噪声的语音信号进行频谱分析及滤波

信号分析与处理实验报告合肥工业大学电气与自动化工程学院实验报告电气工程及其自动化专业电气11班班级学号2011姓名日期指导教师共9页成绩实验一语音信号频谱分析及滤波一、实验原理数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、抽样、变换、综合、估值和识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。他是语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域都获得了极其广泛的应用。具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等优点。数字滤波器，是数字信号处理中极其重要的一部分。随着信息时代和数字技术的发展，收到人们越来越多的重视。数字滤波器可以通过数值运算实现滤波，所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。数字滤波器的种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器。FIR滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，系统函数H(z)处于收敛，极点全在z=0处（因果系统），因而只能用较高的阶数达到高的选择性。FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR数字滤波器低，但是线性相位，就是不同频率分量的信号经过FIR滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。FIR滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。FIR滤波器因具有系统稳定，以实现相位控制，允许设计多通带滤波器等优点收到人们的青睐。IIR滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由时延、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。同时，IIR滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、切比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，在设计一个IIR滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。二、实验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；并在语音信号中自行加入高斯白噪声信号，对加入噪声信号后的语音信号进行频谱分析；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计数字滤波器，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试听，分析信号的变化。三、实验程序1．语音信号的采集利用Windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在1s内。然后在Matlab软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，（可用默认的采样频率或者自己设定采样频率）。D:\.wav2．语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；%原始语音信号采样后的时域分析[x1,fs,bits]=wavread('D:\.wav');figure(1)subplot(2,1,1);plot(x1)信号分析与处理实验报告title('原始语音采样后时域信号');xlabel('时间轴n');ylabel('幅值');然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。%采样后的FFT变换分析y1=fft(x1,8182);subplot(2,1,2);plot(abs(y1(1:512)))title('原始语音FFT频谱')xlabel('点数N');ylabel('幅值');3、在采集得到的语音信号中加入高斯白噪声信号(可用randn函数来实现，注意要根据语音的强度来控制白噪声的强度)，然后对加入噪声信号后的语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。并利用sound试听前后语音信号的不同。%加入噪声信号后的语音信号的时域分析[x1]=wavread('D:\.wav');x1=x1+0.01*randn(78049,2);figure(2)subplot(2,1,1);plot(x1)title('原始语音采样后时域信号');xlabel('时间轴n');ylabel('幅值');%加入噪声信号后的语音信号采样后的FFT变换分析y1=fft(x1,8182);subplot(2,1,2);plot(abs(y1(1:512)))title('原始语音FFT频谱')xlabel('点数N');ylabel('幅值');分别设计IIR和FIR滤波器，对加入噪声信号的语音信号进行去噪，画出并分析去噪后的语音信号的频谱，并进行前后试听对比。语音信号的主要频率范围为100~4000Hz，据此来给出数字低通滤波器性能指标；阻带最小衰减Rs＝45dB，通带最大衰减Rp＝3dB，采样频率根据自己语音信号采样频率设定。方法一：双线性变换法设计IIR数字滤波器%双线性变换法设计IIR数字滤波器[x1]=wavread('D:\.wav');x1=x1+0.01*randn(78049,2);Ts=1/fs;R1=10;wp=2*pi*100/fs;ws=2*pi*4000/fs;Rp=3;Rs=45;wp1=2/Ts*tan(wp/2);ws1=2/Ts*tan(ws/2);[N,Wn]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s');信号分析与处理实验报告[Z,P,K]=buttap(N);[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);[b,a]=lp2lp(Bap,Aap,Wn);[bz,az]=bilinear(b,a,fs);[H,W]=freqz(bz,az);figure(3)plot(W*fs/(2*pi),abs(H))gridxlabel('频率/Hz')ylabel('幅度')title('IIR低通滤波器')f1=filter(bz,az,x1);figure(4)subplot(2,1,1)plot(x1)title('IIR低通滤波器滤波前的时域波形');subplot(2,1,2)plot(f1);title('IIR低通滤波器滤波后的时域波形');F0=fft(f1,8182);f=fs*(0:511)/8182;figure(5)y2=fft(x1,8182);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512)));sound(f1,44100);title('IIR低通滤波器滤波前的频谱')xlabel('频率/Hz');ylabel('幅值');subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0(1:512)));title('IIR低通滤波器滤波后的频谱')xlabel('频率/Hz');ylabel('幅值');方法二：窗函数法设计FIR数字滤波器%窗函数法设计FIR数字滤波器[x1]=wavread('D:\.wav');x1=x1+0.01*randn(78049,2);Ts=1/fs;R1=10;wp=2*pi*100/fs;ws=2*pi*4000/fs;Rp=3;Rs=45;wdelta=ws-wp;N=ceil(8*pi/wdelta);wn=(ws+wp)/2;[b,a]=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1));figure(6)freqz(b,a,512);信号分析与处理实验报告title('FIR低通滤波器');f2=filter(b,a,x1);figure(7)subplot(2,1,1)plot(x1)title('FIR低通滤波器滤波前的时域波形');subplot(2,1,2)plot(f2)title('FIR低通滤波器滤波后的时域波形');sound(f2,44100);F0=fft(f2,8192);f=fs*(0:511)/8192;figure(8)y2=fft(x1,8192);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512)));title('FIR低通滤波器滤波前的频谱')xlabel('频率/Hz');ylabel('幅值');subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512)));title('FIR低通滤波器滤波后的频谱')xlabel('频率/Hz');ylabel('幅值');三、结果分析012345678x104-0.2-0.100.10.2原始语音采样后时域信号时间轴n幅值0100200300400500600051015原始语音FFT频谱点数N幅值信号分析与处理实验报告012345678x104-0.2-0.100.10.2加入噪声信号采样后时域信号时间轴n幅值01002003004005006000510原始语音FFT频谱点数N幅值00.511.522.5x10400.20.40.60.811.21.4频率/Hz幅度IIR低通滤波器信号分析与处理实验报告012345678x104-0.2-0.100.10.2IIR低通滤波器滤波前的时域波形012345678x104-0.1-0.0500.050.1IIR低通滤波器滤波后的时域波形050010001500200025003000051015IIR低通滤波器滤波前的频谱频率/Hz幅值050010001500200025003000051015IIR低通滤波器滤波后的频谱频率/Hz幅值信号分析与处理实验报告00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1000-5000NormalizedFrequency(rad/sample)Phase(degrees)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-150-100-500NormalizedFrequency(rad/sample)Magnitude(dB)FIR低通滤波器012345678x104-0.2-0.100.10.2FIR低通滤波器滤波前的时域波形012345678x104-0.2-0.100.10.2FIR低通滤波器滤波后的时域波形信号分析与处理实验报告0500100015002000250030000510FIR低通滤波器滤波前的频谱频率/Hz幅值0500100015002000250030000510FIR低通滤波器滤波后的频谱频率/Hz幅值