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1、信号与系统课程设计1课题三 语音信号处理系统设计1、本课题的目的本设计课题主要研究语音信号初步分析的软件实现方法、滤波器的设计及应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：(1)了解 Matlab 软件的特点和使用方法。(2)掌握利用 Matlab 分析信号和系统的时域、频域特性的方法；(3)掌握数字滤波器的设计方法及应用。(4)了解语音信号的特性及分析方法。(5)通过本课题的设计，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。二、课题任务设计一个简单的语音信号分析系统，实现对语音信号时域波形显示、进行频谱分析，利用滤波器滤除噪声、对语音信号的参数进行提取分析等功能。采用Matlab
2、设计语言信号分析相关程序，并且利用 GUI 设计图形用户界面。具体任务是：(1)采集语音信号。(2)对原始语音信号加入干扰噪声，对原始语音信号及带噪语音信号进行时频域分析。(3)针对语音信号频谱及噪声频率，设计合适的数字滤波器滤除噪声。(4)对噪声滤除前后的语音进行时频域分析。(5)对语音信号进行重采样，回放并与原始信号进行比较。(6)对语音信号部分时域参数进行提取。(7)设计图形用户界面（实现以上功能） 。三、主要设备和软件（1）PC 机，一台。（2）Matlab6.5 以上版本，一套。信号与系统课程设计2四、设计内容、步骤和要求4.1 必选部分利用 MATLAB 软件对语音信号进行频谱分析
3、；并对语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声。（1）根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论、阐明设计原理（抽样频率、量化位数的概念，抽样定理；信号的 FFT 分析；数字滤波器设计原理和方法，各种不同类型滤波器的性能比较） 。 （2）对语音信号以不同采样频率进行重采样，回放并与原始信号进行比较（如原语音信号采样频率为 16KHz，对其进行 8KHz，4KHz 的重采样） 。（3）对语音信号做 FFT，进行频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。（4）对语音信号加入干扰噪声，对语音信号进行回放（利用 sound 函数） ，感觉加噪前后声音的变化。对其做
4、FFT，进行频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频谱，对所得结果进行分析。（5）根据带噪语音信号的特点，设计合适的数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性。（6）用所设计的滤波器对带噪语音信号进行滤波。对滤波后的语音信号进行FFT 频谱分析。记录处理过程中所得各种波形及频谱图。（7）对语音信号进行回放，感觉滤波前后声音的变化。比较滤波前后语音信号的波形及频谱，对所得结果和滤波器性能进行频谱分析。42 拓展部分利用 GUI 设计简单的图形用户界面。要求主界面上包括语音文件的显示及播放按钮，滤波器设计时所需参数设置及滤波功能按钮。滤波前后语音信号时域波形及频谱的显示，滤波器幅频特性的显示等功
5、能可包含在主界面中，也可在新建图形窗口中完成。4.3 选作部分（1）对语音信号部分时域参数计算。对语音信号进行分帧，分别对浊音帧和清音帧的短时能量和短时平均过零率等参数进行计算，并对结果进行比较分析。信号与系统课程设计3（2）Simulink 仿真进行基于 Simulink 的动态仿真设计。实现复杂音或者语音信号的分析。给出系统的基于 Simulink 的动态建模和仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。注：（1) 录制语音信号可以采用 Windows 附件中的录音机。在 MATLAB 中可以采用命令“wavrecord”来进行录音。（2）在 MATLAB 中打开语音文件可以
6、调用 wavread 函数，生成.wav 文件可以调用 wavwrite 函数，播放语音可以调用 sound 函数。（3) 录制语音文件不要太长。五、课程设计报告要求（1）设计报告书包括内容：课程设计题目，课程设计目的和意义，设计方案，详细设计步骤，设计结果（原理图等） ，测试和仿真结果（图形或数据）及其分析，其它有明确要求的设计内容，结论，参考文献等。（2）提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料（程序、结果等）的电子版。六、参考文献1 高西全.数字信号处理（第三版）.西安电子科技大学出版社，2008.83 吴大正. 信号与线性系统分析（第四版）. 高等教育出版社，2005.84
7、陈垚光. 精通 MATLAB GUI 设计（第二版）电子工业出版社, 2011.15 陈后金. 信号分析与处理实验. 高等教育出版社，2006.86 赵力. 语音信号处理. 机械工业出版社，2009.7七、 附录设计原理信号与系统课程设计4附录：设计原理1.信号的抽样与恢复利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础。抽样过程关系到通信设备整个系统的性能指标。 信号的抽样软件实现例：利用 MAT
8、LAB 实现对信号 的抽样。程序如下 ：)20cos()ttxt0=0:0.001:0.1; x0=cos(2*pi*20*t0);plot(t0,x0,r) %绘制原始信号hold on Fs=100; T=0:1/Fs: 0.1;x= cos(2*pi*20*t);stem(t,x);hold off 信号恢复的软件实现信号重建是信号抽样的逆过程，需要在抽样点之间“插入”一些细节，也就是在样点之间进行内插。即内插函数为 ，得到的重建信号记为 ，则有)(thr )(txr（1-1）)(kTtxtkrr信号 是否为 x(t)的重建取决于对 x(t)的抽样是否正确。如果不满足抽样)(txr定理的
9、约束条件，出现频谱混叠，将无法从样点序列准确地重建 x(t)。2. 滤波器设计信号与系统课程设计52.1 模拟滤波器设计原理（1）模拟巴特沃思滤波器原理巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性：在小于截止频率 的范围内，具c有最平幅度的响应，而在 后，幅频响应迅速下降。c巴特沃思低通滤波器幅度平方函数为： (2-1)221()()aNcHj式中 N 为滤波器阶数， 为 3dB 截止角频率。将幅度平方函数写成 s 的函c数：(2-2)21()()a NcHssj该幅度平方函数有 2N 个等间隔分布在半径为 的圆上的极点， 为了形成稳定的滤波器，取左半平面的12() kjNkcse0,1.2N 个极点
10、构成 ，即：aHs(2-3) 10()()NackkHss为使设计统一，将频率归一化，得到归一化极点 ，相应的归12()jNpe一化系统函数为： (2-4)10()()NakkHp多项式形式为： (2-5)1.Nbp（2）模拟切比雪夫滤波器原理切比雪夫滤波器的幅频特性具有等波纹特性，有两种形式，在通带内等波纹、阻带单调的是 I 型滤波器，在通带内单调、在阻带内等波纹的是 II 滤波器。以 I型滤波器为例。信号与系统课程设计6切比雪夫滤波器的幅度平方函数为： (2-6)2221()()aNpAHjC 为小于 1 的正数，表示通带内幅度波动的程度。p 称为通带截止频率。令 =/p，称为对 p 的归
11、一化频率。 CN(x)为 N 阶切比雪夫多项式。幅度平方函数的极点是分布在 bp 为长半轴，ap 为短半轴的椭圆上的点。同样取 s平面左半平面的极点构成 ：()Hs(2-7)12()NNapiis进行归一化，得到： (2-8)1()a iip其中 ， 21(2)sincoskkpchjhiNN 1()Arsh2.2 模拟滤波器数字化原理将模拟滤波器转化为数字滤波器在工程上常用的有脉冲响应不变法和双线性变换法。脉冲响应不变法时一种时域上的转换方法，它是数字滤波器的单位取样响应在抽样点上等于模拟滤波器的单位冲激响应，即：(2-9)()hnTa设模拟滤波器只有单阶极点，其系统函数为：(2-10)1(
12、)NiaiAHss对 进行拉氏反变换得到 ，对 进行等间隔抽样，得到()aHshtt，对 进行 Z 变换，得到数字滤波器系统函数：hnT()hn(2-11)11()iNsTiAzez这种方法 s 和 z 的关系是： 。该方法的优点是频率坐标变换时线性的sT信号与系统课程设计7切数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好；缺点是会产生频谱混叠现象，适合低通、带通滤波器的设计，不适合高通、带阻滤波器的设计。 双线性变换法为了克服频谱混叠现象，采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到 之间，再用 转换到 Z 平面上。/TsTze这种方法 s 和 z 的关系
13、是： 。该方法克服了频谱混1(2/)/)s叠现象，但带来了频率坐标变换的非线性： ，由模拟滤波器(tan(/2系统函数转换为数字滤波器系统函数公式为：(2-12)12()|azTHzs2.3 数字高通、带通、带阻滤波器的设计这些滤波器可以借助于模拟滤波器的频率变换设计一个所需类型的模拟滤波器， 再通过双线性变换法将其转换成所需类型的数字滤波器。首先确定所需类型数字滤波器的技术指标；然后将数字滤波器技术指标按照公式 转换成所需类型滤波器的模拟域技术指标；将所需类型(2/)tan(/)T滤波器的模拟域技术指标转换成低通滤波器技术指标；设计归一化模拟低通滤波器；去归一化得到模拟低通滤波器的系统函数；
14、将模拟低通滤波器转换为所需类型的模拟滤波器；最后通过双线性变换法转换成所需类型的数字滤波器。3.Simulink 建模和仿真启动 Matlab 后，在命令窗口中输入命令“simulink” ，打开 simulink 模块库窗口。典型的 Simulink 模块包括三个部分：输入模块、状态模块、输出模块。3.1 Simulink 模块库简介 Continuous（连续模块）库 Discrete（离散模块）库 Math（数学模块）库信号与系统课程设计8 Sinks（信号输出模块）库：常用模块为 Scope（示波器模块） 、XYGraph（二维信号显示模块） 、Display（显示模块） Source
15、s（信号源模块）库（如图 3-1 所示） ，常见模块有：Constant （输入常数模块） 、Signal Generator（信号源发生器模块） 。Signal Generator 用于产生不同的信号波形，其中包括：正弦波、方波、锯齿波信号。Sources（信号源模块）还包括其它常用模块： Ramp（斜坡输入信号） 、Sine Wave（正弦波输入信号） 、Step（阶跃输入信号） 、Clock（时间信号） 、Pulse（脉冲信号）等。图 3-1 Sources（信号源模块）库3.2 利用 Simulink 建立滤波器仿真实例系统的传递函数为 ，输入激励为两个正弦波709.64.0512)(2ssH叠加，查看系统输出变化情况。仿真过程如下：首先打开 simulink 模块库窗口，在 simulink 模块库窗口中单击菜单项“File/New/Model”，即可以建立一个新的 simulink 模型文件。如图 3-2 所示。利用鼠标单击 Simulink 模块库窗口中的 Continuous 子库，选取传递函数模块信号与系统课程设计9Transfer Fcn，将它拖动到新建模型文件窗口的合适的位置。然后对模型模块进行参数设置和修改，单击右键从快捷菜单中选取“TransferFcn parameters”修改传递函数参数，在弹出对话框中的传递函数分子系
