dsp課程設(shè)計(jì)--語音信號濾波去噪—使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器

1、<p>　　語音信號濾波去噪—使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器</p><p>　　摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用麥克風(fēng)采集一段語音信號，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的一個(gè)滿足指標(biāo)的巴特沃斯IIR濾波器，對該語音信號進(jìn)行濾波去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果和學(xué)過的理論得出合理的結(jié)論。 </p><p>　　關(guān)鍵詞 課

2、程設(shè)計(jì)；濾波去噪；巴特沃斯濾波器；脈沖響應(yīng)不變法；MATLAB</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　《數(shù)字信號處理》課程設(shè)計(jì)是在學(xué)生完成數(shù)字信號處理和MATLAB的結(jié)合后的基本實(shí)驗(yàn)以后開設(shè)的。本課程設(shè)計(jì)的目的是為了讓學(xué)生綜合數(shù)字信號處理和MATLAB并實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為完整的小型濾波系統(tǒng)。這一點(diǎn)與驗(yàn)證性的基本實(shí)驗(yàn)有本質(zhì)性的區(qū)別。開設(shè)課程設(shè)計(jì)

3、環(huán)節(jié)的主要目的是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件仿真、程序安排與調(diào)試、寫實(shí)習(xí)報(bào)告等步驟，使學(xué)生初步掌握工程設(shè)計(jì)的具體步驟和方法，提高分析問題和解決問題的能力，提高實(shí)際應(yīng)用水平。</p><p>　　二、 課程設(shè)計(jì)的要求</p><p>　?。?）濾波器指標(biāo)必須符合工程設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)完后應(yīng)檢查其頻率響應(yīng)曲線是否滿足指標(biāo)。</p><p&g

4、t;　?。?）處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。</p><p>　?。?）獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)并按要求編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　用麥克風(fēng)采集一段語音信號，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的一個(gè)滿足指標(biāo)的巴特沃斯IIR濾波器，對該語音信號進(jìn)行濾波去

5、噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析。</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)步驟</b></p><p><b>　　4.1設(shè)計(jì)流程圖</b></p><p>　　語音信號濾波去噪——使用脈沖不變響應(yīng)法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)流程如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 脈沖響應(yīng)不變

6、法巴特沃斯濾波器對語音信號去噪流程圖</p><p>　　4.2語言信號的采集</p><p>　　利用PC 機(jī)上的錄音軟件進(jìn)行采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語音輸入插口上,啟動錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“大蘿卜”,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“speech”保存入g :\ MATLAB \ work 中。可以看到,文件存儲

7、器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。然后，通過文件中的屬性，將此錄音轉(zhuǎn)換成8000Hz，8k的單聲道語音信號。</p><p>　　4.3語音信號的頻譜分析</p><p>　　利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。</p><p>　

8、　[y,fs,nbits]=wavread(file) </p><p>　　功能說明：采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbits表示采樣位數(shù)。</p><p>　　接下來，對語音信號speech.wav進(jìn)行采樣。其程序如下：</p><p>　　[y,fs,nbits]=wavered (‘speech.wav’); </p><

9、p>　　然后，畫出語音信號的時(shí)域波形，再對語音信號進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計(jì)算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：</p><p>　　Xk=fft(xn,N) </p><p>　　域序列向量，N是DFT變換區(qū)間長度，當(dāng)N大于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)自動在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。<

10、/p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。其程序如下：</p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread('44.wav');</p><p>　　n=length(y);</p><p>　　Y=fft(y,n);</p><p>　

11、　subplot(2,1,1);plot(y);title('原始信號波形');</p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(Y));title('原始信號頻譜');</p><p>　　圖3.3 時(shí)域波形</p><p>　　圖3.4 頻域幅度譜</p><p>　　圖3.5 頻

12、域幅度譜和相位譜</p><p><b>　　4.4濾波器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　將數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)為通帶截止頻率fb=1100HZ,阻帶頻率fc=1200HZ,通帶波紋Ap=1dB，阻帶波紋As=20dB,要求確定H(z)。設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　?。?）確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)。</p>&l

13、t;p>　?。?）將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為Ω=2/T tan(0.5ω)</p><p>　　(3)將相應(yīng)類型的模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。</p><p>　　（5）通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器。</p>

14、<p>　?。?）采用雙線性變換法將相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。</p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　Fp=1200;%阻帶截止頻率</p><p>　　Fs=1100;%通帶截止頻率</p><p>　　Ft=8000;%采集頻率</p>&

15、lt;p>　　As=20;%通帶波紋Ap=1</p><p>　　Ap=1;%阻帶波紋As=20</p><p>　　wp=2*pi*Fp/Ft;</p><p>　　ws=2*pi*Fs/Ft;</p><p>　　fp=2*Ft*tan(wp/2);</p><p>　　fs=2*Ft*tan(ws/2);&

16、lt;/p><p>　　[n,wn]=buttord(wp,ws,Ap,As,'s'); %求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率</p><p>　　[b,a]=butter(n,wn,'s'); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù) </p><p>　　[num,den]=bilinear(b,a,1); %雙線性變換實(shí)現(xiàn)S域到Z域的變換 &

17、lt;/p><p>　　[h,w]=freqz(num,den); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng) </p><p>　　plot(w*fs/(2*pi),abs(h));</p><p><b>　　grid;</b></p><p>　　xlabel('頻率／Hz');</p>&l

18、t;p>　　ylabel('頻率響應(yīng)幅度');</p><p>　　title('IIR低通濾波器');</p><p>　　legend('用butter設(shè)計(jì)');</p><p>　　圖3.6 利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的數(shù)字巴特沃斯濾波器（w(單位： \* MERGEFORMAT )）</p>

19、<p>　　4.5 信號濾波信號</p><p>　　圖3.7 濾波前后的時(shí)域?qū)Ρ炔ㄐ?lt;/p><p>　　濾波前后頻域頻譜圖3.8所示</p><p>　　圖3.8 濾波前后頻域頻譜圖</p><p>　　圖3.9 濾波前后相位圖</p><p><b>　　五、總結(jié)</b>

20、;</p><p>　　在這次的課程設(shè)計(jì)中我們設(shè)計(jì)的濾波器對語音信號的濾噪處理或多或少會因?yàn)槲覀兊氖韬龌蛘邔?shí)踐能力不夠還是會遇到問題的，當(dāng)遇到問題時(shí)我們不但運(yùn)用自己學(xué)到的知識還得到同學(xué)和老師的幫助將其解決，不斷完善和修改。設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題及解決方法如下：</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)不到要求，因?yàn)樵诓杉Z音信號時(shí)，錄音機(jī)的音頻格式應(yīng)該是PCM 8000kHz，8位，單聲道。&l

21、t;/p><p>　?。?）在運(yùn)用Matlab設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，當(dāng)編輯完前面兩條程序時(shí)無法放出聲音，后來發(fā)現(xiàn)我們應(yīng)當(dāng)把采集的語音信號wav文件放到Matlab的work文件夾中。</p><p>　?。?）還要在濾波器性能曲線的wc處畫一根豎線，這樣更方便看出結(jié)果，其中wc處線的確定還需計(jì)算出wb/pi的值。</p><p>　?。?）所有的時(shí)間波形橫坐標(biāo)都要化為時(shí)間，濾波

22、前后頻譜的橫坐標(biāo)應(yīng)是頻率，這樣在觀察通帶截止頻率和阻帶截止頻率時(shí)更加精確，誤差較小。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張圣勤 MATLAB7.0實(shí)用教程 北京：機(jī)械工程出版社 2006年3月 </p><p>　　[2] 維納·K·英格爾 約翰·G·