数字信号处理课程设计Word下载.docx
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给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换法设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；
然后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；
换一个与你性别相异的人录制同样一段语音内容，分析两段内容相同的语音信号频谱之间有什么特点；
再录制一段同样长时间的背景噪声叠加到你的语音信号中，分析叠加前后信号频谱的变化，设计一个合适的滤波器，能够把该噪声滤除；
三．设计原理
1.在Matlab软件平台下，利用函数wavrecord（），wavwrite（）,wavread（）,wavplay（）对语音信号进行录制，存储，读取，回放。
2.用y=fft（x）对采集的信号做快速傅立叶变换，并用[h1,w]=freqz（h）进行DTFT变换。
3.掌握FIRDF线性相位的概念，即线性相位对
及零点的约束，了解四种FIRDF的频响特点。
4.在Matlab中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波。
5.抽样定理
连续信号经理想抽样后时域、频域发生的变化（理想抽样信号与连续信号频谱之间的关系）
理想抽样信号能否代表原始信号、如何不失真地还原信号即由离散信号恢复连续信号的条件（抽样定理）
理想采样过程描述：
时域描述：
频域描述：
利用傅氏变换的性质，时域相乘频域卷积，若
则有
与
的关系：
理想抽样信号的频谱是连续信号频谱的周期延拓,重复周期为s（采样角频率）。
如果：
即连续信号是带限的，且信号最高频率不超过抽样频率的二分之一，则可不失真恢复。
奈奎斯特采样定理：
要使实信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍：
四．具体实现
1.录制一段声音
1.1录制并分析
在MATLAB中用wavrecord、wavread、wavplay、wavwrite对声音进行录制、读取、回放、存储。
程序如下：
Fs=8000;
%抽样频率
time=3;
%录音时间
fprintf（'
按Enter键录音%ds'
time）;
%文字提示
pause;
%暂停命令
录音中......'
）;
x=wavrecord（time*Fs,Fs,'
double'
%录制语音信号
录音结束'
按Enter键回放录音'
wavplay（x,Fs）;
%按任意键播放语音信号
wavwrite（x,Fs,'
C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav'
%存储语音信号
N=length（x）;
%返回采样点数
df=fs/N;
%采样间隔
n1=1:
N/2;
f=[（n1-1）*（2*pi/N）]/pi;
%频带宽度
figure
（2）;
subplot（2,1,1）;
plot（x）;
%录制信号的时域波形
title（'
原始信号的时域波形'
%加标题
ylabel（'
幅值/A'
%显示纵坐标的表示意义
grid;
%加网格
y0=fft（x）;
%快速傅立叶变换
subplot（2,1,2）;
plot（f,abs（y0（n1）））;
%原始信号的频谱图
原始信号的频谱图'
xlabel（'
频率w/pi'
%显示横坐标表示的意义
幅值'
%显示纵坐标表示的意义
图1.1原始信号的时域与频谱图
1.2滤除无效点
针对实际发出声音落后录制动作半拍的现象，如何拔除对无效点的采样的问题:
出现这种现象的原因主要是录音开始时，人的反应慢了半拍，导致出现了一些无效点，而后而出现的无效的点，主要是已经没有声音的动作，先读取声音出来，将原始语音信号时域波形图画出来，根据己得到的信号，可以在第二次读取声音的后面设定采样点，取好有效点，画出滤除无效点后的语音信号时域波形图，对比可以看出。
这样就可以解决这个问题。
x=wavread（'
[4000,24000]）;
%从4000点截取到24000结束
plot（x）;
%画出截取后的时域图形
截取后的声音时域图形'
%标题
频率'
振幅'
）;
%画网格
图1.2去除无效点
2.巴特沃斯滤波器的设计
2.1设计巴特沃思低通滤波器
MATLAB程序如下。
滤波器图如图3.3所示。
%低通滤波
fp=1000;
fs=1200;
Fs=22050;
rp=1;
rs=100;
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,'
[Bz,Az]=bilinear（B,A,Fs1）;
figure
（1）;
[h,w]=freqz（Bz,Az,512,Fs1*22050）;
plot（w,abs（h））;
巴特沃斯低通滤波器'
频率（HZ）'
耗损（dB）'
gridon;
图2.1巴特沃思低通滤波器
2.2设计巴特沃思高通滤波器
滤波器图如图3.5所示。
%高通滤波
fp=4800;
fs=5000;
T=1;
high'
'
巴特沃斯高通滤波器'
gridon;
图2.2巴特沃思高通滤波器
2.3设计巴特沃思带通滤波器
滤波器图如图3.7所示。
%带通滤波
fp=[1200,3000];
fs=[1000,3200];
figure（4）;
[h,w]=freqz（Bz,Az,512,Fs1*1000）;
巴特沃斯带通滤波器'
图2.3巴特沃思带通滤波器
3．将声音信号送入滤波器滤波
%播放原始信号
wavplay（x,fs）;
%播放原始信号
subplot（4,2,1）;
subplot（4,2,3）;
3．1低通滤波器滤波
fs=8000;
beta=10.056;
wc=2*pi*1000/fs;
ws=2*pi*1200/fs;
width=ws-wc;
wn=（ws+wc）/2;
n=ceil（12.8*pi/width）;
h=fir1（n,wn/pi,'
band'
kaiser（n+1,beta））;
[h1,w]=freqz（h）;
ys=fftfilt（h,x）;
%信号送入滤波器滤波，ys为输出
fftwave=fft（ys）;
%将滤波后的语音信号进行快速傅立叶变换
subplot（4,2,2）;
%在四行两列的第二个窗口显示图形
plot（ys）;
%信号的时域波形
低通滤波后信号的时域波形'
%显示标表示的意义
%网格
subplot（4,2,4）;
%在四行两列的第四个窗口显示图形
plot（f,abs（fftwave（n1）））;
%绘制模值
低通滤波器滤波后信号的频谱图'
wavplay（ys,8000）;
%播放滤波后信号
3．2高通滤波器滤波
ws=2*5000/fs;
wc=2*4800/fs;
n=ceil（12.8*pi/width）;
h=fir1（n,wn/pi,'
kaiser（n+2,beta））;
%将信号送入高通滤波器滤波
subplot（4,2,5）;
%在四行两列的第五个窗口显示图形
高通滤波后信号的时域波形'
%将滤波后的语音信号进行快速傅立叶变换
subplot（4,2,7）;
%在四行两列的第七个窗口显示图形
plot（f,abs（fftwave（n1）））;
axis（[01050]）;
高通滤波器滤波后信号的频谱图'
3．3带通滤波器
wc1=2*pi*1000/fs;
wc2=2*pi*3200/fs;
ws1=2*pi*1200/fs;
ws2=2*pi*3000/fs;
width=ws1-wc1;
wn1=（ws1+wc1）/2;
wn2=（ws2+wc2）/2;
wn=[wn1wn2];
n=ceil（12.8/width*pi）;
ys1=fftfilt（h,x）;
%将信号送入高通滤波器滤波
subplot（4,2,6）;
%在四行两列的第六个窗口显示图形
plot（ys1）;
%绘制后信号的时域的图形
带通滤波后信号的时域波形'
fftwave=fft（ys1）;
%对滤波后的信号进行快速傅立叶变换
subplot（4,2,8）;
%在四行两列的第八个窗口显示图形
带通滤波器滤波后信号的频谱图'
wavplay（ys1,8000）;
图形如下：
分析：
三个滤波器滤波后的声音与原来的声音都发生了变化。
其中低通的滤波后与原来声音没有很大的变化，其它两个都又明显的变化
4.语音信号的回放
sound（xlow,Fs,bits）;
%在Matlab中，函数sound可以对声音进行回放，其调用格式:
sound（xhigh,Fs,bits）;
%sound（x,Fs,bits）;
sound（xdaitong,Fs,bits）;
5.男女语音信号的频谱分析
5.1录制一段异性的声音进行频谱分析
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound2.wav'
5.2分析男女声音的频谱
C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound2.wav'
%播放原始信号,解决落后半拍
subplot（2,2,1）;
原始女生信号的时域波形'
subplot（2,2,2）;
原始女生信号的频谱图'
[y,fs,bits]=wavread（'
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav'
%对语音信号进行采样
wavplay（y,fs）;
N=length（y）;
subplot（2,2,3）;
plot（y）;
原始男生信号的时域波形'
y0=fft（y）;
subplot（2,2,4）;
%在四行两列的第三个窗口显示图形
原始男生信号的频谱图'
5.3男女声音的频谱图
图5.3男女声音信号波形与频谱对比
就时域图看，男生的时域图中振幅比女生的高，对于频谱图女生的高频成分比较多
6.噪声的叠加和滤除
6.1录制一段背景噪声
\Users\acer\Desktop\数字信号\噪音.wav'
6.2对噪声进行频谱的分析
[x1,fs,bits]=wavread（'
\Users\acer\Desktop\数字信号\噪音.wav'
%对语音信号进行采样
wavplay（x1,fs）;
%播放噪声信号
N=length（x1）;
%采样间隔
figure（5）;
subplot（3,2,1）;
plot（x1）;
噪声信号的时域波形'
y0=fft（x1）;
subplot（3,2,2）;
%噪声信号的频谱图
幅值'
噪声信号的频谱图'
6.3原始信号与噪音的叠加
[x,fs,bits]=wavread（'
%对录入信号进行采样
%对噪声信号进行采样
yy=x+x1;
%将两个声音叠加
6.4叠加信号的频谱分析：
wavplay（yy,fs）;
%播放叠加后信号
N=length（yy）;
subplot（3,2,3）;
plot（yy,'
LineWidth'
2）;
叠加信号的时域波形'
时间/t'
y0=fft（yy）;
subplot（3,2,4）;
%叠加信号的频谱图
叠加信号的频谱图'
幅值/db'
6.5设计一个合适的滤波器将噪声滤除
fs=18000;
%采样频率
Wp=2*1000/fs;
%通带截至频率
Ws=2*2000/fs;
%阻带截至频率
Rp=1;
%最大衰减
Rs=100;
%最小衰减
[N,Wn]=buttord（Wp,Ws,Rp,Rs）;
%buttord函数（n为阶数，Wn为截至频率）
[num,den]=butter（N,Wn）;
%butter函数（num为分子系数den为分母系数）
[h,w]=freqz（num,den）;
%DTFT变换
ys=filter（num,den,yy）;
subplot（3,2,5）;
subplot（3,2,6）;
图6.1噪音的叠加与滤除前后频谱对比
7.结果分析
1.录制刚开始时，常会出现实际发出声音落后录制动作半拍，可在[x,fs,bits]=wavread（'
d:
\matlav\work\womamaaiwo.wav'
）加窗[x,fs,bits]=wavread（'
，[10010000]），窗的长度可根据需要定义。
2.语音信号通过低通滤波器后，把高频滤除，声音变得比较低沉。
当通过高通滤波器后，把低频滤除，声音变得比较就尖锐。
通过带通滤波器后，声音比较适中。
3.通过观察男生和女生图像知：
时域图的振幅大小与性别无关，只与说话人音量大小
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