基于Matlab的语音信号滤波器的设计与实现

基于Matlab的语音信号滤波器的设计与实现1、设计原理设计数字滤波器的任务就是寻求一个因果稳定的线性时不变系统，并使系统函数H(z)具有指定的频率特性。2、设计内容：以Matlab实现语音信号的低通滤波器设计为例：（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，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用，我们很快理解了采样频率、采样位数等概念。这里我直接采用了一段现成的.wav格式的语音信号。（2）语音信号的频谱分析首先画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。程序如下：clc;clear;closeall;fs=32768;%语音信号采样频率为32768，即2^15x1=wavread('qq.wav');%读取语音信号的数据，赋给变量x1sound(x1,32768);%播放语音信号y1=fft(x1,1024);%对信号做1024点FFT变换f=fs*(0:511)/1024;figure(1);plot(x1)%做原始语音信号的时域图形title('原始语音信号');xlabel('timen');ylabel('fuzhin');figure(2);freqz(x1)%绘制原始语音信号的频率响应图title('频率响应图')figure(3);subplot(2,1,1);plot(abs(y1(1:512)))%做原始语音信号的FFT频谱图title('原始语音信号FFT频谱');subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512)));title('原始语音信号频谱')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');波形如下：注意：原始语言信号FFT频谱和原始语言信号频谱的区别是：前者是频率为1递增的频谱，而后者是以f=fs*(0:511)/1024递增；另外，后者是在“不小于原始信号的频率（采样定理）”上完全展开的频谱。（3）给原始的语音信号加上一个高频余弦噪声，频率为5kHz。画出加噪后的语音信号时域和频谱图，与原始信号对比，可以很明显的看出区别。程序如下：%给原始的语音信号加上一个高频余弦噪声，频率为5kHz。画出加噪后的语音信号时域和频谱图，与原始信号对比，可以很明显的看出区别。fs=32768;x1=wavread('qq.wav');f=fs*(0:511)/1024;t=0:1/32768:(size(x1)-1)/32768;%将所加噪声信号的点数调整到与原始信号相同Au=0.03;d=[Au*cos(2*pi*5000*t)]';%噪声为5kHz的余弦信号x2=x1+d;sound(x2,32768);%播放加噪声后的语音信号y2=fft(x2,1024);figure(1)plot(t,x2)title('加噪后的信号');xlabel('timen');ylabel('fuzhin');figure(2)subplot(2,1,1);plot(f,abs(y1(1:512)));title('原始语音信号频谱');xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2(1:512)));title('加噪后的信号频谱');xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');波形如下：（4）双线性变换法设计Butterworth滤波器程序如下：fs=32768;x1=wavread('qq.wav');t=0:1/32768:(size(x1)-1)/32768;Au=0.03;d=[Au*cos(2*pi*10000*t)]';x2=x1+d;wp=0.25*pi;ws=0.3*pi;Rp=1;Rs=15;Fs=32768;Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2);%将模拟指标转换成数字指标ws1=2/Ts*tan(ws/2);[N,Wn]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s');%选择滤波器的最小阶数[Z,P,K]=buttap(N);%创建butterworth模拟滤波器[Bap,Aap]=zp2tf(Z,P,K);[b,a]=lp2lp(Bap,Aap,Wn);[bz,az]=bilinear(b,a,Fs);%用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换[H,W]=freqz(bz,az);%绘制频率响应曲线figure(1)plot(W*Fs/(2*pi),abs(H))gridxlabel('频率／Hz')ylabel('频率响应幅度')title('Butterworth')f1=filter(bz,az,x2);figure(2)subplot(2,1,1)plot(t,x2)%画出滤波前的时域图title('滤波前的时域波形');subplot(2,1,2)plot(t,f1);%画出滤波后的时域图title('滤波后的时域波形');sound(f1,32768);%播放滤波后的信号F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x2,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512)));%画出滤波前的频谱图title('滤波前的频谱')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0(1:512)));%画出滤波后的频谱图title('滤波后的频谱')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');波形如下：（5）窗函数法设计滤波器：程序如下:fs=32768;x1=wavread('qq.wav');t=0:1/32768:(size(x1)-1)/32768;Au=0.03;d=[Au*cos(2*pi*10000*t)]';x2=x1+d;wp=0.25*pi;ws=0.3*pi;wdelta=ws-wp;N=ceil(6.6*pi/wdelta);%取整wn=(0.2+0.3)*pi/2;b=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1));%选择窗函数，并归一化截止频率figure(1)freqz(b,1,512)f2=filter(bz,az,x2)figure(2)subplot(2,1,1)plot(t,x2)title('滤波前的时域波形');subplot(2,1,2)plot(t,f2);title('滤波后的时域波形');sound(f2,32768);%播放滤波后的语音信号F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x2,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512)));title('滤波前的频谱')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512)));title('滤波后的频谱')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');波形如下：（6）回放语音信号在Matlab中，函数sound可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x，fs，bits)，x为要播放的音频信号，fs采样频率，bits采样位。在运行Matlab程序时，可以听到回放的声音，经过比较，明显感觉滤波前后的声音有变化。3.结语遇到的问题：出现错误提示：???Errorusing==wavreadErrorusing==wavreadDatacompressionformat(IMAADPCM)isnotsupported.解决办法：wave格式的音频分为PCM和IMAADPCM两种格式，Matlab中用waveread函数做音频处理时，只能对PCM格式的.wav音频进行处理，因此需要将要处理的格式事先转换成PCM格式的.wav音频。可采用AdensoftAudioMP3Converter音频转换工具进行转换。PS：本篇文章的算法和图片已上传附件。“音频信号处理”