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1、光电工程学院数字信号处理实验语音数字滤波系统设计4月丈母CHONGQING UNIVERSITY数字信号处理实验课程设计学 号：2011289教师姓名：李敏学 院：光电工程学院时 间： 2013年12月15日中国.重庆重庆大学 光电工程学院二。一三年十二月目录1 .实验目的32 .实验器材33 .实验原理43.1 滤波器频谱范围43.2 设计IIR数字滤波器的基本思想 43.3 巴特沃思低通数字滤波器 43.4 巴特沃思高通数字滤波器 43.5 巴特沃思带通数字滤波器 54 .实验步骤65 .实验程序设计及测试 75.1 语音信号的采集与频谱分析 75.2 巴特沃斯低通滤波器的设计与仿真 85
2、.3 巴特沃斯高通滤波器的设计与仿真 115.4 巴特沃斯带通滤波器的设计与仿真 156 .实验结果分析 207 .附录错误！未定义书签。2 / 20光电工程学院数字信号处理实验语音数字滤波系统设计1.实验目的1 .掌握数字信号处理的基本概念，基本理论和基本方法。2 .熟悉离散信号和系统的时域特性。3 .掌握序列快速傅里叶变换方法。4 .学会MATLAB勺使用，掌握MATLAB勺程序设计方法。5 .掌握利用MATLAB寸语音信号进行频谱分析。6 .掌握滤波器的网络结构。7 .掌握MATLABS计数字滤波器的方法和对信号进行滤波的方法。2 .实验器材1.2.Windows下 的录音机Matlab
3、软件3 /20光电工程学院数字信号处理实验语音数字滤波系统设计3 .实验原理3.1 滤波器频谱范围语音信号的频谱范围主要为800Hz左右，并且在5000Hz左右有一个小信号， 因此，在设计低通滤波器时，应把噪声频谱设定在 5000Hz以上，这样，通过低 通滤波器，即可滤除噪声信号从而还原语音信号； 在设计高通滤波器时，应把噪 声设定在800Hz以内，以通过高通滤波器滤除低频的噪声信号， 从而还原相对频 率较高的语音信号；在设计带通滤波器时，可把噪声设计在低于800Hz或高于5000Hz频谱上，已通过带通滤波器还原带通范围内的语音信号。3.2 设计IIR数字滤波器的基本思想设计IIR数字滤波器的
4、方法主要有基于冲激响应不变法的IIR数字滤波器设计，基于双线性z变换法的IIR数字滤波器设计，数字高通、带通及带阻IIR滤波器设计，基于MATLA函数直接设计IIR数字滤波器。本实验中采用双线性 变换法变换的巴特沃思数字滤波器。3.3 巴特沃思低通数字滤波器(1)选择来自window自带音频文件的“ ding.wav”声音作为语音信号(2)给信号加一个大频率的噪声(取噪声频率远大于语音信号的最大频率)，产 生污染信号。(3)设计一个巴特沃思低通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为 小于噪声信号频率。(4)将设计好的巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语音 信号。3.4 巴
5、特沃思高通数字滤波器(1)选择来自window自带音频文件的“ ding.wav”声音作为语音信号(2)给信号加一个小频率的噪声(取噪声频率远小于语音信号的最小频率) 产生污染信号。(3)设计一个巴特沃思高通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定 为大于噪声信号频率。(4)将设计好的巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语 音信号。3.5 巴特沃思带通数字滤波器(1) 选择来自window自带音频文件的“ ding.wav”声音作为语音信号(2)给信号加一个小频率或大频率的噪声(取噪声频率远小于语音信号的最 小频率或大于语音信号的最大频率)，产生污染信号。本实验取小频率的噪声信
6、 号。(3)设计一个巴特沃思带通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定 为不包括噪声信号频率。(4)将设计好的巴特沃思带通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语 音信号。20 / 204.实验步骤(1)利用Windows下的录音机或其他软件录一段声音信号，或者选择Windows系统的“叮” (Ding.wav),并对该信号进行采样； 语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；产生噪声信号加到语音信号中，得到被污染的语音信号，并回放语音信号； 污染信号的频谱分析，画出被污染的语音信号时域波形和频谱；(5)根据有关的频谱特性，采用间接法设计IIR数字滤波器，并画出相应滤波器的
7、幅频图(设计3个IIR滤波器，本实验中设计的模拟滤波器类型：巴特沃思低通滤波器，巴特沃思高通滤波器，巴特沃思带通滤波器)；(6)用设计出的滤波器对被噪声污染的信号进行滤波；(7)分析得到信号的频谱，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；(8)回放语音信号。5.实验程序设计及测试5.1 语音信号的采集与频谱分析将windows系统自带的声音文件 Ding.wav复制到E盘，并利用wavread函 数将该声音文件导入matlab中，可以利用函数fft对信号进行快速傅里叶变换， 得到信号的频谱特性；绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。程序如下： %导入语音信
8、号Fs=22050;x,FS,bits=wavread(E:signal20113289Ding.wav);x=x(:,1);figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);%在命令窗口输入 sound(x,FS,bits)回放语音title(语音信号时域波形图)y=fft(x,3260);f=(FS/1630)*1:1630;subplot(2,1,2);plot(f(1:1630),abs(y(1:1630);title(语音信号频谱图)；运行程序得到语音时域和频谱图形如下5.2 巴特沃斯低通滤波器的设计与仿真(1)产生高频的噪声信号 zs=0.05*cos(2*pi*1
9、0000*t/22050),MATLA醒序如下：%产生高频噪声信号t=0:length(x)-1;zs=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050);zs0=0.05*cos(2*pi*10000*t/22050000);figure(2);subplot(2,1,1)plot(zs0)title(高频噪声信号波形);zs1=fft(zs,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪声subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title(高频噪声信号频谱);程序运行得高频噪声的时域波形和频谱如下:0.05000.511.5
10、22.534高频噪声信号波形-0.05X 10高频噪声信号频谱0200040006000800010000 1200014000 1600018000(2)将高频信号添加到原声音信号，得到污染的声音信号，并利用 fft对污染后的信号进行快速傅里叶变换，得到频谱特性。matlab程序如下：%各噪声添加到声音信号x1=x+zs;%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪声后的语音y1=fft(x1,1200);figure(3);subplot(2,1,1);plot(x1);title(加入高频噪声后的信号波形);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(
11、1:600);title(加入高频噪声后的信号频谱);程序运行结果得加入噪声信号后的声音信号时域波形和频谱:加入高频噪声后的信号波形00.511.522.534 x 10加入高频噪声后的信号频谱30201000200040006000800010000 1200014000 1600018000(3)巴特沃斯低通滤波器的设计根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标，设计低通滤波器性能指标如下，Fs=22050Hz; fp=3000Hz, fs=3500 Hz, rp=1dB , rs=10dB;巴特沃斯滤波器的设计程序如下：%设计巴特沃斯低通滤波fp=3000;fs=3500;Fs=2205
12、0;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs, B,A=butter(N,wc, s);Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(4);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050); plot(w,abs(h);title(巴特沃斯低通滤波器); xlabel(频率 H HZ) );ylabel( grid on;s)；损耗(dB)；程序运行结果如下:(4)巴特沃斯低通滤波器的仿真利用巴特沃斯滤
13、波器对含有噪声的声音进行低通滤波，程序如下% 寸信号进行低通滤波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(5)；subplot(2,1,1);plot(yd); title(低通滤波后信号波形);ydd=fft(yd,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);title(低通滤波后信号频谱);sound(yd,FS,bits)运行结果如下:0.2低通滤波后信号波形T0.1(I H4 ilrJ I0111-0.1-0.20.51.52.54X 105.3 巴特沃斯高通滤波器的设计与仿真(1)产生低频的噪声信号 zs=0.05*
14、cos(2*pi*100*t/22050),MATLA醒序如下：%产生低频噪声信号t=0:length(x)-1;zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);figure(6);subplot(2,1,1)plot(zs0);axis(0 2000 -0.05 0.05) title(低频噪声信号波形)； zs1=fft(zs0,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪声subplot(2,1,2) plot(f(1:600),abs(zs1(1:600); title(低频噪声信号频谱)；程序运行得低频噪声的时域波形和频谱如下:(2)将低频信号添加到原声
15、音信号，得到污染的声音信号，并利用 fft对污染后的信号进行快速傅里叶变换，得到频谱特性。程序如下:%氐频信号加载到声音信号x1=x+zs0;%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪声后的语音y1=fft(x1,1200);figure(7);subplot(2,1,1);plot(x1);title(加入低频噪声后的信号波形)；subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title(加入低频噪声后的信号频谱)；程序运行结果得加入噪声信号后的声音信号时域波形和频谱:加入低频噪声后的信号频谱30201000200040006000800010
16、000 1200014000 1600018000(3)巴特沃斯高通滤波器的设计根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标，设计高通滤波器性能指标 如下，Fs=22050Hz; fp=600Hz, fs=400 Hz, rp=1dB , rs=10dB;巴特沃斯滤波 器的设计程序如下：% 设计巴特沃斯高通滤波器fp=600;fs=400;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,s);B,A=butter
17、(N,wc,high , s);Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(8);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h);title(巴特沃斯高通滤波器)；xlabel(频率(HZ) );ylabel( 损耗(dB);grid on;程序运行结果如下:(4)巴特沃斯高通滤波器的仿真利用巴特沃斯滤波器对含有噪声的声音进行高通滤波，程序如下%用巴特沃斯高通滤波器进行滤波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(9);subplot(2,1,1);plot(yd); title(高通滤波后信号波形)；ydd=fft(yd
18、,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);title(高通滤波后信号频谱)；sound(yd,FS,bits)运行结果如下：高通滤波后信号波形0.30.20.10-0.1。刑 I卿IWMlMm*一00.511.522.534X 10 高通滤波后信号频谱864Jr-200200040006000800010000 1200014000 16000180005.4 巴特沃斯带通滤波器的设计与仿真(1)产生低频的噪声信号 zs=0.05*cos(2*pi*100*t/22050),MATLA醒序如下：% 产生低频噪声信号t=0:length
19、(x)-1;zs0=0.05*cos(2*pi*100*t/22050);figure(6);subplot(2,1,1)plot(zs0);axis(0 2000 -0.05 0.05)title(低频噪声信号波形)； zs1=fft(zs0,1200);%sound(zs,FS,bits); %回放噪声subplot(2,1,2)plot(f(1:600),abs(zs1(1:600);title(低频噪声信号频谱)；程序运行得低频噪声的时域波形和频谱如下:低频噪声信号频谱30 r1c1r20 -IO =r0 JC10200040006000800010000 1200014000 160
20、0018000(2)将低频信号添加到原声音信号，得到污染的声音信号，并利用 fft对污染后的信号进行快速傅里叶变换，得到频谱特性。程序如下:%氐频信号加载到声音信号x1=x+zs0;%sound(x1,FS,bits); %回放加入噪声后的语音y1=fft(x1,1200);figure(7);subplot(2,1,1);plot(x1);title(加入低频噪声后的信号波形)；subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(y1(1:600);title(加入低频噪声后的信号频谱)；程序运行结果得加入噪声信号后的声音信号时域波形和频谱:0.4加入低频噪声后的信号波形0.2
21、0-0.2-0.40.51.52.54X 1030加入低频噪声后的信号频谱20100200040006000800010000 1200014000 1600018000(3)巴特沃斯带通滤波器的设计根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标，设计高通滤波器性能指标如下，Fs=22050Hz; fp=600,6000Hz 巴特沃斯滤波器的设计程序如下：% 设计巴特沃斯带通滤波器fp=600,6000;fs=400,7000;Fs=22050;rp=1;rs=10;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;T=1;Fs1=1;,fs=400,7000 Hz , rp=1dB, rs
22、=10dB;wap=2*tan(wp/2);was=2*tan(ws/2);N,wc=buttord(wap,was,rp,rs,s)；B,A=butter(N,wc,s);Bz,Az=bilinear(B,A,Fs1);figure(12);h,w=freqz(Bz,Az,512,Fs1*22050);plot(w,abs(h);title( xlabel( grid巴特沃斯带通滤波器);频率(HZ) );ylabel(损耗(dB)；on ；程序运行结果如下:1.4| 11111 1!200040006000频率(HZ)巴特沃斯带通滤波器218 6 46ss XDa 1损耗268000100
23、0012000(4)巴特沃斯带通滤波器的仿真利用巴特沃斯滤波器对含有噪声的声音进行带通滤波，程序如下%用巴特沃斯带通滤波器进行滤波yd=filter(Bz,Az,x1);figure(13);subplot(2,1,1);plot(yd);title(带通滤波后信号波形)；ydd=fft(yd,1200);subplot(2,1,2);plot(f(1:600),abs(ydd(1:600);title(带通滤波后信号频谱)；sound(yd,FS,bits)运行结果如下:带通滤波后信号波形4X 106.实验结果分析实验经过对声音信号图像的分析和处理，实现了对声音信号的基本处理的功 能，经过测
24、试运行，圆满完成了对语音信号的读取和打开； 较好的完成了对语音 信号的频谱分析，通过fft变换，得出了语音信号的频谱图；在滤波这一块，主 要从IIR数字滤波器入手，通过设计三种巴特沃斯滤波器，并进行测试仿真，基 本实现了低通滤波、高通滤波以及带通滤波，比较原声音信号与滤波后的声音信 号的频谱，可以看到完成滤波的效果与课题要求十分相符。通过sound函数来播 放原声音信号、噪音信号、受干扰的声音信号以及滤波后的声音信号， 对比可以 发现，高频噪音信号比原声音信号更尖锐， 低频噪声信号比原信号更低沉，受高 频信号干扰后的声音信号也比原信号更尖锐， 受低频信号干扰后的信号比原声音 信号更低沉，受到不同干扰的信号分别通过高通、低通、带通滤波后，声音基本 恢复到原来的状态。通过这次练习，小组成员进一步了解了信号的产生、采样及频谱分析的方法， 以及产生信号和绘制信号的基本命令和基础编程语言。滤波器的选择和设计过程 也使各位成员对如何根据实际信号的特点，利用 matlab中已有的滤波器函数进 行设计以达到滤波去噪的目的有了进一步了解。 在实验过程中比较去噪声前后的 语音回放效果，身临其境地体会到实验的效果，学习兴趣和创新意识都得到了很 大的激发。