语音信号的数字滤波-IIR数字低通滤波器的设计.doc

数字信号处理课程设计报告语音信号的数字滤波-IIR数字低通滤波器的设计专 业： 通信工程 班 级： 通信 一班 组 次： 第3组 姓 名： 文斌 学 号：14082300 xxx 语音信号的数字滤波-IIR数字低通滤波器的设计一、设计目的本课程设计的目的是为了让学生综合运用数字信号处理和MATLAB去设计一个语音信号去噪的数字低通滤波器，使学生能够通过实践来分析问题、解决问题、预测目标等。从而不但能够使学生对本门课程有一个深入的了解与运用而且能够让学生学会工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平。二、设计任务用麦克风采集一段语音信号，绘制波形并观察其频谱，给定相应技术指标，用脉冲响应不变法设计的一个满足指标的巴特沃斯IIR滤波器，对该语音信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析。三、设计原理3.1 IIR滤波器 IIR数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配，所以IIR滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。其设计方法主要有经典设计法、直接设计法和最大平滑滤波器设计法,本课程设计采用脉冲响应不变法。3.2脉冲响应不变法 如果从模拟到数字滤波器我们想要保留脉冲响应的形状，那么就得到一种方法称为脉冲不变响应法的变换方法。 脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤波器的单位脉冲响应序h(n)模仿模拟滤波去的冲击响应ha(t)，使h(n)正好等于ha(t)的采样值，即h(n)=ha(nT) T为采样周期。如以Ha(s)及H(z)分别表示ha(t)的拉式变换及h(n)的z变换，即Ha(s)=Lha(t) H(z)=Zh(n) 则根据采样序列z变换与模拟信号拉式变换的关系，得： 上式表明，采样脉冲响应不变法将模拟滤波器变换为数字滤波器时，它所完成的S平面到Z平面的变换，正是以前讨论的拉式变换到Z变换的标准变换，即首先对Ha(s)作周期严拓，然后再经过z=est的映射关系映射到Z平面上。 四、设计过程4.1语言信号的采集 利用Windows下的录音机，录制语音信号，时间在1s左右，要求为8000HZ，8位单声道的音频格式。然后在Matlab软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，函数为y,Fs,bits=wavread(xiong1,wav),记住采样频率和采样点数。4.2语音信号的频谱分析首先画出语音信号的时域波形，再对语音信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。程序如下：y,Fs,bits = wavread(t.wav);sound (y,Fs,bits)plot(y);title(时域波形)t=(1:16000)/8000;Y=fft(y);magY=abs(Y);angY=angle(Y);figure(2);plot(magY)f=w/(2*pi)*Fs;f=f(1:8000);magY=magY(1:8000);angY=angY(1:8000);figure(3);subplot(2,1,1);plot(f,magY)xlabel(f);ylabel(|Y|);title(频域幅度谱)subplot(2,1,2);plot(f,angY)xlabel(f);ylabel(pi);title(频域相位谱)得到时域图形如图4.1所示： 图4.1得到频域幅度谱，如图4.2所示： 图4.24.3滤波器设计将数字滤波器的设计指标设为通带截止频率fb=600HZ,阻带频率fc=1200HZ,通带波纹Ap=1dB，阻带波纹As=40dB,要求确定H(z)。设计步骤如下：（1） 选取某一T。这是任意的，我们选T=1。并确定模拟频率如下式：和 （2） 利用设参数，和设计一个模拟滤波器。（3） 利用部分分式展开，将展开为如下式： （4） 现在将模拟极点pk变换为数字极点epkT，得到数字滤波器如下式： 并作化简得出作为z-1有理函数的H(z)。根据上述步骤，按要求我们用脉冲响应不变法设计好了巴特沃斯滤波器。fp=600;ffs=1200;Fs=22050;Rp=1;Rs=40;T=1/Fs; W1p=fp/Fs*2; W1s=ffs/Fs*2; N, Wn = buttord(W1p, W1s, Rp, Rs, s); z,p,k = buttap(N); bp,ap = zp2tf(z,p,k); bs,as = lp2lp(bp,ap,Wn*pi*Fs); bz,az = impinvar(bs,as,Fs) ; sys=tf(bz,az,T) ; H,W=freqz(bz,az,512,Fs); figure(1)plot(W,20*log10(abs(H); xlabel(f/Hz);ylabel(幅值/dB );axis(0,2000,-80,0);grid on; 得到图形如图4.3所示： 图4.34.4 信号滤波信号前面已经用脉冲响应不变法设计好了我们要的巴特沃斯滤波器，接着就对语音信号进行滤波处理，看自己设计的巴特沃斯滤波器有没有对我们的语音信号进行处理。所以就用filter函数进行滤波，即signal=filter(b,a,y)。我们将滤波前后的时域波形进行比较，并对其进行快速傅里叶变换，即X=fft(signal)，目的是对比前后的频域频谱，具体分析设计的滤波器是否达到设计要求。如图4.4滤波前后的语音信号时域对比：图4.4 滤波前后的时域对比波形滤波前后频域频谱图4.5所示图4.5 滤波前后频域频谱图4.5 结果分析由结果图可以知道，时域中我们观察的不明显，这是由于我们录制的语音信号噪声不大，但是还是有滤除噪声；从频域波形中我们可以明显看到我们设计的滤波器对我们的语音信号进行了滤波处理，将噪声进行了滤除。所以，所设计的滤波器达到了设计要求。五、收获与体会在这次的课程设计中，犯了些错误，发现自己还不够认真不够细心以前的知识学习的不是很牢固，因为数字信号处理学的不是很好，很多相关知识的运用不是很熟悉，还有MATLAB 的很多相关指令的运用不熟练，导致课程设计做起来有点吃力，但是只要努力去认真做就会得到你想要的，通过这次DSP课程设计，不但巩固了以前学的知识，还学习了新内容，收获颇丰。原来滤去语音中的噪声我们运用自己学到的知识能做到，并更加巩固了MATLAB软件的