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数字信号处理综合实验报告-应用MatLab对语音信号进行频谱分析及滤波

数字信号处理综合实验报告综合实验名称：应用 Matlab 对语音信号进行频谱分析及滤波 系 ： 学生姓名： 班 级： 通信 学 号： 11 成 绩： 指导教师： 开课时间： 2011-2012 学年 上 学期一．综合实验题目应用 MatLab 对语音信号进行频谱分析及滤波二．主要内容录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，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；回放语音信号； 课程设计应完成的工作：1、 语音信号的采集;2、 语音信号的频谱分析;3、 数字滤波器的设计;4、 对语音信号进行滤波处理;5、 对滤波前后的语音信号频谱进行对比分析;三．具体要求1、 学生能够根据设计内容积极主动查找相关资料;2、 滤波器的性能指标可以根据实际情况作调整;3、 对设计结果进行独立思考和分析;4、 设计完成后,要提交相关的文档;1) 课程设计报告书(纸质和电子版各一份,具体格式参照学校课程设计管理规定),报告内容要涵盖设计题目、设计任务、详细的设计过程、原理说明、 、频谱图的分析、调试总结、心得体会、参考文献(在报告中参考文献要做标注，不少于 5 篇) 。2) 可运行的源程序代码(电子版)在基本要求的基础上,学生可以根据个人对该课程设计的理解,添加一些新的内容;四．进度安排序号 内 容 时间(天)1 熟悉 Matlab 程序设计方法,了解数字信号处理工具 箱使用 22 分析题目,设计程序框图,编写程序代码 33 上机调试程序,修改并完善设计 24 验收设计成果及上交设计报告(电子稿和打印稿) 15 合 计 8五．成绩评定(1)平时成绩：无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为 0 分，无故旷课三次总成绩为 0 分。迟到 15 分钟按旷课处理(2)设计成绩：按照实际的设计过程及最终的实现结果给出相应的成绩。(3)设计报告成绩：按照提交报告的质量给出相应的成绩。课程设计成绩=平时成绩(30% )+设计成绩(30%)+设计报告成绩(40% )1应用 MatLab 对语音信号进行频谱分析及滤波第一章 实验任务录制一段个人自己的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，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；回放语音信号。第二章 实验原理2.1 采样频率、位数及采样定理采样频率 [2]，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹(Hz)来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音调，衡量声卡、声音文件的质量标准。采 样 频 率 越 高 ， 即 采 样 的间 隔 时 间 越 短 ， 则 在 单 位 时 间 内 计 算 机 得 到 的 声 音 样 本 数 据 就 越 多 ， 对 声 音 波 形 的 表 示也 越 精 确 。采 样 位 数 可 以 理 解 为 声 卡 处 理 声 音 的 解 析 度 。 这 个 数 值 越 大 ， 解 析 度 就 越 高 ， 录制 和 回 放 的 声 音 就 越 真 实 。 我 们 首 先 要 知 道 ： 电 脑 中 的 声 音 文 件 是 用 数 字 0 和 1 来表 示 的 。 所 以 在 电 脑 上 录 音 的 本 质 就 是 把 模 拟 声 音 信 号 转 换 成 数 字 信 号 。 反 之 ， 在 播 放时 则 是 把 数 字 信 号 还 原 成 模 拟 声 音 信 号 输 出 。采 样 定 理 又 称 奈 奎 斯 特 定 理 [2]， 在 进 行 模 拟 /数 字 信 号 的 转 换 过 程 中 ， 当 采 样 频率 fs 不 小 于 信 号 中 最 高 频 率 fm 的 2 倍 时 ， 采 样 之 后 的 数 字 信 号 完 整 地 保 留 了 原 始 信号 中 的 信 息 ， 一 般 实 际 应 用 中 保 证 采 样 频 率 为 信 号 最 高 频 率 的 5～ 10 倍 。2.2 时 域 信 号 的 FFT 分 析信 号 的 频 谱 分 析 就 是 计 算 机 信 号 的 傅 里 叶 变 换 [5]。 连 续 信 号 与 系 统 的 傅 里 叶 分 析显 然 不 便 于 用 计 算 机 进 行 计 算 ， 使 其 应 用 受 到 限 制 。 而 FFT 是 一 种 时 域 和 频 域 均 离散 化 的 变 换 ， 适 合 数 值 运 算 ， 成 为 用 计 算 机 分 析 离 散 信 号 和 系 统 的 有 力 工 具 。 对 连 续 信号 和 系 统 ， 可 以 通 过 时 域 采 样 ， 应 用 DFT 进 行 近 似 谱 分 析 。2.3 IIR 数字滤波器设计原理2利用双线性变换设计 IIR 滤波器(巴特沃斯数字低通滤波器的设计) [6]，首先要设计出满足指标要求的模拟滤波器的传递函数 Ha(s),然后由 Ha(s)通过双线性变换可得所要设计的 IIR 滤波器的系统函数 H(z)。如果给定的指标为数字滤波器的指标，则首先要转换成模拟滤波器的技术指标，这里主要是边界频率 Wp 和 Ws 的转换，对 ap 和 as 指标不作变化。边界频率的转换关系为 ∩=2/T tan(w/2)。接着，按照模拟低通滤波器的技术指标根据相应设计公式求出滤波器的阶数 N 和 3dB 截止频率 ∩c ；根据阶数 N 查巴特沃斯归一化低通滤波器参数表，得到归一化传输函数 Ha(p)；最后，将 p=s/ ∩c 代入 Ha(p)去归一，得到实际的模拟滤波器传输函数 Ha(s)。之后，通过双线性变换法转换公式 s=2/T((1-1/z)/(1+1/z))得到所要设计的 IIR 滤波器的系统函数 H(z)。2.4 FIR 数字滤波器设计原理基于窗函数的FIR 数字滤波器的设计方法通常也称之为傅立叶级数法，是用一定宽度窗函数截取无限脉冲响应序列，获得有限长的脉冲响应序列，从而得到FIR 滤波器。它是在时域进行的，由理想滤波器的频率响应 推导出其单位冲激响应hd (n)，再设计jdeH一个FIR数字滤波器的单位冲激响应h(n)去逼近hd (n) ，表示 =d21由此得到的离散滤波器的系统传递函数H d (z) 为 ＝ejj )(jdeH， 该hd (n) 为无限长序列，因此Hd (z)是物理不可实现的。为了使系统变为物10)(Nnj理可实现的，且使实际的FIR 滤波器频率响应尽可能逼近理想滤波器的频率响应，采用窗函数