数字滤波器及在语音信号分析中的作用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 数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用 专 业 通信工程 班 级 通信工程1101 数字信号处理课程设计任务书一 、设计目的综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，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，从而加深对所学知识的理解，建立概念。二、设计要求1、 matlab 的使用，掌握 matlab 的程序设计方法。2、 windows 环境下语音信号采集的方法。3、数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。4、tlab 设计 fir 和 nr 数字滤波器的方法。5、用 matlab 对

2、信号进行分析和处理6、计报告4000以上，含程序设计说明，用户使用说明，源程序清单及程序框图。7、机演示。8、有详细的文档。文档中包括设计思路、设计仿真程序、仿真结果及相应的分析与结论。三、进度安排第一周 星期一： 课题讲解，查阅资料 星期二: 总体设计，详细设计星期三： 编程，上机调试、修改程序星期四： 上机调试、完善程序星期五： 答辩星期六-星期天：撰写课程设计报告附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分、附件（a4大小的图纸及程序清单）。 正文的格式:一级标题用3号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为22。正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模

3、块的划分；三、主要功能的实现；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释）；七、评分表。 目 录1、 课题的主要功能11.1 问题描述11.2 功能要求12、课题的功能模块的划分23、 滤波器实现的原理33.1 fir滤波器33.2 窗函数设计法34、 程序调试44.1 对原始信号进行时域和频域的分析44.2 含噪语音信号的合成54.3 数字滤波器的设计及滤波85、 总结166、 附件167、评分表211、 课题的主要功能1.1 问题描述 语音信号采集（每个同学必须录制本人的语音信号） 录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制

4、的信号进行采样；录制时可以使用windows自带的录音机，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。语音信号分析 使用matlab绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。根据频谱图求出其带宽，并说明语音信号的采样频率不能低于多少赫兹。含噪语音信号合成 在matlab软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：（1）白噪声；（2）单频噪色（正弦干扰）；（3）多频噪声（多正弦干扰）；（4）其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或chirp干扰、冲激干扰。绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号

5、图形对比，也可通过windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。1.2 功能要求 给定滤波器的规一化性能指标（参考指标,实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定）例如：通带截止频率wp=0.25*pi, 阻通带截止频率ws=0.3*pi; 通带最大衰减rp=1 db; 阻带最小衰减rs=15 db。采用窗函数法（至少采用两种以上不同的窗函数）分别设计各型fir滤波器（低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型）来对叠加噪声前后的语音信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应，绘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；在相同的性能指标下

6、比较各方法的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。2、课题的功能模块的划分根据设计的要求，首先自己录制一段语音信号，对语音信号加入噪声干扰，再利用矩形窗和哈明窗设计合理的fir滤波器。最后用滤波器对干扰后的语音信号进行滤波去噪。具体设计流程图如图所示：开始录制段语音信号，命名为“录音.wav”，绘制出其时域波形和频谱图。加入噪声干扰，绘制干扰后的时域波形和频谱图。 利用两种窗函数设计合理的fir滤波器。将干扰后的语音信号通过自己设计的滤波器，进行滤波去噪。回放语音信号，验证是否达到去噪效果。 是否达到去噪 效果？ 否 是结束 图 1 设计流程图 本次滤波器设计分为原始语音信号模块，噪音模块，

7、滤波器设计模块，滤波器滤波模块。其中噪音模块加的有高斯白噪声，单频余弦信号，多频余弦信号噪音。滤波器设计模块，我选用的是矩形窗的低通和带通滤波器设计，哈明窗的低通和带通滤波器设计。滤波器滤波模块经过多次调整，滤波效果已趋完善。3、 滤波器实现的原理3.1 fir滤波器fir滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，fir滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中

8、，数字滤波器常常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出。第一种是绝对指标。它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于fir滤波器的设计。第二种指标是相对指标。它以分贝值的形式给出要求。确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常用理想的数字滤波器模型。之后，利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。fir滤波器的设计问题实际上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数的

9、问题，设计方法主要有窗函数、频率响应法和等波纹最佳逼近法等。3.2 窗函数设计法窗函数设计法是一种通过截断和计权的方法使无限长非因果序列成为有限长脉冲响应序列的设计方法。通常在设计滤波器之前，应该先根据具体的工程应用确定滤波器的技术指标。在大多数实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作，所以指标的形式一般为在频域中以分贝值给出的相对幅度响应和相位响应。窗函数设计法步骤如下：（1）根据过渡带宽及阻带衰减要求，选择窗函数的类型并估计窗口长度n。窗函数的类型可根据最小阻带衰减as独立选择。（2）根据待求滤波器的理想频率响应求出理想单位脉冲响应hd(n)。（3）由性能指标确定窗函数w(n)和长度n

10、。（4）求得实际滤波器的单位脉冲响应h(n)， h(n)即为所设计fir滤波器系数向量b(n)。 4、 程序调试4.1 对原始信号进行时域和频域的分析x1,fs,bits=wavread(d:/text);%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title(原始语音信号时域波形);subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title(原始语音信号频谱) 图 2 原始信号波形4.2 含噪语音信号的合成x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32

11、768);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2);title(加高斯白噪声语音信号的时域波形)subplot(2,1,2)plot(abs(y2);title(加高斯白噪声语音信号的频谱)n=length(x1)-1;t=0:1/fs:n/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t);d2=0.8*cos(2*pi*20*t);x3=x1+d;x4=x1+d2+d;%sound(x3,fs,bits);figure(3)subplot(2,1,1)plot(x3)title(加单频余弦信号的语音信号时域波形)y3=fft(x3,32768);subplot(2,1

12、,2)plot(abs(y3);title(加单频余弦信号的语音信号频谱)figure(12)subplot(2,1,1)plot(x4)title(加多频余弦信号的语音信号时域波形)y4=fft(x4,32768);subplot(2,1,2);plot(abs(y4);title(加多频余弦信号的语音信号频谱) 图3 高斯白噪声波形 图 4 加单频噪声波形 图 5 加多频余弦信号波形4.3 数字滤波器的设计及滤波矩形窗低通滤波器设计及滤波结果%矩形窗 %低通wp=0.3*pi;ws=0.4*pi;bt=ws-wp;n=ceil(1.8*pi/bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=f

13、ir1(n,wc,boxcar(n+1);h,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000hz的采样频率求出频率响应figure(4)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(h)xlabel(频率/hz);ylabel(相位/o);grid on;y4=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt对输入信号滤波%sound(y4,fs,bits);figure(5)subplot(

14、2,1,1), plot(t,x3),title(输入信号)%绘出输入信号波形subplot(2,1,2),plot(t,y4) %绘出输出信号波形 图 6 矩形窗低通滤波器 图 7 矩形窗低通滤波结果矩形带通滤波器设计及滤波结果wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*pi;whp=0.7*pi;delta_w=whp-whs;wp=0.35 0.66;n=48; %通带边界频率（归一化频率）和滤波器阶数fs=8000;b=fir1(n,wp); %设计fir带通滤波器figure(6)h,f=freqz(b,1,512,fs); %以50hz为采样频率求出滤波器频

15、率响应subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(h)xlabel(频率/hz);ylabel(相位/o);grid on;y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt对输入信号滤波%sound(y5,fs,bits);figure(7)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title(输入信号)%绘出输入信号波形subplot(2,1,2),plot(t,y5) %绘出输出信号波形

16、hold on;plot(n/2*0.02*ones(1,2),ylim, r) %绘制延迟到的时刻title(输出信号),xlabel(时间/s) 图 8 矩形窗带通滤波器设计 图 9 矩形窗带通滤波器滤波结果哈明窗低通滤波器设计及滤波结果%哈明窗 %低通wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;bt=ws-wp;n=ceil(6.6*pi/bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(n,wc,hamming(n+1);h,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000hz的采样频率求出频率响应figure(8)subplot(2,1,1),plot(f,20*lo

17、g10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(h)xlabel(频率/hz);ylabel(相位/o);grid on;y6=fftfilt(hn,x3); %采用fftfilt对输入信号滤波%sound(y6,fs,bits);figure(9)subplot(2,1,1), plot(t,x3),title(输入信号)%绘出输入信号波形subplot(2,1,2),plot(t,y6) %绘出输出信号波形title(输出信号),xlabel(时间/s) 图 10

18、 哈明窗低通滤波器 图 11 哈明窗低通滤波器滤波结果哈明窗带通滤波器设计及滤波结果%哈明窗 %带通%samp7_6wp=0.35 0.65;n=48; %通带边界频率（归一化频率）和滤波器阶数fs=8000;b=fir1(n,wp); %设计fir带通滤波器figure(10)h,f=freqz(b,1,512,fs); %以50hz为采样频率求出滤波器频率响应subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(h)

19、xlabel(频率/hz);ylabel(相位/o);grid on;y7=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt对输入信号滤波sound(y7,fs,bits);figure(11)subplot(2,1,1), plot(t,x4),title(输入信号)%绘出输入信号波形subplot(2,1,2),plot(t,y7) %绘出输出信号波形hold on;plot(n/2*0.02*ones(1,2),ylim, r) %绘制延迟到的时刻title(输出信号),xlabel(时间/s) 图 12 哈明窗带通滤波器 图13 哈明窗带通滤波器滤波结果5、 总结 这次课设是我自己辛

20、辛苦苦做出的，虽然限于时间短暂滤波器还有一些问题，低通滤波器滤波结果很不理想，但是那种努力换得成功的感觉还是让我着实让我开心了许久。总的感觉：首先从以前对滤波器设计，语音信号降噪几乎完全不懂慢慢有了一定了解，感觉它不再那么神秘和难以理解，自信心增长了不少；其次，对于matlab的使用更加得心应手，增强了专业与工具的联系。最后，真心感觉很多课设是我自己可以做出来的，只是你在成功之前就已经放弃，也就是说你过不了自己这关，而不是课设。 6、 附件源程序代码：x1,fs,bits=wavread(d:/text);%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1

21、)subplot(2,1,1)plot(x1);title(原始语音信号时域波形);subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title(原始语音信号频谱)x2=awgn(x1,10);%sound(x2,fs,bits)y2=fft(x2,32768);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x2);title(加高斯白噪声语音信号的时域波形)subplot(2,1,2)plot(abs(y2);title(加高斯白噪声语音信号的频谱)n=length(x1)-1;t=0:1/fs:n/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t);d2=0.8*cos(2*

22、pi*20*t);x3=x1+d;x4=x1+d2+d;%sound(x3,fs,bits);figure(3)subplot(2,1,1)plot(x3)title(加单频余弦信号的语音信号时域波形)y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title(加单频余弦信号的语音信号频谱)figure(12)subplot(2,1,1)plot(x4)title(加多频余弦信号的语音信号时域波形)y4=fft(x4,32768);subplot(2,1,2);plot(abs(y4);title(加多频余弦信号的语音信号频谱)%矩形窗 %低通wp=0.

23、3*pi;ws=0.4*pi;bt=ws-wp;n=ceil(1.8*pi/bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(n,wc,boxcar(n+1);h,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000hz的采样频率求出频率响应figure(4)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(h)xlabel(频率/hz);ylabel(相位/o);grid on;y4=fftfilt

24、(hn,x3); %采用fftfilt对输入信号滤波%sound(y4,fs,bits);figure(5)subplot(2,1,1), plot(t,x3),title(输入信号)%绘出输入信号波形subplot(2,1,2),plot(t,y4) %绘出输出信号波形title(输出信号),xlabel(时间/s)%矩形窗 %带通wls=0.25*pi;wlp=0.45*pi;whs=0.625*pi;whp=0.7*pi;delta_w=whp-whs;wp=0.35 0.66;n=48; %通带边界频率（归一化频率）和滤波器阶数fs=8000;b=fir1(n,wp); %设计fir带

25、通滤波器figure(6)h,f=freqz(b,1,512,fs); %以50hz为采样频率求出滤波器频率响应subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(h)xlabel(频率/hz);ylabel(相位/o);grid on;y5=fftfilt(b,x4); %采用fftfilt对输入信号滤波%sound(y5,fs,bits);figure(7)subplot(2,1,1), plot(t,x4),ti

26、tle(输入信号)%绘出输入信号波形subplot(2,1,2),plot(t,y5) %绘出输出信号波形hold on;plot(n/2*0.02*ones(1,2),ylim, r) %绘制延迟到的时刻title(输出信号),xlabel(时间/s)%哈明窗 %低通wp=0.5*pi;ws=0.6*pi;bt=ws-wp;n=ceil(6.6*pi/bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(n,wc,hamming(n+1);h,f=freqz(hn,1,512,8000); %采用8000hz的采样频率求出频率响应figure(8)subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(h)xlabel(频率/hz);ylabel(振幅