1、.課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理 課題名稱 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及在語音信號(hào)分析中的應(yīng)用 專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 通信工程1101 學(xué) 號(hào) 201103020127 姓 名 皮鋒 指導(dǎo)教師 胡瑛 張細(xì)政 2013年 9月 8日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理 課 題 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及在語音信號(hào)分析中的應(yīng)用 專業(yè)班級(jí) 通信工程1101 學(xué)生姓名 皮鋒 學(xué) 號(hào) 201103020127 指導(dǎo)老師 胡瑛 張細(xì)政 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2013 年 9月 1 日任務(wù)完成日期 2013 年 9月 8日數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一 、設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理

2、論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，通過理論推導(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)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念。二、設(shè)計(jì)要求1、 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計(jì)方法。2、 Windows 環(huán)境下語音信號(hào)采集的方法。3、數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法。4、TLAB 設(shè)計(jì) FIR 和 nR 數(shù)字濾波器的方法。5、用 MATLAB 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理6、計(jì)報(bào)告4000以上，含程序設(shè)計(jì)說明，用戶使用說明，源程序清單及程序框圖。7、機(jī)演示。8、有詳細(xì)的文檔。文檔中包括設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)仿真程序、仿真結(jié)果及相應(yīng)的分析與結(jié)論。三、進(jìn)度安排第一周

3、 星期一： 課題講解，查閱資料 星期二: 總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)星期三： 編程，上機(jī)調(diào)試、修改程序星期四： 上機(jī)調(diào)試、完善程序星期五： 答辯星期六-星期天：撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告附：課程設(shè)計(jì)報(bào)告裝訂順序：封面、任務(wù)書、目錄、正文、評(píng)分、附件（A4大小的圖紙及程序清單）。 正文的格式:一級(jí)標(biāo)題用3號(hào)黑體,二級(jí)標(biāo)題用四號(hào)宋體加粗,正文用小四號(hào)宋體;行距為22。正文的內(nèi)容:一、課題的主要功能；二、課題的功能模塊的劃分；三、主要功能的實(shí)現(xiàn)；四、程序調(diào)試；五、總結(jié)；六、附件（所有程序的原代碼，要求對(duì)程序?qū)懗霰匾淖⑨專?；七、評(píng)分表。 目 錄1. 課題的主要功能11.1問題描述11.2功能要求12. 課題的功能模塊

4、的劃分22.1語音信號(hào)采集22.3 含噪語音信號(hào)合成42.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及濾波42.5 回放語音信號(hào)43. 濾波器實(shí)現(xiàn)的原理53.1 帶阻濾波器63.2 低通濾波器83.3 高通濾波104. 程序調(diào)試125. 總結(jié)136. 附件146.1 帶阻濾波146.2 低通濾波156.3 高通濾波167. 評(píng)分表18*;1. 課題的主要功能1.1問題描述錄制一段課程設(shè)計(jì)學(xué)生的語音信號(hào)并保存為文件，要求長度不小于10秒，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣，使用MATLAB繪出采樣后的語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。在MATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：（1）白噪聲；（2）單頻噪色

5、（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；（4）其它干擾，可設(shè)置為低頻、高頻、帶限噪聲，或Chirp干擾、沖激干擾。繪出疊加噪聲后的語音信號(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號(hào)圖形對(duì)比，也可通過Windows播放軟件從聽覺上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語音信號(hào)頻譜和時(shí)域波形的改變。給定濾波器的規(guī)一化性能指標(biāo)（參考指標(biāo),實(shí)際中依據(jù)每個(gè)同學(xué)所疊加噪聲情況而定），對(duì)濾波后的語音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺濾波前后語音信號(hào)的變化。1.2功能要求采用IIR濾波器的完全設(shè)計(jì)函數(shù)來設(shè)計(jì)各型IIR濾波器（Butterworth型與切比雪夫I型、切比雪夫型和橢圓型的低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型），濾掉在MATLA

6、B軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，繪出濾波器的頻域響應(yīng)。并用這些數(shù)字濾波器對(duì)含噪語音信號(hào)分別進(jìn)行濾波處理，比較不同方法下設(shè)計(jì)出來的數(shù)字濾波器的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析（或解釋）。對(duì)濾波后的語音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺濾波前后語音信號(hào)的變化。2. 課題的功能模塊的劃分 圖2-1 課題的功能模塊圖2.1語音信號(hào)采集使用Windows自帶的錄音機(jī)，在安靜、干擾小的環(huán)境下錄音。按“開始”“程序”“附件”“娛樂”“錄音機(jī)”的順序打開windows中的錄音機(jī)軟件。如圖2-1所示：圖2-2系統(tǒng)錄音界面錄制一段自己的話音“信號(hào)”，按文件屬性立即轉(zhuǎn)換8000KHz，8位，單聲道到底順序，時(shí)間控制在10秒以

7、上，然后將音頻文件保存“好男人.wav”2.2語音信號(hào)分析使用MATLAB繪出采樣后的語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，其主要的程序代碼和信號(hào)時(shí)域波形圖和頻譜圖如下：x1,fs,bits=wavread('i:/好男人_new');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title('原始語音信號(hào)頻譜')圖2-3 原始語音信號(hào)波形2.3 含噪語音信號(hào)合成（1）在原語

8、音信號(hào)上加單頻余弦信號(hào)，其信號(hào)時(shí)域波形圖和頻譜圖如下：圖2-4 加單頻余弦信號(hào)的波形2.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及濾波采用IIR濾波器的完全設(shè)計(jì)函數(shù)來設(shè)計(jì)各型IIR濾波器（Butterworth型與切比雪夫I型、切比雪夫型和橢圓型的低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型），濾掉在MATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，繪出濾波器的頻域響應(yīng)。并用這些數(shù)字濾波器對(duì)含噪語音信號(hào)分別進(jìn)行濾波處理，比較不同方法下設(shè)計(jì)出來的數(shù)字濾波器的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析。2.5 回放語音信號(hào)對(duì)濾波后的語音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺濾波前后語音信號(hào)的變化。3. 濾波器實(shí)現(xiàn)的原理MATLAB信號(hào)處理工具箱提供了IIR

9、濾波器設(shè)計(jì)的完全工具函數(shù)，用戶只要調(diào)用這些工具函數(shù)即可一次性完成設(shè)計(jì)，而不需要調(diào)用那些基本工具函數(shù)分步實(shí)現(xiàn)。IIR濾波器設(shè)計(jì)的完全工具函數(shù)有butter,cheby1,cheby2,ellip。這些工具函數(shù)既可用于設(shè)計(jì)模擬濾波器，也可用于設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。這里介紹這些函數(shù)在IIR數(shù)字濾波器中的應(yīng)用。在這兩類濾波器設(shè)計(jì)中，這些工具函數(shù)調(diào)用格式基本相同，只是在頻率處理上有所不同。在MATLAB濾波器設(shè)計(jì)工具箱中，數(shù)字濾波器采用歸一化頻率，取值為01之間，歸一化頻率1對(duì)應(yīng)的數(shù)字角頻率為，對(duì)應(yīng)的真實(shí)頻率為采樣頻率的一半。在應(yīng)用MATLAB工具函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。數(shù)字IIR濾波器的完全設(shè)計(jì)函

10、數(shù)有： b,a=butter(n,wn,'ftype') z,p,k=butter(n,wn, 'ftype') b,a=cheby1(n,Rp,wn,'ftype') z,p,k=cheby1(n, Rp,wn,'ftype') b,a=cheby2(n,Rs,wn,'ftype') z,p,k=cheby2(n, Rs,wn,'ftype') b,a=ellip(n,Rp,Rs,wn,'ftype') z,p,k=ellip(n, Rp,Rs,wn,'ftype'

11、)在上面的調(diào)用方式中，n為濾波器的階數(shù)，wn為濾波器的截止頻率，取值為01。需根據(jù)采樣頻率Fs來定，如濾波器的截止頻率為Fc（Hz），則wn的計(jì)算公式為： 這樣就轉(zhuǎn)換為01的歸一化頻率。其中wp,ws等邊界頻率都要根據(jù)此公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 'ftype'濾波器的類型為： high為高通濾波器，截止頻率為wn. stop為帶阻濾波器，截止頻率為wn=w1,w2 (w<w2). ftype缺省時(shí)為低通或帶通濾波器。a,b分別為濾波器傳遞函數(shù)分子和分母多項(xiàng)式系數(shù)向量；z,p,k分別為濾波器的零極點(diǎn)和增益。Rp,Rs分別為所設(shè)計(jì)濾波器的通帶波紋和阻帶衰減，單位為dB。設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波

12、器傳遞函數(shù)具有下面形式：上述函數(shù)采用雙線性變換法和頻率的預(yù)畸變處理將模擬濾波器離散化為數(shù)字濾波器，同時(shí)保證模擬濾波器和數(shù)字濾波器在wn(或w1,w2)處具有相同的幅頻響應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意真實(shí)頻率和MATLAB歸一化數(shù)字頻率之間的轉(zhuǎn)換，即6-20式的應(yīng)用。在進(jìn)行IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)之前，請(qǐng)大家注意在模擬濾波器中我們用求取最小階數(shù)和截止頻率的函數(shù)如buttord,cheb1ord,cheb2ord,ellipord，這些函數(shù)完全可以用于IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，只不過在模擬濾波器設(shè)計(jì)中需加可選項(xiàng)'s'，在數(shù)字濾波器中則不加該項(xiàng)。另外，輸出的截止頻率也是歸一化頻率（歸一化為01）。3.1

13、 帶阻濾波器Fs=fs; %采樣頻率wp=4500 5500*2/Fs; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）ws=4000 6000*2/Fs; %阻帶邊界頻率（歸一化頻率）Rp=1;Rs=30;Nn=128; %通帶波紋和阻帶衰減以及繪制頻率特性的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N,Wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs);%求得數(shù)字濾波器的最小階數(shù)和歸一化截止頻率b,a=cheby1(N,Rp,Wn,'stop'); %按最小階數(shù)、通帶波紋和截止頻率設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器figure(3)H,f=freqz(b,a,Nn,Fs); %求得濾波器的頻率特性subplot(2,1,1),plot(f,20*

14、log10(abs(H);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;figure(4)y=filtfilt(b,a,x3); %對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波y4=fft(y,32768);subplot(2,1,1)plot(y);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot

15、(abs(y4);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)頻譜')%sound(y,fs,bits);圖3-1 帶阻濾波器性能指標(biāo)圖3-2 加單頻余弦信號(hào)濾波后波形3.2 低通濾波器Fs=fs; %采樣頻率wp=4000*2/Fs;ws=4300*2/Fs; %根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換Rp=1;Rs=20; %通帶波紋和阻帶衰減Nn=128; %顯示濾波器頻率特性的數(shù)據(jù)長度N,Wn=buttord(wp,ws,Rp,Rs); %求得數(shù)字濾波器的最小階數(shù)和截止頻率（歸一化頻率）b,a=butter(N,Wn); %設(shè)計(jì)Butterworth低通數(shù)字濾波器figur

16、e(3)H,f=freqz(b,a,Nn,Fs); %用Nn點(diǎn)繪出頻率特性subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;figure(4)y=filter(b,a,x3); %對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波y4=fft(y,32768);subplot(2,1,1)plo

17、t(y);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y4);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)頻譜')sound(y,fs,bits);圖3-3 低通濾波器性能指標(biāo)圖3-4 加單頻余弦信號(hào)濾波后波形3.3 高通濾波Fs=1000; %采樣頻率wp=50*2/Fs;ws=20*2/Fs; %根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換Rp=1;Rs=20; %通帶波紋和阻帶衰減Nn=128; %顯示濾波器頻率特性的數(shù)據(jù)長度N,Wn=buttord(wp,ws,Rp,Rs); %求得數(shù)字濾波器的最小階數(shù)

18、和截止頻率（歸一化頻率）b,a=butter(N,Wn,'high'); %設(shè)計(jì)Butterworth高通數(shù)字濾波器figure(3)H,f=freqz(b,a,Nn,Fs); %用Nn點(diǎn)繪出頻率特性subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on

19、;figure(4)y=filter(b,a,x3); %對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波y4=fft(y,32768);subplot(2,1,1)plot(y);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y4);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)頻譜')%sound(y,fs,bits);圖3-5 高通濾波器性能指標(biāo)圖3-6 加單頻余弦信號(hào)濾波后波形4. 程序調(diào)試在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，首先通帶邊界頻率wp和阻帶邊界頻率ws取值不當(dāng)，分別取3500*2/Fs和4000*2/Fs，使濾波效果太差，后來經(jīng)過不

20、斷調(diào)試才取值為4000*2/Fs和4300*2/Fs，使濾波效果很理想。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，函數(shù)總是書寫錯(cuò)誤，寫成y=filter(b,a,x3)，y4=fft(x3,32768)，因?yàn)闆]有理解這兩個(gè)函數(shù)，所以不會(huì)修改，后來問老師才知道，要把y4=fft(x3,32768)中的x3改成y，進(jìn)過這樣一改，結(jié)果就正確了。在設(shè)計(jì)帶阻濾波器時(shí)，語句b,a=cheby1(N,Rp,Wn,'stop')中有個(gè)stop表示帶阻，但首先一直沒加，后來看以前做過的上機(jī)實(shí)驗(yàn)才知道寫錯(cuò)了。在運(yùn)行程序的過程中，總是發(fā)生錯(cuò)誤終止。如下圖所示： 圖4-1程序調(diào)試錯(cuò)誤圖示后來經(jīng)過調(diào)試才知道程序中有多處應(yīng)用

21、了sound 函數(shù)，才導(dǎo)致這樣的錯(cuò)誤，在注釋掉多余的sound函數(shù)，只剩下最后一個(gè)后，程序正常工作，而且聽到了濾波后干凈的歌聲。5. 總結(jié) 經(jīng)過為期一周的數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)，我重新學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且復(fù)習(xí)了以前學(xué)過但是卻逐漸淡忘的是知識(shí)。我這次做的題目是采用IIR濾波器的完全設(shè)計(jì)函數(shù)來設(shè)計(jì)各型IIR濾波器（Butterworth型與切比雪夫I型、切比雪夫型和橢圓型的低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型），繪出濾波器的頻域響應(yīng)；并用這些數(shù)字濾波器對(duì)含噪語音信號(hào)分別進(jìn)行濾波處理，比較不同方法下設(shè)計(jì)出來的數(shù)字濾波器的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析。我耐心的堅(jiān)持把課程設(shè)計(jì)完成。有互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)幫手，

22、對(duì)于不懂的可以從網(wǎng)上搜索，也可以查找很多有用的函數(shù)、源代碼及其它有用的資料。我參照課本知識(shí)對(duì)我找到的那些源代碼加以修改和整合，在用上老師提供的那些加噪的源代碼做出程序。雖然中間遇到很多問題，但通過自己的仔細(xì)排查，老師的幫助，同學(xué)之間的互相討論基本上解決了?？傊?，通過這次數(shù)字信號(hào)課程設(shè)計(jì)，我受益匪淺。6. 附件程序源代碼：6.1 帶阻濾波x1,fs,bits=wavread('i:/好男人_new');sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始語音信號(hào)時(shí)域波形&#

23、39;);subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title('原始語音信號(hào)頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'x3=x1+d;%sound(x3,fs,bits);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x3)title('加單頻余弦信號(hào)的語音信號(hào)時(shí)域波形')y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號(hào)的語音信號(hào)頻譜')Fs=fs; %采樣頻率wp=4500 5

24、500*2/Fs; %通帶邊界頻率（歸一化頻率）ws=4000 6000*2/Fs; %阻帶邊界頻率（歸一化頻率）Rp=1;Rs=30;Nn=128; %通帶波紋和阻帶衰減以及繪制頻率特性的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N,Wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs);%求得數(shù)字濾波器的最小階數(shù)和歸一化截止頻率b,a=cheby1(N,Rp,Wn,'stop'); %按最小階數(shù)、通帶波紋和截止頻率設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器figure(3)H,f=freqz(b,a,Nn,Fs); %求得濾波器的頻率特性subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H);xlabel('頻率

25、/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;figure(4)y=filtfilt(b,a,x3); %對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波y4=fft(y,32768);subplot(2,1,1)plot(y);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y4);title('加單頻余弦信號(hào)

26、濾波后的語音信號(hào)頻譜')%sound(y,fs,bits);6.2 低通濾波x1,fs,bits=wavread('i:/好男人_new');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y1);title('原始語音信號(hào)頻譜')N=length(x1)-1;t=0:1/fs:N/fs;d=0.8*cos(2*pi*5000*t)'x3=x1+d;%soun

27、d(x3,fs,bits);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x3)title('加單頻余弦信號(hào)的語音信號(hào)時(shí)域波形')y3=fft(x3,32768);subplot(2,1,2)plot(abs(y3);title('加單頻余弦信號(hào)的語音信號(hào)頻譜')Fs=fs; %采樣頻率wp=4000*2/Fs;ws=4300*2/Fs; %根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換Rp=1;Rs=20; %通帶波紋和阻帶衰減Nn=128; %顯示濾波器頻率特性的數(shù)據(jù)長度N,Wn=buttord(wp,ws,Rp,Rs); %求得數(shù)字濾波器的最小階數(shù)和截止頻

28、率（歸一化頻率）b,a=butter(N,Wn); %設(shè)計(jì)Butterworth低通數(shù)字濾波器figure(3)H,f=freqz(b,a,Nn,Fs); %用Nn點(diǎn)繪出頻率特性subplot(2,1,1),plot(f,20*log10(abs(H);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅/dB');grid on;subplot(2,1,2),plot(f,180/pi*unwrap(angle(H)xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位/o');grid on;figure(4)y=filter(

29、b,a,x3); %對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波y4=fft(y,32768);subplot(2,1,1)plot(y);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y4);title('加單頻余弦信號(hào)濾波后的語音信號(hào)頻譜')sound(y,fs,bits);6.3 高通濾波x1,fs,bits=wavread('i:/好男人_new');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始語音信號(hào)時(shí)域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y1);titl