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1、广西工学院课程设计用纸第 页 共 页数字信号的处理与滤波摘要：数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法，对信号进行采集、滤波、增强、压缩、估值和识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的，其应用范围涉及几乎所有的工程技术领域。语音信号的处理与滤波是数字信号处理中一个重要的组成部分。本课题主要研究的就是语音信号的处理与滤波，然后设计一个用户界面实现语音的处理与滤波的功能。使用 MATLAB 进行滤波器的设计，使用 MATLAB 的 GUIDE 工具设计用户界面。关键词：数字滤波器；双线性变换；窗函数；凯泽窗；GUIDE装 订 线 广西工学院课程设计用纸第 页 共 页一 设计
2、题目所选题目为设计五：语音信号的处理与滤波内容：录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；回放语音信号；最后，设计一个信号处理系统界面。基本要求：1语音信号的采集利用 Windows 下的录音机，录制一段自己的话音，时间在s 内。然后在 Matlab 软件平台下，利用函数 wavread 对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过 wavre
3、ad 函数的使用，要求理解掌握采样频率、采样位数等概念。2语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，从而加深对频谱特性的理解。其程序如下：3设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标：(1)低通滤波器性能指标f b1 000 Hz，f c1 200 Hz，A s100 dB，A p1 dB。(2)高通滤波器性能指标f c4 800 Hz，f b5 000 Hz A s100 dB，A p1 dB。(3)带通滤波器性能指标f b11 200 Hz，f b23 000 Hz，f c11 000 Hz，f c23 200 Hz，A
4、 s100 dB，A p1 dB。要求用窗函数法和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 fir1设计 FIR 滤波器，可以利用函数 butte，cheby1 和 ellip 设计 IIR 滤波器；利用 Matlab 中的函数freqz 画出各滤波器的频率响应。4用滤波器对信号进行滤波要求用自己设计的各种滤波器分别对采集的信号进行滤波，在 Matlab 中，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。5比较滤波前后语音信号的波形及频谱要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。6回放语音信号在
5、 Matlab 中，函数 sound 可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x，fs，bits)；可以感觉滤波前后的声音有变化。7设计系统界面（用 MATLAB 中 GUIDE 工具，要求自学）为了使编制的程序操作方便，要求有能力的学生，设计处理系统的用户界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号等。二 设计所涉及原理1 对信号进行采样抽样原理：要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号（即抽样不会导致任何信息丢失） ，必须满足：信号是频带受限的(信号频率区间有限)；采样率 至少是信号最高频率的两倍。2 IIR 滤波
6、器广西工学院课程设计用纸第 页 共 页语音信号的处理与滤波一 设计题目所选题目为设计五：语音信号的处理与滤波内容：录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；回放语音信号；最后，设计一个信号处理系统界面。基本要求：1语音信号的采集利用 Windows 下的录音机，录制一段自己的话音，时间在s 内。然后在 Matlab 软件平台下，利用函数 wavre
7、ad 对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过 wavread 函数的使用，要求理解掌握采样频率、采样位数等概念。2语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，从而加深对频谱特性的理解。其程序如下：3设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标：(1)低通滤波器性能指标f b1 000 Hz，f c1 200 Hz，A s100 dB，A p1 dB。(2)高通滤波器性能指标f c4 800 Hz，f b5 000 Hz A s100 dB，A p1 dB。(3)带通滤波器性能指标f b11 200 Hz，f b23 0
8、00 Hz，f c11 000 Hz，f c23 200 Hz，A s100 dB，A p1 dB。要求用窗函数法和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 fir1设计 FIR 滤波器，可以利用函数 butte，cheby1 和 ellip 设计 IIR 滤波器；利用 Matlab 中的函数freqz 画出各滤波器的频率响应。4用滤波器对信号进行滤波要求用自己设计的各种滤波器分别对采集的信号进行滤波，在 Matlab 中，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。5比较滤波前后语音信号的波形
9、及频谱要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。6回放语音信号在 Matlab 中，函数 sound 可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x，fs，bits)；可以感觉滤波前后的声音有变化。7设计系统界面（用 MATLAB 中 GUIDE 工具，要求自学）为了使编制的程序操作方便，要求有能力的学生，设计处理系统的用户界面。在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号等。二 设计所涉及原理1 对信号进行采样抽样原理：要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号（即抽样不会导致任何信息丢失） ，必须满足：信号是频带受限的(信号
10、频率区间有限)；采样率 至少是信号最高频率的两倍。2 IIR 滤波器广西工学院课程设计用纸第 页 共 页(1) 脉冲响应不变法：用数字滤波器的单位脉冲响应序列 h(n)模仿模拟滤波器的冲激响应 ha(t),让 h(n)正好等于 ha(t)的采样值，即 h(n)=ha(nT) 其中 T 为采样间隔，如果以 Ha(S)及 H(z)分别表示 ha(t)的拉式变换及 h(n)的 Z 变换，则 (2)双线性变换法：S 平面与 z 平面之间满足以下映射关系：s 平面的虚轴单值地映射于 z 平面的单位圆上，s 平面的左半平面完全映射到 z 平面的单位圆内。双线性变换不存在混叠问题。 双线性变换时一种非线性变
11、换，这种非线性引起的幅频特性畸变可通过预畸而得到校正。 IIR 低通、高通、带通数字滤波器设计采用双线性原型变换公式：变换类型 变换关系式 备 注 低通 高通 带通 带通的上下边带临界频率 以低通数字滤波器为例，将设计步骤归纳如下：1.确定数字滤波器的性能指标：通带临界频率 fp、阻带临界频率 fr；通带内的最大衰减 Ap；阻带内的最小衰减 Ar；采样周期 T； （3）. 确定相应的数字角频率， p=2f pT； r=2f rT；（4）. 计算经过预畸的相应模拟低通原型的频率，； （5）. 根据 p和 r计算模拟低通原型滤波器的阶数 N，并求得低通原型的传递函数 Ha(s)； （6）. 用上面
12、的双线性变换公式代入 Ha(s)，求出所设计的传递函数 H(z)； （7）.分析滤波器特性，检查其指标是否满足要求。3 FIR 滤波器线性相位实系数 FIR 滤波器按其 N 值奇偶和 h(n)的奇偶对称性分为四种：（1） 、h(n)为偶对称，N 为奇数广西工学院课程设计用纸第 页 共 页H(ej)的幅值关于 =0， ，2 成偶对称。 （2） 、h(n)为偶对称，N 为偶数H(ej)的幅值关于 = 成奇对称，不适合作高通。（3） 、h(n)为奇对称，N 为奇数H(ej)的幅值关于 =0， ，2 成奇对称，不适合作高通和低通。（4） 、h(n)为奇对称，N 为偶数H(ej) =0、2 0，不适合作
13、低通。(5) 窗口法 窗函数法设计线性相位 FIR 滤波器步骤 确定数字滤波器的性能要求：临界频率 k，滤波器单位脉冲响应长度 N； 根据性能要求，合理选择单位脉冲响应 h(n)的奇偶对称性，从而确定理想频率响应 Hd(ej)的幅频特性和相频特性； 求理想单位脉冲响应 hd(n)，在实际计算中，可对 Hd(ej)按 M(M 远大于 N)点等距离采样，并对其求 IDFT 得 hM(n)，用 hM(n)代替 hd(n)； 选择适当的窗函数 w(n)，根据 h(n)= hd(n)w(n)求所需设计的 FIR 滤波器单位脉冲响应； 求 H(ej)，分析其幅频特性，若不满足要求，可适当改变窗函数形式或长
14、度 N，重复上述设计过程，以得到满意的结果。 窗函数的傅式变换 W(ej)的主瓣决定了 H(ej)过渡带宽。W(e j)的旁瓣大小和多少决定了 H(ej)在通带和阻带范围内波动幅度，常用的几种窗函数有： 矩形窗 w(n)=RN(n)； Hanning 窗 ； Hamming 窗 ； Blackmen 窗 ； Kaiser 窗 。式中 Io(x)为零阶贝塞尔函数。三 设计工具MATLAB 7.0.1 国际标准版广西工学院课程设计用纸第 页 共 页四 设计进程说明设计主要分为两大块：（一）主程序 这部分主要实现了设计要求的第 16 个要求（见附录一）1 程序中首先用函数 wavread 对所录制的
15、语音信号（大小为 5 秒左右）进行采样，采样频率为fs=22050.2 画出语音信号的时域波形；然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。3 利用函数 fir1 设计 FIR 滤波器，并且用设计的滤波器对语音信号进行滤波（注：主程序中所使用滤波器为 FIR 滤波器hamming 窗）4 比较滤波前后语音信号的波形及频谱5 用 sound(x，fs，bits)函数对所滤声音进行回放，并与原始声音进行比较（二）用户界面（包含所界面程序 见附录二）这一部分主要实现了设计要求的第 7 步，界面中使用了所给定的三种指标分别对录制语音进行滤波。界面中可以选择滤波器的类型，可以显示滤波前的声音频域图形，滤波后的频域波形。还可以对原始波形和滤波后的波形进行比较等功能。附录一 主程序fs=22050;x1=wavread(f:io4.wav);t=0:1/22050:(size
