1、吉林工程技术师范学院信息工程学院数字信号处理课程设计报告题 目：语音数字信号处理与分析及 Matlab 实现专 业： 电子信息工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 时 间： 2013/11/4-2013/11/22 目 录第一章 绪 论 .11.1 设计的目的及意义 .11.2 设计要求 .11.3 设计内容 .21.3.1 理论依据及信号采集 .21.3.2 构造受干扰信号并对其进行 FFT 频谱分析 .21.3.3 数字滤波器的设计及信号处理 .2第二章 信号频谱分析 .42.1 原始信号及频谱分析.42.2 加入干扰噪声后的信号及频谱分析.5第三章 数字滤波器的设计 .73.1
2、 高通滤波器的设计 .73.2 低通滤波器的设计 .73.3 带通滤波器的设计 .83.4 带阻滤波器的设计 .9第四章 GUI 用户图形界面设计.114.1 GUI 的基本设计流程.114.2 数字滤波器的实现 .164.2.1 高通滤波器的实现 .164.2.2 低通滤波器的实现 .174.2.3 带通滤波器的实现 .174.2.4 带阻滤波器的实现 .18第五章 课程设计总结 .22参考文献 .I附录 .I1第一章 绪 论1.1 设计的目的及意义目的:通过数字信号处理课程设计,使学生深入了解和掌握噪声信号的频谱分析,进一步明确了数字滤波器设计方法和实际应用,为下一步学习和工作打下良好的基
3、础。意义:语音信号处理是一门新兴的边缘学科，它和认知科学、心理学、语言学、计算机科学、模式识别和人工智能等学科有着紧密的联系。语音信号处理的发展依赖于这些学科的发展，而语音信号处理技术的进步也会促进这些领域的进步。通过 MATLAB可以对数字化的语音信号进行处理。由于 MATLAB 是一种面向科学和工程计算的高级语言，允许用数字形式的语言编程，又有大量的库函数，所以编程简单、编程效率高、易学易懂。我们可以对信号进行加噪和去噪、滤波、截取语音等。1.2 设计要求要求利用 MATLAB 对语音信号进行数字信号处理和分析，要求学生采集语音信号后，在 MATLAB 软件平台进行频谱分析；并对所采集语音
4、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，恢复原信号。1、对采集的语音信号进行频谱分析。2、对原采集的语音信号加入干扰噪声并对其进行频谱分析。3、设计合适的滤波器。21.3 设计内容1.3.1 理论依据及信号采集根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论（采样频率、采样定理；时域信号的 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） ，阐明设计原理。采集语音信号，把语音信号保存为.wav 文件，长度小于 3秒，并对语音信号进行采样；录制的软件可以使用 Windows 自带的录音机，或者也可以使用其他专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件
5、，为了方面比较，需要在安静、无噪音、干扰小的环境下录，并对其进行 FFT 频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。1.3.2 构造受干扰信号并对其进行 FFT 频谱分析对所采集的语音信号加入干扰噪声，对语音信号进行回放，感觉加噪前后声音的变化，分析原因，得出结论。并对其进行FFT 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，阐明原因，得出结论。1.3.3 数字滤波器的设计及信号处理根据待处理信号特点，设计合适数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性。用所设计的滤波器对含噪语音信号进行滤波。对铝箔后的语音信号进行 FFT 频谱分析。画出处理过程中所得各种波形及频3谱图。对
6、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，对所得结果的滤波器性能进行频谱分析，阐明原因，得出结论。设计处理系统的用户界面，在所设计界面上可以选择滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号等。4第二章 信号频谱分析2.1 原始信号及频谱分析下面的一段程序是语音信号在 MATLAB 中的最简单表现，它实现了语音的读入打开，以及绘出了语音信号的波形频谱图。编程详见附录结果如图 2-1-1图 2-1-1 原始信号的图形已知一个语音信号，数据采样频率为 100Hz，试分别绘制N=128 点 DFT 的幅频图和 N=1024 点 DFT 幅频图。编程详见附录结果如图 2
7、-1-25图 2-1-2 N=128 点 DFT 的幅频图和 N=1024 点 DFT 幅频图上图（a） 、(b)为 N=128 点幅频谱图，(c)、(d)为 N=1024 点幅频谱图。由于采样频率 f=100Hz，故 Nyquist 频率为50Hz， （a） 、(c)是 0100Hz 频谱图，(b) 、(d)是 050Hz 频谱图。由（a）或(c)可见，整个频谱图是以 Nyquist 频率为轴对称的。因此利用 fft 对信号做频谱分析，只要考察 0Nyquist 频率（采样频率一半）范围的幅频特性。比较（a）和(c)或(b)和 (d)可见，幅值大小与 fft 选用点数 N 有关，但只要点数
8、N 足够不影响研究结果。从上图幅频谱可见，信号中包括 15Hz 和 40Hz的正弦分量。2.2 加入干扰噪声后的信号及频谱分析若信号长度 T=25.6s，即抽样后 x(n)点数为 T/Ts=256，所得频率分辨率为 Hz，以此观察数据长度 N 的变化对 DTFT 分辨率6的影响：编程详见附录结果如图 2-2-1图 2-2-1 加入干扰噪声后的信号及频谱分析7第三章 数字滤波器的设计3.1 高通滤波器的设计N 阶高通滤波器的设计，高通滤波器是一个使高频率比较容易通过而阻止低频率通过的系统。它去掉了信号中不必要的低频成分或者说去掉了低频干扰。其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。后者
9、是用以频率为自变量的函数表示，一般情况下它是一个以复变量 为自变量的的复变函数，以j表示。它的模 和幅角 为角频率 的函数，分别jHH称为系统的“幅频响应”和“相频响应” ，它分别代表激励源中不同频率的信号成分通过该系统时所遇到的幅度变化和相位变化。可以证明，系统的“频率响应”就是该系统“冲激响应”的傅里叶变换。当线性无源系统可以用一个 N 阶线性微分方程表示时，频率响应 为一个有理分式，它的分子和分母分别与微分方jH程的右边和左边相对应。3.2 低通滤波器的设计N 阶低通滤波器的设计，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。对于不同滤波器而言，每
10、个频率的信号的强弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除8滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的 hiss 滤波器） 、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers） 、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。低通滤波器允许从直流到某个截止频率 的信号通过。cutof将通用滤波器二阶传递函
11、数的高通和带通系数均设为零，即得到一个二阶低通滤波器传递公式。对于高于 的频率，信号按该0f频率平方的速率下降。在频率 处，阻尼值使输出信号衰减。0f您可以级联多个这样的滤波器部分来得到一个更高阶的（更陡峭的转降）滤波器。假定设计要求一个截止频率为 10kHz 的四阶贝塞尔(Bessel) 低通滤波器。根据参考文献 1，每部分的转降频率分别为 16.13 及 18.19 kHz，阻尼值分别为 1.775 及 0.821，并且这两个滤波器分区的高通、带通和低通系数分别为 0、0 与1。可以使用这两个带有上述参数的滤波器部分来实现所要求的滤波器。截止频率为输出信号衰减 3 dB 的频率点。3.3 带通滤波器的设计2N 阶带通滤波器设计，带通滤波器（band-pass filter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如
