数字滤波器设计及在语 音信号分析中的应用

课程设计报告课程名称数字信号处理课题名称数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业通信工程班级学号姓名指导教师彭祯罗敬湖南工程学院课程设计报告1湖南工程学院课程设计任务书课程名称数字信号处理课题数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业班级通信工程学生姓名学号指导老师彭祯罗敬审批任务书下达日期2013年9月1日任务完成日期2013年9月8日湖南工程学院课程设计报告2《数字信号处理》课程设计指导一、课程设计的性质与目的《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。二、课程设计题目题目1：数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用。1、设计步骤：（1）语音信号采集录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样；录制时可以使用Windows自带的录音机，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。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。（2）语音信号分析使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。根据频谱图求出其带宽，并说明语音信号的采样频率不能低于多少赫兹。（3）含噪语音信号合成在MATLAB软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：①白湖南工程学院课程设计报告3噪声；②单频噪色（正弦干扰）；③多频噪声（多正弦干扰）；④其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或Chirp干扰、冲激干扰。绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号图形对比，也可通过Windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。（4）数字滤波器设计及滤波给定滤波器的规一化性能指标（参考指标,实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定）例如：通带截止频率wp=0.25*pi,阻通带截止频率ws=0.3*pi;通带最大衰减Rp=1dB;阻带最小衰减Rs=15dB，每个题目至少设计出5个用不同方法的不同类型滤波器。①：采用窗函数法与等波纹法分别设计FIR滤波器来对叠加噪声前后的语音信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应，绘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；在相同的性能指标下比较各方法的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。②：采用双线性变换法与脉冲响应不变法，分别利用不同的原型低通滤波器（Butterworth型与切比雪夫I型）来设计IIR滤波器，绘出滤波器的频域响应；并用这些数字滤波器对含噪语音信号分别进行滤波处理，比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。（5）回放语音信号对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。（6）设计一个语音信号分析与处理系统界面(选作)利用MATLAB的界面设计功能，设计一个MATLAB环境下的人机交互界面，完成上述滤波器的设计及滤波过程，要求能够接收输入的设计参数，查看设计结果及滤波结果。三、课程设计要求1、在一周内学生须上机16小时以上，程序调试完后，须由指导老师在机器上检查运行结果，经教师认可后的源程序可通过打印机输出，并请教师在程序清单上签字。2、课程设计报告内容和格式：设计题目，设计的详细步骤，设计过程中的结果、图形等，设计总结。3、每组每人必须独立完成，成绩的考核按设计结果、答辩成绩及课程设计报告来综合评定。成绩分为优、良、中、及格、不及格五级分评定。4、指导教师：彭祯罗敬。四、设计进度安排湖南工程学院课程设计报告4通信工程1181:1周周一上午，E-410,布置课程设计任务，学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周二上午，E-410,学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周三上午，E-410,学生上机，按任务要求进行课程设计；分组选题；1周周四上午，E-410,学生任务完成，答辩并提交课程设计报告。附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分、附件（A4大小的图纸及程序清单）。正文的格式:一级标题用3号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为22。正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模块的划分（要求画出模块图）；三、主要功能的实现（至少要有一个主要模块的流程图）；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释）。正文总字数要求在5000字以上（不含程序原代码）。湖南工程学院课程设计报告5目录1.数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用................................61.1课程设计的性质与目的..............................................61.2功能要求..........................................................61.3基本设计思想......................................................62.设计内容与步骤及结果分析...............................................62.1设计步骤：........................................................62.2设计流程图及原理图................................................72.2.1设计流程图...................................................72.2.2原理图.......................................................82.3系统各功能模块的实现..............................................82.3.2语音信号的时频分析...........................................92.3.3语音信号加噪与频谱分析......................................102.3.4数字滤波器设计及滤波........................................112.3.5比较滤波前后语音信号的波形及频谱............................172.3.6回放语音信号................................................203.实验总结.............................................................204.体会.................................................................21评分表..................................................................22161.数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用1.1课程设计的性质与目的《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。1.2功能要求利用MATLAB的界面设计功能，设计一个MATLAB环境下的人机交互界面，完成上述滤波器的设计及滤波过程，要求能够接收输入的设计参数，查看设计结果及滤波结果。1.3基本设计思想录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图;给定滤波器的性能指标,采用matlab设计数字滤波器,并画出滤波器的频率响应;用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波,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;回放语音信号进行比较。2.设计内容与步骤及结果分析2.1设计步骤：二、语音信号采集三、语音信号分析四、含噪音信号合成五、数字滤波器设计及滤波六、回放语音72.2设计流程图及原理图2.2.1设计流程图否是图2-1流程图录制段语音信号，命名为‘录音.wav’，绘制出其时域波形和频谱图开始加入白噪声，绘制干扰后的时域波形和频谱图设计合理的滤波器回放语音信号，验证是否达到去噪效果将干扰后的语音信号通过自己设计的滤波器进行滤波去噪是否达到去噪效果？结束82.2.2原理图图2-2原理图2.3系统各功能模块的实现2.3.1语音信号采样录音采样器的作用是把连续信号变为脉冲或数字序列。图中示出了一个连续信号f(t)经采样器采样后变为离散信号的过程上图中连续信号f(t)经采样器采样后变为离散信号，S（t）为周期性窄脉冲信号，fs(t)为采样后的离散信号，它用下式来表征：fs(t)=f(t)s(t)采样信号的频率特性为：如果｜F*(jω)｜中各个波形不重复搭接，相互间有一定的距离(频率)，即若：Ws=Wmax或Ws=2Wmax即采样定理可叙述如下：如果采样周期满足下列条件，即：Ws=2*pi/T2Wmax式中ωmax为连续信号f(t)的最高次谐波的角频率。则采样信号f*(t)就可以无失真地再恢复为原连续信号f(t)。需要指出的是，采样定理只是在理论上给出了信号准确9复现的条件。利用PC机上的声卡和WINDOWS操作系统可以进行数字信号的采集。将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机。按下录音按钮,接着对话筒说话“语音信号处理”,说完后停止录音,屏幕左侧将显示所录声音的长度。点击放音按钮,可以实现所录音的重现。以文件名“BuzzingBee.wav'”保存入文件中。可以看到,文件存储器的后缀默认为.wav,这是WINDOWS操作系统规定的声音文件存的标准。2.3.2语音信号的时频分析利用MATLAB中的“wavread”命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再对其进行采样，记住采样频率和采样点数。下面介绍Wavread函数几种调用格式。（1）y=wavread（file）说明读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中。（2）[y,fs,nbits]=wavread(file)说明采样值放在向量y中，fs表示采样频率（hz），nbits表示采样位数。（3）y=wavread（file，N)说明：读取钱N点的采样值放在向量y中。（4）y=wavread（file，[N1,N2])说明：读取从N1到N2点的采样值放在向量y中。接下来，对语音信号OriSound.wav进行采样。[y,fs,nbits]=wavered(‘BuzzingBee’);%把语音信号加载入Matlab仿真软件平中