基于MATLAB的数字滤波器设计 及其对语音信号的应用Word文档格式.docx

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3课程设计基础

MATLAB编程基础、数字信号处理知识、语音信号处理知识。

4.具体步骤与要求

4.1　语音信号的采集

录制一段自己的话音,或利用老师给的语音，在MATLAB软件平台下,利用函数wavread对语音信号进行采样,记住采样频率和采样点数。

程序：

[I,Fs,bits]=wavread（'

2.wav'

）;

%读取语音信号2.wav

sound（I）;

%重放语音

wavrecord（2*Fs,Fs）;

%使用基于PC的音频输入设备

4.2语音信号的频谱分析

要求画出语音信号的时域波形；

然后对语音号进行快速傅里叶变换,得到信号的频谱特性。

clearall

3.wav'

%读取语音信号3.wav

Y=fft（I）;

%进行快速傅里叶变换

mag=abs（Y）;

%求取幅度谱

phase=angle（Y）;

%求取相位谱

phase=phase*180/pi;

%转换为Pi单位

dB=20*log10（abs（Y）+eps）;

%求取对数幅度谱

t=（0:

length（I）-1）/Fs;

%设置标度

subplot（221）;

plot（t,I）;

title（'

波形图'

xlabel（'

时间（s）'

ylabel（'

幅度'

%设置标题和横纵坐标

f=（1:

length（Y））*Fs/length（Y）;

subplot（222）;

plot（f,mag）;

幅度谱'

频率（Hz）'

频谱幅度'

subplot（223）;

plot（f,phase）;

相位谱'

频谱相位'

subplot（224）;

plot（f,dB）;

对数幅度谱'

频谱幅度（dB）'

图2时域波形和信号的频谱特性

4.3设计数字滤波器，画出其频率响应曲线

各滤波器的性能指标：

（1）低通滤波器性能指标　fp＝1000Hz,fs＝1200Hz,As＝40dB,Ap＝1dB。

（2）高通滤波器性能指标　fs＝4000Hz,fp＝4300Hz,As＝40dB,Ap＝1dB

（3）带通滤波器性能指标　fp1＝1200Hz,fp2＝3000Hz,fs1＝1000Hz,fs2＝3200Hz,As＝40dB,Ap＝1dB。

要求：

（1）频率变换法设计IIR滤波器：

可以利用函数butter、cheby1、cheby2和ellip等设计。

（2）（选做）设计IIR滤波器：

用双线性变换法设计上面要求的3种滤波器。

bilinear

（3）（选做）设计FIR滤波器：

用窗函数法设计上面要求的3种滤波器。

可以利用函数fir1设计FIR滤波器。

（4）采用函数freqz画出各滤波器的频率响应。

%LPF设计

fpL=1000;

%通带频率Hz

fsL=1200;

%阻带频率Hz

apL=1;

%通带纹波DB

asL=40;

%阻带衰减DB

WpL=fpL*2/Fs;

%通带角频率rad

WsL=fsL*2/Fs;

%阻带角频率rad

%巴特沃斯低通滤波器

[nL,WnL]=buttord（WpL,WsL,apL,asL）;

%求得n和Wn，n是最小阶数，Wn是截止频率

[bL,aL]=butter（nL,WnL,'

low'

%低通滤波器传递函数系数

[hL,wL]=freqz（bL,aL）;

title（'

巴特沃斯低通滤波器'

）

%cheby1低通滤波器

[n1L,Wn1L]=cheb1ord（WpL,WsL,apL,asL）;

[b1L,a1L]=cheby1（n1L,apL,Wn1L,'

[h1L,w1L]=freqz（b1L,a1L）;

cheby1低通滤波器'

%cheby2低通滤波器

[n2L,Wn2L]=cheb2ord（WpL,WsL,apL,asL）;

[b2L,a2L]=cheby2（n2L,apL,Wn2L,'

[h2L,w2L]=freqz（b2L,a2L）;

cheby2低通滤波器'

%椭圆低通滤波器

[n3L,Wn3L]=ellipord（WpL,WsL,apL,asL）;

[b3L,a3L]=ellip（n3L,apL,asL,Wn3L,'

[h3L,w3L]=freqz（b3L,a3L）;

椭圆低通

%HPF设计

fpH=4300;

fsH=4000;

apH=1;

asH=40;

WpH=fpH*2/Fs;

WsH=fsH*2/Fs;

%巴特沃斯高通滤波器

[nH,WnH]=buttord（WpH,WsH,apH,asH）;

[bH,aH]=butter（nH,WnH,'

high'

[hH,wH]=freqz（bH,aH）;

巴特沃斯高通滤波器'

%cheby1高通滤波器

[n1H,Wn1H]=cheb1ord（WpH,WsH,apH,asH）;

[b1H,a1H]=cheby1（n1H,apH,Wn1H,'

[h1H,w1H]=freqz（b1H,a1H）;

cheby1高通滤波器'

%cheby2高通滤波器

[n2H,Wn2H]=cheb2ord（WpH,WsH,apH,asH）;

[b2H,a2H]=cheby2（n2H,apH,Wn2H,'

[h2H,w2H]=freqz（b2H,a2H）;

cheby2高通滤波器'

%椭圆高通滤波器

[n3H,Wn3H]=ellipord（WpH,WsH,apH,asH）;

[b3H,a3H]=ellip（n3H,apH,asH,Wn3H,'

[h3H,w3H]=freqz（b3H,a3H）;

椭圆高通滤波器'

%BPF设计

fp1=1200;

%通带截止频率

fp2=3000;

fpB=[12003000];

%通带频率

fs1=1000;

%阻带截止频率

fs2=3200;

fsB=[10003200];

%阻带频率

apB=1;

%通带纹波

asB=40;

%阻带衰减

WpB=fpB*2/Fs;

WsB=fsB*2/Fs;

[nB,WnB]=buttord（WpB,WsB,apB,asB）;

[bB,aB]=butter（nB,WnB）;

[hB,wB]=freqz（bB,aB）;

巴特沃斯带通滤波器'

[n1B,Wn1B]=cheb1ord（WpB,WsB,apB,asB）;

[b1B,a1B]=cheby1（n1B,apB,Wn1B'

[h1B,w1B]=freqz（b1B,a1B）;

cheby1带通滤波器'

[n2B,Wn2B]=cheb2ord（WpB,WsB,apB,asB）;

[b2B,a2B]=cheby2（n2B,apB,Wn2B）;

[h2B,w2B]=freqz（b2B,a2B）;

cheby2带通滤波器'

[n3B,Wn3B]=ellipord（WpB,WsB,apB,asB）;

[b3B,a3B]=ellip（n3B,apB,asB,Wn3B）;

%figure（10）

[h3B,w3B]=freqz（b3B,a3B）;

椭圆带通滤波器'

4.4　用滤波器对信号进行滤波，比较滤波前后语音信号的波形及频谱

要求用自己设计的各滤波器分别对采集的语音信号进行滤波，并在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。

（1）IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波；

（2）FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波。

%LPF滤波且进行频谱变换

%IIR低通滤波

IIRyL=filter（bL,aL,x）;

%语音信号通过butter低通滤波器

IIRy1L=filter（b1L,a1L,x）;

%语音信号通过cheby1低通滤波器

IIRy2L=filter（b2L,a2L,x）;

%语音信号通过cheby2低通滤波器

IIRy3L=filter（b3L,a3L,x）;

%语音信号通过ellip低通滤波器

%FIR低通滤波

FIRyL=fftfilt（bL,x）;

FIRy1L=fftfilt（b1L,x）;

FIRy2L=fftfilt（b2L,x）;

FIRy3L=fftfilt（b3L,x）;

%IIR低通滤波后FFT

FFTIIRyL=fft（IIRyL）;

%语音信号通过butter低通滤波器后FFT

FFTIIRy1L=fft（IIRy1L）;

%语音信号通过cheby1低通滤波器后FFT

FFTIIRy2L=fft（IIRy2L）;

%语音信号通过cheby2低通滤波器后FFT

FFTIIRy3L=fft（IIRy3L）;

%语音信号通过ellip低通滤波器后FFT

%FIR低通滤波后FFT

FFTFIRyL=fft（FIRyL）;

FFTFIRy1L=fft（FIRy1L）;

FFTFIRy2L=fft（FIRy2L）;

FFTFIRy3L=fft（FIRy3L）;

%绘制原始语音、IIR、FIR低通滤波后语音波形、及滤波后频谱图

figure（3）

subplot（6,4,1）,plot（x）,title（'

原始语音信号'

subplot（6,4,2）,plot（x）,title（'

subplot（6,4,3）,plot（x）,title（'

subplot（6,4,4）,plot（x）,title（'

subplot（6,4,5）,plot（IIRyL）,title（'

butter-IIR-LPF'

subplot（6,4,6）,plot（IIRy1L）,title（'

cheby1-IIR-LPF'

subplot（6,4,7）,plot（IIRy2L）,title（'

cheby2-IIR-LPF'

subplot（6,4,8）,plot（IIRy3L）,title（'

ellip-IIR-LPF'

subplot（6,4,9）,plot（FFTIIRyL）,title（'

butter-IIR-FFT'

subplot（6,4,10）,plot（FFTIIRy1L）,title（'

cheby1-IIR-FFT'

subplot（6,4,11）,plot（FFTIIRy2L）,title（'

cheby2-IIR-FFT'

subplot（6,4,12）,plot（FFTIIRy3L）,title（'

ellip-IIR-FFT'

subplot（6,4,13）,plot（FIRyL）,title（'

butter-FIR-LPF'

subplot（6,4,14）,plot（FIRy1L）,title（'

cheby1-FIR-LPF'

subplot（6,4,15）,plot（FIRy2L）,title（'

cheby2-FIR-LPF'

subplot（6,4,16）,plot（FIRy3L）,title（'

ellip-FIR-LPF'

subplot（6,4,17）,plot（FFTFIRyL）,title（'

butter-FIR-FFT'

subplot（6,4,18）,plot（FFTFIRy1L）,title（'

cheby1-FIR-FFT'

subplot（6,4,19）,plot（FFTFIRy2L）,title（'

cheby2-FIR-FFT'

subplot（6,4,20）,plot（FFTFIRy3L）,title（'

ellip-FIR-FFT'

subplot（6,4,21）,plot（wL*Fs/（2*pi）,abs（hL））,title（'

butter-LPF'

subplot（6,4,22）,plot（w1L*Fs/（2*pi）,abs（h1L））,title（'

cheby1-LPF'

subplot（6,4,23）,plot（w2L*Fs/（2*pi）,abs（h2L））,title（'

cheby2-LPF'

subplot（6,4,24）,plot（w3L*Fs/（2*pi）,abs（h3L））,title（'

ellip-LPF'

原始语音、IIR、FIR低通滤波后语音波形、及滤波后频谱图如下：

HPF滤波且进行频谱变换

%IIR高通滤波

IIRyH=filter（bH,aH,x）;

%语音信号通过低通滤波器

IIRy1H=filter（b1H,a1H,x）;

IIRy2H=filter（b2H,a2H,x）;

IIRy3H=filter（b3H,a3H,x）;

%FIR高通滤波

FIRyH=fftfilt（bH,x）;

FIRy1H=fftfilt（b1H,x）;

FIRy2H=fftfilt（b2H,x）;

FIRy3H=fftfilt（b3H,x）;

%IIR高通滤波后FFT

FFTIIRyH=fft（IIRyH）;

FFTIIRy1H=fft（IIRy1H）;

FFTIIRy2H=fft（IIRy2H）;

FFTIIRy3H=fft（IIRy3H）;

%FIR高通滤波后FFT

FFTFIRyH=fft（FIRyH）;

FFTFIRy1H=fft（FIRy1H）;

FFTFIRy2H=fft（FIRy2H）;

FFTFIRy3H=fft（FIRy3H）;

%绘制原始语音、IIR、FIR高通滤波后语音波形、及滤波后频谱图

figure（4）

subplot（5,4,1）,plot（x）,title（'

subplot（5,4,2）,plot（x）,title（'

subplot（5,4,3）,plot（x）,title（'

subplot（5,4,4）,plot（x）,title（'

subplot（5,4,5）,plot（IIRyH）,title（'

butter-IIR-HPF'

subplot（5,4,6）,plot（IIRy1H）,title（'

cheby1-IIR-HPF'

subplot（5,4,7）,plot（IIRy2H）,title（'

cheby2-IIR-HPF'

subplot（5,4,8）,plot（IIRy3H）,title（'

ellip-IIR-HPF'

subplot（5,4,9）,plot（FFTIIRyH）,title（'

subplot（5,4,10）,plot（FFTIIRy1H）,title（'

subplot（5,4,11）,plot（FFTIIRy2H）,title（'

subplot（5,4,12）,plot（FFTIIRy3H）,title（'

subplot（5,4,13）,plot（FIRyH）,title（'

subplot（5,4,14）,plot（FIRy1H）,title（'

subplot（5,4,15）,plot（FIRy2H）,title（'

subplot（5,4,16）,plot（FIRy3H）,title（'

subplot（5,4,17）,plot（FFTFIRyH）,title（'

subplot（5,4,18）,plot（FFTFIRy1H）,title（'

subplot（5,4,19）,plot（FFTFIRy2H）,title（'

subplot（5,4,20）,plot（FFTFIRy3H）,title（'

subplot（6,4,21）,plot（wH*Fs/（2*pi）,abs（hH））,title（'

butter-HPF'

subplot（6,4,22）,plot（w1H*Fs/（2*pi）,abs（h1H））,title（'

cheby1-HPF'

subplot（6,4,23）,plot（w2H*Fs/（2*pi）,abs（h2H））,title（'

cheby2-HPF'

subplot（6,4,24）,plot（w3H*Fs/（2*pi）,abs（h3H））,title（'

ellip-HPF'

BPF滤波且进行频谱变换

IIRyB=filter（bB,aB,x）;

IIRy1B=filter（b1B,a1B,x）;

IIRy2B=filter（b2B,a2B,x）;

IIRy3B=filter（b3B,a3B,x）;

FIRyB=fftfilt（bB,x）;

FIRy1B=fftfilt（b1B,x）;

FIRy2B=fftfilt（b2B,x）;

FIRy3B=fftfilt（b3B,x）;

FFTIIRyB=fft（IIRyB）;

FFTIIRy1B=fft（IIRy1B）;

FFTIIRy2B=fft（IIRy2B）;

FFTIIRy3B=fft（IIRy3B）;

FFTFIRyB=fft（FIRyB）;

FFTFIRy1B=fft（FIRy1B）;

FFTFIRy2B=fft（FIRy2B）;

FFTFIRy3B=fft（FIRy3B）;

%绘制原始语音、IIR、FIR带通滤波后语音波形、及滤波后频谱图

figure（5）

subplot（6,4,3