语音信号实验一

08电子C 班 苏清法 0815241036

实验一 数字信号处理综合实验

一、实验目的

目的：综合运用数字信号处理的理论知识进行信号的采样，重构，频谱分析和滤波器的设计，通过理论推导得出相应结论，再利用Matlab 作为编程工具进行计算机实现，从而加深对所学知识的理解，建立概念。

二、基本要求

1．掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法； 2．学会MATLAB 的使用，掌握MA TLAB 的程序设计方法； 3．掌握用MA TLAB 设计简单实验验证采样定理的方法； 4．掌握在Windows 环境下语音信号采集的方法； 5．学会用MA TLAB 对信号进行频谱分析；

6．掌握MATLAB 设计FIR 和IIR 数字滤波器的方法；

三、实验内容

（1） Matlab 产生离散信号的方法，作图的方法，以及基本运算操作 （2） 对连续正弦信号以不同的采样频率作采样 （3） 对采样前后信号进行傅立叶变换，并画频谱图 （4） 分析采样前后频谱的有变化，验证采样定理。

掌握画频谱图的方法，深刻理解采样频率，信号频率，采样点数，频率分辨率等概念

四、主要实验仪器及材料

微型计算机、Matlab 。 五、实验步骤

1．设计一简单正弦信号，通过改变采样率观察采样前后的信号变化。

例如：假设有一振幅为1，频率为10Hz ，相位为0.3的模拟信号，即sin(2100.3)t π⨯⨯+，用0.01s 的采样间隔（采样频率为100Hz ）来表示原始信号（注意：实际上模拟信号不能用离散值表示，此处为了在计算机上表示，用采样率非常高的离散信号表示模拟信号）。

分别以5Hz ，10Hz （每秒采样10次，即采样间隔为0.1s ），20Hz ，40Hz ，80Hz ，200Hz 对原始信号进行采样，画出采样前后的信号，并画出其频谱图，对比前后的变化，验证采样定理。

（1）可以用t=0:1/fs:9/f; 取9个周期，通过改变采样率，自动改变采样点数。 （2）也可以通过设置dt1(采样间隔)，已知采样点数n1，t1=n1*dt1，

如图所示，采样率为40Hz 时的原始信号，采样过程和采样后的信号时域图和频谱图，可见，当采样率大于原始信号频率的两倍时，采样前后信号频率基本不发生变化，信号不失真。

程序如下：

结论：当采样频率大于原始信号频率的两倍时，采样前后信号基本不发生变化即信号不失真。

2．设计数字滤波器和画出频率响应

根据分析所得的原始信号的频谱和噪声信号频谱特点，给出有关滤波器的性能指标。

首先用窗函数法或者最优化法设计高通，低通，带通，带阻滤波器，在MA TLAB中，可以利用函数fir1，firls设计FIR滤波器；

然后在用双线性变换法或脉冲响应法设计上面几种滤波器，在MA TLAB中，可以利用函数butte、cheby1和ellip设计IIR滤波器；

最后，利用MA TLAB中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。

具体方法参加附件3种滤波器设计的步骤和实例。

如，根据以上语音信号的特点给出有关IIR滤波器的性能指标：

1）低通滤波器性能指标，fp=4500，fc=6500，Rs=100，Rp=1。

（fp：通带截至频率；fc：阻带截至频率；Rs：通带波纹；Rp：阻带波纹）

2）带阻滤波器性能指标，fp1=4800 Hz，fp2=5200 Hz，fc1=4600 Hz，fc2=5400 Hz，Rs=30dB，Rp=1dB。（[fp1 fp2]：阻带截至频率；[fc1 fc2]：通带截至频率）程序如下：相应波形：

3．用滤波器对信号进行滤波

比较各种滤波器的性能，然后用性能好的各滤波器分别对采集的信号进行滤波。比较滤波前后语音信号的波形及频谱，要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。

在MA TLAB中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter 对信号进行滤波。

程序如下：

波形如下：

实验总结：通过此次实验，学会了对一个信号波形的采样。要恢复原信号波形必须满足采样定理即Fs>=2Fh 。通过傅里叶变换可画出相应的频谱图。此次实验也掌握了设计滤波器的一些知识，知道设计一个滤波器的关键在于相应参数的算法。对理论知识有了一定的巩固和加强，特别是熟悉了对MATLAB的应用。