语音信号的数字滤波处理课设要点

语音信号的数字滤波处理（4）第1页共46页目录一绪论……………………………………………….………………………...…….21.1设计目的……………………………………………….…………………...21.2设计内容……………………………………………….……………………21.3设计题目……………………………………………….……………………3二设计指标要求……………………………………………………………...……...3三预习题……………………………………………….………………………….....43.1线性卷积……………………………………………….………………….....43.2FFT快速卷积……………………………………………….…………………63.3圆周卷积……………………………………………….………………….....83.4采样定理演示……………………………………………….……………...11四课程设计原理……………………………………………….……………….......134.1巴特沃斯低通滤波器……………………………………………….….....134.2用窗函数法设计FIR滤波器……………………………………………….14五设计的步骤和过程……………………………………………….……………...155.1设计方案……………………………………………….…………………...155.2设计步骤……………………………………………….…………………...16六用巴特沃斯设计IIR滤波器…………………………………………….……..306.1巴特沃斯低通滤波器………………………………………...….…………196.2巴特沃斯带通滤波器…………………………………………….………...206.3巴特沃斯高通滤波器…………………………………………….………...23七用hamming窗设计FIR滤波器…………………………………………….……257.1hamming高通滤波器…………………………………………….…………257.2hamming低通滤波器…………………………………………….…………267.3hamming带通滤波器…………………………………………….……..….28八心得体会………………………………………………….……………………...30参考文献…………………………………………….………………………………31附录A巴特沃斯低通滤波器程序…………...……………………….….………….32附录B巴特沃斯高通滤波器程序…………..………………………………………34附录C巴特沃斯带通滤波器程序………………………..………………………....37附录D：hamming高通滤波器程序…………………………………………….……40附录E：hamming低通滤波器程序…………………………………………………42附录F：hamming带通滤波器程序…………………………………………………44语音信号的数字滤波处理（4）第2页共46页一绪论本次数字信号处理实习过程中，要求实际用自己设计的数字滤波器分别对被不同噪声污染的信号进行滤波。数字滤波是数字信号处理的重要内容，数字滤波器可分为IIR和FIR两大类。对于IIR数字滤波器的设计，需要借助模拟原型滤波器，再将模拟滤波器转化为数字滤波器，文中采用的设计方法是脉冲响应不变法、双向性变换法和完全函数设计法；对于FIR数字滤波器的设计，可以根据所给定的频率特性直接设计，文中采用的设计方法是窗函数法。根据IIR滤波器和FIR滤波器的特点，在MATLAB坏境下分别用双线性变换法设计IIR和用窗函数设计FIR数字滤波器，并对采集的语音信号进行分析，最后给出了IIR和FIR对语音滤波的效果。1.1设计目的这次课程设计的目的是为了让我们综合运用数字信号处理和MATLAB去设计一个语音信号去噪的数字滤波器，使学生能够通过实践来分析问题、解决问题、预测目标等。从而不但能够使学生对本门课程有一个深入的了解与运用而且能够让学生学会工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平。1.2设计内容（1）设计卷积运算的演示程序可输入任意两个序列x1(n)、x2(n)，指定x1(n)为自己的学号,x1(n)={2,0,1,15,7,0,5,0,2,1,2}例如x2(n)={1,2.43,6.17,12.93,22.17,32.25,40.88,45.87,45.87,40.88,132.25,22.17,12.93,6.17,2.43,1.0000}。分别动态演示两个序列进行线性卷积x1(n)﹡x2(n)和圆周卷积x1(n)⊙x2(n)的过程；要求分别动态演示翻转、移位、乘积、求和的过程；圆周卷积默认使用两个序列中的最大长度，但卷积前可以指定卷积长度N用以进行混叠分析；改变圆周卷积长度N，根据实验结果分析2类卷积的关系。语音信号的数字滤波处理（4）第3页共46页在计算机操作系统下选一段声音文件(XP系统在“C:\WINDOWS\Media”)，读取文件取10ms的声音数据产生时域序列x1(n),序列内容自定义。利用x2(n)={1,2.43,6.17,12.93,22.17,32.25,40.88,45.87,45.87,40.88,32.25,22.17,12.93,6.17,2.43,1}。利用FFT实现快速卷积，验证时域卷积定理，并与直接卷积进行效率对比（验证时采用matlab子函数）。（2）编写程序演示采样定理（时域采样、频谱周期延拓），同时演示采样频率小于2fc时，产生的混叠效应对下面连续信号进行采样：学号，nnanAtutAetxata,2),()sin()(00，A为幅度因子，a为衰减因子，0为模拟角频率，其中n为学号(例如，王墨同学n=23)要求输入采样频率fs（根据程序处理需要指定范围）后，在时域演示信号波形、采样脉冲及采样后信号；在频域演示不同采样频率下对应信号的频谱。1.3设计题目①利用Windows下的录音机或其他软件，进行语音信号的采集（*.wav）；②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；③产生噪声信号并加到语音信号中，得到被污染的语音信号，并回放语音信号；④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；⑤根据有关的频谱特性，采用间接法设计IIR数字滤波器，并画出相应滤波器的幅频、相频图（设计3个IIR滤波器）a.模拟滤波器类型：巴特沃思滤波器（低通、带通、高通）b．总体要求：Matlab原程序+仿真波形+技术指标⑥根据有关的频谱特性，采用直接法设计FIR数字滤波器，并画出相应滤波器的幅频、相频图（设计3个FIR滤波器）a.滤波器类型：hamming窗（低通、带通、高通）b．总体要求：Matlab原程序+仿真波形+技术指标+窗函数用自己设计的这些滤波器分别对被不同噪声污染的信号进行滤波⑦用自己设计的这些滤波器分别对被不同噪声污染的信号进行滤波；⑧分析得到信号的频谱，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对比，分析信号的变化；⑨回放语音信号。语音信号的数字滤波处理（4）第4页共46页二设计指标要求1.掌握数字信号处理的基本概念，基本理论和基本方法。2.熟悉离散信号和系统的时域特性。3.掌握序列快速傅里叶变换方法。4.学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法。5.掌握利用MATLAB对语音信号进行频谱分析。6.掌握滤波器的网络结构。三预习题3.1线性卷积x1(n)={2,0,1,1,5,7,0,5,0,2,1,2}x2(n)={2,4,5,6,2,7,4,8,9,6,4,8,3,5,7,8}，其线性卷积动态演示Matlab程序如下：clf;n1=1:40;n2=1:40;x1=[zeros(1,12),2,0,1,1,5,7,0,5,0,2,1,2,zeros(1,16)];x2=[zeros(1,12),2,4,5,6,2,7,4,8,9,6,4,8,3,5,7,8,zeros(1,12)];x11=zeros(size(x1));subplot(3,1,1)stem(n1,x1)subplot(3,1,2)stem(n2,x2)pause(2);fori=1:24x11(i)=x1(25-i);endfori=25:40x11(i)=0;end语音信号的数字滤波处理（4）第5页共46页subplot(3,1,1)stem(n1,x11);pause(2)x3=zeros(size(x11));fori=1:28x11=[zeros(1,1),x11(1:(40-1))];x3(i)=sum(x11.*x2);subplot(3,1,1)stem(n1,x11)subplot(3,1,3)x4=[zeros(1,12),x3(1:i),zeros(1,28-i)];stem(n1,x4)pause(2)end运行结果如图3.1：语音信号的数字滤波处理（4）第6页共46页图3.1线性卷积3.2FFT快速卷积x2(n)={1,2.43,6.17,12.93,22.17,32.25,40.88,45.87,45.87,40.88,32.25,22.17,12.93,6.17,2.43,1.0000}，其FFT快速卷积Matlab程序如下：clf;x1=wavread('c:\Windows\Media\ding.wav',10);x1=x1';x1=x1(1,:);x2=[12.436.1712.9322.1732.2540.8845.8745.8740.8832.2522.1712.936.172.431];subplot(7,1,1);stem(x1);ylabel('x1(n)');title('x1(n)');subplot(7,1,2);stem(x2);ylabel('x2(n)');title('x2(n)');y=conv(x1,x2);subplot(7,1,3);stem(y);ylabel('y');title('x1(n)与x2(n)的卷积');N1=length(x1);N2=length(x2);N=N1+N2-1;X1=fft(x1,N);X2=fft(x2,N);subplot(7,1,4);stem(X1);语音信号的数字滤波处理（4）第7页共46页ylabel('X1');title('x1(n)的N点DFT');subplot(7,1,5);stem(X2);ylabel('X2');title('x2(n)的N点DFT');Y1=X1.*X2;subplot(7,1,6);stem(Y1);ylabel('Y1');title('X1与X2相乘的结果');Y2=ifft(Y1);subplot(7,1,7);stem(Y2);ylabel('Y2');title('Y1的IDFT结果');运行结果如图3.2：语音信号的数字滤波处理（4）第8页共46页0510-505x10-4x1(n)05101520050x2(n)0102030-0.0200.02y0102030-101x10-3X10102030-5000500X20102030-0.100.1Y10102030-0.100.1Y2图3.2FFT快速卷积3.3圆周卷积x1(n)={2,0,1,1,5,7,0,5,0,2,1,2}，x2(n)={2,4,5,6,2,7,4,8,9,6,4,8,3,5,7,8}，其圆周卷积Matlab程序如下：clf;x=[2,0,1,1,5,7,0,5,0,2,1,2];y=[2,4,5,6,2,7,4,8,9,6,4,8,3,5,7,8];N1=length(x);N2=length(y);N=N1;ifN2N1N=N2;endM=input('请输入圆周卷积长度\n');ifM=NN=M;语音信号的数字滤波处理（4）第9页共46页endifN==N1x=x;elsex=[x,