信号与系统课程设计语音滤波系统

第1页共31页信号与系统课程设计语音滤波系统（课题三）第2页共31页课题三语音信号处理系统设计一、本课题的目的本设计课题主要研究语音信号抽样和恢复的软硬件实现方法、滤波器的设计及应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：1．通过硬件实验观察连续时间信号抽样及恢复的波形特点。加深理解时域抽样定理的内容。2．掌握利用MATLAB实现连续时间信号抽样及恢复的基本原理和方法。3．掌握利用MATLAB分析模拟及数字系统时域、频域特性的方法；4．了解模拟滤波器系统的设计方法、基于运算电路的模拟系统有源实现方法；通过实验平台掌握模拟系统的频率特性测试方法。5．熟悉由模拟滤波器转换为数字滤波器的原理。6．掌握数字滤波器的设计方法。通过设计具体的滤波器掌握滤波器设计方法、步骤。7．了解数字滤波器的应用，了解语音信号的频率特性。8．培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。二、课题任务设计一个语音信号处理系统，实现对语音信号的抽样、滤波、频谱分析以及信号的回复。要求通过硬件实验掌握其电路工作原理、测试方法以及数据处理方法，根据系统的设计技术指标通过程序设计实现系统仿真。硬件部分：1．利用信号与系统实验箱实现信号的抽样和恢复。2．利用信号与系统实验箱熟悉四阶巴特沃思滤波器（或切比雪夫滤波器）的工作原理并观察记录各型滤波器的幅频特性。软件部分：1．根据抽样定理及语音信号频谱范围设计一个最小3阶模拟滤波器对语音信号进行预滤波，用直接、级联或并联结构实现所设计系统，对系统的时域、频域特性进行仿真测试，对结果进行分析比较。（要求保留4000Hz以内频率的信号，可采用巴特沃斯或者切比雪夫滤波器）2.设计一个系统，要求：（1）实现连续信号的抽样。（2）针对语音信号频谱及噪声频率，设计巴特沃思数字滤波器（或切比雪夫滤波器）滤除噪声，进行频谱分析并与原始信号进行比较。（3）由滤波后信号恢复出连续信号，进行谱分析并进行回放。3.利用MATLAB软件的系统仿真功能(Simulink)实现系统工作过程的仿真测试，并对其结果加以分析。第3页共31页注：巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器任选一种。三、主要设备和软件1．信号与系统实验箱，一台2.同步信号源模块（DYT3000-57），一块3.信号的抽样与恢复模块（DYT3000-68），一块4．四阶巴特沃斯滤波器模块（或四阶切比雪夫滤波器模块），一块5．DYT3000-60模拟滤波器设计模块，两~三块5.PC机，一台6．基于PC的DSO-2090USB数字示波器，一台7．MATLAB6.5以上版本，一套8．数字示波器与MATLAB接口软件模块，一套四、设计内容、步骤和要求必做部分：1．信号的抽样和恢复（1）用本课题使用的硬件系统模块，实现给定信号的抽样和恢复1）熟悉信号的抽样与恢复的工作原理。接好电源线，将信号的抽样与恢复模块和同步信号源模块插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。2）将同步信号源模块产生的VPP＝1V、f0＝1KHz的正弦波和f0＝2KHz的方波分别送入待抽样信号输入点S_IN和抽样脉冲信号输入点SQU_IN，用示波器分别观察抽样信号输出点PAM_OUT和恢复后的信号输出点S_OUT的波形并将实验数据记录下来（实验中低通滤波器的截止频率fC＝1kHz）。3）改变抽样脉冲信号的频率，分别将f0＝2kHz、4kHZ、8kHz、16KHz的方波送入抽样脉冲信号输入点SQU_IN，重复实验步骤2，比较在不同的抽样频率下恢复后的信号波形之间的差别并得出结论。2KHZ—SQU抽样输出PAM_OUT恢复输出S_OUT第4页共31页8KHZ—SQU抽样输出恢复输出S_OUT16KHZ—SQU抽样输出恢复输出S_OUT32KHZ—SQU抽样输出恢复输出S_OUT第5页共31页4）将同步信号源模块产生的VPP＝1V、f0＝1KHz的三角波作为待抽样信号送入S_IN，重复上述实验步骤。注：使用2k正弦波作被抽样信号时效果较好，可以自行比较。三角2KHZ—SQU抽样输出恢复输出8KHZ—SQU抽样输出恢复输出16KHZ—SQU抽样输出恢复输出第6页共31页32KHZ—SQU抽样输出恢复输出分析：（2）用软件实现指导给定信号的抽样和恢复（给定的信号频率及抽样频率太小）第7页共31页对连续信号)5.0cos()(ttx以抽样频率fs=2Hz抽样得到)()(nTxnx，编程完成下列任务：画出信号)(tx，40t及其在相应范围内的抽样序列；利用抽样内插函数)1(),()(srfTTtSath恢复连续时间信号。画出信号x(t)和重建信号)(txr的波形，比较这两个信号。若信号x(t)与)(txr存在较大差异，应如何改善？%functiony=sinc(x)y=ones(size(x));i=find(x);y(i)=sin(pi*x(i))./(pi*x(i));t=0:0.001:4;x=cos(0.5*pi*t);subplot(3,1,1);plot(t,x);axis([0,4,-1.1,1.1]);title('原信号');fs=2;%采样频率ts=1/fs;tp=4;%重构时间区间为4sn=0:tp/ts;xn=cos(n*ts*0.5*pi);subplot(3,1,2)stem(n*ts,xn);title('fs=2Hz抽样信号');dt=ts/50;%每个采样间隔上取点数t1=0:dt:4;%生成序列t1tp=4;%重构时间区间为4sn=0:tp/ts;tmn=ones(length(n),1)*t1-n'*ts*ones(1,length(t1));xr1=sinc(fs*tmn);x2=xn*xr1;subplot(3,1,3)plot(t1,x2);title('用抽样内插函数恢复的结果');第8页共31页figure(2)subplot(3,1,1);plot(abs(fft(x)));title('原信号的频谱');subplot(3,1,2);plot(abs(fft(xn)));title('抽样信号的频谱');subplot(3,1,3);plot(abs(fft(x2)));title('恢复后信号频谱');第9页共31页（3）用软件对给定的数字语音信号（采样频率为16000Hz）进行恢复（可以利用interp1函数），并重新进行采样，重新采样的频率分别为8000Hz和4000Hz，对恢复的语音信号及重采样的语音信号进行回放（利用sound函数），比较语音的变化并记录处理过程中所得各种波形及频谱图。[y,fs]=wavread('bu14.wav')figure(1)subplot(2,2,1);plot(y);title('原语音信号波形')y0=abs(fft(y))subplot(2,2,2);plot(y0);title('原语音信号的频谱')x=0:length(y)-1;x1=0:2.5:length(y)-1;y1=interp1(x,y,x1);subplot(2,2,3);plot(x,y,x1,y1);title('恢复后的波形');z=fft(y1);y2=abs(z);subplot(2,2,4);plot(y2);title('恢复后波形的频谱');sound(y1);figure(2)y3=decimate(y,2);subplot(2,2,1);plot(y3);title('8k采样波形');y4=abs(fft(y3))subplot(2,2,2);plot(y4);title('8k采样波形频谱');x2=0:length(y3)-1;x3=0:2.5:length(y3)-1;y5=interp1(x2,y3,x3);subplot(2,2,3);plot(x2,y3,x3,y5);title('恢复后的波形');z=fft(y5);y6=abs(z);subplot(2,2,4);plot(y6);title('恢复后波形的频谱');figure(3)y7=decimate(y,4);subplot(2,2,1);plot(y7);title('4k采样波形');y8=abs(fft(y7));subplot(2,2,2);plot(y8);title('4k采样波形频谱');x4=0:length(y7)-1;x5=0:2.5:length(y7)-1;y9=interp1(x4,y7,x5);第10页共31页subplot(2,2,3);plot(x4,y7,x5,y9);title('恢复后的波形');z=fft(y9);y10=abs(z);subplot(2,2,4);plot(y10);title('恢复后波形的频谱');第11页共31页2.滤波器设计（1）四阶巴特沃思滤波器（或四阶切比雪夫滤波器）参数测量（a）四阶巴特沃思滤波器参数测量四阶巴特沃思滤波器使用信号源单元和四阶巴特沃斯滤波器模块•熟悉四阶巴特沃斯滤波器设计、工作原理。接好电源线，将四阶巴特沃斯滤波器模块插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。•扫频信号产生1）将信号源单元的开关k2向下拨，切换至扫频输出。2）用示波器观察OUT1测试点波形，为一频率可调的锯齿波信号，该信号为扫频压控信号。调节电位计OUT1Freq使锯齿波信号为50Hz，并将“波形选择”跳线的第一组引脚连接。3）用示波器观察OUT2正弦波扫频输出信号，电位计GAINAdj则用于调节输出正弦波的幅度。4）调节电位计OUT1Freq，改变送入锯齿波压控信号的频率，重复上述步骤，用示波器观察扫频输出信号的变化。5）分别连接“频率选择”跳线的四组引脚，改变扫频信号的扫频段，重复上述步骤，用示波器观察不同扫频段的扫频输出信号。•输入输出参考点说明OUT1扫频压控锯齿波信号输出点第12页共31页OUT2正弦波扫频信号输出点。•扫频源法观察滤波器的特性：1)将信号源单元“波形选择”跳线的第1组引脚连接，并将开关k2向下拨，切换至扫频输出，按照前述步骤得到扫频正弦波信号，并用示波器观察OUT1点锯齿波频率，将其调为50Hz，作为扫频压控信号。2)将OUT2输出的扫频信号送入四阶巴特沃斯低通滤波器信号输入点BLP_IN，用示波器观察输出点BLP_OUT的输出信号波形。3)将锯齿波压控信号和低通滤波器输出信号分别接示波器的X轴和Y轴，观察李沙育图形。4)将扫频信号分别送入四阶巴特沃斯高通和带通滤波器，重复上述实验步骤，分别观察各种滤波器的输出信号波形。•描点法观察滤波器的幅频特性曲线：1）将信号源单元产生的固定频率正弦波送入低通滤波器的信号输入端BLP_IN，用示波器观察BLP_OUT的输出波形，测量波形的电平值（有效值），记录此时的电平值及频率。2）调节电位计OUT2Freq，改变输入正弦波信号的频率（保持信号幅度不变），重复步骤1。3）整理实验数据，以频率为X轴，以幅度（电平）为Y轴，绘出幅频特性图。4）将频率正弦波信号分别送入四阶巴特沃斯高通和带通滤波器，重复上述实验步骤，绘出各种滤波器的幅频特性曲线。•研究各滤波器对方波信号或其它非正弦波信号输入的响应（实验步骤自拟）。输入、输出点参考说明BLP_IN、BLP_OUT：四阶巴特沃斯低通滤波器信号输入点、信号输出点。BHP_IN、BHP_OUT：四阶巴特沃斯高通滤波器信号输入点、信号输出点。BBP_IN、BBP_OUT：四阶巴特沃斯带通滤波器信号输入点、信号输出点。第13页共31页低通高通第14页共31页带通（2）模拟及数字滤波器设计1）根据以上测量的指标，设计模拟巴特沃思（或切比雪夫）低通、高通、带通滤波器，画出幅频特性（模拟滤波器幅频特性freqs）。四阶巴特沃思滤波器参数测量模拟巴特沃斯低通滤波器F(kHz）5.1510.7215.3120.4925.6329.7332.3133.4235.2737.52Vp-p（v）0.760.720.650.5