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1、数字信号处理设计报告基于MATLAB的语音信号处理物理与电子工程学院专业电子信息科学与技术班级2013级励志班学号 130306044姓名郑芳目录摘要11设计要求22设计原理32. 1FIR数字滤波器的设计32. 1. 1利用窗函数法设计FIR滤波器32. 1.2频率采样法42.2 ITR数字滤波器的设计42.2. 1脉冲响应不变法52.2.2双线性变换法53设计内容63.1设让的框图63. 2语音录制6设计录音要求64、FIR&IIR滤波器的MATLAB设计74. 1 FIR滤波器的设计74. 1. 1 FIR低通滤波器的设计74. 1.2 FTR带通滤波器的设计84.2 1IR滤波器的设计
2、94.2. 1 IIR低通滤波器的设计94.2.2 IIR带通滤波器的设计105、语音分析125.1语音信号的频谱分析125. 2逐字滤波135.2. 1用FIR&IIR低通滤波器对“物”和“电”分析135.2.2用FIR&IIR带通滤波器对“学”和“院”分析19六总结27参考文献28本文是利用MATLAB对语音信号进行频谱分析和处理。利用matlab可以快速 有效地实现数字滤波器的设计与仿真，同时也介绍了有限长单位冲击响应 FIR&IIR低通滤波器和带通滤波器的设计原理与步骤，采集一段“物电学院”的 语音，通过matlab作图画出声音的时域波形，进行处理和频谱分析，其中涉 及采样频率、采样位
3、数的概念，采样定理。关键字：频谱分析；MATLAB;滤波器1设计要求(1) 、录取木人的“物电学院”咅频信号，作图画出声咅的时域波形，对 其进行频谱分析，画出其频域波形。(2) 、设计一个IIR低通滤波器，对“物”字和“电”字音频信号逐字滤 波。画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的 时域和频域信号。(3) 、设计一个FIR低通滤波器，对“物”字和“电”字咅频信号逐字滤 波。iFHi出滤波后的音频信号的吋域和频域波形，结合波形比较滤波前后的 时域和频域信号。(4) 、设计一个IIR带通滤波器，对“学”字和“院”字音频信号逐字滤 波。画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结
4、合波形比较滤波前后的时 域和频域信号。(5) 、设计一个FIR带通滤波器，对“学”字和“院”字咅频信号逐字滤 波。画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时 域和频域信号。2设计原理2. 1 FIR数字滤波器的设计FIR设计滤波器的设计任务是选择有线长度的h(n),使传输函数H)满足要求。线性相位FIR滤波器有两种设计方法：窗函数法和频率采样法。设计过程一般包括以下三个基本问题：(1) 、根据实际要求确定数字滤波器性能指标(2) 、用一个因果稳定的系统函数去逼近这个理想性能指标(3) 、用一个冇限精度的运算去实现这个传输函数。2. 1.1利用窗函数法设计FIR滤波器这种方法
5、一般是先给定所要求的理想滤波器的频率响应H&)，要求设N1计一个FIR滤波器频率响应H ( eJW ) =XheJWn去逼近理想的频率响应/I-0H然而，窗函数法设计FIR滤波器是在是时域中进行的，因此，必须首 先由理想频率响应Hd)的傅立叶反变换推导出对应的单位脉冲响应仏)：ha()=缶汕)eJwn dw由于/7/Z)是矩形频率特性，故比小一定是无限长的序列，且是非因果 的。而要设计的是FIR滤波器。其h(n)必定是冇限长的，所以要用冇限长的h(n) 来逼近无限长的仏)，最有效且简单的方法是截断仏)oH(l(/)曲hd 亠h (n)亠H(/)同时窗函数对滤波器频率响应有一定的影响：出现过渡带
6、、通带和阻带内产 生波动，也称为吉布斯效应。它直接影响滤波器的性能。为了克服吉布斯效应，窗函数的要求：频率特性的主瓣宽度尽量窄、与主瓣 的幅度相比，旁瓣尽可能小，把能量尽量集中在主瓣中。2. 1. 2频率采样法频率采样法是从频域出发，将给定的H&)加以等间隔采样N然后以此He 作为实际数字滤波器的频率特性的采样值H(k),即令 h伙)=HAe%. 2标伙=伙)，k二o, 1,., N1一 N由H/)通过内插公式得到H或H() o在H(k)内插求H(ejw)时口J利用 MATLAB 中的函数 h=rcal (ifft (II, N)和db, mag, pha, grd, w=freqz_m(h,
7、 1)来实 现。增大阻带衰减三种方法：(1) 、加宽过渡带宽，以晒牲过渡带换取阻带衰减的增加；(2) 、过渡带的优化设计(3) 、增大N2.2 IIR数字滤波器的设计IIR数字滤波器设计最常用的方法是利用模拟滤波器设计的方法，利用模拟滤 波器设计，将模拟域转换为数字域H,最常用的转换方法为脉冲响应 不变法和双线性变换法。设计数字滤波器一般包括3个基本步骤：(1) ：按照实际要求确定滤波器的性能指标；(2) :用一个因果稳定的系统函数H(z)去逼近这个性能指标；(3) ：用一个冇限精度的算法去实现这个系统函数；2. 2. 1脉冲响应不变法用数字滤波器的单-位脉冲响应序列/1（）模仿模拟滤波器的冲
8、击响应ha，让 加刃）止好等于力“的采样值，即h(n) = ham其中T为采样间隔，如果以 比“）及H分别表示仕的拉氏变换及加力的Z 变换则k)H（z）|严仕G-丿c 1 Zr=ao1在mat lab中，可用函数imp invar实现从模拟滤波器到数字滤波器的脉冲响 应不变映射。2. 2. 2双线性变换法s平面与z平面之间满足下列映射关系S平面的虚轴单值地映射与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。在MATLAB中，可用函数bilinear实现从模拟滤波器到数字滤波器的双线性变 换映射。模拟传输函数通常是：butter chebyl、chcby2 cllip bcssc
9、lfo Butter 低通传输函数在de处冇一个最大平旦的幅度响应，且随着频率增加幅度响应单 调的减少。3设计内容3. 1设计的框图频谱分析截取录音“物”HR低通滤波器语音录制截取录音“电”FIR低通滤波器截取录音“学”整体频谱分析截取录音“院”FIR带通滤波器FIR带通滤波器频谱分析A频谱分析整体设计框图图3. 2语音录制设计录音要求(1) 、用计算机 开始一所有程序一-附件一录音机，录取本人的“物电学 院”音频信号，吋间约为3秒。(2) 、格式为8KHz采样，8位量化，单声道，以自已名字命名的.wm文 件。电脑录音格式为WMA,下载了千千静听进行格式转化。4 FIR&IIR滤波器的MATL
10、AB设计4. 1 FIR滤波器的设计4.1.1 FIR低通滤波器的设计设计一个FIR低通滤波器，通带截止频率为3400Hz,阻带截止频率为 3550Hz,阻带衰减为25dB,通带衰减为ldB程序：fs=8000;Ts=l/fs;Rp=l;Rs=25;wp=2*pi*3400/fs;ws=2*pi*3550/fs;bfl=ws-wp;wc=(wp+ws)/2;ml=ceil(Rs-7. 95)/(2. 286*bfl)+l;nl=ml+l;betal=01102*(Rs-8. 7);Window= (kaiser (nl, bet al);bl=f ir 1 (mb wc/pi window);
11、figure(9);freqz (bl, 1, 512);title(?切比雪夫1型低通滤波器的频率响应)；|08060.402Tine dotran2 2&s102030405060-100020.40608Q Window Design & Analyst Too!* File Ssv Took Window Help0倉b幻炉normalzed Frtqueacy (x reMempWMdlh (.3C6): 0039083Lew?sctor 0 03%-VMrxtow usiSelect winders to displayAdd 合 new window |Copywlnciow2d
12、DeleteName:wndow_1Type：HammingLength:|6 ISamplingSymmetricApplyCerent XMndar/ Informal on切比雪夫1型低通滤波器的频率响应mp)DPWU詈0.10.20.30.40.50.60.70.80.91Normalized Frequency (xz rad/sample)(sDa6ap) aswlldo20oo600.10.20.30.40.50.6070.80.91Normalized Frequency (xz rad/sample)4. 1. 2 FIR带通滤波器的设计设计一个FIR带通滤波器，通带截止频率
13、为lOOIIz、8000IIz；阻带截止 频率为OHz、8100Hz,阻带衰减为25dB,通带衰减为ldBclc;clear allFs=16200;fs=Fs;Rs 二25;fp= 100, 8000 ;fsl= 0,8100; wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fsl/fs;bf=wp(l)-ws(1);wc=wp+bf/2;ml=ceil(Rs-7. 95)/(2. 286命f)+1;nl=ml+l;betal=0. 1102* (Rs-8. 7);Window= (kaiser (nl, bet al);bl=f ir 1 (ml. wc/pij bandpass, Wind
14、ow); figure(15);freqz(bl, 1, 512);title (?FIR通通廳波器的频率响应)；FIR带通通滤波器的频率响应2000.10.20.30.40.50.6070.80.91Normalized Frequency (xz rad/sample)20mp) apn-Eg 乏-605000(saaJ6ap) asd-10000-1500000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Normalized Frequency (xz rad/sample)OO50-200004.2 IIR滤波器的设计4. 2.1 IIR低通滤波器的设计设计一个1IR低通滤波器，通带截止频率为3400Hz,阻带截止频率为 3550Hz,阻带衰减为25dB,通带衰减为ldBfs=8000;Ts=l/fs;wp=2*pi*3400/fs;ws=2*pi*3550/fs;Rp=l;Rs=25; wpl=2/Ts*tan(wp/2);ws1=2/Ts*t an(ws/2);rij wn =ch
