1、第 1 页 共 32 页信号与系统课程设计语音滤波系统 （课题三）第 2 页 共 32 页课题三 语音信号处理系统设计1、本课题的目的本设计课题主要研究语音信号抽样和恢复的软硬件实现方法、滤波器的设计及应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：1通过硬件实验观察连续时间信号抽样及恢复的波形特点。加深理解时域抽样定理的内容。2掌握利用 MATLAB 实现连续时间信号抽样及恢复的基本原理和方法。3掌握利用 MATLAB 分析模拟及数字系统时域、频域特性的方法；4了解模拟滤波器系统的设计方法、基于运算电路的模拟系统有源实现方法；通过实验平台掌握模拟系统的频率特性测试方法。5熟悉由模拟滤波器
2、转换为数字滤波器的原理。6掌握数字滤波器的设计方法。通过设计具体的滤波器掌握滤波器设计方法、步骤。7了解数字滤波器的应用，了解语音信号的频率特性。8培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。二、课题任务设计一个语音信号处理系统，实现对语音信号的抽样、滤波、频谱分析以及信号的回复。要求通过硬件实验掌握其电路工作原理、测试方法以及数据处理方法，根据系统的设计技术指标通过程序设计实现系统仿真。硬件部分：1利用信号与系统实验箱实现信号的抽样和恢复。2利用信号与系统实验箱熟悉四阶巴特沃思滤波器（或切比雪夫滤波器）的工作原理并观察记录各型滤波器的幅频特性。软件部分：1根据抽样定理及语音信号频谱范围设计
3、一个最小 3 阶模拟滤波器对语音信号进行预滤波，用直接、级联或并联结构实现所设计系统，对系统的时域、频域特性进行仿真测试，对结果进行分析比较。 （要求保留 4000Hz 以内频率的信号，可采用巴特沃斯或者切比雪夫滤波器）2.设计一个系统，要求：（1）实现连续信号的抽样。 （2）针对语音信号频谱及噪声频率，设计巴特沃思数字滤波器（或切比雪夫滤波器）滤除噪声，进行频谱分析并与原始信号进行比较。 （3）由滤波后信号恢复出连续信号，进行谱分析并进行回放。3. 利用 MATLAB 软件的系统仿真功能(Simulink)实现系统工作过程的仿真测试，并对其结果加以分析。第 3 页 共 32 页注：巴特沃斯滤
4、波器和切比雪夫滤波器任选一种。三、主要设备和软件1信号与系统实验箱，一台2. 同步信号源模块（DYT3000-57） ，一块3. 信号的抽样与恢复模块（DYT3000-68） ，一块4四阶巴特沃斯滤波器模块（或四阶切比雪夫滤波器模块） ，一块5 DYT3000-60 模拟滤波器设计模块，两 三块5. PC 机，一台6基于 PC 的 DSO-2090 USB 数字示波器，一台7MATLAB6.5 以上版本，一套8数字示波器与 MATLAB 接口软件模块，一套四、设计内容、步骤和要求必做部分：1信号的抽样和恢复（1）用本课题使用的硬件系统模块，实现给定信号的抽样和恢复1）熟悉信号的抽样与恢复的工作
5、原理。接好电源线，将信号的抽样与恢复模块和同步信号源模块插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。2）将同步信号源模块产生的 VPP1V、f 01KHz 的正弦波和 f02KHz 的方波分别送入待抽样信号输入点 S_IN 和抽样脉冲信号输入点 SQU_IN，用示波器分别观察抽样信号输出点 PAM_OUT 和恢复后的信号输出点 S_OUT 的波形并将实验数据记录下来（实验中低通滤波器的截止频率 fC1kHz）。3）改变抽样脉冲信号的频率，分别将 f02kHz 、4kHZ、8kHz、16KHz 的方波送入抽样脉冲信号输入点 SQU_IN，重复实验步骤 2
6、，比较在不同的抽样频率下恢复后的信号波形之间的差别并得出结论。2KHZSQU 抽样输出 PAM_OUT 恢复输出 S_OUT第 4 页 共 32 页8KHZSQU 抽样输出 恢复输出 S_OUT16KHZSQU 抽样输出 恢复输出 S_OUT第 5 页 共 32 页32KHZSQU 抽样输出 恢复输出 S_OUT4）将同步信号源模块产生的 VPP1V、f 01KHz 的三角波作为待抽样信号送入S_IN，重复上述实验步骤。注：使用 2k 正弦波作被抽样信号时效果较好，可以自行比较。三角2KHZSQU 抽样输出 恢复输出8KHZSQU 抽样输出 恢复输出第 6 页 共 32 页16KHZSQU 抽
7、样输出 恢复输出32KHZSQU 抽样输出 恢复输出第 7 页 共 32 页分析：（2）用软件实现指导给定信号的抽样和恢复（给定的信号频率及抽样频率太小）对连续信号 以抽样频率 fs=2Hz 抽样得到 ，编程完成下)5.0cos()ttx )(nTx列任务：画出信号 ， 及其在相应范围内的抽样序列；利用抽样内插函数4恢复连续时间信号。画出信号 x(t)和重建信号 的波形，比较)1(),)(sr fTtSath )(tr这两个信号。若信号 x(t)与 存在较大差异，应如何改善？(txr% function y=sinc(x)y=ones(size(x);i=find(x);y(i)=sin(pi
8、*x(i)./(pi*x(i);第 8 页 共 32 页t=0:0.001:4;x=cos(0.5*pi*t);subplot(3,1,1);plot(t,x); axis(0,4,-1.1,1.1);title(原信号 );fs=2; %采样频率ts=1/fs;tp=4; %重构时间区间为 4sn=0:tp/ts;xn=cos(n*ts*0.5*pi);subplot(3,1,2)stem(n*ts,xn);title(fs=2Hz 抽样信号);dt=ts/50; %每个采样间隔上取点数t1=0:dt:4; %生成序列 t1tp=4; %重构时间区间为 4sn=0:tp/ts;tmn=one
9、s(length(n),1)*t1-n*ts*ones(1,length(t1);xr1=sinc(fs*tmn);x2=xn*xr1;subplot(3,1,3)plot(t1,x2);title(用抽样内插函数恢复的结果); 第 9 页 共 32 页figure(2)subplot(3,1,1);plot(abs(fft(x);title(原信号的频谱);subplot(3,1,2);plot(abs(fft(xn);title(抽样信号的频谱);subplot(3,1,3);plot(abs(fft(x2);title(恢复后信号频谱);第 10 页 共 32 页（3） 用软件对给定的数
10、字语音信号（采样频率为 16000Hz）进行恢复（可以利用 interp1函数） ，并重新进行采样，重新采样的频率分别为 8000Hz 和 4000Hz，对恢复的语音信号及重采样的语音信号进行回放（利用 sound 函数） ，比较语音的变化并记录处理过程中所得各种波形及频谱图。y,fs=wavread(bu14.wav)figure(1)subplot(2,2,1);plot(y);title(原语音信号波形)y0=abs(fft(y)subplot(2,2,2);plot(y0);title(原语音信号的频谱)x=0:length(y)-1;x1= 0:2.5:length(y)-1; y1
11、 = interp1(x,y,x1); subplot(2,2,3);plot(x,y,x1,y1);title(恢复后的波形);z=fft(y1);y2=abs(z);subplot(2,2,4);plot(y2);title(恢复后波形的频谱);sound(y1);figure(2)y3= decimate(y,2);subplot(2,2,1);plot(y3);title(8k 采样波形);y4=abs(fft(y3)subplot(2,2,2);plot(y4);title(8k 采样波形频谱);x2=0:length(y3)-1;x3= 0:2.5:length(y3)-1; y5
12、= interp1(x2,y3,x3); subplot(2,2,3);plot(x2,y3,x3,y5);title(恢复后的波形);z=fft(y5);y6=abs(z);subplot(2,2,4);plot(y6);title(恢复后波形的频谱);figure(3)y7=decimate(y,4);subplot(2,2,1);plot(y7);title(4k 采样波形);y8=abs(fft(y7);subplot(2,2,2);plot(y8);title(4k 采样波形频谱); x4=0:length(y7)-1;x5= 0:2.5:length(y7)-1; y9= inte
13、rp1(x4,y7,x5); 第 11 页 共 32 页subplot(2,2,3);plot(x4,y7,x5,y9);title(恢复后的波形);z=fft(y9);y10=abs(z);subplot(2,2,4);plot(y10);title(恢复后波形的频谱);第 12 页 共 32 页2. 滤波器设计（1）四阶巴特沃思滤波器（或四阶切比雪夫滤波器）参数测量（a）四阶巴特沃思滤波器参数测量四阶巴特沃思滤波器使用信号源单元和四阶巴特沃斯滤波器模块 熟悉四阶巴特沃斯滤波器设计、工作原理。接好电源线，将四阶巴特沃斯滤波器模块插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮
14、，实验箱开始正常工作。扫频信号产生1）将信号源单元的开关 k2 向下拨，切换至扫频输出。2）用示波器观察 OUT1 测试点波形，为一频率可调的锯齿波信号，该信号为扫频压控信号。调节电位计 OUT1 Freq 使锯齿波信号为 50Hz，并将“波形选择”跳线的第一组引脚连接。3）用示波器观察 OUT2 正弦波扫频输出信号，电位计 GAIN Adj 则用于调节输出正弦波的幅度。4）调节电位计 OUT1 Freq，改变送入锯齿波压控信号的频率，重复上述步骤，用示波器观察扫频输出信号的变化。5）分别连接“频率选择”跳线的四组引脚，改变扫频信号的扫频段，重复上述步骤，用示波器观察不同扫频段的扫频输出信号。
15、输入输出参考点说明OUT1 扫频压控锯齿波信号输出点第 13 页 共 32 页OUT2 正弦波扫频信号输出点。 扫频源法观察滤波器的特性：1) 将信号源单元 “波形选择 ”跳线的第 1 组引脚连接，并将开关 k2 向下拨，切换至扫频输出，按照前述步骤得到扫频正弦波信号，并用示波器观察 OUT1 点锯齿波频率，将其调为 50Hz，作为扫频压控信号。2) 将 OUT2 输出的扫频信号送入四阶巴特沃斯低通滤波器信号输入点 BLP_IN，用示波器观察输出点 BLP_OUT 的输出信号波形。3) 将锯齿波压控信号和低通滤波器输出信号分别接示波器的 X 轴和 Y 轴，观察李沙育图形。4) 将扫频信号分别送
16、入四阶巴特沃斯高通和带通滤波器，重复上述实验步骤，分别观察各种滤波器的输出信号波形。 描点法观察滤波器的幅频特性曲线：1）将信号源单元产生的固定频率正弦波送入低通滤波器的信号输入端 BLP_IN，用示波器观察 BLP_OUT 的输出波形，测量波形的电平值（有效值），记录此时的电平值及频率。2）调节电位计 OUT2 Freq，改变输入正弦波信号的频率（保持信号幅度不变），重复步骤 1。 3）整理实验数据，以频率为 X 轴，以幅度（电平）为 Y 轴，绘出幅频特性图。4）将频率正弦波信号分别送入四阶巴特沃斯高通和带通滤波器，重复上述实验步骤，绘出各种滤波器的幅频特性曲线。 研究各滤波器对方波信号或其
17、它非正弦波信号输入的响应（实验步骤自拟）。输入、输出点参考说明BLP_IN、BLP_OUT：四阶巴特沃斯低通滤波器信号输入点、信号输出点。BHP_IN、BHP_OUT：四阶巴特沃斯高通滤波器信号输入点、信号输出点。BBP_IN、BBP_OUT：四阶巴特沃斯带通滤波器信号输入点、信号输出点。第 14 页 共 32 页低通高通第 15 页 共 32 页带通（2）模拟及数字滤波器设计 1）根据以上测量的指标，设计模拟巴特沃思（或切比雪夫）低通、高通、带通滤波器，画出幅频特性（模拟滤波器幅频特性 freqs） 。四阶巴特沃思滤波器参数测量模拟巴特沃斯低通滤波器F(kHz） 5.15 10.72 15.
18、31 20.49 25.63 29.73 32.31 33.42 35.27 37.52Vp-p（ v） 0.76 0.72 0.65 0.54 0.45 0.28 0.24 0.22 0.19 0.161 0.94 0.85 0.71 0.59 0.37 0.32 0.28 0.25 0.21X=5.15 10.72 15.31 20.49 25.63 29.73 32.31 33.42 35.27 37.52 Y=0.76 0.72 0.65 0.54 0.45 0.28 0.24 0.22 0.19 0.16 plot(X,Y)grid on第 16 页 共 32 页模拟巴特沃斯高通滤波
19、器F(kHz) 17.62 18.70 20.53 23.88 26.43 28.34 30.32 32.41 34.29 35.82 38.72 40.33Vp-p(v) 0.20 0.24 0.28 0.36 0.46 0.54 0.57 0.60 0.62 0.63 0.63 0.640.31 0.37 0.44 0.56 0.72 0.84 0.89 0.94 0.96 0.98 0.98 1X=17.62 18.70 20.53 23.88 26.43 28.34 30.32 32.41 34.29 35.82 38.72 40.33 Y=0.20 0.24 0.28 0.36 0.
20、46 0.54 0.57 0.60 0.62 0.63 0.63 0.64plot(X,Y)grid on第 17 页 共 32 页模拟巴特沃斯带通滤波器F(kHz) 16.51 19.96 20.23 21.53 22.72 23.56 24.43 25.62 27.19 28.75 30.35Vp-p(v) 0.12 0.42 0.58 0.66 0.69 0.71 0.72 0.73 0.58 0.50 0.350.16 0.58 0.79 0.90 0.95 0.97 0.99 1 0.80 0.69 0.4732.71 33.21 35.660.26 0.22 0.130.36 0.
21、30 0.18X=16.51 19.96 20.23 21.53 22.72 23.56 24.43 25.62 27.19 28.75 30.35 32.71 33.21 35.66 Y=0.12 0.42 0.58 0.66 0.69 0.71 0.72 0.73 0.58 0.50 0.35 0.26 0.22 0.13 plot(X,Y)grid on第 18 页 共 32 页（2）模拟及数字滤波器设计 1） 根据以上测量的指标，设计模拟巴特沃思低通、高通、带通滤波器，画出幅频特性（模拟滤波器幅频特性 freqs） 。模拟巴特沃思低通滤波器N=4;wc=21700*2*piB,A=bu
22、tter(N,wc,s) % B，A分别为基本二阶节的分子和分母的系数H,w=freqs(B,A);plot(w/2/pi/1000,abs(H);xlabel(频率(khz);ylabel(幅度);title( 低通);wc =1.3635e+005B =1.0e+020 *0 0 0 0 3.4559A = 1.0e+020 *0.0000 0.0000 0.0000 0.0001 3.4559第 19 页 共 32 页模拟巴特沃思高通滤波器wc=25000*2*pi;B,A=butter(N,wc,high,s)H,w=freqs(B,A);plot(w/2/pi/1000,abs(H)
23、;xlabel(频率(khz);ylabel(幅度);title( 高通);B =1 0 0 0 0A =1.0e+020 *0.0000 0.0000 0.0000 0.0001 6.0881第 20 页 共 32 页模拟巴特沃思带通滤波器wc=20.7,28.5*1000*2*piB,A=butter(N,wc,bandpass,s)H,w=freqs(B,A);plot(w/2/pi/1000,abs(H);xlabel(频率);ylabel(幅度);title(带通);wc = 1.0e+005 *1.3006 1.7907B = 1.0e+018 *Columns 1 through
24、 6 0 0 0 0 5.7690 0Columns 7 through 9 0 0 0A = 1.0e+041 *Columns 1 through 6 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000Columns 7 through 9 0.0000 0.0000 2.9424第 21 页 共 32 页2）将模拟各型滤波器转换为数字滤波器，画出幅频特性（求数字滤波器幅频特性freqz， 采样频率fs=200kHz） 。3）利用 MATLAB 软件实现设计，记录相关波形，加以分析修改。function db,mag,pha,w=freqz_m(b,a);H
25、,w=freqz(b,a,1000,whole); %在 0-2*pi 之间选取 N 个点计算频率响应H=(H(1:501); %频率响应 w=(w(1:501); %频率mag=abs(H); %响应幅度db=20*log10(mag+eps)/max(mag); %增益pha=angle(H); %相位function b,a=imp_invr(c,d,T)R,p,k=residue(c,d); %部分分式展开p=exp(p*T); %从模拟到数字极点对应关系 ,部分分式系数相同b,a=residuez(R,p,k); %将部分分式的形式变换成多项式之比的形式b=real(b); %求出数
26、字滤波器系数a=real(a);数字巴特沃斯低通滤波器N=4;wc=21700*2*pi;fs=2*105;第 22 页 共 32 页T=1/fs;B,A=butter(N,wc*T,s)b,a=imp_invr(B,A,1); %脉冲响应不变法设计巴特沃思滤波器db,mag,pha,w=freqz_m(b,a);plot(w/pi,mag);title(数字巴特沃斯低通滤波器)axis(0,1,0,1.1) 数字巴特沃斯高通滤波器N=4;wc=25000*2*pi;fs=2*105;T=1/fs;b,a=butter(4,wc*T,high,s);bz,az=bilinear(b,a,1);
27、db,mag,pha,w=freqz_m(bz,az);plot(w/pi,mag);title(数字巴特沃斯高通滤波器);axis(0,1,0,1.1)第 23 页 共 32 页数字巴特沃斯带通滤波器N=4;wc=20700*2*pi,28500*2*pi;fs=2*105;T=1/fs;b,a=butter(4,wc*T,bandpass,s);bz,az=bilinear(b,a,1);db,mag,pha,w=freqz_m(bz,az);plot(w/pi,mag);title(数字巴特沃斯带通滤波器);axis(0,1,0,1.1)第 24 页 共 32 页3. 语音信号的分析和处
28、理系统设计利用 MATLAB 软件对语音信号进行频谱分析；并对语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声。设计步骤：1）根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论阐明设计原理（抽样频率、量化位数的概念，抽样定理；信号的 FFT 分析；数字滤波器设计原理和方法，各种不同类型滤波器的性能比较） 。 2）对语音信号做 FFT，进行频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。3）对语音信号加入干扰噪声，对语音信号进行回放（利用 sound 函数） ，感觉加噪前后声音的变化。对其做 FFT，进行频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频谱，对所得结果进行分析。4）根据带噪语
29、音信号的特点，设计合适的数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性。5）用所设计的滤波器对带噪语音信号进行滤波。对滤波后的语音信号进行 FFT 频谱分析。记录处理过程中所得各种波形及频谱图。6）对语音信号进行回放，感觉滤波前后声音的变化。比较滤波前后语音信号的波形及频谱，对所得结果和滤波器性能进行频谱分析。x,fs=wavread(bu14);N=length(x);n=0:length(x)-1;c=2*pi*n/N;y=fft(x,length(x);第 25 页 共 32 页subplot(2,2,1);plot(x);title(语音信号时域波形); subplot(2,2,2);p
30、lot(c,abs(y);title(语音信号幅频特性);x1=0.004*sin(0.72*2*pi*n);y1=x+x1;y2=fft(y1);subplot(2,2,3);plot(y1);title(加噪音后的波形);subplot(2,2,4);plot(abs(y2);title(加噪音后的频谱);n,m=butter(4,0.03*pi,low);db,mag,pha,w=freqz_m(n,m);subplot(2,2,1);plot(w,mag);title(滤波器的幅度特性);subplot(2,2,2);plot(w,pha);title(滤波器的相频特性);T=2000
31、00;wc1=1;N=4;B,A=butter(N,wc1,s);Bz,Az=impinvar(B,A);z=filter(Bz,Az,y1);z1=fft(z);subplot(2,2,3);plot(z);title(加噪音滤波后的波形);subplot(2,2,4);plot(abs(z1);title(加噪音滤波后的频谱);第 26 页 共 32 页4Simulink 仿真根据前面的设计，进行基于 Simulink 的动态仿真设计。实现复杂音或者语音信号的分析和处理。给出系统的基于 Simulink 的动态建模和仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。低通 第 27 页 共 32 页第 28 页 共 32 页高通第 29 页 共 32 页第 30 页 共 32 页带通3v 10Hz 2v 150Hz 1v 300Hz
