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1、信号与系统课程设计报告课题五 基于 FIR 滤波的语音信号处理系统设计课题五 基于 FIR 滤波的语音信号处理系统设计摘要： 本课题研究数字语音信号的初步分析方法、FIR 数字滤波器的设计及应用。Matlab 中实现对语音信号进行采集（读取），播放以及重采样的功能。对于加入噪声的语音信号设计合适的 FIR 数字滤波器进行滤波处理，并通过 FFT变换对语音信号的频谱进行分析。还通过 enframe 函数实现对语音信号的分帧，计算出短时能量和短时平均过零率等参数，通过时域波形和自相关的处理可以看到清音帧和浊音帧的区别。本次设计中还采用 LabVIEW 进行仿真设计，实现了包括语音文件的读取及播放、
2、滤波前后语音信号时域波形及频谱的显示、滤波器设计、滤波器幅频特性的显示等功能。最后，通过 Express 声音采集 VI 实现采集语音信号的功能，并对采集的语音信号进行后续分析。本设计很好的完成了设计课题的要求，并在一定程度上进行了延伸。关键词：语音信号采样 FFT FIR 滤波器 频谱分析 LabVIEW仿真Abstract:This paper researches the initial analysis of the digital voice signal and the design and application of the digital filter.We use Matl
3、ab to achieve the function,such as the acquisition of voice,play the voice and the resample of voice signal.We design the proper FIR digital filter to obtain the pure signal and analyze the voice spectrum by FFT transformation.We also use “enframe” to achieve the framing of voice signal and calculat
4、e the short-time energy.We can see the distinguish between unvoiced speech frame and the voice frame through the voice transaction.Also,the paper introduce the LabVIEW simulation design.The design realize the functions such as read and play the audio files,display of the time domain waveform and the
5、 spectrum, filter design,display of the filter amplitude-frequency characteristic.Finally,we use VI named sound acquisition to collect sound signal and analyze.The research completes the requirement of the task well and make more further study.Keywords: Voice signal sampling FFT FIR filter spectral
6、analysis LabVIEW simulation1 课程设计介绍 1.1 课程设计目的本设计课题主要研究数字语音信号的初步分析方法、FIR 数字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）熟悉 Matlab 软件的特点和使用方法。（2）熟悉 LabVIEW 虚拟仪器的特点以及采用 LabVIEW 进行仿真的方法。（3）掌握信号和系统时域、频域特性分析方法。（4）掌握 FIR 数字滤波器的设计方法（窗函数设计法、频率采样设计法）及应用。（5）了解语音信号的特性及分析方法。（6）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。1.2 课程设计任务1
7、.2.1 简单数字语音信号处理系统的 Matlab 设计。使用 GUI 进行系统的图形用户界面设计，在该界面中包括对语音信号的读取，对信号的时域，频域分析，添加噪声，设计 FIR 数字滤波器(利用窗函数设计法、频率采样设计法任选)实现噪声滤除。具体任务如下：（1）对语音信号进行采集（读取），对数字语音信号加入干扰噪声，画出原始信号及带噪信号的时域波形，利用 FFT 进行频域分析，画出相应波形，并对语音进行播放。（2）根据对语音信号及噪声的实际情况分析，选择适当的 FIR 数字滤波器进行设计，并对噪声进行滤除。（3）分析、对比噪声滤除前后的语音时域、频域特性，并对噪声滤除前后语音进行播放比较。（
8、4）利用 GUI 设计图形用户界面（包含以上功能）。1.2.2 利用 LabVIEW 进行仿真设计。采用 LabVIEW 进行仿真设计，实现系统的功能，包括语音文件的读取及播放、滤波前后语音信号时域波形及频谱的显示、滤波器设计、滤波器幅频特性的显示等功能，要求给出系统的前面板和程序框图，并记录仿真结果。1.2.3 选作部分。（1） 语音信号部分时域参数计算。对语音信号进行分帧（enframe 函数），分别取浊音帧和清音帧计算短时能量和短时平均过零率等参数，并对结果进行比较分析。（2） 利用 LabVIEW 录制语音利用 Labview 实现采集语音信号的功能，可以录音，播放等。2 设计原理2.
9、1 语音信号的采样与恢复对模拟语音信号 进行采集，需要遵循时域信号的采样定理。采样定理xt叙述如下：时域连续信号 进行等间隔采样，时域信号 的最高频率是f ft，采样间隔为 ，采样频率为 ,采样信号的频谱是原模拟信号频谱沿频率mfTcf轴以 为周期延拓而成的，并且要不失真地还原出模拟信号时，要满足s，即只有当 时，采样的时域离散信号才能正确地反映原始语c22cmf音信号。对采样语音信号 进行恢复为模拟语音信号实际上就是內插的过程，在()xn任意两点之间，根据端点值估计中间任意点的数值，采用的方法包括一阶线性插值法，非线性差值法等。对 16000hz 采样信号进行重采样，重新采样的频率分别为 2
10、000hz,4000hz和 8000hz，采样间隔与原采样间隔相比，相当于 ， ，1*8T24T。采样得到的序列 , , ，相3*2T1x(8*)n2x(4)n3x(*)n当于对序列做尺度变换。2.2 FFT 快速傅里叶变换离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，缩写为 DFT），是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其 DTFT 的频域采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。设 是一个长度为 M 的有限长序列，则定义 的 N 点离散傅里叶变换()xn ()xn为1
11、0()()()NknnXkDFTxW(0,1)L式中， 称为 DFT 的变换区间长度， 。2,jNWe M2.3 语音信号特征参数提取2.3.1 短时能量及短时平均幅度（1）定义 短时能量函数和短时平均幅度函数是基于语音信号幅度的变化。清音段幅度小，其能量集中于高频段；浊音段幅度较大，其能量集中于低频段。短时能量函数对信号电平值过于敏感。由于需要计算信号样值的平方和，在实际应用中（如定点设备）很容易溢出，所以可以用平均幅度函数来代替短时能量函数。短时能量函数定义：（2-1）102)(NmnxE短时平均幅度函数定义：（2-2）10|)(|NnnxM（2）作用(a) 区分清/浊音：En、Mn 大，
12、对应浊音； En、Mn 小，对应清音。(b) 在信噪比高的情况下，能进行有声/无声判决：无声时，背景噪声的En、Mn 小；有声时，En、Mn 显著增大。判决时可设置一个门限。2.3.2 短时平均过零率（1）过零率定义：信号跨越横轴的情况。对于连续信号，观察语音时域波形通过横轴的情况；对于离散信号，相邻的采样值具有不同的代数符号，也就是样点改变符号的次数。 （2）短时平均过零率对于语音信号，是宽带非平稳信号，考察其短时平均过零率。（2-3）10)1(sgn)(s2Nmnn mxxZ其中 sgn.为符号函数， （2-4）0)(1)(sg xx（3）作用(a) 区分清/浊音：浊音平均过零率低，集中在
13、低频端；清音平均过零率高，集中在高频端。(b) 从背景噪声中找出是否有语音，以及语音的起点。2.3.3 短时自相关函数相关函数用于确定两个信号在时域内的相似性。常用的物理量为自相关函数和互相关函数。当两个信号的互相关函数大时，则说明一个信号可能是另一个信号的时间滞后或提前；当互相关函数为 0 时，则两个信号完全不同。自相关函数用于研究信号本身，如波形的同步性和周期性。（1）自相关函数定义（2-5）KkmxkRkNnn 0)()(10（2）自相关函数特点(a) 当时域信号为周期信号时，自相关函数也是周期性函数，两者具有同样的周期。(b) 为偶函数， 。RnkRnk(c) 最大, ， ,对于确定信
14、号， 是信00En0Rn号能量；对于随机信号或周期信号， 是平均功率。（3）作用(a) 区分清/浊音。浊音语音的自相关函数具有一定的周期性。清音语音的自相关函数不具有周期性，类似噪声。(b) 估计浊音语音信号的周期，即估计基音周期。3 设计方案及论证3.1 利用 Matlab 设计基于 FIR 滤波的数字语音信号处理系统3.1.1 总体设计结构3.1.2 对语音信号进行采样使用 matlab 中自带的函数 audiorecorder 函数可以实现不同采样频率进对语音信号进行录制播放内插回复重采样分帧加入噪声滤波器的设计滤波图设计框图行语音信号的采集，这里我们使用的语音信号的采样频率为 1600
15、0hz。采样得到的语音信号的时域波形以及频谱图：分析：对语音信号以 16000hz 的采样频率进行信号采集，并对其做快速傅立叶变换 FFT，得到的时域波形图和频谱图，由频谱图可以看到语音信号的频率多集中在低频区，高频成分很少。3.1.3 对语音信号进行內插恢复对采样得到的语音信号进行內插恢复，得到恢复之后的连续信号，使用matlab 工具箱中的 interp1 函数。內插恢复的语音信号的时域波形和频谱图：图采集语音信号的时域波形和频谱图 分析：对语音信号进行內插恢复，时域波形基本没有变换，但是对恢复后的信号做快速傅里叶变换可以看到频率成分中的高频成分更少了，多集中在低频区，而且低频成分的幅度值更大了，內插恢复后所得的信号更接近于连续信号，所以高频成分更少了。3.1.4 对采样信号重采样对 16000hz 采样得到的时域离散信号进行重采样，重采样的频率分别为2000hz，4000hz 和 8000hz。相当于对于得到的离散信号的序列做尺度变换，这里使用的 for 循环实现的重采样处理。重采样得到的时域离散信号波形和频谱图：图內插恢复信号的时域波形和频谱图 分析：对 16000Hz 的采样信号进行重采样，重采样的频率分别为2000Hz,4000Hz,
