1、數(shù) 字 信 號 處 理 綜合實驗報告綜合實驗名稱： 應用MatLab對語音信號進行 頻譜分析及濾波 系 ： 學生姓名： 班 級： 學 號： 成 績： 指導教師： 開課時間 學年 學期 目 錄 一綜合實驗題目1二、綜合實驗目的和意義12.1 綜合實驗目的12.2 綜合實驗的意義1三綜合實驗的主要內(nèi)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 設計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應55.3.1設計數(shù)字濾波

2、器的性能指標：55.3.2 用Matlab設計數(shù)字濾波器6 5.6 設計系統(tǒng)界面19六、心得體會20參考文獻：21一綜合實驗題目應用MatLab對語音信號進行頻譜分析及濾波二、綜合實驗目的和意義2.1 綜合實驗目的為了鞏固所學的數(shù)字信號處理理論知識，使學生對信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲等有一個系統(tǒng)的掌握和理解，再者，加強學生對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行頻譜分析和濾波器設計，通過理論推導得出相應結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進行計算機實現(xiàn)，從而加深對所學知識的理解，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埽莻鞒泻?/p>

3、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的一個重要分支，大規(guī)模集成技術的高度發(fā)展和計算機技術的飛速前進，推動了這一技術的發(fā)展；它是研究用數(shù)字信號處理技術對語音信號進行處理的一門新興學科，同時又是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科，因此我們進行語言信號處理具有時代的意義。三綜合實驗的主要內(nèi)容和要求3.1綜合實驗的主要內(nèi)容： 錄制一段個人自己的語音信號，并對錄制的信號進行采樣；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，采用窗函

4、數(shù)法和雙線性變換設計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應；然后用自己設計的濾波器對采集的信號進行濾波，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行對比，分析信號的變化；回放語音信號； 綜合實驗應完成的工作：(1）語音信號的采集;(2）語音信號的頻譜分析;(3）數(shù)字濾波器的設計;(4）對語音信號進行濾波處理;(5）對濾波前后的語音信號頻譜進行對比分析;3.2 綜合實驗的要求：(1）學生能夠根據(jù)設計內(nèi)容積極主動查找相關資料;(2）濾波器的性能指標可以根據(jù)實際情況作調(diào)整;(3）對設計結(jié)果進行獨立思考和分析;(4）設計完成后,要提交相關的文檔; 綜合實驗報告書(紙質(zhì)和電子版各一份,具體格式參照學校

5、課程設計管理規(guī)定),報告內(nèi)容要涵蓋設計題目、設計任務、詳細的設計過程、原理說明、頻譜圖的分析、調(diào)試總結(jié)、心得體會、參考文獻（在報告中參考文獻要做標注，不少于5篇）。 可運行的源程序代碼(電子版)(5）在基本要求的基礎上,學生可以根據(jù)個人對該綜合實驗的理解,添加一些新的內(nèi)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h(n)也必然是離散的，這種濾波器稱為數(shù)字濾波器（DF）。【1】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

6、信號進行濾波處理的過程。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、靈活性強、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點。【2】4.2 數(shù)字濾波器的分類：數(shù)字濾波器根據(jù)不同的分類標準可以將濾波器分成不同的類別。（1）根據(jù)單位沖激響應h(n)的時間特性分類 無限沖激響應（IIR）數(shù)字濾波器 有限沖激響應（FIR）數(shù)字濾波器1（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

7、進行有效濾除的電路，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。五實驗的步驟 錄制一段個人自己的語音信號，并對錄制的信號進行采樣；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，采用窗函數(shù)法和雙線性變換設計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應；然后用自己設計的濾波器對采集的信號進行濾波，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行對比，分析信號的變化；回放語音信號；最后，設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機上的聲卡和 Windows操作系統(tǒng)可以進行數(shù)字信號的采集。將話筒插入計算機的語音輸入插口上,啟動錄音機。按

8、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波形；語音信號的程序如下:x1,fs,bits=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');figure(21)freqz(x1)

9、 %繪制原始語音信號采樣后的頻率響應圖title('原始語音信號采樣后頻率響應圖');運行結(jié)果:圖1圖2 （2) 對語音信號進行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行比較。語音信號FFT的程序如下:x1,fs,bits=wavread(' c:wudan2.wav'); %讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1y1=fft(x1,1024); %對采樣后信號做1024點FFT變換f=fs*(0:511)/1024;figure(19)subplot(2,1,1);plot(f,abs(y1(1:512);title('原始語音信號頻

10、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 設計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應5.3.1設計數(shù)字濾波器的性能指標： 低通濾波器性能指標fb=1000Hz，fc1200Hz， As100db，Ap1db。 高通濾波器性能指標 fs4800Hz，fb5000Hz，As100db，Ap1db

11、。 帶通濾波器性能指標 fb11200Hz，fb23000Hz，fc11000Hz，fc23200Hz，As100db，Ap1db。5.3.2 用Matlab設計數(shù)字濾波器 用雙線性變換法設計上面要求的3種濾波器。在Matlab中，可以利用函數(shù)butter，cheby1和ellip設計IIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)frepz畫出各濾波器的頻率響應。【2】 用窗函數(shù)法設計上面要求的3種濾波器。在Matlab中，可以利用函數(shù)fir1設計FIR濾波器；利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應。5.4對語音信號進行濾波處理用自己設計的各濾波器分別對采集的信號進行濾波，在Matl

12、ab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。并比較濾波前后語音信號的波形及頻譜。【4】IIR低通濾波器程序如下:fs=22050;x2=wavread('c:wudan2.wav');Ts=1/fs;R1=10;wp=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;Rp=1;Rl=100;wp1=2/Ts*tan(wp/2); %將模擬指標轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標ws1=2/Ts*tan(ws/2); N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,R1,'s'); %選擇濾波器的最小階數(shù)Z,P,K=

13、buttap(N); %創(chuàng)建butterworth模擬濾波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(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); %繪制頻率響應曲線figure(16)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel('頻率Hz')ylabel('頻率響應幅度')title('IIR低通濾波器')f1=filter(bz,az,x2);figure(17)subplot(2,1,1

14、)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(x2,1024);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

15、/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');【5】運行結(jié)果：圖4圖5圖6IIR高通濾波器程序如下:fs=22050;x1=wavread('c:wudan2.wav');Fs=22050;Ts=1/Fs;R1=50;Wp=2*pi*5000/fs;Ws=2*pi*4800/fs;Rp=1;Rl=100;Wp1=2/

16、Ts*tan(Wp/2); %將模擬指標轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標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); %繪制頻率響應曲線figure(13)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel('

17、;頻率Hz')ylabel('頻率響應幅度')title('IIR高通濾波器')f1=filter(bz,az,x1);figure(14)subplot(2,1,1)plot(x1) %畫出濾波前的時域圖title('IIR高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高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(15)y2=ff

18、t(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512); %畫出濾波前的頻譜圖title('IIR高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高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8圖9IIR帶通濾波器程序如下:fs=22050;x1=wavread

19、('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*fb2*pi/fs;W4=2*fc2*pi/fs;Wp=W1,W3;Ws=W2,W4;Rp=1;Rl=100;Wp1=2/Ts*tan(Wp/2); %將模擬指標轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標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=cheb2

20、ap(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); %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); %繪制頻率響應曲線figure(10)plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel('頻率Hz')ylabel('頻率響應幅度')title('IIR帶通濾波器')f1=filter(bz,az,x1);figure(11)subp

21、lot(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(f1,44100); %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')xlabe

22、l('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');ylabel('幅值'); 【6】運行結(jié)果： 圖10 圖11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=ce

23、il(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=

24、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13圖14圖15

25、FIR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*pi/wdelta); %取整wn=(wp+ws)/2;b,a=fir1(N,wn/pi,'high'); figure(4)freqz(b,a,512);title('FIR高通濾波器');f2=filter(b,a,x1);figure(5)subplot(2,1,1)plot(x1)title('FIR高通

26、濾波器濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(f2);title('FIR高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(6)y2=fft(x1,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title('FIR高通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');subplot(2,1,2)F2=plot(f,ab

27、s(F0(1:512);title('FIR高通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值'); 【9】運行結(jié)果:圖16圖17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=(wp1+ws1)/2;ws=(wp2+ws2)/2;wdelta=wp1-ws1;N=ceil(8*pi/

28、wdelta); %取整wn=wp ws;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');sound(f2,44100); %播放濾波后的語音信號F0=fft(f2,1024);f=fs*(0

29、: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');運行結(jié)果：圖19圖20圖215.5 回放語音信號 在Matlab中，函數(shù)sound

30、可以對聲音進行回放。其調(diào)用格式：sound(x，fs，bits)；可以感覺濾波前后的聲音有變化。 回放語音程序：x1,fs,bits=wavread('c:wudan2.wav'); %讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1sound(x1,fs); %播放語音信號 【8】5.6 設計系統(tǒng)界面 本系統(tǒng)界面主要采用ifelse語句和menu菜單函數(shù)進行設計。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');if b=4 b=0;endi

31、f b=1 temp=menu('請選擇選項','播放原始語音','原始語音時域圖和頻率響應圖','原始語音頻譜圖及做FFT變換后頻譜圖','返回'); if temp=1 voice; main; elseif temp=2 time; main; elseif temp=3 pingpu; main; else main; endelseif b=2 temp=menu('請選擇選項','FIR低通濾波器','FIR高通濾波器','FIR帶通濾波器','返回'); if temp=1 FIR_LP; main; elseif temp=2 FIR_HP; main; elseif temp=3 FIR_BP; main; else main; end elseif b=3 temp=menu('請選擇選項','IIR低通濾波器','IIR高通濾波器','IIR帶通濾波器','返回'); if tem