语音信号处理.docx
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语音信号处理
课程设计报告
题目：
语音信号处理与滤波
专业：
电子信息工程
班级：
姓名：
学号：
2013年1月3日
目录
一设计内容及意义2
1.1设计的内容2
1.2设计的意义2
二设计的任务及技术指标2
2.1设计任务2
2.2技术指标2
三设计原理及方案论证3
3.1信号的抽样与恢复3
3.2滤波器设计3
3.2.1模拟滤波器设计原理3
3.2.2模拟滤波器数字化原理4
3.2.3数字高通、带通、带阻滤波器的设计5
四设计过程5
4.1信号采集5
4.2构造受干扰信号并对其进行FFT频谱分析6
4.3数字滤波器设计及信号处理8
五心得体会10
六参考文献11
一设计内容及意义
1.1设计的内容
本次课程设计要求利用MATLAB对语音信号进行数字信号处理和分析，要求采集语音信号后，在MATLAB软件平台进行频谱分析；并对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号。
1.2设计的意义
本次设计基本完成了语音信号的分析与处理，在下面方面有实际意义：
1.对原信号，带噪信号进行简单的时域频域分析。
2.分析不同采样频率下的语音信号的不同。
二设计的任务及技术指标
2.1设计任务
设计一个简单的语音信号分析系统，实现对语音信号时域波形显示、进行频谱分析，利用滤波器滤除噪声、对语音信号的参数进行提取分析等功能。
采用Matlab设计语言信号分析相关程序，并且利用GUI设计图形用户界面。
具体任务是：
（1）采集语音信号。
（2）对原始语音信号加入干扰噪声，对原始语音信号及带噪语音信号进行时频域分析。
（3）针对语音信号频谱及噪声频率，设计合适的数字滤波器滤除噪声。
（4）对噪声滤除前后的语音进行时频域分析。
（5）对语音信号进行重采样，回放并与原始信号进行比较。
2.2技术指标
低通滤波器的技术指标WP,WS,RP,AS,采样频率的技术指标FS，帧长，帧移，帧重叠采样点数
三设计原理及方案论证
3.1信号的抽样与恢复
利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。
抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。
数字通信系统是以此定理作为理论基础。
抽样过程关系到通信设备整个系统的性能指标。
3.2滤波器设计
3.2.1模拟滤波器设计原理
（1）模拟巴特沃思滤波器原理
巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性：
在小于截止频率
的范围内，具有最平幅度的响应，而在
后，幅频响应迅速下降。
巴特沃思低通滤波器幅度平方函数为：
（3-1）
式中N为滤波器阶数，
为3dB截止角频率。
将幅度平方函数写成s的函数：
（3-2）
该幅度平方函数有2N个等间隔分布在半径为
的圆上的极点
，
为了形成稳定的滤波器，取左半平面的N个极点构成
，即：
（3-3）
为使设计统一，将频率归一化，得到归一化极点
，相应的归一化系统函数为：
（3-4）
多项式：
（3-5）
（2）模拟切比雪夫滤波器原理
切比雪夫滤波器的幅频特性具有等波纹特性，有两种形式，在通带内等波纹、阻带单调的是I型滤波器，在通带内单调、在阻带内等波纹的是II滤波器。
以I型滤波器为例。
切比雪夫滤波器的幅度平方函数为：
（3-6）
ε为小于1的正数，表示通带内幅度波动的程度。
Ωp称为通带截止频率。
令λ=Ω/Ωp，称为对Ωp的归一化频率。
CN（x）为N阶切比雪夫多项式。
幅度平方函数的极点是分布在bΩp为长半轴，aΩp为短半轴的椭圆上的点。
同样取s平面左半平面的极点构成
：
（3-7）
（3-8）
其中
，
3.2.2模拟滤波器数字化原理
将模拟滤波器转化为数字滤波器在工程上常用的有脉冲响应不变法和双线性变换法。
脉冲响应不变法时一种时域上的转换方法，它是数字滤波器的单位取样响应在抽样点上等于模拟滤波器的单位冲激响应，即：
（3-9）
设模拟滤波器只有单阶极点，其系统函数为：
（3-10）
对
进行拉氏反变换得到
，对
进行等间隔抽样，得到
，对
进行Z变换，得到数字滤波器系统函数：
（3-11）
这种方法s和z的关系是：
。
该方法的优点是频率坐标变换时线性的切数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好；缺点是会产生频谱混叠现象，适合低通、带通滤波器的设计，不适合高通、带阻滤波器的设计。
双线性变换法为了克服频谱混叠现象，采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到
之间，再用
转换到Z平面上。
这种方法s和z的关系是：
。
该方法克服了频谱混叠现象，但带来了频率坐标变换的非线性：
，由模拟滤波器系统函数转换为数字滤波器系统函数公式为：
（3-12）
3.2.3数字高通、带通、带阻滤波器的设计
这些滤波器可以借助于模拟滤波器的频率变换设计一个所需类型的模拟滤波器，再通过双线性变换法将其转换成所需类型的数字滤波器。
首先确定所需类型数字滤波器的技术指标；然后将数字滤波器技术指标按照公式
转换成所需类型滤波器的模拟域技术指标；将所需类型滤波器的模拟域技术指标转换成低通滤波器技术指标；设计归一化模拟低通滤波器；去归一化得到模拟低通滤波器的系统函数；将模拟低通滤波器转换为所需类型的模拟滤波器；最后通过双线性变换法转换成所需类型的数字滤波器。
四设计过程
4.1信号采集
采集语音信号，并对其进行FFT频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。
实验源程序：
对语音1.wav进行fs=16k的采集，包含时域频域分析：
[x,fs]=wavread（'E:
\ZHEN.wav'）;
sound（x,fs）;
subplot（2,1,1）;
plot（x）;
title（'原始信号波形'）;xlabel（'时间'）;ylabel（'幅度'）;
subplot（2,1,2）;
X=fft（x）;
plot（abs（X））;
title（'原始信号频谱'）;xlabel（'时间'）;ylabel（'幅度'）;
结果：
4.2构造受干扰信号并对其进行FFT频谱分析
对语音信号加入干扰噪声0.03*cos（1000*t），对语音信号进行回放（利用sound函数），感觉加噪前后声音的变化。
对其做FFT，进行频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频谱：
实验源程序:
[x,fs]=wavread（'E:
\ZHEN.wav'）;
sound（x,fs）;
n=0:
（length（x）-1）;
t=0.01*n;
noise=0.03*cos（1000*t）;
Si=x+noise';
pause
（1）
sound（Si,fs）;
subplot（2,1,1）;
plot（Si）;
title（'加噪语音信号时域波形'）;xlabel（'时间'）;ylabel（'幅度'）;
subplot（2,1,2）;
S=fft（Si）;
plot（abs（S））;
title（'加噪语音信号频谱波形'）;xlabel（'时间'）;ylabel（'幅度'）;
结果：
加上噪声后,语音时域和频域波形变化明显
4.3数字滤波器设计及信号处理
设计合适的数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性，并对带噪语音信号进行滤波，对滤波后的语音信号进行FFT频谱分析：
实验源程序:
[x,fs]=wavread（'E:
\ZHEN.wav'）;
sound（x,fs）;
pause
（1）
n=0:
（length（y）-1）;
t=0.01*n;
noise=0.03*cos（1000*t）;
y=x+noise';
sound（y,fs）;
pause
（1）
k=0:
N-1;
w=（2*pi/N）*k;
f=w*fs/（2*pi）;
subplot（2,2,1）
plot（y）
title（'滤波前的时域波形'）
subplot（2,2,2）
Y=fft（y）;
plot（abs（Y））
title（'滤波前的频域波形'）
wpd=2*pi*50/1000;wsd=2*pi*70/1000;%确定截止频率
Btd=wsd-wpd;%计算过渡带宽
wcd=（wsd+wpd）/2/pi;%计算3db截止频率
Md=ceil（6.6*pi/Btd）;
hnd=fir1（Md,wcd）;
yyd=filter（hnd,1,y）;
sound（yyd,fs）;
pause
（1）
subplot（2,2,3）
plot（yyd）
title（'滤波后的时域波形'）
YYd=fft（yyd）;
subplot（2,2,4）
plot（abs（YYd））
title（'滤波后的频域波形'）
结果：
语音还原比较好，接近原语音。
五心得体会
这次课程设计之后，我在MATLAB对语音信号进行数字信号处理和分析方面的能力得到加强。
学会了在采集语音信号后，如何在MATLAB软件平台进行频谱分析；并对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号。
这次课程设计让我对于Matlab软件的使用也更加熟悉了，同时也锻炼了自己的动手实践能力，耐心和毅力。
六参考文献
[1]梁虹.信号与线性系统分析（基于matlab的方法与实现）.高等教育出版社，2007.12
[2]王宏MATLAB6.5及其在信号处理中的应用。
北京：
清华大学出版社，2004
[3]张雪英.数字语音处理及matlab仿真.电子工业出版社，2010.7
[4]高西全.数字信号处理（第三版）.西安电子科技大学出版社，2008.8
[5]吴大正.信号与线性系统分析（第四版）.高等教育出版社，2005.8
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