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毕业设计122广西工学院语音信号的处理与滤波论文

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电气电子毕业设计论文
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毕业设计122广西工学院语音信号的处理与滤波论文,电气电子毕业设计论文
内容简介:
广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 语音信号的处理与滤波 摘要 : 本文介绍了一种基于语音信号的处理及滤波器的设计和实现, 为帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法,提出了用 Matlab 进行数字信号处理课程设计的思路,并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容 。 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 或者开发系统 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 。 此外, 系统实现了对语音信号处理 的整体 过 程,并将采集到的数据传输到基于 Matlab-GUI 界面设计的滤波器系统中进行分析、处理 、 频谱分析 、 显示和储存。 关键字 : 语音信号 ; MATLAB; 信号分析 ; FIR; IIR; 图形用户界面( GUI) 一 、 开发工具说明 MATLAB 是 MathWorks 公司于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件,被誉为“巨人肩上的工具”。 MATLAB 的含义是矩阵实验室( MATRIX LABORATORY)。经过十几年的完善和扩充,它已发展成为线性代数课程的标准工具。在美国, MATLAB 是大学生和研究生必修的课 程之一。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB,供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下,对所要求解的问题,用户只需要简单地列出数学表达式,其结果便以数值或图形方式显示出来。 MATLAB 中包括被称作工具箱( TOOLBOX)的各类应用问题的求解工具。它可用来求解各类学科的问题,包括信号处理、图像处理、控制系统辨识、神经网络等。随着 MATLAB 版本的不断升级,其所含的工具箱的功能也越来越丰富,因此应用范围也越来越广泛,成为涉及数值 分析的各类设计不可或缺的工具。 近年来,随着 MATLAB 和 SIMULINK 及其相关工具箱的不断晚上和发展,它们已经成为专家学者和工程技术人员不可缺少的助手。如何在较短的时间内尽可能全面掌握其编程环境及各个工具箱的功能并应用于实践,也越来越成为人们在学习过程中所关心的重点。 二 、 理论分析 1.滤波器的设计 对于数字滤波器,从设计方法上分类,有 IIR 滤波器 (无限冲激响应数字滤波器 )和 FIR 滤波器 (有限冲激响应数字滤波器 )之分。 (1) FIR 数字滤波器的算法描述 FIR 数字滤波器又称为卷积滤波器, 因为它在时间域上的输入 x(n)和输出信号 y(n) 的数学关系是卷积运算: y(n)=hd(n)*x(n) 其中 hd(n)是 FIR 滤波器的单位冲激响应函数,其表达式是由理 想滤波器频响的幅度函数 Hd()进行付里叶逆变换得到的,式 中 c为滤波器的截止频率 (2) FIR 滤波器的窗函数设计法 窗函数法的基本思想是,由于滤波器的时间响应函数 hd(n)是无限长的,不能用 FIR 滤 波器实现,所以,要截取 hd(n)幅度较大的部分,舍弃 hd(n)幅度较小部分来近似表示 hd(n)。截取的方法是选用 某一种窗函 数和截取 hd(n)的一段进行卷积以得到实际滤波器的相应 h(n )。窗函数不同,窗口宽度不同,实际频响会有较大区别。如,加海明窗的频响曲线的通带 和阻带特性比矩性窗好;窗口宽度 N 的阶数高,也能提高滤波器频响性能,但实时信号处理 的时间会相应增加。因此,应根据滤波参数要求确定选用窗函数的类型和阶数。 (3)逼近 装 订 线 nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 确定了技术指标后,就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常采用理想的数字滤波器模型。之后,利用数字滤波器的设计方法,设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。 ( 4)性能分析和计算机仿真 上两步的 结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性,以验证设计结果是否满足指标要求;或者利用计算机仿真实现设计的滤波器,再分析滤波结果来判断。 2.IIR 数字滤波器 IIR 数字滤波器的系统函数是 z 的有理函数,可表示为 系统函数的设计就是要确定系数 或者零、极点 ,以使滤波器满足给定的性能要求。这种设计方法 : (a) 用模拟滤波器理论来设计数字滤波器。在 IIR 数字滤波器的设计中较多的采用这种方法。 (b) 用计算机辅助设计,优化技术设计。即要求所设计的数字 滤波器的输入 x(n)等于 x(t)的抽样信号 x(nT)时,输出 y(n)也恰好等于 y(t)的抽样信号。 用模拟滤波器理论来设计数字滤波器 双线性变换法 双线性变换法的思想是:将模拟滤波器的传递函数形式化为完全以积分器( 1/s)构成的网络函数形式。然后由数字网络来代替模拟积分器,从而整个滤波器网络都转化成了数字的。双线性变换法的设计过程如下: (1). 由积分器构成的模拟滤波器的系统函数形式 (2).积分器的数字形式推导 对数字式积分器的差分方程两边进行 Z 变换,可得 数字式积分器的传递函数 (3).当 T 足够小的时候,信流图当中的模拟积分器传递函数就可以由数字积分器传函代替。从而得到性能与模拟滤波器相近数字滤波器。 (4).从而可得模拟滤波器的复频率与数字滤波器的复频率之间的关系 用双线性变换法来设计数字滤波器,只需将给出的模拟滤波器的系统函数 Ha(s)当中的 s 替换为一个关于 z 成双线性关系的网络即可。 (5).令 s=+j, z=rej 可得 z 平面与 s 平面的映射关系 双线性变换法 s z 即: Z=(c+s)/(c-s) 讨论 s 平面的虚轴与 z 平面的单位圆之间的映射关系,令 =0可得双线性变换法下模拟滤波器的角频率 与数字滤波器的角频率 之间的关系: Tan(T/2) T/2 由关系式 可知 与 之间有如图非线性关系 ,从而使所设计的数字滤波器的截止频率发生变化。设计当中应式子: ctan(w/2)把已经得到的数字滤波器截止频率 c预先变换为 。下面先叙述模拟滤波器的特性,再 举例由已知的模拟滤波器传递函数来变换为相应的数字滤波器。 性能分析 ( 1)双线性变换法解决了冲激响应不变法的混叠失真问题。 ( 2)它是一种简单的代数映射关系,只要将此映射关系代入模拟滤波器系统函数 Ha(s)中(对直接,级联,并联结构都适用)就得到数字滤波器的系统函数,设计十分方便。 ( 3)由于 S 平面到中介 S1 平面的频率映射关系是非线性的关系,虽然双线性变换法避免了混叠失真,却带来了非线性的频率失真。 ( 4)它要求模拟滤波器的幅频响应是分段常数型(一般的低通、高通、带通、带阻型滤波器的频率响 不适于设计线性相位的数字滤波器。 ( 5)应特性)。 对于分段常数型滤波器,由于双线性变换法带来的频率失真,各分段边缘的临界频率点产生畸变,需要通过频率预畸加以校正。 2 FIR 滤波器 下面以设计线性相位 FIR 滤波器为例介绍具体的设计方法。 线性相位 FIR 滤波器通常采用窗函数法设计。窗函数法设计 FIR 滤波器的基本思想是:根据给定的滤波器技术指标,选择滤波器长度 N 和窗函数 ( n),使其具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣。其核心是从给定的频率特性,通过加窗确定有限长单位脉冲响应序列 h(n)。工程 中常用的窗函数共有 6 种,即矩形窗、巴特利特( Bartlett)窗、nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 汉宁( Hanning)窗、汉明( Hamming)窗、布莱克曼( Blackman)窗和凯塞( Kaiser)窗。 假设实际工程需要设计一个线性相位带通 FIR 滤波器指标如下: fn=1000,1200,3000,3200; a=0,1,0; dev=0.0005,0.1,0.0005; 阻带最小衰减 100dB, 通带最小衰减 1dB 再设采样频率 fs=22050kHz,则根据阻带最小衰减来选择凯塞( Kaiser)窗,利用 MATLAB 的求阶函数 和 FIR 滤波器的设计函数,可以快速地设计出所需的数字滤波器。这两个设计函数如下: N,Wn,beta,ftype=kaiserord(fn,a,dev,fs); b=fir1(n,Wn,ftype,Kaiser(n+1,beta); 最后,利用的滤波器分析函数 freqz 分析所设计出的滤波器的幅频特性和相频特性,并用图形显示函数 plot 将它们显示出来。 三 、 具体实现过程 首先 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;最后,设计一个信号处理系统界面。 下面对各步骤加以具体说明 : 1 . 语音信号的采集 语音信号的采集是语音信号处理的基础。语音信号处理的基础是对语音信号进行数字化,并采样存储。利用Windows 下的录音机,录制一段话音,时间在 5s 内。然后在 Matlab 软件平台下,利用函数 wavread 对语音信号进行采样 。 通过 wavread 函数的使 用,理解采样频率、采样位数等概念。 采样频率: 44000hz 采样位数: 16 位 2 . 语音信号的频谱分析 首先画出语音信号的时域波形;然后对语音号进行快速傅里叶变换,得到信号的频谱特性,从而加深对频谱特性的理解。其程序如下: Fs=8000; bite=16; y,Fs,bite=wavread(D:MATLAB6p5work信号处理设计 yuyin.wav,512 102400); sound(y,Fs); Y=fft(y,4096); 使用 函数说明: y , FS=wavread(filename, N1,N2 ); %读取 *. wav 文件中从第 N1 采样点到 N2 采样点之间的样值序列 %返回 y 为样值序列, Fs 为采样频率 sound( y , Fs ); % y 为取值在 -1, 1取间的 n 行 1 的数字序列(单声道输出) %对于立体声输出, y 为取值在 -1, 1取间的 n 行 2 的数字序列 % Fs 为设定的取样速率,一般声卡支持 Fs 的范围是 5000Hz 到 441000Hz 3 . 设计数字滤波器和画出其频率响应 给出各滤波器的性能指标: (1)低通滤波器 性能指标 fb 1 000 Hz, fc 1 200 Hz, As 100 dB, Ap 1 dB。 (2)高通滤波器性能指标 fc 4 800 Hz, fb 5 000 Hz As 100 dB, Ap 1 dB。 (3)带通滤波器性能指标 fb1 1 200 Hz, fb2 3 000 Hz, fc1 1 000 Hz, fc2 3 200 Hz, As 100 dB, Ap1 dB。 nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的 3 种滤波器。在 Matlab 中,可以利用函数 fir1 设计 FIR 滤波器,可以利用函数 butte, cheby1 和 ellip 设计 IIR 滤波器;利用 Matlab 中的函数 freqz 画出各滤波器的频率响应。 使用 函数说明 : n,Wn=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs,s) % Wp 是通带截止频率 , Ws 是阻带截止频率 % Rp 是通带内波动 (dB ) , Rs 是阻带内最小衰减 (dB),s 代表模拟型 %返回 n 是 Chebyshev1 滤波器最底阶数 ,Wn 是 Chebyshev1 滤波器截止频率 b, a =cheby 1(n ,Rp,Wn ,ftype ) % b 为 H(z)的分子多项 式系数 , a 为 H(z)的分母多项式系数 fir1 函数: 该函数采用不同类型的窗函数(包括矩阵窗, Hanning 窗, Hamming 窗, Blackman 窗等)设计具有分段常幅度特性的 FIR 滤波器,这样 FIR 滤波器具有严格的线性相位。例如: B=fir1( N, Wn, blackman( N+1) 在该命令中, N 为设计的滤波器阶次, Wn 为滤波器的归一化截止频率,且 0Wn1.0。该函数利用 Blackman 窗函数设计 N 阶具有线性相位的低通 FIR 滤波器,滤波器系数存在于向量 B 中。 4. 用滤波器对信号进行滤波 要求学生用自己设计的各滤波器分别对采集的信号进行滤波,在 Matlab 中, FIR 滤波器利用函数fftfilt(x=fftfilt(b,y);)对信号进行滤波, IIR 滤波器利用函数 filter(x=filter(bz,az,y;)对信号进行滤波。 使用 函数说明: Y=filter(Bz, Az, X) % filter 函数利用设计的数字滤波器对数据进行滤波处理,滤波器系数存放于向量 Az, Bz 中 % X 为待滤波的原始数据, Y 为滤波后的输出数据 % Bz 为滤波器 H( Z)分子系数矩阵 ,Az 为滤 波器 H( Z)分母系数矩阵 5 . 比较滤波前后语音信号的波形及频谱 在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。其程序如下: y,Fs,bite=wavread(D:MATLAB6p5work信号处理设计 yuyin.wav); Y=fft(y,4096); x=filter(bz,az,y); %对原始语音信号滤波 X=fft(x,4096); subplot(221); plot(y); title(滤波前信号波形 ); subplot(222); plot(abs(Y); title(滤波前信号频谱 ); subplot(223); plot(x); title(滤波后信号波形 ); subplot(224); plot(abs(X); title(滤波后信号频谱 ); 6 . 回放语音信号 在 Matlab 中,函数 sound 可以对声音进行回放。其调用格式: sound(x, fs, bits);可以感觉滤波前后的声音有变化。 7 . 设计系统界面 为了使编制的程序操作方便, 需要 设计处理系统的用户界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型,输入滤波器的参数,显示滤波器的频率响应,选择信号等。 系统用户界面控制回调程序实现 一个图形界面的动态和友好交互设计 , 最终是要通过图形界面中的控件对象的操作来完成 , 而这些操作必定是通过 MATLAB 中函数代码的执行来完成的。这些函数代码的编制可以通过编写每个控件的回调函数来完成 , 而编写时可以把该控件的函数代码直接书写在“ CallBack”中 , 也可以把函数代码放在一个自定义的 M 文件中。 而在“ CallBack”中只将其文件名写上,当操 作该控件时 ,系统会自动执行“ CallBack”中所要求执行的内容。无论是函数代码 , 还是以文件方式的函数代码。 根据本人 的风格,本人 设计的界面如图 1-1所示: nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 图 1-1 图形界面 四 .程序的调试和结果分析 完成了系统界面 设计后,其次就是要通过编写控件的回调函数来实现不同控件的功能 。图形用户界面的功能主要通过控件响应用户的动作来完成,单击动作也就是选中控件的。响应鼠标动作的方法通过编写回调函数来完成。 1 调试过程: 要从界面获取 数据,故必须对各 输入 变量进行定义。主要使用函数 guidata,该函数主要用来在图形界面中存取或者获取用户数据。 在本人的设计中,总共定义了七个输入变量,分别是:抽样频率 Fs,通带截止频率 Fp 和 Fp1,阻带截止频率 Fh 和 Fh1,通带衰减 Rp,阻带衰减 Rs。 其定义如下: handles.F s=str2double(get(hObject,String); guidata(hObject, handles); 在定义过程中 用到了 handles 结构体 ,该结构中不仅包含了所有界面对象的 Tag 属性,通过 Tag 属性 可以直接获取或者修改控件的属性,而且在 handles 结构中还可以添加用户自定义的需要在不同的回调函数之间共享的数据。 在各控件回调函数的声明下编写回调函数。 2 结果分析: 1) IIR 数字 低通 滤波器 运行 jiemian3.m 文件, 在界面中的滤波器类型和设计方法中进行选择, 接着输入参数, 再点击 “ 设计滤波器 ”按钮, 可获得所需要的滤波器。 在界面上,有“滤波前波形”和“滤波前频谱”两个按钮,点击可得到 滤波前 波形和频谱,还可听到滤波前的声音。 滤波器设计好了已经,点击“滤波后波形和频谱”按钮 , 可得到使用设计好的滤波器对 原始语音信号滤波后的波形和频谱。 如图 1-2 所示: 输入参数时,要保证抽样频率大于信号最高频率的两倍。比较滤波前后的声音,可以感觉到滤波后的声音比原始声音低沉一点,这是因为低通滤波器已经把高频部分滤掉;观察滤波后的频谱,滤波器已经滤掉高频部分,由于傅立叶变换造成周期延拓,因此,频谱右边部分是延拓后的低频部分。 nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 图 1-2 IIR 数字低通滤波器 图 1-3 IIR 数字高通滤波器 nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 2) IIR 高 通 数字滤波器 设计步骤与 IIR 低通滤波器 。 比较滤波前后 的声音,滤波后的声音比较尖锐,这是因为经过滤波后只剩下高频部分, 频谱也一样 。 滤波后的波形和频谱 如图 1-3 所示: 图 1-4 IIR 数字带通滤波器 3) IIR 带 通 数字滤波器 设计步骤与 IIR 低通滤波器。滤波后的波形和频谱如图 1-4 所示: 比较滤波前后的声音,滤波后的声音既不尖锐也不低沉属于适中,这也是因为经过滤波器后把较低和较高的部分滤掉。 4) FIR 底 通 数字滤波器 滤波后的波形和频谱如图 1-5 所示: 声音通过 IIR和 FIR滤 波器后的波形与频谱基本一样,可见它们的滤波效果基本相同。 其代码如下: y, fs=wavread( D:matlabwork信号处理设计 1信号处理设计 yuyin.wav ); %sound(y, fs); % 播放 figure(1); subplot(221); plot(y); title(滤波前信号波形 ); xlabel(时间 ); nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 ylabel(幅值 ); 图 1-5 FIR 数字底通滤波 器 subplot(222); plot(abs(y); title(滤波前信号频谱 ); fb=1000;fc=1200;s=100;Ap=1;fs=8000; n,wn,beta,typ=kaiserord(1000 1200,1 0,0.01 0.1,8000); B=fir1(n,wn,typ,kaiser(n+1,beta),noscale); figure(2); freqz(B,512,fs); x=fftfilt(B,y); X=fft(x); figure(1); subplot(223); plot(x); title(滤波后信号波形 ); subplot(224); plot(abs(X); title(滤波后信号频谱 ); sound(x,fs); 5) FIR 高 通 数字滤波器 : 滤波后的波形和频谱如图 1-6 所示: 比较滤波前后的声音,滤波后的声音比较尖锐,这是因为经过滤波后只剩下高频部分。频谱也是如此。声音通过 FIR滤波器后的波形及频谱成分都比通过IIR 滤波器后的成分少, 这是因为 FIR是用窗函数设计的,加创限定了它们的范围。 其代码如下: y, fs=wavread( D:matlabwork信号处理设计 1信号处理设计 yuyin.wav ); %sound(y, fs); % 播放 figure(1); subplot(221); plot(y); title(滤波前信号波形 ); xlabel(时间 ); 图 1-6 FIR 数字高通滤波器 ylabel(幅值 ); subplot(222); plot(abs(y); title(滤波前信号频谱 ); fb=5000;fc=4800; As=100; Ap=1; fs=8000;n=55;wo=0.3;dp=0.02; ds=0.008; B=fircls1(n,wo,dp,ds,high); figure(2); freqz(B,512,fs); nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 x=fftfilt(B,y); X=fft(x); figure(1); subplot(223); plot(x);title(滤波后信号波形 ); subplot(224); plot(abs(X);title(滤波后信号频谱 ); sound(x,fs); 6) FIR 带 通 数字滤波器 : 滤波后的波形和频谱如图 1-7 所示: 比较滤波前后的声音,滤波后 的声音既不尖锐也不低沉属于适中,这也是因为经过滤波器后把较低和较高的部分滤掉。声音通过两个滤波器后的波形及频谱基本一样。 其代码如下: y, fs=wavread( D:matlabwork信号处理设计 1信号处理设计 yuyin.wav ); %sound(y, fs); % 播放 figure(1);subplot(221); plot(y);title(滤波前信号波形 ); xlabel(时间 );ylabel(幅值 ); subplot(222); plot(abs(y); title(滤波前信号频谱 ); fb=1200;fb2=3000; fc=1000;fc2=3200; 图 1-7 FIR 数字带通滤波器 As=100;Ap=1; fs=8000;w=0.15 0.5; B=fir1(40,w,dc-1); H,W=freqz(B); figure(2);freqz(B,y); %figure(3); %plot(abs(H); x=fftfilt(B,y); X=fft(x); figure(1);subplot(223); plot(x);title(滤波后信号波形 ); subplot(224);plot(abs(X); title(滤波后信号频谱 ); sound(x,fs); 五 .总结 MATLAB 真是一个很强大的工具。它可以作为一个平台,承载知识和算法,那么核心的竞争力将是它实现的技术和产品 . 利用 MATLAB 的强大运算功能,基于 MATLAB 信号处理工具箱( Signal Processing Toolbox)的数字滤波器设计法可以快速有效的设计由软件组成的常规 数字滤波器,设计方便、快捷,极大的减轻了工作量。在nts广西工学院课程设计用纸 第 页 共 页 设计过程中可以对比滤波器特性,随时更改参数,以达到滤波器设计的最优化 。 从整个设计的过程,所在的滤波器都是用 经典 法来设计, 低通滤波器滤去输入信号频率在 1200hz 以上的频率信号,带通滤波器滤去输入信号频率在 1000hz 以下和 3200 以上的频率信号,高通滤波器滤去输入信号频率在 4800hz 以下的频率信号。通过滤波器的信号除去一部分我们不想要(影响有用信号)的数据量,在通信方面为后一部分的信号处理上减少一部分没有用的数据。为通信业更快更好的发展,提供了一部分重要的 技术。 总结这次课程设计的结果,收获很多 很多 。 可以 说 ,在过去的大学三年里面,我还没有遇到一门课程 使得 我可以学到这么多 的知识, 同时, 也 提高了 我 的实践 动手和综合分析问题 能力。 之前,我们 做过通信原理的课程设计,但是 可以说,那根本 算不上 是设计,仅仅就是个仿真实验 而已 。 上次的课程设计,收获也不少,最起码我懂得了论文的 撰写 。 开始确定 课程设计题目 的时候 , 我还真的是一头雾水 ,由于 又忙着考试,所以也没有放太多心细在设计上 ,一直到上个星期,全部的课程考试都结束了,我才开始 我的设计路程。 时间过了几天,都没有什么进展,就只把几个滤 波器 做了出来及滤波后的波形与频谱做了出来。直到 前天, 老师跟我们讲解 了一下简单 用户界面的设计 思虑后 , 我才 对整个设计有了 明确的目标。 在课程设计过程中 我 考虑 了 很多,包括整个设计的规划, 可能遇到的困难及解决的办法等等。充分利用 身边可以利用到的资源(包 括好的书籍、资料、软硬件环境,也包括有经验的朋友或者师长)。 我觉得整体设计过程中,最难的阶段就是程序的调试阶段。这几天,我一直都在不断的调试,也一直在不断得改进,希望能把这个 课程 设计做得有点利用价值。但是,我发觉,要真的把一个东西弄得完善些,我所花的时间和精力还是不足 的。
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