语音数字滤波系统要点

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《数字信号办理实验》课程设计

学号：2011289

教师姓名：李敏

学院：光电工程学院

时间：2013年12月15日

中国﹒重庆重庆大学光电工程学院

二〇一三年十二月光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

目录1.实验目的32.实验器材33.实验原理4

3.1滤波器频谱范围43.2设计IIR数字滤波器的基本思想43.3巴特沃思低通数字滤波器43.4巴特沃思高通数字滤波器43.5巴特沃思带通数字滤波器5

4.实验步骤6

5.实验程序设计及测试7

5.1语音信号的采集与频谱分析7

5.2巴特沃斯低通滤波器的设计与仿真8

5.3巴特沃斯高通滤波器的设计与仿真11

5.4巴特沃斯带通滤波器的设计与仿真15

6.实验结果分析20

7.附录错误！不决义书签。

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实验目的

掌握数字信号办理的基本见解，基本理论和基本方法。

熟悉失散信号和系统的时域特点。

掌握序列迅速傅里叶变换方法。

学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法。

掌握利用MATLAB对语音信号进行频谱分析。

掌握滤波器的网络构造。

掌握MATLAB设计数字滤波器的方法和对信号进行滤波的方法。

实验器材

Windows下的录音机

Matlab软件

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实验原理

3.1滤波器频谱范围

语音信号的频谱范围主要为800HZ左右，并且在5000HZ左右有一个小信号，

因此，在设计低通滤波器时，应把噪声频谱设定在5000HZ以上，这样，经过低

通滤波器，即可滤除噪声信号进而复原语音信号；在设计高通滤波器时，应把噪

声设定在800HZ以内，以经过高通滤波器滤除低频的噪声信号，进而复原相对频

率较高的语音信号；在设计带通滤波器时，可把噪声设计在低于800HZ或高于

5000HZ频谱上，已经过带通滤波器复原带通范围内的语音信号。

3.2设计IIR数字滤波器的基本思想

设计IIR数字滤波器的方法主要有鉴于冲激响应不变法的IIR数字滤波器设

计，鉴于双线性Z变换法的IIR数字滤波器设计，数字高通、带通及带阻IIR

滤波器设计，鉴于MATLAB函数直接设计IIR数字滤波器。本实验中采用双线性

变换法变换的巴特沃思数字滤波器。

3.3巴特沃思低通数字滤波器

选择来自window自带音频文件的“ding.wav”声音作为语音信号

给信号加一个大频次的噪声（取噪声频次远大于语音信号的最大频次），产生污染信号。

设计一个巴特沃思低通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频次设定为小于噪声信号频次。

将设计好的巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。复原语音信号。

3.4巴特沃思高通数字滤波器

(1)选择来自window自带音频文件的“ding.wav”声音作为语音信号

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(2)给信号加一个小频次的噪声（取噪声频次远小于语音信号的最小频次），

产生污染信号。

设计一个巴特沃思高通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频次设定为大于噪声信号频次。

将设计好的巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。复原语音信号。

3.5巴特沃思带通数字滤波器

选择来自window自带音频文件的“ding.wav”声音作为语音信号

给信号加一个小频次或大频次的噪声（取噪声频次远小于语音信号的最小频次或大于语音信号的最大频次），产生污染信号。本实验取小频次的噪声信号。

设计一个巴特沃思带通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频次设定为不包括噪声信号频次。

将设计好的巴特沃思带通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。复原语音信号。

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实验步骤

利用Windows下的录音机或其他软件录一段声音信号，或许选择Windows系统的“叮”（Ding.wav），并对该信号进行采样；

语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；

产生噪声信号加到语音信号中，获得被污染的语音信号，并回放语音信号；

污染信号的频谱分析，画出被污染的语音信号时域波形和频谱；

依照相关的频谱特点，采用间接法设计IIR数字滤波器，并画出相应滤波器的幅频图（设计3个IIR滤波器，本实验中设计的模拟滤波器种类：巴特沃思低通滤波器，巴特沃思高通滤波器，巴特沃思带通滤波器）；

用设计出的滤波器对被噪声污染的信号进行滤波；

分析获守信号的频谱，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比较，分析信号的变化；

回放语音信号。

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实验程序设计及测试

5.1语音信号的采集与频谱分析

将windows系统自带的声音文件Ding.wav复制到E盘，并利用wavread函

数将该声音文件导入matlab中，能够利用函数fft对信号进行迅速傅里叶变换，

获守信号的频谱特点；绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。程序以下：

%导入语音信号

Fs=22050;

[x,FS,bits]=wavread('E:\signal20113289\Ding.wav');

x=x(:,1);

figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(x);

%在命令窗口输入sound(x,FS,bits)回放语音

title('语音信号时域波形图')

y=fft(x,3260);

f=(FS/1630)*[1:1630];

subplot(2,1,2);

plot(f(1:1630),abs(y(1:1630)));

title('语音信号频谱图');

运行程序获得语音时域和频谱图形以下

语音信号时域波形图

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

00.511.522.53

4x10语音信号频谱图

150

100

50

000.511.522.533.544.5

4x10

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5.2巴特沃斯低通滤波器的设计与仿真

1）产生高频的噪声信号zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050)，

MATLAB程序以下：

%产生高频噪声信号

t=0:length(x)-1;

zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050);

zs0=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050000);

figure(2);

subplot(2,1,1)

plot(zs0)

title('高频噪声信号波形');

zs1=fft(zs,1200);

%sound(zs,FS,bits);%回放噪声

subplot(2,1,2)

plot(f(1:600),abs(zs1(1:600)));

title('高频噪声信号频谱');

程序运行得高频噪声的时域波形和频谱以下：

高频噪声信号波形

0.05

0

-0.05

00.511.522.53

4

x10高频噪声信号频谱

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

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（2）将高频信号增添到原声音信号，获得污染的声音信号，并利用fft对污染

后的信号进行迅速傅里叶变换，获得频谱特点。

matlab程序以下：

%将噪声增添到声音信号

x1=x+zs';

%sound(x1,FS,bits);%回放加入噪声后的语音

y1=fft(x1,1200);

figure(3);

subplot(2,1,1);plot(x1);

title('加入高频噪声后的信号波形');

subplot(2,1,2);

plot(f(1:600),abs(y1(1:600)));

title('加入高频噪声后的信号频谱');

程序运行结果得加入噪声信号后的声音信号时域波形和频谱：

加入高频噪声后的信号波形

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

00.511.522.53

4

x10加入高频噪声后的信号频谱

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

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3）巴特沃斯低通滤波器的设计

依照语音信号的特点给出相关滤波器的性能指标，设计低通滤波器性能指标

以下，Fs=22050Hz，fp=3000Hz，fs=3500Hz，rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯滤波器的设计程序以下：

%设计巴特沃斯低通滤波fp=3000;fs=3500;Fs=22050;rp=1;rs=10;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(4);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯低通滤波器');xlabel('频次（HZ）');ylabel('耗费（dB）');gridon;

程序运行结果以下：

巴特沃斯低通滤波器

1.4

1.2

1

0.8Bd

（

耗费0.6

0.4

0.2

0020004000600080001000012000频次（HZ）

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4）巴特沃斯低通滤波器的仿真

利用巴特沃斯滤波器对含有噪声的声音进行低通滤波，程序以下

%对信号进行低通滤波

yd=filter(Bz,Az,x1);

figure(5);

subplot(2,1,1);plot(yd);title('低通滤波后信号波形');

ydd=fft(yd,1200);

subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600)));

title('低通滤波后信号频谱');

sound(yd,FS,bits)

运行结果以下：

低通滤波后信号波形

0.2

0.1

0

-0.1

-0.200.511.522.53

4

x10低通滤波后信号频谱

20

15

10

5

0

020004000600080001000012000140001600018000

5.3巴特沃斯高通滤波器的设计与仿真

1）产生低频的噪声信号zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，

MATLAB程序以下：

%产生低频噪声信号

t=0:length(x)-1;

zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);

figure(6);

subplot(2,1,1)

plot(zs0);

11/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

axis([02000-0.050.05])

title('低频噪声信号波形');

zs1=fft(zs0,1200);

%sound(zs,FS,bits);%回放噪声

subplot(2,1,2)

plot(f(1:600),abs(zs1(1:600)));

title('低频噪声信号频谱');

程序运行得低频噪声的时域波形和频谱以下：

低频噪声信号波形

0.05

0

-0.05010002000300040005000600070008000900010000

低频噪声信号频谱

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

（2）将低频信号增添到原声音信号，获得污染的声音信号，并利用fft对污染

后的信号进行迅速傅里叶变换，获得频谱特点。程序以下：

%低频信号加载到声音信号

x1=x+zs0';

%sound(x1,FS,bits);%回放加入噪声后的语音

y1=fft(x1,1200);

figure(7);

subplot(2,1,1);plot(x1);

title('加入低频噪声后的信号波形');

subplot(2,1,2);

plot(f(1:600),abs(y1(1:600)));

title('加入低频噪声后的信号频谱');

12/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

程序运行结果得加入噪声信号后的声音信号时域波形和频谱：

加入低频噪声后的信号波形

0.4

0.2

0

-0.2

-0.400.511.522.53

4

x10加入低频噪声后的信号频谱

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

3）巴特沃斯高通滤波器的设计

依照语音信号的特点给出相关滤波器的性能指标，设计高通滤波器性能指标

以下，Fs=22050Hz，fp=600Hz，fs=400Hz，rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯滤波器的设计程序以下：

%设计巴特沃斯高通滤波器fp=600;fs=400;Fs=22050;rp=1;rs=10;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,'high','s');[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);figure(8);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯高通滤波器');xlabel('频次（HZ）');ylabel('耗费（dB）');gridon;

13/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

程序运行结果以下：

巴特沃斯高通滤波器

1.4

1.2

1

0.8Bd

（损0.6

耗

0.4

0.2

0020004000600080001000012000

频次（HZ）

4）巴特沃斯高通滤波器的仿真

利用巴特沃斯滤波器对含有噪声的声音进行高通滤波，程序以下

%用巴特沃斯高通滤波器进行滤波

yd=filter(Bz,Az,x1);

figure(9);

subplot(2,1,1);plot(yd);title('高通滤波后信号波形');

ydd=fft(yd,1200);

subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600)));

title('高通滤波后信号频谱');

sound(yd,FS,bits)

运行结果以下：

14/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

高通滤波后信号波形

0.3

0.2

0.1

0

-0.100.511.522.53

4x10

高通滤波后信号频谱

8

6

4

2

0

020004000600080001000012000140001600018000

5.4巴特沃斯带通滤波器的设计与仿真

1）产生低频的噪声信号zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050)，

MATLAB程序以下：

%产生低频噪声信号

t=0:length(x)-1;

zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);

figure(6);

subplot(2,1,1)

plot(zs0);

axis([02000-0.050.05])

title('低频噪声信号波形');

zs1=fft(zs0,1200);

%sound(zs,FS,bits);%回放噪声

subplot(2,1,2)

plot(f(1:600),abs(zs1(1:600)));

title('低频噪声信号频谱');

15/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

程序运行得低频噪声的时域波形和频谱以下：

低频噪声信号波形

0.05

0

-0.05010002000300040005000600070008000900010000

低频噪声信号频谱

30

20

10

0020004000600080001000012000140001600018000

（2）将低频信号增添到原声音信号，获得污染的声音信号，并利用fft对污染

后的信号进行迅速傅里叶变换，获得频谱特点。程序以下：

%低频信号加载到声音信号

x1=x+zs0';

%sound(x1,FS,bits);%回放加入噪声后的语音

y1=fft(x1,1200);

figure(7);

subplot(2,1,1);plot(x1);

title('加入低频噪声后的信号波形');

subplot(2,1,2);

plot(f(1:600),abs(y1(1:600)));

title('加入低频噪声后的信号频谱');

程序运行结果得加入噪声信号后的声音信号时域波形和频谱：

16/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

加入低频噪声后的信号波形

0.4

0.2

0

-0.2

-0.400.511.522.53

4x10

加入低频噪声后的信号频谱

30

20

10

0

020004000600080001000012000140001600018000

3）巴特沃斯带通滤波器的设计

依照语音信号的特点给出相关滤波器的性能指标，设计高通滤波器性能指标如

下，Fs=22050Hz，fp=[600,6000]Hz，fs=[400,7000]Hz，rp=1dB，rs=10dB；巴特沃斯滤波器的设计程序以下：

%设计巴特沃斯带通滤波器

fp=[600,6000];fs=[400,7000];Fs=22050;

rp=1;rs=10;

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(12);[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h));title('巴特沃斯带通滤波器');xlabel('频次（HZ）');ylabel('耗费（dB)');gridon;

程序运行结果以下：

17/20光电工程学院数字信号办理实验语音数字滤波系统设计

巴特沃斯带通滤波器

1.4

1.2

1

）0.8Bd

（损0.6

耗

0.4

0.2

0020004000600080001000012000

频次（HZ）

4）巴特沃斯带通滤波器的仿真

利用巴特沃斯滤波器对含有噪声的声音进行带通滤波，程序以下

%用巴特沃斯带通滤波器进行滤波¨

yd=filter(Bz,Az,x1);

figure(13);

subplot(2,1,