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基于MATLAB的数字滤波器设计及其对语音信号的应用
摘要
MATLAB 语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件 ,它可以将声音文件变换为离散的数据文件 , 然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据 ,如数字滤波 、傅里叶变换 、时域和频域分析 、声音回放以及各种图的呈现等 , 信号处理是MATLAB 重要应用的领域之一 。
本课程设计介绍了基于Matlab的对语音信号采集、处理及滤波器的设计,并使之实现的过程。理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法,用Matlab进行数字语音信号处理,并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容。综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计,通过理论推导得出相应结论,并利用MATLAB作为工具进行实现,从而复习巩固课堂所学的理论知识,提高对所学知识的综合应用能力,并从实践上初步实现对数字信号的处理。
关键词: MATLAB 工具 信号语音采集 滤波器
课程设计的目的:
1).掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法;
2).掌握MATLAB设计FIR和IIR数字滤波器的方法;
3).掌握在Windows环境下语音信号采集以及时域、频域分析;
4).学会MATLAB的使用,掌握MATLAB的程序设计方法;
5).学会用MATLAB对信号进行分析和处理。
课程设计内容:
1).录制一段自己的语音信号,对录制的信号进行采样;
2).画出采样后语音信号的时域波形和频谱图;
3).给定滤波器的性能指标,采MATLAB设计数字滤波器,并画出滤波器的频率响应;
4).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;
5).回放语音信号。
滤波器设计方法综述:直接设计数字滤波器
则其系统函数,即滤波器的传递函数为
2).脉冲不变法
因此,它归根结底是一个由S平面映射到Z平面的变换,这个变换通常是复变函数的映射变换,为了保证转换后的H(z)稳定且满足技术要求,这个映射变换必须满足以下两条基本要求:
(1)因果稳定的模拟滤波器转换成数字滤波器,仍是因果稳定的。即 S平面的左半平面必须映射到Z平面单位圆的内部。
(2)数字滤波器的频率响应模仿模拟滤波器的频 响,s平面的虚轴映射为z平面的单位圆,相应的频率之间成线性关系。
核心原理:
通过对连续函数ha(t)等间隔采样得到离散序列ha(nT)。令h(n)= ha(nT) ,T为采样间隔。它是一种时域上的转换方法。
转换步骤:
3).双线性变换设计思路:首先将数字高通滤波器的技术指标转化为模拟滤波器的技术指标,再采用Buttetworth逼近的方法求得其系统函数H(S),再利用冲激响应不变法将模拟滤波器的系统函数H(s)变为相应的数字滤波器的系统函数H(Z),然后用MATALB进行仿真,然后确定数字滤波器的结构。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。
图1 语音采集流程图
?程序:
[y,fs,bite]=wavread(.wav);
sound(y);
wavrecord(2*fs,fs);
fft(y);
Y=fft(y);
fp=1000;
fr=1200;as=40;ap=1;
[N, Wn] = BUTTORD(2*fp/fs, 2*fr/fs, ap, as);
[B,A] = BUTTER(N,Wn);
(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。
程序:[y,fs,bite]=wavread(7.wav);
sound(y);
Y=fft(y);
mag=abs(Y);
phase=angle(Y);
phase=phase*180/pi;
dB=20*log10(abs(Y)+eps);
t=(0:length(y)-1)/fs;
figure(1)
subplot(221);plot(t,y);title(波形图);xlabel(时间(s));ylabel(幅度);
f=(1:length(Y))*fs/length(Y);
subplot(222);plot(f,mag);title(幅度谱);xlabel(频率(Hz));ylabel(频谱幅度);
subplot(223);plot(f,phase);title(相位谱);xlabel(频率(Hz));ylabel(频谱相位);
subplot(224);plot(f,dB);title(对数幅度谱);xlabel(频率(Hz));ylabel(频谱幅度(dB));
显示为:
(3)设计数字滤波器,画出其频率响应曲线
各滤波器的
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