基于MATLAB的语音信号滤波处理

1 基于基于 MATLABMATLAB 的语音信号滤波处理的语音信号滤波处理 题题 目 目 基于基于 MATLABMATLAB 的语音信号滤波处理的语音信号滤波处理 课课 程 程 数字信号处理数字信号处理 学学 院 院 电气工程学院电气工程学院 班班 级 级 学学 生 生 指导教师 指导教师 二 O 一三年十二月 2 目录目录 CONTENTSCONTENTS 摘要 一 引言 二 正文 1 设计要求 2 设计步骤 3 设计内容 4 简易 GUI 设计 三 结论 四 收获与心得 五 附录 3 一 引言 随着Matlab仿真技术的推广 我们可以在计算机上对声音信号进行处理 甚至是模拟 通过计算机作图 采样 我们可以更加直观的了解语音信号的性 质 通过matlab编程 调用相关的函数 我们可以非常方便的对信号进行运算 和处理 二 正文 2 1 设计要求 在有噪音的环境中录制语音 并设计滤波器去除噪声 2 2 设计步骤 1 分析原始信号 画出原始信号频谱图及时频图 确定滤波器类型及相关指标 2 按照类型及指标要求设计出滤波器 画出滤波器幅度和相位响应 分析该滤 波器是否符合要求 3 用所设计的滤波器对原始信号进行滤波处理 画出滤波后信号的频谱图及时 频图 4 对滤波前的信号进行分析比对 评估所设计滤波器性能 2 3 设计内容 1 原始信号分析 4 5 分析信号的谱图可知 噪音在 1650HZ 和 3300HZ 附近的能量较高 而人声的能量基本位于 1000HZ 以下 因此 可以设计低通滤波器对 信号进行去噪处理 2 IIR 滤波器设计 用双线性变换法分别设计了巴特沃斯低通滤波器和椭圆低通滤波 器和带阻滤波器 巴特沃斯滤波器 fp 800 fs 1300 rs 35 rp 0 5 程序代码如下 fp 800 fs 1300 rs 35 rp 0 5 Fs 44100 wp 2 Fs tan 2 pi fp 2 Fs ws 2 Fs tan 2 pi fs 2 Fs n wn buttord wp ws rp rs s b a butter n wn s num den bilinear b a Fs h w freqz num den 512 Fs 6 椭圆低通滤波器 fp 1300 fs 1600 rs 60 rp 0 5 程序代码如下 7 fp 1300 fs 1600 rs 60 rp 0 5 Fs 44100 wp 2 Fs tan 2 pi fp 2 Fs ws 2 Fs tan 2 pi fs 2 Fs n wn ellipord wp ws rp rs s b a ellip n rp rs wn s num den bilinear b a Fs h w freqz num den 512 Fs 8 带阻滤波器 fp1 800 fp2 2300 fs1 1300 fs2 1800 rs 30 rp 0 6 fp3 2800 fp4 4000 fs3 3200 fs4 3700 rs 30 rp 0 6 程序代码如下 9 fp1 800 fp2 2300 fs1 1300 fs2 1800 rs 30 rp 0 6 Fs 44100 fp fp1 fp2 fs fs1 fs2 wp 2 Fs tan 2 pi fp 2 Fs ws 2 Fs tan 2 pi fs 2 Fs n wn buttord wp ws rp rs s b a butter n wn stop s num den bilinear b a Fs h w freqz num den 512 Fs fp3 2800 fp4 4000 fs3 3200 fs4 3700 rs 30 rp 0 6 Fs 44100 fp1 fp3 fp4 fs1 fs3 fs4 wp1 2 Fs tan 2 pi fp1 2 Fs ws1 2 Fs tan 2 pi fs1 2 Fs n1 wn1 buttord wp1 ws1 rp rs s b1 a1 butter n1 wn1 stop s num1 den1 bilinear b1 a1 Fs h1 w1 freqz num1 den1 512 Fs 10 11 12 3 FIR滤波器 加hamming窗 n 100 fp 1000 Fs 44100 b fir1 n fp Fs 2 Hamming n 1 h w freqz b 1 512 Fs 13 14 加hanning窗 n fp 1000 Fs 44100 b fir1 n fp Fs 2 Hanning n 1 h w freqz b 1 512 Fs 15 加blackman窗 n 100 fp 1000 Fs 44100 b fir1 n fp Fs 2 blackman n 1 16 h w freqz b 1 512 Fs 17 4 滤波前后比对 巴特沃斯低通滤波器滤波后 18 椭圆低通滤波器滤波后 19 20 带阻滤波器 21 加 hamming 窗 22 加 hanning 窗 加 blackman 窗 23 2 4 简易 GUI 界面设计 为了便于操作和演示 设计了如下的简易 GUI 界面 24 3 结论 25 由以上谱图分析可知 经过滤波器滤波后 信号中的高频杂音明 显被抑制 而人声成分大部分被保留 起到了预期的滤波作用 对比所设计的两种滤波器 椭圆滤波器在过渡带相对较窄的情况 下 能满足相对较高阻带衰减 四 收获与心得 本次设计大概进行了一周的时间 语音信号处理的是目前比较 流行且十分有趣的 在编程实现的过程中还是遇到了很多困难 在 前期的准备工作中 查阅了大量资料 以完善我们的理论知识 我 们为了完成本次设计 我们通过查阅相关书籍以及 matlab 中的帮助 选用不同的 matlab 函数 尝试不同的参数 经过接近一个礼拜的反 复调试 最终基本的实现了设计任务 虽然遇到了很多困难 但是我们在设计过程中都有收获很大 本次设计将信号与系统课上学习的知识用于实践 让我们对对语音 信号处理更深入的了解 也让我们加深了对滤波器相关内容的理解 同时也使得我们的 Matlab 能力有了很大的提高 参考文献 应用 matlab 实现信号分析和处理 科学出版社 26 附录 1 巴特沃斯低通滤波器 fp 800 fs 1300 rs 35 rp 0 5 Fs 44100 wp 2 Fs tan 2 pi fp 2 Fs ws 2 Fs tan 2 pi fs 2 Fs n wn buttord wp ws rp rs s b a butter n wn s num den bilinear b a Fs h w freqz num den 512 Fs figure 1 subplot 3 1 1 plot w abs h xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title 巴特沃斯低通滤波器幅度特性 axis 0 5000 0 1 2 grid on figure 2 subplot 3 1 2 plot w 20 log10 abs h xlabel 频率 Hz ylabel 幅值db title 巴特沃斯低通滤波器幅度特性db axis 0 5000 90 10 grid on figure 3 plot w 180 pi unwrap angle h xlabel 频率 Hz ylabel 相位 title 巴特沃斯低通滤波器相位特性 axis 0 5000 1000 10 grid on s1 Fs bits wavread D 222 wav x1 s1 1 sound x1 Fs bits N1 length x1 Y1 fft x1 N1 f1 Fs 0 N1 1 N1 t1 0 N1 1 Fs figure 4 plot f1 abs Y1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 原始信号频谱 27 grid on axis 0 6000 0 400 y filter num den x1 sound y Fs bits N2 length y Y2 fft y N2 f2 Fs 0 N2 1 N2 t2 0 N2 1 Fs figure 5 plot f2 abs Y2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 过滤后信号的频谱 grid on axis 0 6000 0 100 2 椭圆低通滤波器 fp 1300 fs 1600 rs 60 rp 0 5 Fs 44100 wp 2 Fs tan 2 pi fp 2 Fs ws 2 Fs tan 2 pi fs 2 Fs n wn ellipord wp ws rp rs s b a ellip n rp rs wn s num den bilinear b a Fs h w freqz num den 512 Fs figure 1 plot w abs h xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title 椭圆低通滤波器幅度特性 axis 0 5000 0 1 2 grid on figure 2 plot w 20 log10 abs h xlabel 频率 Hz ylabel 幅值db title 椭圆低通滤波器幅度特性db axis 0 5000 90 10 grid on figure 3 plot w 180 pi unwrap angle h xlabel 频率 Hz ylabel 相位 28 title 椭圆低通滤波器相位特性 axis 0 5000 1000 10 grid on s1 Fs bits wavread D 222 wav x1 s1 1 sound x1 Fs bits N1 length x1 Y1 fft x1 N1 对信号做N点FFT变换 f1 Fs 0 N1 1 N1 t1 0 N1 1 Fs figure 4 plot f1 abs Y1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 原始信号频谱 grid on axis 0 6000 0 400 y filter num den x1 sound y Fs bits N2 length y Y2 fft y N2 对信号做N点FFT变换 f2 Fs 0 N2 1 N2 t2 0 N2 1 Fs figure 5 plot f2 abs Y2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 过滤后信号的频谱 grid on axis 0 6000 0 100 3 3 带阻滤波器带阻滤波器 fp1 800 fp2 2300 fs1 1300 fs2 1800 rs 30 rp 0 6 Fs 44100 fp fp1 fp2 fs fs1 fs2 wp 2 Fs tan 2 pi fp 2 Fs ws 2 Fs tan 2 pi fs 2 Fs wap 2 tan wp 2 Ts n wn buttord wp ws rp rs s b a butter n wn stop s num den bilinear b a Fs h w freqz num den 512 Fs 29 fp3 2800 fp4 4000 fs3 3200 fs4 3700 rs 30 rp 0 6 Fs 44100 fp1 fp3 fp4 fs1 fs3 fs4 wp1 2 Fs tan 2 pi fp1 2 Fs ws1 2 Fs tan 2 pi fs1 2 Fs wap 2 tan wp 2 Ts n1 wn1 buttord wp1 ws1 rp rs s b1 a1 butter n1 wn1 stop s num1 den1 bilinear b1 a1 Fs h1 w1 freqz num1 den1 512 Fs figure 1 plot w abs h xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title 巴特沃斯带阻滤波器幅度特性 axis 0 5000 0 1 2 grid on figure 2 plot w 20 log10 abs h xlabel 频率 Hz ylabel 幅值db title 巴特沃斯带阻滤波器幅度特性db axis 0 5000 90 10 grid on figure 3 plot w 180 pi unwrap angle h xlabel 频率 Hz ylabel 相位 title 巴特沃斯带阻滤波器相位特性 axis 0 5000 1000 10 grid on figure 4 plot w1 abs h1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title 巴特沃斯带阻滤波器幅度特性 axis 0 5000 0 1 2 grid on figure 5 plot w1 20 log10 abs h1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值db title 巴特沃斯带阻滤波器幅度特性db axis 0 5000 90 10 grid on figure 6 plot w1 180 pi unwrap angle h1 xlabel 频率 Hz ylabel 相位 title 巴特沃斯带阻滤波器相位特性 axis 0 5000 1000 10 30 grid on s1 Fs bits wavread D 222 wav x1 s1 1 sound x1 Fs bits N1 length x1 Y1 fft x1 N1 对信号做N点FFT变换 f1 Fs 0 N1 1 N1 t1 0 N1 1 Fs figure 7 plot f1 abs Y1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 原始信号频谱 grid on axis 0 6000 0 400 y1 filter num den x1 y filter num1 den1 y1 sound y Fs bits N2 length y Y2 fft y N2 f2 Fs 0 N2 1 N2 t2 0 N2 1 Fs figure 8 plot f2 abs Y2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 过滤后信号的频谱 grid on axis 0 6000 0 100 4 加 hamming 窗 n 100 fp 1000 Fs 44100 b fir1 n fp Fs 2 Hamming n 1 h w freqz b 1 512 Fs a num2str a s1 Fs bits wavread D 222 wav x1 s1 1 sound x1 Fs bits N1 length x1 Y1 fft x1 N1 f1 Fs 0 N1 1 N1 y fftfilt b x1 sound y Fs bits 31 N2 length y Y2 fft y N2 f2 Fs 0 N2 1 N2 figure 4 subplot 2 1 1 plot f1 abs Y1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 原始信号频谱 grid on axis 0 6000 0 400 subplot 2 1 2 plot f2 abs Y2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 过滤后信号的频谱 grid on axis 0 6000 0 100 5 加hanning窗 n 100 fp 1000 Fs 44100 b fir1 n fp Fs 2 Hanning n 1 h w freqz b 1 512 Fs a num2str a s1 Fs bits wavread D 222 wav x1 s1 1 sound x1 Fs bits N1 length x1 Y1 fft x1 N1 f1 Fs 0 N1 1 N1 y fftfilt b x1 sound y Fs bits N2 length y Y2 fft y N2 f2 Fs 0 N2 1 N2 figure 4 subplot 2 1 1 plot f1 abs Y1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 原始信号频谱 grid on axis 0 6000 0 400 subplot 2 1 2 plot f2 abs Y2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 过滤后信号的频谱 grid on axis 0 6000 0 100 6 加blackman窗 32 n 100 fp 1000 Fs 44100 b fir1 n fp Fs 2 blackman n 1 h w freqz b 1 512 Fs a num2str a s1 Fs bits wavread D 222 wav x1 s1 1 sound x1 Fs bits N1 length x1 Y1 fft x1 N1 f1 Fs 0 N1 1 N1 y fftfilt b x1 sound y Fs bits N2 length y Y2 fft y N2 f2 Fs 0 N2 1 N2 figure 4 subplot 2 1 1 plot f1 abs Y1 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 原始信号频谱 grid on axis 0 6000 0 400 subplot 2 1 2 plot f2 abs Y2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅度 title 过滤后信号的频谱 grid on axis 0 6000 0 100 7 巴特沃斯低通滤波时频分析 clear Fs 44100 s1 Fs bits wavread D