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1、郑州轻工业学院课程设计说明书 题目：基于MATLAB的语音信号的FIR数字滤波处理姓 名： 院 （系）： 电气信息工程学院 专业班级： 电子信息工程09-2 学 号： 540901030203 指导教师： 成 绩： 时间： 2012 年 6 月 18 日至 2012 年 6 月 22 日郑州轻工业学院课 程 设 计 任 务 书题目 基于MATLAB的语音信号的FIR数字滤波处理 专业、班级 电子信息工程09级2班 学号 03 姓名 陈海锋 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：录制一段本人的语音文件，在MATLAB环境下，通过频谱分析确定其信噪比参数。设计合适的FIR数字滤波器，对此含
2、噪语音进行滤波处理。通过滤波前后的参数比较来实现对滤波效果的评估和滤波方法的改善。基本要求：1、掌握MATLAB编程的原理和方法。 2、熟悉语音信号的基本特征和分析处理方法。3、掌握数字信号处理的基本概念、理论和方法。4、熟练运用MATLAB设计合适的FIR数字滤波器。主要参考资料：1 赵力著，语音信号处理（第2版）M，机械工业出版社，2010.2 胡航著，语音信号处理（第四版）M，哈尔滨工业大学出版社，2009.3 张雄伟等著，现代语音处理技术及应用M，机械工业出版社，2009.完 成 期 限： 2012.6.18-2012.6.22 指导教师签名： 课程负责人签名： 2012年 6月15日
3、基于MATLAB的语音信号FIR数字的滤波处理电子信息工程 09 级 2 班 指导老师：郭淑婷 摘要：语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴学科，是目前发展最为迅速的学科之一，通过语音传递信息是人类最重要，最有效，最常用和最方便的交换信息手段，所以对其的研究更显得尤为重要。Matlab语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件，它可以将声音文件变换成离散的数据文件，然后用起强大的矩阵运算能力处理数据。这为我们的本次设计提供了强大并良好的环境！本设计要求自己录制一段自己的语音后，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
4、谱图。再在Matlab中设计FIR数字低通滤波器。之后对采集的语音信号经过低通滤波器后，观察波形，并进行时域和频谱的分析。对比处理前后的时域图和频谱图，分析低通滤波器对于语音信号的影响，最后收听进行滤波后的语音信号效果。 关键词：Matlab，语音信号，FIR滤波，窗函数。 目录1.绪论1 1.1设计内容1 1.2设计概述12.设计原理2 2.1 语音信号的时域分析2 2.2语音信号的频域分析23.设计过程及结果3 3.1原语音信号的提取和加噪3 3.2低通滤波器设计1 3.3结果分析及遇到问题74.总结8参考文献91.绪论1.1设计内容1首先录制好一段自己的语音。2给录制好的语音信号加入随机
5、噪音。2用Matlab分别设计好3种类型的滤波器（指标自己确定）：低通型、高通型、带通型。3用Matlab将加噪语音信号进行采样，并将其通过所设计的低通滤波器。4用Matlab自带的语音返回函数收听滤波后的语音信号，分析并比较其与原语音信号的差异。1.2 设计概述FIR滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。滤波器设计是根据给定滤波器的频率特性，求得满足该特性的传输函数。优点 ：（1）很容易获
6、得严格的线性相位，避免被处理的信号产生相位失真，这一特点在宽频带信号处理、阵列信号处理、数据传输等系统中非常重要；（2）可得到多带幅频特性；（3）极点全部在原点（永远稳定），无稳定性问题；（4）任何一个非因果的有限长序列，总可以通过一定的延时，转变为因果序列，所以因果性总是满足；（5）无反馈运算，运算误差小。缺点：（1）因为无极点，要获得好的过渡带特性，需以较高的阶数为代价；（2）无法利用模拟滤波器的设计结果，一般无解析设计公式，要借助计算机辅助设计程序完成。本设计中，我们通过Matlab对语音信号进行各种处理，通过加噪处理然后再对含噪音的信号进行滤波，分析不同滤波器滤波后的结果，通过滤波前后
7、的频谱图像和滤波后的语音信号找到最合适的滤波处理方式。熟悉各种滤波器的使用环境。2.设计原理2.1 语音信号的时域分析信号提取：通过图形用户界面上的菜单功能按键采集电脑上的一段音频信号，完成音频信号的频率，幅度等信息的提取，并得到该语音信号的波形图。信号调整：在设计的用户图形界面下对输入的音频信号进行各种变化，如变化幅度、改变频率等操作，以实现对语音信号的调整。2.2语音信号的频域分析信号的傅里叶表示在信号的分析和处理中起着重要的作用。因为对于线性系统来说，可以很方便地确定其对正弦或复指数和的响应，所以傅里叶分析方法能完善地解决许多信号分析和处理问题。另外，傅里叶表示使信号的某些特性变得更明显
8、，因此，它能更深入地说明信号的各项红物理现象。设计FIR数字滤波器的最简单的方法是窗函数法，通常也称之为傅立叶级数法。FIR数字滤波器的设计首先给出要求的理想滤波器的频率响应,设计一个FIR数字滤波器频率响应，去逼近理想的滤波响应。然而，窗函数法设计FIR数字滤波器是在时域进行的，因而必须由理想的频率响应推导出对应的单位取样响应，再设计一个FIR数字滤波器的单位取样响应去逼近。由于语音信号时随着时间变化的，通常认为，语音是一个受准周期脉冲或随机噪声源激励的线性系统的输出。输出频谱是声道系统频率响应与激励源频谱的乘积。身份到系统的频率响应及激励源都是随时间变化的，因此一般标准的傅里叶表示虽然适用
9、于周期及平稳随机信号的表示，但不能直接用于语音信号。由于语音信号可以认为在短时间内，近似不变，因而可以采用短时分析法。1.信号变换：在用户图形界面西啊对采集的语音信号进行Fourier等变换，并画出变换前后的频谱图和倒谱图。2.信号滤波：滤除语音信号中的噪音部分，可以采用抵用滤波、高通滤波、带通滤波，并比较各种滤波后的效果。3.设计过程及结果3.1 原语音信号的提取和加噪程序如下：x1,fs,dits=wavread(1.wav);%sound(x1,fs,dits);f=fs*(0:511)/1024;t=0:1/fs:(size(x1)-1)/fs;a=0.03*randn(size(x1
10、);x2=x1+a;sound(x2,fs,dits);%播放加噪声后的语音信号figure(1);plot(x1);%做原始语音信号的时域图形title(原始语音信号);xlabel(时间 t);ylabel(音量 n);figure(2);plot(x2);%做加噪后语音信号的时域图形title(加噪语音信号);xlabel(时间 t);ylabel(音量 n);figure(3);y1=fft(x2);%做length(x1)点的FFTy1=fftshift(y1); %平移，是频率中心为0derta_fs = fs/length(x2); %设置频谱的间隔，分辨率plot(-fs/2:
11、derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(y1);%画出加噪语音信号的频谱图title(加噪语音信号的频谱); 3.2 低通滤波器设计 fc1=2000; N1=2*pi*0.9/(0.1*pi); wc1=2*pi*fc1/fs; if rem(N1,2)=0 N1=N1+1;endWindow=boxcar(N1+1); %长度为N1的矩形窗Window b1=fir1(N1,wc1/pi,Window); figure(4); freqz(b1,1,512);title(低通滤波器的频率响应);x1_low = filter(b1,1,x2);%对信号进行低通滤波figur
12、e(5);plot(x1_low);title(信号经过低通滤波器(时域);figure(6);plot(-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_low);title(信号经过低通滤波器（频域）); sound(x1_low,fs);3.3 结果分析及遇到问题 以上程序及图形是Matlab运行过程中生成的，图形所在的位置就是要出图的地方，以上过程中对原信号加噪声后通过低通，带通，和高通三种滤波器进行滤波，通过对比分析找到最好的滤波方式。其中低通和带通都是用加矩形窗函数进行FIR处理，而高通用的是加Hanning窗在进行FIR处理。通过几
13、种滤波器滤波后的时域图我们可以清楚的看到，低通滤波器滤波效果较好，带通次之，而高通滤波时原信号完全淹没。在程序设计的整个过程中遇到了很多问题，我把自己遇到的问题归纳如下：1.在最开始导入音频时x1,fs,dits=wavread(gaoqiang.wav);其中我原来用MP3录制的MAV文件，结果整了好长时间始终不能导入语音文件，后来在网上查资料他们说可能MAV文件的问题，我又下了一个音频文件转换工具Cool Edit PRO。通过此工具我将WAV文件转化为windows wav文件，最后导入了文件。2.再导入文件之后剩下的就是加噪程序。a=0.03*randn(1,length(x1);x2
14、=x1+a;试了很多次都不工作，后来在网上找到说randn函数需要倒置才能直接与原信号相加。找到了这种方法也就加上了噪音信号。3.在加完噪声后剩下的就是滤波了，在我做这些滤波是发现滤波效果并不是很明显，只是从时域图上看出滤波效果，在声音上差别不大。到最后也没做出很好的滤波效果。4. 总结经过这近一 个星期的课程设计，使我学到了很多。首先，从这次设计中，我学到了很多课本上理论知识之外的东西，在理论学习中，我们只研究它在理论情况下的结果，只研究工作的过程，而通过这次的课程设计，我发现在真正的实际应用中，光有理论知识是远远不够的，要想真正完成课程设计就必须多关注实际应用的问题， 然后，在这次课程设计
15、中，我学会了去翻阅大量的资料。当我们刚接到自己的设计课题时，我们根本就没有太多的思路，想要真正做好这个课程，就必须去图书馆找书，在图书馆我找到一本课程设计指导书，然后光有参考书是不够的，我又在网上搜索大量有关的文章，然后从中提取素材，才完成了这次的课程设计。还有在这次的课程设计中，我开始学到了耐心的重要性，在设计过程中，从翻阅资料，理解课程，搜索资料，到最后的下手写，是一个漫长的过程，只有在经历了完整的搜索过程后，我们才有思路，才有设计思想，而这个漫长的过程就需要我们要有耐心，否则，你无法完成你的课程设计。另外，以往都是通过课本来感性的认知语音信号，通过本次的课程设计，让我对语音信号有了一个较
16、为实际的认识。于此同时，让我再次把数字信号处理及数字滤波器的设计方法重新进行了复习和学习。而对于Matlab，也再次让我感受到了其功能的强大。最为重要的是，本次课程设计让我重新审视了学习的过程：只去做实验是不行的，首先还是要思考，遇到了问题查书籍，百度搜索也只是一种手段，更加重要的是想，再理解，只有这样才能真正的做好实验。最后，非常感谢郭淑婷老师的细心指导，使得在做课程设计过程遇到的许多问题得以解决。就这次课程设计，我想说他让我学到了理论与实际的差距，这也告诉我们，要想在以后的工作和学习中做到游刃有余，你就必须学会把理论知识与实际结合起来，提高自己的实际动手能力。而这才是以后要关注的重点。参考文献：1 赵力著，语音信号处理（第2版）M，机械工业出版社，2010.2 胡航著，语音信号处理（第四版）M，哈尔滨工业大学出版社，2009.3 张雄伟等著，现代语音处理技术及应用M，机械工业出版社，2009.4 应用MATLAB实现信号分析和处理张明照，刘政波，刘斌等 科学出版社. 2005 5 数字信号处理教程程佩青 清华大学出版社. 2001年8月第二版。
