数字信号语音处理设计

1、数字信号设计作业一、设计内容音频信号频谱分析及滤波;1、用计算机 开始所有程序-娱乐录音机程序，录取本人的“物电学院”音频信号，时间约为2秒。格式为8KHz采样，8位量化，单声道，以自已名字命名的.wav文件。（格式转化在录音机的“文件”下拉菜单的“属性”，选择“立即转换”,再到“属性”里选择相应参数计算机录音一般是采样率为44.1kHz，16位量化；为减小计算量，在录机的文件属性立即转换, 将声音数据转换为采样率8kHz，8位量化）。2、 对语音信号逐字进行频谱分析，分析自己语音信号的频谱特征。用wavread()读取声音文件，作图画出声音的时域波形，对其进行频谱分析，画出其频域波形。分析自

2、已音频信号的特点。3、设计一个0Hz-3.4KHz的IIR低通滤波器， , , 。对“物”字和“电”字音频信号逐字滤波。要求画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域和频域信号。同时用sound回放滤波后的声音信号。（本题即为设计一个IIR低通滤波器，通带截止频率为3400Hz,阻带截止频率为3550Hz，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB）4、设计一个0Hz-3.4KHz的FIR低通滤波器， , , 。对“物”字和“电”字音频信号逐字滤波。要求画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤

3、波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域和频域信号。同时用sound回放滤波后的声音信号。（本题即为设计一个FIR低通滤波器，通带截止频率为3400Hz,阻带截止频率为3550Hz，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB）5、设计一个100Hz-8KHz的IIR带通滤波器，, , , , ，对“学”字和“院”字的音频信号逐字滤波。画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域 和频域信号。同时用sound回放滤波后的声音信号。（本题即为设计一个IIR带通滤波器，通带截止频率为100Hz、8000Hz,

4、阻带截止频率为0Hz、8100Hz，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB）6、设计一个100Hz-8KHz的FIR带通滤波器，, , , 对“学”字和“院”字音频信号逐字滤波。画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域和频域信号。同时用sound回放滤波后的声音信号。 （本题即为设计一个FIR带通滤波器，通带截止频率为100Hz、8000Hz阻带截止频率为0Hz、8100Hz，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB）二、设计步骤及结果1、首先画出由wavread函数采样后的信号的时域波形和它的频域响应波形；语音信号

5、的程序如下:x1,fs,bits=wavread(d:yangli.wav); %读取语音信号的数据，赋给变量x1figure(20)plot(x1) %做原始语音信号以8k采样后的时域图形title(原始语音采样后时域信号);xlabel(时间轴 n);ylabel(幅值 A);figure(21)freqz(x1) %绘制原始语音信号采样后的频率响应图 title(原始语音信号采样后频率响应图);图（一）图(二)2、 对语音信号进行FFT变换，得到FFT频谱特性曲线，与原语音信号的频谱特性曲线进行比较。语音信号FFT的程序如下:x1,fs,bits=wavread(d:yangli.wav

6、); %读取语音信号的数据，赋给变量x1y1=fft(x1,1024); %对采样后信号做1024点FFT变换f=fs*(0:511)/1024;figure(19)subplot(2,1,1);plot(f,abs(y1(1:512);title(原始语音信号频谱)xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值)subplot(2,1,2);plot(abs(y1(1:1024) %采样后信号的FFT频谱图title(原始语音信号FFT频谱)xlabel(点数N);ylabel(幅值);图（三）3、设计数字滤波器的性能指标：低通滤波器性能指标fp=3400Hz，fc3550Hz， Rs25d

7、b，Rp1db。带通滤波器性能指标 fs10Hz，fp1100Hz，fs28000Hz，fc28100Hz，Rs25db，Rp1db。4、用Matlab设计数字滤波器(1)用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butter，cheby1和ellip设计IIR滤波器；利用Matlab中的函数frepz画出各滤波器的频率响应。(2)用窗函数法设计上面要求的3种滤波器。在Matlab中，可以利用函数fir1设计FIR滤波器；利用Matlab中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。5、对语音信号进行滤波处理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

8、，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。并比较滤波前后语音信号的波形及频谱。（1） IIR低通滤波器程序如下:fs=22050;x2=wavread(d:yangli.wav);Ts=1/fs;R1=10;wp=2*pi*3000/fs;ws=2*pi*3550/fs;Rp=1;Rl=25;wp1=2/Ts*tan(wp/2); %将模拟指标转换成数字指标ws1=2/Ts*tan(ws/2);N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rl,s); %选择滤波器的最小阶数Z,P,K=buttap(N); %创建butterwort

9、h模拟滤波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn);bz,az=bilinear(b,a,fs); %用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换H,W=freqz(bz,az); %绘制频率响应曲线figure(16)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel(频率Hz)ylabel(频率响应幅度)title(IIR低通滤波器)f1=filter(bz,az,x2);figure(17)subplot(2,1,1)plot(x2) %画出滤波前的时域图title(IIR低通滤波器滤波前的时域波形);subplot(2,1

10、,2)plot(f1); %画出滤波后的时域图 title(IIR低通滤波器滤波后的时域波形);sound(f1,8000); %播放滤波后的信号F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(18)y2=fft(x2,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512); %画出滤波前的频谱图title(IIR低通滤波器滤波前的频谱)xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0(1:512); %画出滤波后的频谱图 title(IIR低通滤波器滤波后的频谱)xla

11、bel(频率/Hz);ylabel(幅值);图(四)图(五)图(六)（2）IIR带通滤波器程序如下:fs=22050;x1=wavread(d:yangli.wav);Fs=22050;Ts=1/Fs;R1=30;fb1=7200;fb2=9000;fc1=7000;fc2=9200;fs=22050;W1=2*fb1*pi/fs;W2=2*fc1*pi/fs;W3=2*fb2*pi/fs;W4=2*fc2*pi/fs;Wp=W1,W3;Ws=W2,W4;Rp=1;Rs=25;Wp1=2/Ts*tan(Wp/2); %将模拟指标转换成数字指标 Ws1=2/Ts*tan(Ws/2);N,Wn=c

12、heb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs,s); %选择滤波器的最小阶数Z,P,K=cheb2ap(N,Rs); %创建切比雪夫模拟滤波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2bp(Bap,Aap,2100*2*pi,1800*2*pi);bz,az=bilinear(b,a,Fs); %用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换H,W=freqz(bz,az); %绘制频率响应曲线figure(10)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel(频率Hz)ylabel(频率响应幅度)title(IIR带通滤波器)f1=filter(bz,az,x

13、1);figure(11)subplot(2,1,1)plot(x1) %画出滤波前的时域图title(IIR带通滤波器滤波前的时域波形);subplot(2,1,2)plot(f1); %画出滤波后的时域图title(IIR带通滤波器滤波后的时域波形);sound(f1,8000); %播放滤波后的信号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); %画出滤波前的频谱图title(IIR带通滤波器滤波前的频谱)xlabel(频率/Hz);ylabe

14、l(幅值);subplot(2,1,2)plot(f,abs(F0(1:512); %画出滤波后的频谱图title(IIR带通滤波器滤波后的频谱)xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值);图（七）图（八）图（九）（4）FIR低通滤波器程序如下:fs=10000;x1=wavread(d:yangli.wav);wp=2*pi*3200/fs;ws=2*pi*3550/fs;Rp=1;Rs=25;wdelta=ws-wp;N=ceil(8*pi/wdelta); %取整wn=(wp+ws)/2;b,a=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1); %选择窗函数，并归一化截止率 f

15、igure(7)freqz(b,a,512);title(FIR低通滤波器);f2=filter(b,a,x1);figure(8)subplot(2,1,1)plot(x1)title(FIR低通滤波器滤波前的时域波形);subplot(2,1,2)plot(f2);title(FIR低通滤波器滤波后的时域波形);sound(f2,8000); %播放滤波后的语音信号 F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(9)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title(FIR低通滤波器滤波前的

16、频谱)xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512);title(FIR低通滤波器滤波后的频谱)xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值);图（十）图(十一)图(十二)（4）FIR带通滤波器程序如下:fs=22050;x1=wavread(d:yangli.wav);wp1=2*pi*1000/fs;wp2=2*pi*3000/fs; ws1=2*pi*0/fs;ws2=2*pi*2200/fs; Rp=1;Rs=25;wp=(wp1+ws1)/2;ws=(wp2+ws2)/2; wdelta=wp1-ws1;

17、N=ceil(8*pi/wdelta); %取整wn=wp ws;b,a=fir1(N,wn/pi,bandpass);figure(1)freqz(b,a,512);title(FIR带通滤波器);f2=filter(b,a,x1); figure(2)subplot(2,1,1) ;plot(x1);title(FIR带通滤波器滤波前的时域波形); subplot(2,1,2); plot(f2);title(FIR带通滤波器滤波后的时域波形);sound(f2,8000); %播放滤波后的语音信号 F0=fft(f2,1024); f=fs*(0:511)/1024; figure(3)

18、y2=fft(x1,1024); subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title(FIR带通滤波器滤波前的频谱);xlabel(频率/Hz); ylabel(幅值); subplot(2,1,2)plot(f,abs(F0(1:512);title(FIR带通滤波器滤波后的频谱);xlabel(频率/Hz); ylabel(幅值);图（十三）图（十四）图（十五）三、设计总结通过做应用Matlab对语音信号进行谱分析及滤波这个课程设计，加深了我对数字信号处理理论知识，尤其是采样频率，频谱特性和数字滤波器的设计；另一方面，使我在原来熟悉控制系统在Matlab运用的基础上进一步学习Matlab软件在信号分析和处理的运用。在整个课程设计过程中，从分析设计题目到设计程序框图再到具体的程序代码编写，是我对课程设计有了更深刻的理解。分析课题题目：应用Matlab对语