1、信號(hào)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于IIR的有噪聲語(yǔ)音信號(hào)處理 班 級(jí)：電子 121 班 姓 名： 成 績(jī)： 指導(dǎo)教師： 日 期：2015年1月6日 目 錄1、摘要及關(guān)鍵字22、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c具體任務(wù)33、MATLAB設(shè)計(jì)與運(yùn)行結(jié)果及分析43.1 基于IIR濾波器的語(yǔ)音信號(hào)的處理4 3.1.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集與播放 4 3.1.2 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析及頻譜分析 53.2 加噪后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域及頻譜分析 63.3 用濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波 7 3.3.1 濾波器的設(shè)計(jì) 7 3.3.2 濾波后的時(shí)域及頻譜分析10 3.3.3 比較濾波前后的語(yǔ)音信號(hào)的頻譜波形12 3.3.4 IIR濾波器的處理結(jié)果的分

2、析123.4 設(shè)計(jì)的GUI界面143.5 流程圖154、LABVIEW仿真及結(jié)果分析16 4.1 LABVIWE的仿真 16 4.1.1 LABVIEW仿真程序框圖 16 4.1.2 LABVIEW仿真前面板 17 4.2 LABVIEW結(jié)果分析 175、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 196、參考文獻(xiàn) 201、摘要及關(guān)鍵字摘要本課題基于MATLAB有噪音語(yǔ)音信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析和濾波。通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，在設(shè)計(jì)IIR數(shù)字

3、濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過(guò)一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。并利用MATLAB 作為輔助工具完成設(shè)計(jì)中的計(jì)算與圖形的繪制。然后再利用LABVIEW軟件進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)體仿真，通過(guò)對(duì)對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB以及LABVIEW可以有效快捷地設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到指定要求。 ABSTRACTThis topic noisy speech signal processing based on MATLAB, the design and implementation of the integra

4、ted use of theoretical knowledge of digital signal processing to add noise speech signal in time domain, frequency domain analysis and filtering. Corresponding conclusions through theoretical derivation, using MATLAB as a programming tool for computer implementation. In the process of design impleme

5、ntation, using butterworth, chebyshev, and bilinear reform IIR digital filter design, in the design of IIR digital filter, we first write in the formula of analog filter based on index, and then through a certain transformation, converts analog filter formula into digital filter formula. And by usin

6、g the MATLAB as an auxiliary tool to complete the design of computing and graphics drawing. Then using the LABVIEW software corresponding physical simulation, through a simulation for the designed filter and frequency characteristic analysis, using MATLAB and LABVIEW can quickly and effectively IIR

7、digital filter design, finally the experimental results of various performance indicators are to meet the specified requirements.關(guān)鍵字：語(yǔ)音信號(hào)、加噪處理、IIR濾波器、MATLAB、LABVIEW2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募熬唧w任務(wù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?本設(shè)計(jì)課題主要研究數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的初步分析方法、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是先進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的采集，然后對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，再利用IIR兩種濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾和頻譜分析，畫出濾波之后的頻譜圖與時(shí)域波形，并對(duì)信號(hào)

8、濾波前后進(jìn)行分析比較，分析信號(hào)的變化，得出幾種濾波器的濾波性能。通過(guò)完成本課題的設(shè)計(jì)，主要達(dá)到以下幾個(gè)目的：（1）掌握Matlab軟件的特點(diǎn)和使用方法。（2）掌握對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域、頻域特性進(jìn)行分析的方法。（3）掌握IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。（4）了解語(yǔ)音信號(hào)的特性及分析方法。（5）了解LabVIEW虛擬儀器的特點(diǎn)以及采用LabVIEW進(jìn)行仿真的方法。（6）通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)具體任務(wù)選擇一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)或錄制一段語(yǔ)音信號(hào)作為分析的對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析；利用MATLAB產(chǎn)生正弦波噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被干擾，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析；

9、設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器， 并對(duì)被噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波， 分析濾波后信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，最后回放語(yǔ)音信號(hào)。課題具體任務(wù)如下：（一）利用Matlab設(shè)計(jì)基于IIR濾波的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)。其基本功能包括：利用GUI設(shè)計(jì)友好的圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)讀取，時(shí)域波形顯示，頻譜分析，設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器(巴特沃斯、切比雪夫、橢圓濾波器任選)實(shí)現(xiàn)噪聲濾除。具體任務(wù)如下：（1）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集（讀取），對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲，畫出原始信號(hào)及帶噪信號(hào)的時(shí)域波形，利用FFT進(jìn)行頻域分析，畫出相應(yīng)波形，并對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行播放。（3）分析語(yǔ)音信號(hào)頻譜及噪聲頻率，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲的濾

10、除。（4）分析、對(duì)比噪聲濾除前后的語(yǔ)音時(shí)域、頻域特性，并對(duì)噪聲濾除前后語(yǔ)音進(jìn)行播放。（5）利用GUI設(shè)計(jì)圖形用戶界面（包含以上功能）。（二）利用LabVIEW進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)的功能，要求給出系統(tǒng)的前面板和框圖，并記錄仿真結(jié)果。3、MATLAB設(shè)計(jì)與運(yùn)行結(jié)果及分析3.1 基于濾波器的語(yǔ)音信號(hào)的處理3.1.1語(yǔ)音信號(hào)的采集與播放本實(shí)驗(yàn)選擇已有的語(yǔ)音信號(hào)ai2.wav作為分析對(duì)象對(duì)其進(jìn)行原始語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析以及加噪后頻譜分析，利用MATLAB中的“wavread”命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，利用Wavread 函數(shù)的調(diào)用格式為y=wavread（file）讀取file所

11、規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。然后畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。源程序：H='*.wav' filename,pathname=uigetfile(H,'請(qǐng)選擇打開(kāi)信號(hào)'); file=strcat(pathname,filename); y=wavread(file); plot(y);title('原信號(hào)時(shí)域波形');播放原始語(yǔ)音信號(hào)源程序：fs=16000;sound (y,fs); 3.1.2原始信號(hào)時(shí)域分析及頻譜分析 所得

12、原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形如圖3-1 圖 3-1原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜分析X=fft(y);N=length(y);k=0:N-1;plot(k,abs(X);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜圖')波形如圖3-2 圖3-23.2 加噪后的語(yǔ)音信號(hào)的播放，時(shí)域及頻譜分析播放加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)：sound(s,16000);加噪聲后的信號(hào)時(shí)域分析N=length(y);t=0:N-1; d=0.05*cos(0.03*t)' s=y+d; plot(s,'r');title('加噪后信號(hào)時(shí)域圖');波形如下圖3-3 圖3-3加噪聲后的信號(hào)頻譜分析N=le

13、ngth(y);t=0:N-1; d=0.05*cos(3*t)' s=y+d; S=fft(s);plot(abs(S);title('加噪后信號(hào)頻域圖');波形如圖3-4 圖3-43.3 用濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波3.3.1 濾波器的設(shè)計(jì)IIR濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的。其設(shè)計(jì)步驟是：先設(shè)計(jì)過(guò)渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)H（s），然后將H（s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。 對(duì)于數(shù)字高通、帶通濾波器的設(shè)計(jì)，通用方法為雙線性變換法。可以借助于模擬濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)一個(gè)所需類型的過(guò)渡模擬濾波器，再經(jīng)過(guò)雙線性

14、變換將其轉(zhuǎn)換策劃那個(gè)所需的數(shù)字濾波器。以利用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器為例總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程的具體步驟如下：（1）確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率、通帶最大衰減，阻帶截止頻率、阻帶最小衰減。（2）將數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（3）按照模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)及過(guò)渡模擬低通濾波器。（4）用雙線性變換法，模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)。接下來(lái)，我們根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器的性能指標(biāo)：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB高通濾波器的性能指標(biāo)：fp=3500Hz，fc=

15、4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；帶通濾波器的性能指標(biāo)：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB在Matlab中，可以利用函數(shù)butter,cheby1設(shè)計(jì)IIR濾波器。巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)有多種調(diào)用格式，本課程設(shè)計(jì)中用到的是N,wc=butter(N,wc,Rp,As,s),該格式用于計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率wc。MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)cheeby1是切比雪夫I型濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)。我們用到的是cheeby1函數(shù)，其調(diào)用格式如下：B,A=cheby1(N,Rp,wpo,fty

16、pr)B,A=cheby1(N,Rp,wpo,ftypr,s) 函數(shù)butter,cheby1設(shè)計(jì)IIR濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可。IIR數(shù)字濾波器的主要程序。%=IIR低通濾波器=wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;fp=2*Ft*tan(wp/2);fs=2*Fs*tan(wp/2);n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,'s'); %求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率b11,a11=butter(n11,wn11,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù) num11,den11

17、=bilinear(b11,a11,0.5); %雙線性變換實(shí)現(xiàn)S域到Z域的變換 h,w=freqz(num11,den11); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);legend('用butter設(shè)計(jì)');圖3-5 IIR低通濾波器%=IIR帶通=wp1=tan(pi*Fp1/Ft); %帶通到低通濾波器的轉(zhuǎn)換wp2=tan(pi*Fp2/Ft);ws1=tan(pi*Fs1/Ft);ws2=tan(pi*Fs2/Ft);w=wp1*wp2/ws2;bw=wp2-wp1;wp=1;ws=(wp1*wp2-w.2)/(bw*w);n12,wn

18、12=buttord(wp,ws,1,50,'s'); %求低通濾波器階數(shù)和截止頻率b12,a12=butter(n12,wn12,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)參數(shù)num2,den2=lp2bp(b12,a12,sqrt(wp1*wp2),bw);%將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為帶通的num12,den12=bilinear(num2,den2,0.5);%雙線性變換實(shí)現(xiàn)S域到Z域的轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num12,den12); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);axis(0 4000 0 1.5);legend('用b

19、utter設(shè)計(jì)');圖3-6 IIR帶通濾波器%=IIR高通=Ft=8000;Fp=4000;Fs=3500;wp1=tan(pi*Fp/Ft); %高通到低通濾波器參數(shù)轉(zhuǎn)換ws1=tan(pi*Fs/Ft);wp=1;ws=wp1*wp/ws1;n13,wn13=cheb1ord(wp,ws,1,50,'s'); %求模擬的低通濾波器階數(shù)和截止頻率b13,a13=cheby1(n13,1,wn13,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù)num,den=lp2hp(b13,a13,wn13); %將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為高通的num13,den13=biline

20、ar(num,den,0.5); %利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)S域到Z域轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num13,den13);plot(w*21000*0.5/pi,abs(h);title('IIR高通濾波器');legend('用cheby1設(shè)計(jì)');圖3-7 IIR 高通濾波器3.3.2 濾波后的時(shí)域及頻譜分析Ft=8000;Fp=4000;Fs=3500;wp1=tan(pi*Fp/Ft); %高通到低通濾波器參數(shù)轉(zhuǎn)換ws1=tan(pi*Fs/Ft);wp=1;ws=wp1*wp/ws1;n13,wn13=cheb1ord(wp,ws,1,50,'s

21、9;); %求模擬的低通濾波器階數(shù)和截止頻率b13,a13=cheby1(n13,1,wn13,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù)num,den=lp2hp(b13,a13,wn13); %將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為高通的num13,den13=bilinear(num,den,0.5); %利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)S域到Z域轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num13,den13);plot(w*21000*0.5/pi,abs(h);title('IIR高通濾波器');legend('用cheby1設(shè)計(jì)'); 圖3-8 切比雪夫?yàn)V波器濾波后的頻譜分析Ft=8000

22、;Fp=4000;Fs=3500;wp1=tan(pi*Fp/Ft); %高通到低通濾波器參數(shù)轉(zhuǎn)換ws1=tan(pi*Fs/Ft);wp=1;ws=wp1*wp/ws1;n13,wn13=buttord(wp,ws,1,50,'s');%求高通濾波器的階數(shù)和截止頻率?b13,a13=butter(n13,wn13,'s');%求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù)?num11,den11=bilinear(b13,a13,0.5);%利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)S域到Z域的變換n = length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度t=0:n-1; d=0.5*cos(3*t)' %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y+d; %語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲S=fft(s); %傅里葉變換z11=filter(num11,den11,s);m11=fft(z11);pl