1、數(shù)字信號處頁腳系學(xué)生班學(xué)成綜合實驗報告綜合實驗名稱：應(yīng)用MatLab對語音信號進(jìn)行頻譜分析及濾波級：號:績：指導(dǎo)教師：開課時間學(xué)年學(xué)期目錄一綜合實驗題目1二、綜合實驗?zāi)康暮鸵饬x12.1 綜合實驗?zāi)康?2.2 綜合實驗的意義1三綜合實驗的主要容和要求13.2 綜合實驗的要求：2四實驗的原理24.1數(shù)字濾波器的概念24.2 數(shù)字濾波器的分類2(1)根據(jù)單位沖激響應(yīng)h(n)的時間特性分類2五實驗的步驟3下面對各步驟加以具體說明。5.1語音信號的采集35.2 語音信號的頻譜分析;35.3 設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)55.3.1設(shè)計數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)：55.3.2用Matlab設(shè)計數(shù)字濾波器65.

2、6設(shè)計系統(tǒng)界面19六、心得體會20參考文獻(xiàn)：21一綜合實驗題目應(yīng)用MatLab對語音信號進(jìn)行頻譜分析及濾波二、綜合實驗?zāi)康暮鸵饬x2.1綜合實驗?zāi)康臑榱遂柟趟鶎W(xué)的數(shù)字信號處理理論知識，使學(xué)生對信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲等有一個系統(tǒng)的掌握和理解，再者，加強(qiáng)學(xué)生對Matlab軟件在信號分析和處理的運用綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用MATLAB作為編程工具進(jìn)行計算機(jī)實現(xiàn)，從而加深對所學(xué)知識的理解，建立概念。2.2綜合實驗的意義語言是我們?nèi)祟愃赜械墓δ?，它是傳承和記載人類幾千年文明史，沒有語言就沒有我們今天人類的文明。語音是語言最基本的

3、表現(xiàn)形式，是相互傳遞信息最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語音信號處理屬于信息科學(xué)的一個重要分支，大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的飛速前進(jìn)，推動了這一技術(shù)的發(fā)展；它是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對語音信號進(jìn)行處理的一門新興學(xué)科，同時又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科，因此我們進(jìn)行語言信號處理具有時代的意義。三綜合實驗的主要容和要求3.1綜合實驗的主要容：錄制一段個人自己的語音信號，并對錄制的信號進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標(biāo)，采用窗函數(shù)法和雙線性變換設(shè)計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計的濾波器對采集

4、的信號進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化；回放語音信號；綜合實驗應(yīng)完成的工作：(1) 語音信號的采集;(2) 語音信號的頻譜分析;(3) 數(shù)字濾波器的設(shè)計;(4) 對語音信號進(jìn)行濾波處理;(5) 對濾波前后的語音信號頻譜進(jìn)行對比分析;3.2綜合實驗的要求：(1) 學(xué)生能夠根據(jù)設(shè)計容積極主動查找相關(guān)資料;(2) 濾波器的性能指標(biāo)可以根據(jù)實際情況作調(diào)整;(3) 對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行獨立思考和分析;(4) 設(shè)計完成后,要提交相關(guān)的文檔; 綜合實驗報告書(紙質(zhì)和電子版各一份,具體格式參照學(xué)校課程設(shè)計管理規(guī)定),報告容要涵蓋設(shè)計題目、設(shè)計任務(wù)、詳細(xì)的設(shè)計過程、

5、原理說明、頻譜圖的分析、調(diào)試總結(jié)、心得體會、參考文獻(xiàn)(在報告中參考文獻(xiàn)要做標(biāo)注，不少于5篇)。 可運行的源程序代碼(電子版)(5) 在基本要求的基礎(chǔ)上,學(xué)生可以根據(jù)個人對該綜合實驗的理解,添加一些新的容。四實驗的原理4.1數(shù)字濾波器的概念：若濾波器的輸入、輸出都是離散時間信號，那么該濾波器的單位沖激響應(yīng)h(n)也必然是離散的，這種濾波器稱為數(shù)字濾波器(DF)。】數(shù)字濾波器實質(zhì)上是一種運算過程用來描述離散系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的差分方程的計算或卷積計算。數(shù)字濾波器的實質(zhì)是用一有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性時不變系統(tǒng)，以完成對信號進(jìn)行濾波處理的過程。它是數(shù)字信號處理的一個重要分支，具有穩(wěn)定性好、精度高

6、、靈活性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點?！?】4.2數(shù)字濾波器的分類：數(shù)字濾波器根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以將濾波器分成不同的類別。(1) 根據(jù)單位沖激響應(yīng)h(n)的時間特性分類無限沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器有限沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器(2) 根據(jù)實現(xiàn)方法和形式分類遞歸型數(shù)字濾波器非遞歸型數(shù)字濾波器快速卷積型(3) 根據(jù)頻率特性分類低通數(shù)字濾波器、高通數(shù)字濾波器、帶通數(shù)字波器4.3濾波器的作用：濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電【3】。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。五實驗的步

7、驟錄制一段個人自己的語音信號，并對錄制的信號進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標(biāo)，采用窗函數(shù)法和雙線性變換設(shè)計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化；回放語音信號；最后，設(shè)計一個信號處理系統(tǒng)界面。下面對各步驟加以具體說明。5.1語音信號的采集：利用PC機(jī)上的聲卡和Windows操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號的采集。將話筒插入計算機(jī)的語音輸入插口上,啟動錄音機(jī)。按下錄音按鈕，對話筒讀一段話,讀完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。【1】5.2語音信號的頻

8、譜分析：(1) 首先畫出由wavread函數(shù)采樣后的信號的時域波形和它的頻域響應(yīng)波形；語音信號的程序如下:x1,fs,bits二wavread('c：wudan2.wav')；%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1figure(20)plot(x1)%做原始語音信號以44.1k采樣后的時域圖形title（'原始語音采樣后時域信號'）;xlabel（'時間軸n'）；ylabel（'幅值A(chǔ)'）;figure（21）freqz（x1）%繪制原始語音信號采樣后的頻率響應(yīng)圖title（'原始語音信號采樣后頻率響應(yīng)圖'）;運行結(jié)果

9、:40証口Q.1D.2Q.3Q.4.£D.GQ.7Q.BD.9NormalizedFrequency（敦血rad/sample）F上F±|：ixirtt21口回因Eile£ditMiewZjis1TLqol5Hotop扯indowJjalp耳kH匸?z右叨匚口廂始語崙佶號來祥后煩率響應(yīng)國圖1圖2(2) 對語音信號進(jìn)行FFT變換，得到FFT頻譜特性曲線，與原語音信號的頻譜特性曲線進(jìn)行比較。語音信號FFT的程序如下：xl,fs,bits二wavread('c:wudan2.wav')；%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量xlyl=fft(x1,1024)；%

10、對采樣后信號做1024點FFT變換f=fs*(0:5ll)/l024；figure(19)subplot(2,1,1)；plot(f,abs(y1(1:512)；title('原始語音信號頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值')subplot(2,1,2)；plot(abs(y1(1：1024)%采樣后信號的FFT頻譜圖title('原始語音信號FFT頻譜')xlabel('點數(shù)N');ylabel('幅值');運行結(jié)果：圖35.3設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)5.3.1設(shè)計

11、數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)： 低通濾波器性能指標(biāo)fb=1000Hz,fc=1200Hz,As=100db,Ap=1db。 高通濾波器性能指標(biāo)fs=4800Hz,fb=5000Hz,As=100db,Ap=1db。 帶通濾波器性能指標(biāo)fbl=1200Hz,fb2=3000Hz,fcl=1000Hz,fc2=3200Hz,As=100db,Ap=ldb。5.3.2用Matlab設(shè)計數(shù)字濾波器 用雙線性變換法設(shè)計上面要求的3種濾波器。在Matlab中，可以利用函數(shù)butter,chebyl和ellip設(shè)計IIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)frepz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)?！?】 用窗函數(shù)法設(shè)計上面要求

12、的3種濾波器。在Matlab中，可以利用函數(shù)fir1設(shè)計FIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。5.4對語音信號進(jìn)行濾波處理用自己設(shè)計的各濾波器分別對采集的信號進(jìn)行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)行濾波。并比較濾波前后語音信號的波形及頻譜?！?】IIR低通濾波器程序如下：fs=22050;x2=wavread('c：wudan2.wav');Ts=l/fs;Rl=l0;wp=2*pi*l000/fs;ws=2*pi*l200/fs;Rp=l;Rl=l00;%將模擬指

13、標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)%選擇濾波器的最小階數(shù)%創(chuàng)建butterworth模擬濾波器%用雙線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器%繪制頻率響應(yīng)曲線wpl=2/Ts*tan(wp/2);wsl=2/Ts*tan(ws/2);N,Wn=buttord(wpl,wsl,Rp,Rl,'s')Z,P,K=buttap(N);Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn);bz,az=bilinear(b,a,fs);的轉(zhuǎn)換H,W=freqz(bz,az);figure(l6)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel('頻率/H

14、z')ylabel('頻率響應(yīng)幅度')title('IIR低通濾波器')fl=filter(bz,az,x2);figure(l7)subplot(2,l,l)plot(x2)%畫出濾波前的時域圖title('IIR低通濾波器濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(f1);%畫出濾波后的時域圖title('IIR低通濾波器濾波后的時域波形');sound(f1,44100);%播放濾波后的信號F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(18)y2=fft(x2,10

15、24);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);%畫出濾波前的頻譜圖title('IIR低通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0(1:512)；%畫出濾波后的頻譜圖title('IIR低通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');運行結(jié)果：圖4|胡氐通滅派無誡波前的時戦誰戒一4F±«ur<»t

16、7口冋冋'£il«耳d.i也丄i*工n3七工ddL口.ak-t00Uind.9wj聲uiaiah、r“'4-EzliiII尺假通濁器is圖5p>FxiKuxrao舊E.L=L«Hdiill£i«vvXxis«xtZ?Dakt.drM.indc?wH«Lp口Mla氐云m.nr=1ro圖6IIR髙通濾波器程序如下：fs=22050;x1=wavread('c：wudan2.wav');Fs=22050;Ts=1/Fs;R1=50;Wp=2*pi*5000/fs;Ws=2*pi*4800/fs

17、;Rp=1;Rl=100;Wp1=2/Ts*tan(Wp/2);%將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)Ws1=2/Ts*tan(Ws/2);N,Wn=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rl,'s');%選擇濾波器的最小階數(shù)Z,P,K=cheb2ap(N,Rl);%創(chuàng)建切比雪夫模擬濾波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2hp(Bap,Aap,Wn);bz,az=bilinear(b,a,Fs);%用雙線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換H,W=freqz(bz,az);%繪制頻率響應(yīng)曲線figure(13)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gri

18、dxlabel('頻率/Hz')ylabel('頻率響應(yīng)幅度')title('IIR髙通濾波器')f1=filter(bz,az,x1);figure(14)subplot(2,1,1)plot(x1)%畫出濾波前的時域圖title('IIR髙通濾波器濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(f1);%畫出濾波后的時域圖title('IIR髙通濾波器濾波后的時域波形');sound(f1,44100);%播放濾波后的信號F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figur

19、e(15)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);%畫出濾波前的頻譜圖title('IIR髙通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；subplot(2,1,2)plot(f,abs(F0(1:512);%畫出濾波后的頻譜圖title('IIR髙通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；運行結(jié)果：圖7圖8IFi-tfXB.E'V13r=ir'

20、iESlltHivvXri3«ri.工口口九.n«sictppUdxid.ovtLsl-pWWl"+、r<711S3-口1o11-+_1_L_；1廠11eOBL-!1_|十；!OM:衛(wèi)Jy|1dl.12OZOauijuiQD口12OTU圖9IIR帶通濾波器程序如下：fs=22050;x1=wavread('c：wudan2.wav');Fs=22050;Ts=1/Fs;R1=30;fb1=1200;fb2=3000;fc1=1000;fc2=3200;fs=22050;W1=2*fb1*pi/fs;W2=2*fc1*pi/fs;W3=2*fb

21、2*pi/fs;W4=2*fc2*pi/fs;Wp=W1,W3;Ws=W2,W4;Rp=1;Rl=100;Wp1=2/Ts*tan(Wp/2);%將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)Ws1=2/Ts*tan(Ws/2);N,Wn=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,R1,'s');%選擇濾波器的最小階數(shù)Z,P,K=cheb2ap(N,Rl);%創(chuàng)建切比雪夫模擬濾波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2bp(Bap,Aap,2100*2*pi,1800*2*pi);bz,az=bilinear(b,a,Fs);轉(zhuǎn)換H,W=freqz(bz,az);figure(10)

22、plot(W*fs/(2*pi),abs(H)%用雙線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的%繪制頻率響應(yīng)曲線gridxlabel('頻率/Hz')ylabel('頻率響應(yīng)幅度')title('IIR帶通濾波器')f1=filter(bz,az,x1);figure(11)subplot(2,1,1)plot(x1)%畫出濾波前的時域圖title('IIR帶通濾波器濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(f1);%畫出濾波后的時域圖title('IIR帶通濾波器濾波后的時域波形');sound(f

23、1,44100);%播放濾波后的信號F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(12)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);%畫出濾波前的頻譜圖title('IIR帶通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值')；subplot(2,1,2)plot(f,abs(F0(1:512);%畫出濾波后的頻譜圖title('IIR帶通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');

24、ylabel('幅值');【6】運行結(jié)果：圖101-10Z114Xdlt3£jqwIXtEQrtZooIeZLasktojfH.LndcwH4=Lp口=Ul耳豈O:m*曰口圖11ii圖12FIR低通濾波器程序如下：fs=10000;x1=wavread('c：wudan2.wav');wp=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;Rp=1;Rs=100;wdelta=ws-wp;N=ceil(8*pi/wdelta);%取整wn=(wp+ws)/2;b,a=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1);%選擇窗函數(shù)，并歸一化截止

25、頻率figure(7)freqz(b,a,512);title('FIR低通濾波器')；f2=filter(b,a,x1);figure(8)subplot(2,1,1)plot(x1)title('FIR低通濾波器濾波前的時域波形')；subplot(2,1,2)plot(f2);title('FIR低通濾波器濾波后的時域波形')；sound(f2,44100);%播放濾波后的語音信號F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(9)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,

26、abs(y2(1:512);title('FIR低通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512)；title('FIR低通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');【7】運行結(jié)果：圖13P丄癥1U.IT丘ISZileILd.itKiewIitsei-1Xool=De=KtopBLirtdowHelp-EdQ逐uA*<'pg、*M1Fl陽氐通

27、淀誠諳誡誠材的日寸城誠瑋J_111'-iiiii圖14尸IRf居IS.淀浹器日1!F-1EO0.10.20.30.40.5.0.70.0.日1r±gurE7匸0兇£.i1eJidi±l£aaw匸戸富mari.匸口口丄富且曰富1c七口f'iVig<1qwHelp3口逐匚19:叱4T四mO圖15fir高通濾波器程序如下：fs=22050;x1=wavread('c：wudan2.wav');wp=2*pi*5000/fs;ws=2*pi*4800/fs;Rp=1;Rs=100;wdelta=wp-ws;N=ceil(8*

28、pi/wdelta);%取整wn=(wp+ws)/2;b,a=fir1(N,wn/pi,'high');figure(4)freqz(b,a,512);title('FIR髙通濾波器')；f2=filter(b,a,x1);figure(5)subplot(2,1,1)plot(x1)title('FIR髙通濾波器濾波前的時域波形')；subplot(2,1,2)plot(f2);title('FIR髙通濾波器濾波后的時域波形')；sound(f2,44100);%播放濾波后的語音信號F0=fft(f2,1024);f=fs*(0

29、:511)/1024;figure(6)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title('FIR髙通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512)；title('FIR髙通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；運行結(jié)果:圖16|Picurw5回因ILilcILditKicwumgiIr

30、iscrtTooL5r鐘nc=Kt.op>>1h-MLindowHelp1=3aO3FIR兩通琲B波器漏漩后的冃寸域波形圖17卜石F:L叫mu4曰|邁1=盤t=ws»rt工口口Rhxkt.apji.indawHelp口=1耳怎儀UL=1Ofih面通蔬誠務(wù)至-snfe蜀»ia4圖18FIR帶通濾波器程序如下：fs=22050;x1=wavread('c：wudan2.wav');wp1=2*pi*1200/fs;wp2=2*pi*3000/fs;ws1=2*pi*1000/fs;ws2=2*pi*3200/fs;Rp=1;Rs=100;wp=(wp

31、1+ws1)/2;ws=(wp2+ws2)/2;wdelta=wp1-ws1;N=ceil(8*pi/wdelta);%取整wn=wpws;b,a=fir1(N,wn/pi,'bandpass');figure(1)freqz(b,a,512);title('FIR帶通濾波器')；f2=filter(b,a,x1);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x1)title('FIR帶通濾波器濾波前的時域波形')；subplot(2,1,2)plot(f2);title('FIR帶通濾波器濾波后的時域波形')；sou

32、nd(f2,44100);%播放濾波后的語音信號F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title('FIR帶通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz')；ylabel('幅值')；subplot(2,1,2)plot(f,abs(F0(1:512)；title('FIR帶通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值&

33、#39;);運行結(jié)果：圖19圖20mmHpnuE工ri迓曰m怎歐汛陳砂X：簾】匸IFIR帶通濾滅需EilsEdit胚iew工ooZLeRowktopHixidowH«lp密gap一Jn_圖215.5回放語音信號在Matlab中，函數(shù)sound可以對聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(x,fs,bits)；可以感覺濾波前后的聲音有變化?；胤耪Z音程序：xl,fs,bits二wavread('c：wudan2.wav')；%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量xlsound(x1,fs);%播放語音信號【8】5.6設(shè)計系統(tǒng)界面本系統(tǒng)界面主要采用ifelse語句和menu菜單函數(shù)進(jìn)

34、行設(shè)計。程序如下：b=menu（'請選擇選項','原始信號采樣后時域圖和頻譜圖'，'FIR濾波器'，'IIR濾波器','退出'）;ifb=4b=0;endifb=1temp=menu（'請選擇選項','播放原始語音','原始語音時域圖和頻率響應(yīng)圖','原始語音頻譜圖及做FFT變換后頻譜圖'，'返回'）；iftemp=1voice；main；elseiftemp=2time；main；elseiftemp=3pingpu；main；elsemain；endelseifb=2temp二menu（'請選擇選項'，'FIR低通濾波器'，'FIR髙通濾波器'，'FIR帶通濾波器'，'返回'）；iftemp=1FIR_LP；main；elseiftemp=2FIR_HP；main；