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1、摘要随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理逐渐发展成为一门独立的学科，成为信息科学的重要组成部分，在语音处理、雷达、图像处理、通信、生物医学工程等众多领域中得到广泛应用。 Matlab语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，Matlab功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的喜爱。特别是Matlab还具有信号分析工具箱，不需具备很强的编程能力，就可以很方便地进行语音信号分析、处理和设计。语音信号的抽样、频谱分析，滤波器的设计及语音信号的滤波，通过数字信号处理课程的理论知识的综合运用。从实践上初步实现对数字信号的处理。关键词： 语音处理 抽样 频谱分析 滤波器
2、目 录摘要I第一节 设计要求1第二节 设计方案1第二章 语音信号的采集及加噪2第一节 语音信号的录制2第二节 语音信号的时域分析3第三节 语音信号加噪和频谱分析5第三章 滤波器设计7第一节 FIR和IIR数字滤波器的选择7第二节 用FIR滤波器语音信号进行滤波9一 滤波器的程序设计9二 滤波前后信号比较10第三节 比较回放语音信号12第四章 心得体会13参考文献14第一章 课程设计方案提出第一节 设计要求要求录制一段自己的语音信号后，在MATLAB软件中采集语音信号、回放语音信号并画出语音信号的时域波形和频谱图；对所采集的信号加入干扰噪声，对加入噪声进行播放，并进行时域和频谱分析；对比及早前后
3、的时域图和频谱图，分析讨论采用什么的滤波器进行滤除噪声。第二节 设计方案Windows自带的录音机声音麦克风声卡滤波采样A/D转换 Wav 图1.1 语音信号录制流程图首先，录制一段语音信号（如图1.1）；然后，利用MATLAB中的wavread命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再将该向量看作一个普通的信号，对其进行FFT变换实现频谱分析；随后，利用MATLAB中的随机函数(rand或randn)产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，并对其频谱分析。最后；再依据实际情况对它进行滤波。对于波形图与频谱图（包括滤波前后的对比图）都可以用 MATLAB画出。我们还可以通过sou
4、nd命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。第二章 语音信号的采集及加噪第一节 语音信号的录制利用PC 机上的声卡和WINDOWS 操作系统可以进行数字信号的采集。将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机。按下录音按钮,接着对话筒说话“语音信号处理”,说完后停止录音,屏幕左侧将显示所录声音的长度，点击放音按钮,可以实现所录音的重现。以文件名“shijiebei”保存入D: MATLAB work 中。文件存储器的后缀默认为. wav ,这是WINDOWS 操作系统规定的声音文件存的标准。具体操作如下：a.打开 开始/程序/附件/娱乐/录音机（如图3.1）; 图3.1 b.用
5、windows media player播放一首音乐并用MIC对着耳机录音或自已说话录音（按键），到10秒时停止（按键）（如图3.1）； 图3.2 图3.3 c.将录制文件加存为D:/MATLAB7/work中，文件名为shijiebei.wav（如图3.2、图3.3和图3.4）； 图3.4 第二节 语音信号的时域分析在MATLAB软件平台下，利用MATLAB中的“wavread”命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再对其进行采样，记住采样频率和采样点数。通过使用wavread函数，可以深入理解采样频率、采样位数等概念，下面介绍Wavread 函数几种调用格式。（1）y=wavre
6、ad（file）；读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中。（2）y,fs,nbits=wavread(file) ；采样值放在向量y中，fs表示采样频率（hz），nbits表示采样位数。（3）y=wavread（file，N）；读取钱N点的采样值放在向量y中。（4）y=wavread（file，N1,N2）；读取从N1到N2点的采样值放在向量y中。接下来，对语音信号shijiebei.wav进行采样。其采样程序如下： y,fs,nbits=wavered (E:shejishijiebei);即把语音信号加载入Matlab 仿真软件平台中。然后，画出语音信号的时域波形，再对语音
7、信号进行频谱分析。MATLAB提供了快速傅里叶变换算法FFT计算DFT的函数fft,其调用格式如下：Xk=fft(xn,N)参数xn为被变换的时域序列向量，N是DFT变换区间长度，当N大于xn的长度时，fft函数自动在xn后面补零。，当N小于xn的长度时，fft函数计算xn的前N个元素，忽略其后面的元素。在本次设计中，我们利用fft对语音信号进行快速傅里叶变换，就可以得到信号的频谱特性。其程序如下：y,fs,nbits=wavread ( E:shejishijiebei);sound(y,fs,nbits); %回放语音信号N= length (y) ; %求出语音信号的长度Y=fft(y,
8、N); %傅里叶变换subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信号波形);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信号频谱)程序运行结果如下图：图3.5 原始信号波形及频谱第三节 语音信号加噪和频谱分析MATLAB中产生高斯白噪声非常方便，有两个产生高斯白噪声的两个函数 。我们可以直接应用两个函数：一个是WGN，另一个是AWGN。WGN用于产生高斯白噪声，AWGN则用于在某一信号中加入高斯白噪声。也可直接用randn函数产生高斯分布序列。在本次课程设计中，我们是利用MATLAB中的随机函数(rand或randn)产生噪声加入到语音信号中，模仿语
9、音信号被污染，并对其频谱分析。Randn函数有两种基本调用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者产生nn服从标准高斯分布的随机数矩阵，后者产生mn的随机数矩阵。在这里，我们选用Randn（m,n）函数。语音信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下：y,fs,nbits=wavread ( E:shejishijiebei);N = length (y) ; %求出语音信号的长度Noise=0.01*randn(n,2); %随机函数产生噪声Si=y+Noise; %语音信号加入噪声 sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title(加噪语音信号的时域波形
10、);S=fft(Si); %傅里叶变换subplot(2,1,2);plot(abs(S); title(加噪语音信号的频域波形);程序运行结果如下图：图3.6 加噪后的波形及频谱分析第三章 滤波器设计第一节 FIR和IIR数字滤波器的选择IIR滤波器和FIR滤波器的设计方法完全不同。IIR滤波器设计方法有间接法和直接法，间接法是借助于模拟滤波器的设计方法进行的。其设计步骤是：先设计过渡模拟滤波器得到系统函数H（s），然后将H（s）按某种方法转换成数字滤波器的系统函数H(z)。FIR滤波器必须采用间接法，常用的方法有窗函数法、频率采样发和切比雪夫等波纹逼近法。对于线性相位滤波器，经常采用FIR
11、滤波器。数字滤波器种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应( FIR，Finite Impulse Response)滤波器和无限冲激响应( IIR，Infinite Impulse Response)滤波器。FIR滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，系统函数H (z)在极点处收敛，极点全部在z = 0处（因果系统），因而只能用较高的阶数达到高的选择性。FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR数字滤波器低，但是线性相位，就是不同频率分量的信号经过fir滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利
12、于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。 FIR滤波器因具有系统稳定，易实现相位控制，允许设计多通带（或多阻带）滤波器等优点收到人们的青睐。IIR滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。同时，IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。下面我们着重介绍
13、用窗函数法设计FIR滤波器的步骤。如下：（1）根据对阻带衰减及过渡带的指标要求，选择串窗数类型（矩形窗、三角窗、汉宁窗、汉明窗、凯塞窗等），并估计窗口长度N。先按照阻带衰减选择窗函数类型。原则是在保证阻带衰减满足要求的情况下，尽量选择主瓣的窗函数。（2）构造希望逼近的频率响应函数。（3）计算h(n).。（4）加窗得到设计结果。接下来，我们根据语音信号的特点给出有关滤波器的技术指标：低通滤波器的性能指标：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB高通滤波器的性能指标：fp=3500Hz，fc=4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；带通滤波器的性能指标：fp1
14、=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB在Matlab中，可以利用函数fir1设计FIR滤波器，利用函数butter,cheby1和ellip设计IIR滤波器，利用Matlab中的函数freqz画出各步步器的频率响应。hn=fir1(M，wc，window)，可以指定窗函数向量window。如果缺省window参数，则fir1默认为哈明窗。其中可选的窗函数有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相应的都有实现函数。函数butter,cheby1和ellip设计IIR滤波器时都是默认的双线性变换法，所以在设计滤波器时只需要代入相应的实现函数即可第二节 用FIR滤波器语音信号进行滤波一 滤波器的程序设计由频谱图可以看出信号能量集中在低频部分，为了减少无用的高频分量我设计了以下的FIR低通滤波器将其滤除。该设计采用窗函数法（汉明窗）来完成以下指标的低通滤波器。通带截频fp=3000Hz，阻带截频fs=3500Hz，通带最大衰减0.3dB，阻带最小衰减50dB，采样频率fs为信号源采样频率22050Hz。源程序如下：Wp=3000*2*pi;Ws=3500*2*pi;Ap=0.3;As=50;fs=22050;wp=Wp/fs;ws=Ws/fs; %归一化通带截频，
