数字信号处理课程设计.docx
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数字信号处理课程设计
课程设计报告
课程名称：
数字信号处理
课题名称：
语音信号的处理与滤波
姓名：
学号：
院系：
专业班级：
指导教师：
完成日期：
2013年7月2日
第1部分课程设计报告………………………………………3
一．设计目的……………………………………………3
二．设计内容……………………………………………3
三．设计原理……………………………………………3
四．具体实现……………………………………………5
1.录制一段声音…………………………………5
2.巴特沃斯滤波器的设计………………………8
3.将声音信号送入滤波器滤波…………………13
4.语音信号的回放………………………………19
5.男女语音信号的频谱分析……………………19
6.噪声的叠加和滤除……………………………22
五．结果分析……………………………………………27
第2部分课程设计总结………………………………28
一．参考文献……………………………………………28
第1部分课程设计报告
一．设计目的
综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。
二．设计内容
录制一段个人自己的语音信号，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
fprintf（'录音中......'）;
x=wavrecord（time*Fs,Fs,'double'）;%录制语音信号
fprintf（'录音结束'）;%文字提示
fprintf（'按Enter键回放录音'）;
pause;%暂停命令
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
figure
（2）;
subplot（2,1,2）;
plot（f,abs（y0（n1）））;%原始信号的频谱图
title（'原始信号的频谱图'）;%加标题
xlabel（'频率w/pi'）;%显示横坐标表示的意义
ylabel（'幅值'）;%显示纵坐标表示的意义
title（'原始信号的频谱图'）;%加标题
grid;%加网格
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（'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav',[4000,24000]）;
%从4000点截取到24000结束
plot（x）;%画出截取后的时域图形
title（'截取后的声音时域图形'）;%标题
xlabel（'频率'）;ylabel（'振幅'）;
grid;%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,'s'）;
[Bz,Az]=bilinear（B,A,Fs1）;
figure
（1）;
[h,w]=freqz（Bz,Az,512,Fs1*22050）;
plot（w,abs（h））;
title（'巴特沃斯低通滤波器'）;
xlabel（'频率（HZ）'）;ylabel（'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
MATLAB程序如下。
滤波器图如图3.5所示。
%高通滤波
fp=4800;fs=5000;Fs=22050;
rp=1;rs=100;
wp=2*pi*fp/Fs;
ws=2*pi*fs/Fs;
T=1;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,'high','s'）;
[Bz,Az]=bilinear（B,A,Fs1）;
figure
（1）;
[h,w]=freqz（Bz,Az,512,Fs1*22050）;
plot（w,abs（h））;
title（'巴特沃斯高通滤波器'）;
xlabel（'频率（HZ）'）;ylabel（'耗损（dB）'）;
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
MATLAB程序如下。
滤波器图如图3.7所示。
%带通滤波
fp=[1200,3000];fs=[1000,3200];Fs=8000;
rp=1;rs=100;
wp=2*pi*fp/Fs;
ws=2*pi*fs/Fs;
T=1;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,'s'）;
[Bz,Az]=bilinear（B,A,Fs1）;
figure（4）;
[h,w]=freqz（Bz,Az,512,Fs1*1000）;
plot（w,abs（h））;
title（'巴特沃斯带通滤波器'）;
xlabel（'频率（HZ）'）;ylabel（'耗损（dB）'）;
gridon;
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
x=wavread（'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav'）;%播放原始信号
wavplay（x,fs）;%播放原始信号
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（4）;
subplot（4,2,1）;
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（4,2,3）;
plot（f,abs（y0（n1）））;%原始信号的频谱图
title（'原始信号的频谱图'）;%加标题
xlabel（'频率w/pi'）;%显示横坐标表示的意义
ylabel（'幅值'）;%显示纵坐标表示的意义
title（'原始信号的频谱图'）;%加标题
grid;%加网格
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
figure（4）;
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
title（'低通滤波后信号的时域波形'）;%加标题
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
grid;%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
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
title（'低通滤波器滤波后信号的频谱图'）;%标题
grid;%加网格
wavplay（ys,8000）;%播放滤波后信号
3．2高通滤波器滤波
fs=8000;
beta=10.056;
ws=2*5000/fs;
wc=2*4800/fs;
width=ws-wc;
wn=（ws+wc）/2;
n=ceil（12.8*pi/width）;
h=fir1（n,wn/pi,'high',kaiser（n+2,beta））;
[h1,w]=freqz（h）;
ys=fftfilt（h,x）;%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
plot（ys）;%信号的时域波形
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
title（'高通滤波后信号的时域波形'）;%标题
ylabel（'幅值/A'）;%显示纵坐标的表示意义
grid;%网格
fftwave=fft（ys）;%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）））;%绘制模值
axis（[01050]）;
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
title（'高通滤波器滤波后信号的频谱图'）;%标题
grid;%加网格
wavplay（ys,8000）;%播放滤波后信号
3．3带通滤波器
fs=8000;
beta=10.056;
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）;
h=fir1（n,wn/pi,'band',kaiser（n+1,beta））;
[h1,w]=freqz（h）;
ys1=fftfilt（h,x）;%将信号送入高通滤波器滤波
figure（4）;
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
title（'带通滤波后信号的时域波形'）;%加标题
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/A'）;%显示纵坐标表示的意义
grid;%网格
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
plot（f,abs（fftwave（n1）））;%绘制模值
axis（[01050]）;
xlabel（'频率w/pi'）;ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
title（'带通滤波器滤波后信号的频谱图'）;%加标题
grid;%网格
wavplay（ys1,8000）;%播放滤波后信号
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
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
fprintf（'录音中......'）;
x=wavrecord（time*Fs,Fs,'double'）;%录制语音信号
fprintf（'录音结束'）;%文字提示
fprintf（'按Enter键回放录音'）;
pause;%暂停命令
wavplay（x,Fs）;%按任意键播放语音信号
wavwrite（x,Fs,'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound2.wav'）;%存储语音信号
5.2分析男女声音的频谱
x=wavread（'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound2.wav'）;%播放原始信号,解决落后半拍
wavplay（x,fs）;%播放原始信号
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
（1）;
subplot（2,2,1）;
plot（x）;%录制信号的时域波形
title（'原始女生信号的时域波形'）;%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（2,2,2）;
plot（f,abs（y0（n1）））;%原始信号的频谱图
title（'原始女生信号的频谱图'）;%加标题
xlabel（'频率w/pi'）;%显示横坐标表示的意义
ylabel（'幅值'）;%显示纵坐标表示的意义
grid;%加网格
[y,fs,bits]=wavread（'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav'）;%对语音信号进行采样
wavplay（y,fs）;%播放原始信号
N=length（y）;%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
subplot（2,2,3）;
plot（y）;%录制信号的时域波形
title（'原始男生信号的时域波形'）;%加标题
ylabel（'幅值/A'）;%显示纵坐标的表示意义
grid;%加网格
y0=fft（y）;%快速傅立叶变换
subplot（2,2,4）;%在四行两列的第三个窗口显示图形
plot（f,abs（y0（n1）））;%原始信号的频谱图
title（'原始男生信号的频谱图'）;%加标题
xlabel（'频率w/pi'）;%显示横坐标表示的意义
ylabel（'幅值'）;%显示纵坐标表示的意义
grid;%加网格
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
分析：
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
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
fprintf（'录音中......'）;
x=wavrecord（time*Fs,Fs,'double'）;%录制语音信号
fprintf（'录音结束'）;%文字提示
fprintf（'按Enter键回放录音'）;
pause;%暂停命令
wavplay（x,Fs）;%按任意键播放语音信号
wavwrite（x,Fs,'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\噪音.wav'）;%存储语音信号
6.2对噪声进行频谱的分析
[x1,fs,bits]=wavread（'C:
\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）;%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（5）;
subplot（3,2,1）;
plot（x1）;%信号的时域波形
title（'噪声信号的时域波形'）;
grid;
ylabel（'幅值/A'）;
y0=fft（x1）;%快速傅立叶变换
subplot（3,2,2）;
plot（f,abs（y0（n1）））;%噪声信号的频谱图
ylabel（'幅值'）;
title（'噪声信号的频谱图'）;
6.3原始信号与噪音的叠加
fs=8000;
[x,fs,bits]=wavread（'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\sound.wav'）;%对录入信号进行采样
[x1,fs,bits]=wavread（'C:
\Users\acer\Desktop\数字信号\噪音.wav'）;%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）;%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（5）;
subplot（3,2,3）;
plot（yy,'LineWidth',2）;%信号的时域波形
title（'叠加信号的时域波形'）;
xlabel（'时间/t'）;
ylabel（'幅值/A'）;
grid;
y0=fft（yy）;%快速傅立叶变换
subplot（3,2,4）;
plot（f,abs（y0（n1）））;%叠加信号的频谱图
title（'叠加信号的频谱图'）;
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/db'）;
grid;
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）;%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
figure（5）;
subplot（3,2,5）;
plot（ys）;%信号的时域波形
title（'低通滤波后信号的时域波形'）;%加标题
ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
grid;%网格
subplot（3,2,6）;
plot（f,abs（fftwave（n1）））;%绘制模值
title（'低通滤波器滤波后信号的频谱图'）;%标题
xlabel（'频率w/pi'）;
ylabel（'幅值/A'）;%显示标表示的意义
grid;%加网格
wavplay（ys,8000）;%播放滤波后信号
grid;
图形如下：
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（'d:
\matlav\work\womamaaiwo.wav'，[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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