DSP课程设计说明书-基于MATLAB的语音信号分析及滤波.doc

1引言 随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，处理的内容包括对数字信号的滤波、变换、频谱分析、检测、估计、压缩、识别等一系列的加工处理。由于大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。 数字信号处理技术的应用领域非常广泛，主要包括语音信号处理，图像处理，语音电话（VoIP），移动通信，数字通信网络，数码相机，汽车电子，医疗，军事等领域。其中语音信号处理是数字信号处理中一个很重要的领域。语音信号是基于时间轴上的数字信号，这里我们主要讨论对语音信号进行频域上的分析。在信号分析中，频域往往包含了更多的信息。 这次课程设计的主要任务是基于Matlab的语音信号分析及滤波：录制一段个人的语音信号，并对录制的信号进行采样，分析其时域波形及频谱图。用窗函数法和双线性变换设计滤波器，然后对采样信号进行滤波，分析滤波前后时域波形及频谱的变化，并对比滤波前后声音信号的变化。最后，设计一个信号处理系统界面。 2数字滤波器的设计原理 2.1数字滤波器简介 数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，与模拟滤波相比，它具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性强、便于大规模集成和可实现多维滤波等优点。在信号的过滤、检测和参数的估计等方面起着重要的作用。信号往往夹杂着噪声及无用信号成分，必须将这些干扰成分滤除。数字滤波器对信号进行筛选可通过特定频段的信号。一般来说，噪声信号往往是高频信号，而经典滤波器正是假定有用信号与噪声信号具有不同的频段，所以利用经典滤波器可以去除噪声。 经典数字滤波器是使用最广泛的一种线性系统。按照实现的方法和结构形式数字滤波器可分为递归型或非递归型两类。按照滤波器的功能数字滤波器可以分为低通滤波器（LPF）,高通滤波器（HPF）,带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BSF）。 按照单位取样响应h(n)的时域特性经典数字滤波器可分为无限冲激响应(IIR，Infinite Impulse Response)滤波器和有限冲激响应(FIR，Finite Impulse Response) 滤波器。如果单位取样响应是时宽无限的h(n)，则称之为IIR滤波器；而如果单位取样响应是时宽有限的h(n)，，则称之为FIR滤波器。 这两类滤波器无论是在性能上还是在设计方法上都有着很大的区别。FIR滤波器可以对给定的频率特性直接进行设计，而IIR滤波器目前最通用的方法是利用已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计。 2.2 IIR滤波器的设计原理 利用模拟滤波器来设计IIR数字滤波器是最常见的方法，其设计过程是按照技术要求设计模拟滤波器，得到其系统函数，然后经过一定的变换，得到满足要求的数字滤波器的。这种设计方法的优点是模拟滤波器的设计理论很成熟，有很多现成的公式、表格、图形和曲线可以直接使用，从而使IIR数字滤波器的设计变得很简单。 常用的IIR滤波器设计方法主要有以下几种： 1. 以模拟滤波器函数为基础的变换法即先设计一满足指定条件的模拟滤波器H(s)，再将该模拟滤波器转化为数字滤波器H(z)。 2. 直接设计法：在z平面内，根据零、极点对系统特性的影响，调整零极点位置得H(z)。 3. 最优化设计法(计算机辅助设计)在某种最小化误差准则下，建立差分方程系数、对理想特性的逼近方程，使用迭代方法解方程组得到最佳逼近系统。由于此方法计算量大，需要借助于计算机进行设计。 在此主要介绍由模拟滤波器转换为数字滤波器的设计方法。 2.2.1 IIR模拟低通滤波器的设计 为了从模拟滤波器设计IIR数字滤波器，必须先设计一个满足技术指标的模拟原型滤波器。设计“模拟原型”滤波器有多种方法，如模拟低通逼近有巴特沃斯（Butter worth）型，切比雪夫（Chebyshev）型或椭圆（Elliptic）型。低通滤波器是最基本的，至于高通、带通、带阻等滤波器可以用频率变换的方法由低通滤波器变换得到。 模拟滤波器设计就是将一组规定的设计要求，转化为相应的模拟系统函数，使其逼近某个理想滤波器的特性。这里主要介绍巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器的设计原理。 巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数定义为： （2-1） 其中C为一常数参数，N为滤波器阶数，为归一化低通截止频率, 。 式中N为整数，是滤波器的阶次。 巴特沃斯低通滤波器在通带内具有最大平坦的振幅特性，这就是说，N阶低通滤波器在处幅度平方函数的前2N-1阶导数等于零，在阻带内的逼近是单调变化的。巴特沃斯低通滤波器的振幅特性如图2-1所示。 滤波器的特性完全由其阶数N决定。