基于MATLAB的语音数字滤波器设计与实现

1、密 级公 开学 号110989 毕 业 设 计（论 文） 基于MATLAB的语音数字滤波器设计与实现院（系、部）：信息工程学院姓 名：王 燕年 级：2011级专 业：自动化指导教师：徐文星教师职称：副教授 2015年 06月20日·北京北京石油化工学院学位论文电子版授权使用协议 论文基于MATLAB的语音数字滤波器设计与实现系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。

2、 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称：信息工程学院作者签名：王燕 学 号：110989 2015 年 6 月 22 号北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 信息工程学院 专业 自动化 班级 自113 学生姓名 王燕 指导教师/职称 徐文星/副教授 1.毕业设计（论文）题目基于MATLAB的语音数字滤波器设计与实现2.任务起止日期： 2014年 12 月 22日 至 2015年 07

3、 月 03 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、含原始数据及应提交的成果）课题简介根据模拟滤波器的设计原理，提出了数字滤波器的设计方法，并在MATLAB环境下实现语音数字滤波器的设计。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应(IIR)数字滤波器和有限长冲激响应(FIR)数字滤波器。其主要内容概括为：首先查阅语音滤波器的基本概念及原理，其中包括系统的描述、系统的传递函数、系统的模型；接着对两类滤波器的需求和设计进行分析；重点描述语音数字滤波器的设计过程，最后实现一个人机交互的滤波器。具体工作任务与要求：撰写开题报告 翻译外文资

4、料（不少于25000字符）了解数字滤波器的基本原理。根据数字滤波器的基本原理指出FIR和IIR两种传递类型。要求MATLAB对系统进行控制系统设计。 a、系统传递函数 b、系统模型设计c、MATLAB运行语音数字滤波器程序，修改错误部分预期培养目标：具备文献查阅与综合能力。具备阅读和翻译能力。具备数据的收集、分析、计算和处理能力。具备项目调研、设计、编程和调试能力。具备现场解决问题的能力。具备一定的科技论文写作能力。最终提交材料：开题报告资料原文（不少于25000字符）及翻译稿毕业设计论文毕业设计日常记录本4.主要参考文献朱义胜，董辉，信号处理滤波器设计古萩隆嗣，数字滤波器与信号处理张明照，刘

5、郑波，刘斌，应用MATLAB实现信号分析和处理5.进度计划及指导安排周次日 期工 作 内 容具 体 要 求162014.12.222015.12.26岗位实习与毕业设计（调研、查资料、熟悉系统工艺，翻译外文资料、写开题报告）同步进行。172014.12.292015.01.02岗位实习与毕业设计（调研、查资料、熟悉系统工艺，翻译外文资料、写开题报告）同步进行。182015.01.052015.01.09岗位实习与毕业设计（调研、查资料、熟悉系统工艺，翻译外文资料、写开题报告）同步进行。192015.01.122015.01.16岗位实习与毕业设计（调研、查资料、熟悉系统流程，翻译外文资料、写开

6、题报告）同步进行。202015.01.192015.01.23与岗位实习穿插进行，在按时开题后无先后顺序。交译文/开题报告这段时间穿插共计8周岗位实习12015.03.022015.03.0622015.03.092015.03.1332015.03.162015.03.2042015.03.232015.03.27设置系统传递函数，设计系统模型52015.03.302015.04.03确定系统传递函数、系统模型、FIR和IIR工作分配。62015.04.062015.04.10用MATLAB设计FIR和IIR传递函数，系统模型72015.04.132015.04.17用MATLAB设计FIR

7、和IIR传递函数，系统模型82015.04.202015.04.24用MATLAB设计FIR和IIR传递函数，系统模型92015.04.272015.05.01FIR和IIR，调试102015.05.042015.05.08FIR和IIR，调试112015.05.112015.05.15FIR和IIR，调试122015.05.182015.05.22FIR和IIR，调试132015.05.252015.05.29FIR和IIR，调试142015.06.012015.06.05FIR和IIR，调试这段时间穿插共计8周岗位实习152015.06.082015.06.12调试及整理论文162015.

8、06.152015.06.19毕业答辩交论文172015.06.222015.06.268周岗位实习总结交岗位实习报告182015.06.292015.07.03备注：2014年12月至2015年6月毕业设计期间包括8周岗位实习任务书审定日期2014年12月18日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期2014年12月19日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期2014年12月20日 指导教师（签字） 计划完成任务日期2015年07月03日 学生（签字） 基于MATLAB的语音数字滤波器的设计与实现摘 要语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科，

9、是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。将语音信号处理在MATLAB的基础上进行运行实现，是比较简单的便捷的方法之一。通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。本设计针对现在大部分语音处理软件内容繁多、操作不便等问题，采用MATLAB综合运用GUI界面设计、各种函数调用等来实现语音信号的变频、变幅、傅里叶变换及滤波，程序界面简练，操作简便，最终通过在MATLAB上设计语音滤波器，进行数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等，结合不同的参数，最后实现一个人机交互的过程，使输入的语音信号能够处理后输出，并得出不同的滤波效果。最后，本文对

10、语音信号处理的进一步发展方向提出了自己的见解。关键字：MATLAB，语音信号，傅里叶变换，滤波AbstractSpeech Signal Processing is a new emerging discipline to study the speech signal processing by the use of digital signal processing technology and phonetics knowledge, which is one of the core technologies in the fastest developing information s

11、cience research field. Running the speech signal processing on the basis of MATLAB is a relative simple and convenient method. Transmitting the signal through speech is the most important, most effective, most common and most convenient information exchanging form. Considering the various contents a

12、nd the inconvenient operation for the current most speech processing software, this design uses the MATLAB to synthetically apply GUI interface design and call the various functions to achieve the frequency, amplitude, Fourier Transform and wave filtering of the speech signal. The program interface

13、is concise and the operation is convenient. Ultimately designing a speech filter based on MATLAB to realize the digital filter, Fourier Transform, the time domain and frequency domain analysis, the sound playback and various graph presentation. Then combining with different parameters to realize the

14、 interactive process of human and machine, output the processed speech signal and get the different filter wave effect. Finally, the paper puts forward the own views on the further development of the speech signal processing.Keywords:MATLAB，voice signal，fourier transform，wave filteringIV基于MATLAB的语音数

15、字滤波器设计与实现目 录第一章 前 言11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 国内外发展状况21.4 本文的主要研究内容4第二章 应用软件的介绍62.1 MATLAB 简介62.2 运行环境72.3 开发环境7第三章 数字滤波器83.1 滤波的基本概念83.2 数字滤波器的工作原理83.3 数字滤波器的分类93.4 FIR滤波器的结构93.4.1 直接型结构93.4.2 级联型结构103.4.3 频率采样型结构103.5 IIR滤波器的结构113.5.1 直接型结构113.5.2 级联型结构133.6 巴特沃斯滤波器14第四章 语音滤波器设计154.1 设计流程图154.2 程序演示16

16、4.2.1 语音信号的提取164.2.2 语音信号的调整194.2.3 语音信号的振幅调整204.2.4 语音信号的加噪声及分析224.2.5 语音信号的滤波254.2.6语音信号的输出25第五章 结论与展望295.1 总结295.2 展望29参 考 文 献30致 谢32附 录133附 录241声 明42第一章 前 言1.1 研究背景目前很多方面都需要用到滤波处理，用MATLAB运行滤波器缺点是速度比较慢,但不要添加硬件设备,比较经济实用1,针对不同的场合及使用方向，选择不同的滤波器。MATLAB是应用最为广泛的设计数字滤波器的方法,与C语言的程序设计相比较,利用MATLAB可节省大量的编程时

17、间,将其用于数字滤波器的编程,提高了编程效率。利用MATLAB的窗函数可以快速有效地设计各种FIR数字滤波器,设计简单方便。采用MATLAB,可以根据要求和所设计的滤波器的特性,随意调整设计参数,最终达到滤波器的最优设计2。数字滤波器(digital filter)是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置3,在通信、图像、语音、雷达等许多领域都有着十分广泛的应用。MATLAB是第四代计算机语言,是目前公认的国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。强大的设计功能是MATLAB在滤波器设计更方便快捷4。采用现有软件生产商提供的软件工具进行实验教学是最可行的，即引入了大型工程设计仿真软件MAT

18、LAB(矩阵实验室)，可以满足现有实验教学的需要5。按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种,根据数字滤波器冲激响应的时域特征,可将数字滤波器分为长冲激响应(IIR)滤波器和有限长冲激响应(FIR)滤波器两种3,4。由于MATLAB具有强大运算功能,所以MATLAB的数字滤波器设计法可以快速有效的设计由软件组成的常规的上述数字滤波器,其特点是设计方便、快捷,极大的减轻了工作量6,7。1.2 研究意义利用研制可用于教学和实验的软件系统，用直观的形式把结果显示出来8。序列的基本计算、基本信号的产生、数据采集、傅里叶变换、FIR及IIR滤波器的设计9。在测量高速电气化铁道钢轨电位时，为

19、滤除数据采集装置中接触网与受电弓系统耦合作用产生的高频电磁干扰而造成的噪音，同时为消除供电系统产生的静电干扰与磁干扰引起的附加噪音，需要采取有效的滤波措施。在数据采集系统的软件中采用了基于MATLAB的低通IIR滤波器，有效滤除上述干扰造成的噪音现场实测证实该滤波器能满足测量要求，为数字滤波器工程化应用提供了有益经验10。采用数字控制技术进行电动汽车充电机的控制时，为了得到理想的控制效果，需要对被控信号先进行滤波处理，针对电动汽车充电机系统中直流信号可能存在有交流分量和交流信号可能存在有谐波分量的情况，采用数字滤波器对被控信号进行处理。针对传统数字滤波器设计中繁琐的理论计算，以MATLAB为辅

20、助条件对设计流程进行了简化，并针对不同的被控信号分别进行了IIR数字滤波器和FIR数字滤波器的设计，最后进行了对比分析，为了提高处理速度，建议在电动汽车充电机数字滤波中采用工FIR数字滤波器11。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应(IIR)数字滤波器和有限长冲激响应(FIR)数字滤波器12。IIR滤波器比一定能保证其稳定性，并且也不能实现严格意义上的线性相应13 。但是它不仅能利用以前所积累的模拟滤波器的经验，而且用低阶滤波器也可以得到优良的幅频特性11。IIR数字滤波器可用较少的阶数达到所要求的幅度特性,且实现时所需的运算次数及存储单元都很少，十分适合对于相

21、位特性没有严格要求的场有合,如果对相位特性要求这时选用FIR滤波器较好14。FIR滤波器具有以下的优点:可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位；由于FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)是有限长序列，因此FIR滤波器没有不稳定的问题；由于FIR滤波器一般为非递归结构，因此在采用MATLAB设计时候采用有限精度的计算，来避免出现递归结构中极性震荡等不稳定现象15。FIR滤波器的缺点在于:信号的延迟偏大。考虑到用高性能的DSP，由于其处理速度快，此缺点是可以避免的，用定点DSP实现滤波器械要考虑DSP的定标、误差、循环寻址等几个关键问题16。1.3 国内外发展状况有能力进行信号处理的装

22、置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着十分重要的作用，它是通过对采样数据信号进行数字运算处理来达到频域滤波的目的17。1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞

23、速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐。海马桥车有限公司杨亮针对电动汽车充电机系统，对被控信号进行了数字滤波处理，根据被控信号的不同，以MATLAB为辅助条件，分别进行了1IR数字滤波器和FIR数字滤波器的设计，通过对仿真结果的分析，建议在电动汽车充电

24、机系统中采用IIR数字滤波器对被控信号进行处理，这有利于提高控制器对被控信号的处理速度18。南京铁道职业技术学院陈明忠利用MATLAB的数字信号处理函数，实现数字钢轨电位测试系统的数字滤波19。研究表明，机车受电弓与接触网系统产生的高频电磁干扰和大电流入地系统的静电干扰对测量和数据采集会产生严重影响，往往导致仪器设备不能正常工作，或出现较大误差。除在硬件上需要设计防干扰的各种措施外，在软件上采用数字滤波器消除干扰也是非常重要的有效方法。利用MATLAB提供的数字滤波器分析和设计的函数，根据工程现场的滤波要求和条件，正确选择滤波器参数，则可方便快捷的设计出所需要的滤波器。在高速电气化铁路或有强电

25、磁干扰的工业测量控制现场，基于MATLAB的数字滤波器，将会发挥更有效的作用。苏州大学王蔚在图像压缩、图像去噪等方面的应用研究，应用MATLAB对原图增加对比度增加亮度，得出的图像效果有了一定的改善20。又对图像进行加噪以及去噪的图像显示均有明显改善效果，得出结论MATLAB信号处理工具箱、图像处理工具箱、小波等工具箱可以很好地设计和实现数字滤波，为数字滤波、信号处理、图像处理等方面的研究提供了有力的工具。中国科学技术大学潘金云研究地震勘测系统中，数字滤波器是利用有限精度算法实现具有滤波处理功能的离散、时间线性，实际勘探中，采集站主要由前端的模拟滤波器、中间的过采样模数转换器和后端的数字抽取滤

26、波器组成21。研究对比发现，FIR滤波器系统中不存在回路，因此系统是稳定的，而且系统相位可控，容易实现线性相位，但是设计过程比较复杂。对于以地震波形信息来判断地质结构的石油勘探，只有FIR滤波器才是合适的选择。中海油田服务股份有限公司技术中心饶知在滤波器在声波测井仪方面做了相应的研究22，交又偶极阵列声波测井仪是目前主流的先进声波测井设备之一，但在测井过程中难免存在噪声十扰，对测井质量造成不利影响。在利用MATLAB对大量实测信号进行时频分析的基础上，针对噪声的规律和特点，提出时域滤波和频域滤波相结合的方案。时域上采取限幅平均滤波法，频域上选择具有线性相位的FIR滤波器。利用MATLAB滤波器

27、设计与分析工具箱获取滤波器系数，借助DSP软件开发环境CCS，用汇编语言设计了基于DSP的井下实时FIR数字滤波器。现场测井试验表明，该滤波器对测井信号中存在的噪声具有良好的抑制作用，同时满足测井系统的实时性要求。合肥工业大学的赵春柳做了并联型有源电力滤波器仿真研究23，首先对三相三线制系统传统检测负载电流谐波（含有谐波检测环节）和检测直流侧电压（不含谐波检测环节）的控制策略进行了详细的讨论，探讨了两者本质联系；给出了一种新型控制策略，其具有传统检测负载电流谐波控制策略的较好的动态性能，同时又有检测直流侧电压控制策略的简洁性。其次对三相四线制系统的并联型有源电力滤波器两种拓扑结构电容中点式和四

28、桥臂式的控制策略作了详细的论述。最后讨论了并联型有源电力滤波器实现的相关技术电流检测时的抗混叠技术、谐波检测环节的数字低通滤波器的设计、输出滤波器的设计及对有源电力滤波器系统性能影响分析和滤波器启动时大过补偿电流的产生原因及抑制措施等。天津大学王金星在分析抑制谐波常用方法的基础上，利用瞬时无功功率理论进行有源滤波器的仿真设计24。该方法可以实现快速的高次谐波检测与滤波，并进行无功功率补偿。本设计用先进的仿真软件工具MATLAB中的电力系统仿工具箱对基于这种方法的有源滤波器进行仿真，仿真结果表明基于瞬时无功功率理论设计的有源滤波器装置能够有效检测出高次谐波分量，并可以消除谐波分量和进行无功补偿。

29、1.4 本文的主要研究内容本文主要研究目的是在MATLAB的基础上设计无限长响应FIR和有限长响应IIR的语音滤波器，通过对FIR和IIR滤波器的原理研究，先对系统进行简单的描述，确定滤波器的传递函数，对两类滤波器进行简单的介绍和了解，我主要针对Butterworth滤波器设计了低通、高通、带通、带阻的FIR和IIR八种滤波器，结合MATLAB设计语音数字滤波器，充分利用软件的方便与实用性，再结合不同的参数，最后实现一个人机交互的过程，使输入的语音信号能够理想的输出。第二章 应用软件的介绍2.1 MATLAB 简介MATLAB是美国Math Works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据

30、可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、 绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域25。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，F

31、ORTRAN等语言完相同的事情简捷得多、并且Math work也吸收了像Maple等软件的优点,，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用28 。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器

32、。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级， MATLAB 的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因26。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和

33、工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+27。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。 MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。2.2 运行环境运行环境主要介绍了硬件环境和软件环境。 硬件环境： 1. 处理器：Inte

34、r Pentium 166 MX或更高2. 内存：512MB或更高 3. 硬盘空间：40GB或更高 4. 显卡：SVGA显示适配器 5. 操作系统：Window 98以上2.3 开发环境开发环境主要介绍了本系统采用的操作系统、开发环境。其中操作系统为Windows 8.1，开发环境是MATLAB 2014a。第三章 数字滤波器3.1 滤波的基本概念滤波就是提取输入信号中的有用频率成分，抑制无用频率成分的信号处理过程。所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，或者滤除某些频率成分的数字器件或程序。正因为数字滤波通过数值运算实现滤波，所以数字滤

35、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滤波功能。所谓数字滤波器设计，就是要找出满足滤波要求的系统的单位脉冲响应h(n)，或者系统的系统函数H(z)。3.2 数字滤波器的工作原理数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形（或频谱）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。数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列，并在转化过程中，使信号按预定的形式变化。数字滤波器有多种分类，根据数字滤波器冲激响应的时域特征，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应（

36、IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。从性能上来说，IIR滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方，因此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存贮单元少，所以经济而效率高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。相反，FIR滤波器却可以得到严格的线性相位，然而由于FIR滤波器传输函数的极点固定在原点，所以只能用较高的阶数达到高的选择性；对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可以比IIR滤波器高510倍，结果，成本较高，信号延时也较大；如果按相同的选择性和相同的线性要求来说，则IIR滤波器就必须加全通网络进行相位较正，同样要大增加滤波器的节

37、数和复杂性。整体来看，IIR滤波器达到同样效果阶数少，延迟小，但是有稳定性问题，非线性相位；FIR滤波器没有稳定性问题，线性相位，但阶数多，延迟大。3.3 数字滤波器的分类与模拟滤波器类似，数字滤波器按频率特性划分为低通、高通、带通、带阻、全通等类型，由于数字滤波器的频率响应是周期性的，周期为2。各种理想数字滤波器的幅度频率响应如图3-1所示。按功能划分经典滤波器又可分为低通、高通、带通、带阻四种滤波器。图3-1 四种滤波器的幅频响应3.4 FIR滤波器的结构FIR滤波器的设计是建立在对期望滤波器频率特性的某种近似基础之上的。目前有许多方法可以设计FIR滤波器，比如窗函数设计法、频率取样法等。

38、其中，窗函数设计法是滤波器设计的主要方法之一，由于运算简便，物理意义直观，已成为工程实际中应用最广泛的方法，常见的窗函数有：矩形窗、三角形窗、布莱克曼窗、切比雪夫窗等。有限长单位冲激响应FIR滤波器主要有三种结构。3.4.1 直接型结构直接型结构的FIR滤波器常被称为横向滤波器。结构图如图3-2，传函表达式： 公式（3-1）图3-2 直接型结构3.4.2 级联型结构对H(z)进行因式分解，表示为公式3-2，结构图如图3-3所示。 公式（3-2）图3-3 H(z)的结构将公式3-2再进行z变换得到： 公式（3-3）是用直接型结构构成的二阶FIR滤波器，结构图如图3-4。3.4.3 频率采样型结构

39、将公式3-2通过离散傅里叶变换得到等式: 公式（3-4）这种滤波器是以为系数，是将单位圆上的频率特性进行N等分采样得到，结构图如图3-5。图3-4 的结构图3-5 频率采样型结构3.5 IIR滤波器的结构3.5.1 直接型结构IIR滤波器的传递函数可以表示为 公式（3-5）直接型结构分为直接I型和直接II型，结构图分别如图3-6和图3-7所示。图3-6 直接I型图3-7 直接II型3.5.2 级联型结构对IIR滤波器的传函进行一因式分解，可得公式3-6，其结构图如图3-8。 公式（3-6）图3-8 级联型I型级联型结构也分为I型和II型，如图3-9所示为II型。图3-9 级联型II型将IIR的

40、传函进行因式分解，换一种写法，可得公式3-7，结构图如图3-10。 公式（3-7）图3-10 并联型结构3.6 巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提出的。其特点是通频带的频率响应曲线最平滑，如图3-11所示。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始, 振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。 图3-11 频率响应曲线第四章 语音滤

41、波器设计4.1 设计流程图本文的设计流程图如图4-1所示，将MATLAB运行，先导入语音信号，这时会有导入的语音回放，并可点击其他按钮查看频谱、幅频、相频等图像。在原来采集的语音信号基础上加一定的噪音，这时的声音会有嗞嗞的响声，在第二个界面可以输入FIR或IIR的不同参数，进行滤波处理，点击输出，原来的信号会有不同的效果。 图4-1 设计流程图4.2 程序演示4.2.1 语音信号的提取在MATLAB中使用wavread函数，可得出信号的采样频率为22500，并且声音是单声道的。利用Sound函数可以清晰的听到已录入的语音信号。点击“采集”按钮采集数据并画出波形图。其中声音的采样频率fs=220

42、50Hz，x为采样数据，bits表示量化阶数。部分程序如下：x,fs,bits=wavread('My_voice'); sound(x); axes(handles.axes1)plot(x);title('原始信号波形');guidata(hObject, handles); %更新结构体运行后语音信号处理系统的操作界面如图4-2。 图4-2 语音信号处理系统的采集信号界面然后点击“频谱”按钮，得到采集得到的语音信号的频谱图如图4-3：部分程序如下：x,fs,bits=wavread('My_voice'); X=fft(x,4096);ax

43、es(handles.axes1)claplot(X); title('原始信号频谱');图4-3 原始信号频谱图点击“幅频”按钮，便可得到语音的幅频图如图4-4：x,fs,bits=wavread('My_voice'); X=fft(x,4096);magX=abs(X);angX=angle(X);axes(handles.axes1)claplot(magX);title('原始信号幅值');guidata(hObject, handles); %更新结构体图4-4 语音的幅频图点击“相频”按钮，便可得到语音的相频图如图4-5：其部分程序

44、如下：x,fs,bits=wavread('My_voice'); X=fft(x,4096);magX=abs(X);angX=angle(X);axes(handles.axes1)claplot(angX);title('原始信号相位');guidata(hObject, handles); %更新结构体图4-5 语音的相频图如图中提取的语音的波形图所示，整段音频数据中得声音高低起伏与录入的声音信号基本一致，并且可以观察到其中包含部分高频噪声。4.2.2 语音信号的调整在设计中，可以将语音信号的采样频率提高或降低，来实现语音信号的调整，得到理想的语音信号。

45、例如将采样频率增加500Hz，即可得到语音信号频率比原频率高50Hz新的语音信号。在频率调节编辑框中填写500，即频率增加500Hz，点击“频率调节”按钮，得到如图4-6的信号波形图，并试听调整后的效果。其部分程序如下：x,fs,bits=wavread('My_voice');var1=str2num(get(handles.Fuzhi,'string');fs1=str2num(get(handles.Pinlv,'string');wavwrite(x,fs+fs1,bits,'My_voice');x1,fs2,bits=

46、wavread('My_voice');y1=var1*x1;axes(handles.axes1);plot(y1);title('频率调整');%plot(x1(:,1);sound(y1,fs2,bits);图4-6频率调整后波形图与原语音信号相比，经过调整后的信号语速明显变快，即实现了信号频率增加功能。4.2.3 语音信号的振幅调整在设计中，可以将语音信号的幅度进行提高或降低操作，来实现语音信号的调整，得到声音音量大小不同的语音信号，例如将原语音信号的幅度提高一倍，得到如图4-7的信号波形图，可以通过GUI操作界面的输出功能试听调整后的效果。其部分程序如

47、下：x,fs,bits=wavread('My_voice');var1=str2num(get(handles.Fuzhi,'string');fs1=str2num(get(handles.Pinlv,'string');z1=var1*x;axes(handles.axes1);plot(z1); title('幅值调节');sound(z1)guidata(hObject, handles); %更新结构体图4-7 幅度调整后波形图此时听到的调整后声音声调变高，但不是很明显，可以将幅度的变化值设置的比较大，那样的话就可以得

48、到效果相当明显的语音信号了。4.2.4 语音信号的加噪声及分析对原信号加噪声再滤波，可以清楚地体现出滤波器对信号的滤波作用。加噪声部分程序如下：点击“加噪声”按钮，得到如图4-8的信号波形图，并试听加噪声后的效果。其部分程序如下：fs=22050; %语音信号采样频率为22050x,fs,bits=wavread('My_voice'); %读取语音信号的数据，赋给变量xy1=fft(x,1024); %对信号做1024点FFT变换f=fs*(0:511)/1024;x1=rand(1,length(x)' %产生一与x长度一致的随机信号 x2=x1+x;sound(x

49、2);axes(handles.axes1)plot(x2); %做原始语音信号的时域图形title('加高斯噪声后语音信号时域图')xlabel('time n');ylabel('fudu');guidata(hObject, handles); %更新结构体点击“频谱显示”按钮，得到如图4-9的信号频谱图。其部分程序如下：fs=22050; %语音信号采样频率为22050x,fs,bits=wavread('My_voice'); %读取语音信号的数据，赋给变量xy1=fft(x,1024); %对信号做1024点FFT变换

50、x1=rand(1,length(x)' %产生一与x长度一致的随机信号 x2=x1+x;y2=fft(x2,1024);axes(handles.axes1)plot(y2,'r');title('原始语音信号频谱');xlabel('Hz');ylabel('fudu');guidata(hObject, handles); %更新结构体 图4-8加噪声后波形 图4-9 加噪声后频谱倒谱分析是指信号短时振幅谱的对数进行傅里叶反变换。它具有可近似地分离并提取出频谱包络信息和细微结构信息的特点。对语音信号进行频谱分析，在M

51、ATLAB中可以利用函数fft对信号行快速傅里叶变换，得到信号的频谱图，并进行倒谱分析，得到倒谱图。点击“倒频谱显示”按钮，可以得到加噪声后信号的倒频谱显示，如图4-10。其部分程序如下：fs=22050; %语音信号采样频率为22050x,fs,bits=wavread('My_voice'); %读取语音信号的数据，赋给变量xy1=fft(x,1024); %对信号做1024点FFT变换x1=rand(1,length(x)' %产生一与x长度一致的随机信号 x2=x1+x;y2=fft(x2,1024);c=fft(log(abs(x2)+eps); %倒频谱计算

52、ms1=fs/1000;ms20=fs/50;q=(ms1:ms20)/fs; %确定倒频刻度axes(handles.axes1)plot(q,abs(c(ms1:ms20); %画倒谱图legend('倒谱图');xlabel('倒频（s）');ylabel('倒频谱幅度（Hz）');图4-10 倒谱图显示从上面的倒谱图可以看出当读“主人，信息收到了”时，所对应的频率大概在200Hz左右。这与人的语音信号频率集中在200 Hz到4.5 kHz之间是相一致的。而在未发声的时间段内，相对的小高频部分(200500Hz)应该属于背景噪声。4.2.5

53、 语音信号的滤波从图4-7中发现，语音信号中包含背景噪声，这些噪声的频率一般较高。所以可以利用MATLAB软件中的滤波器进行滤波处理，得到较为理想的语音信号。本系统有Butterworth低通、高通、带通、带阻FIR和IIR各2种共8种滤波器，选择所需滤波器，填入对应的参数值，即可得到所需滤波器。Butterworth低通、高通、带通、带阻的FIR滤波器部分程序如下：switch(v)case 1,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,'z');num,den=butter(n,Wn,'low');H,W=freqz(nu

54、m,den);case 2,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,'z');num,den=butter(n,Wn,'high');H,W=freqz(num,den);case 3,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,'z');num,den=butter(n,Wn,'bandpass');H,W=freqz(num,den);case 4,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),

55、ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,'z');num,den=butter(n,Wn,'stop');H,W=freqz(num,den);假设通带截止频率为2500，阻带截止频率为3500，通带最大衰减1，阻带最小衰减30，数字抽样频率8000。点击“Design”按钮，可得符合需求的滤波器，低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器界面图分别如图4-11、图4-12、图4-13、图4-14所示。4.2.6语音信号的输出 图4-11 FIR低通滤波器图象显示 图4-12 FIR高通滤波器图象显示 图4-13 FIR带通滤波器图象显示 图4-14 FIR带阻滤波器图象显示滤波后的语音信号输出界面如图4-15所示。程序如下：switch(v)case 1,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2