数字信号处理课程设计报告-语音信号的采集与处理

数字信号处理

课程设计报告

课设题目：语音信号的采集与处理

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指导教师：

2011 年7月1日

课程设计报告撰写要求

1、页面设置

纸张大小设置为纵向A4，页边距设置为：上3.8厘米，下 3.5厘米，左3厘米，右3厘米，页眉设置为3厘米，页脚设置为2.7厘米，文档网络设置为指定行和字符网格，每行34字，每页34行。

2、段落及字体设置

除各级标题外，首行缩进2字符；图、表及图题、表题首行不缩进，居中放置；图表不应超出版心范围；行距采用单倍行距。

正文中文采用小四号宋体，英文采用新罗马字体（Times New Roman），段前0磅，断后0磅；

一级标题采用小二号黑体，段前12磅，段后12磅

二级标题采用小三号黑体，段前6磅，段后6磅

三级标题采用四号黑体，段前6磅，段后0磅

3、装订要求

采用左侧装订，订两钉。

目录

一. 课程设计任务 (1)

二. 课程设计原理及设计方案 (2)

三. 课程设计的步骤和结果 (6)

四. 课程设计总结 (39)

五. 设计体会 (40)

六. 参考文献 (41)

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一. 课程设计任务

1、语音信号的采集

利用Windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在1s内，然后在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。

2、语音信号的频谱分析

在Matlab中，可以利用函数fft对信号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，要求学生首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。

3、设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标；

给定滤波器的性能指标如下：

(1)低通滤波器的性能指标：fb=1000Hz,fc=1200Hz,As=100dB,Ap=1dB.

(2)高通滤波器的性能指标：fc=4800Hz,fb=5000Hz,As=100dB,Ap=1dB.

(3)带通滤波器的性能指标：fb1=1200Hz, fb2=3000Hz,fc1=1000Hz, fc2=3200Hz,As=100dB,Ap=1dB.

采用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器，并画出滤波器的频率响应；

4、用滤波器对信号进行滤波

然后用自己设计的滤波器对采集到的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形及频谱，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，分析滤波前后的语音变化；

6、设计系统界面

为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面，在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数、显示滤波器的频率响应，选择信号等。

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二. 课程设计原理及设计方案

1．用窗函数法设计FIR 滤波器

根据过渡带宽及阻带衰减要求，选择窗函数的类型并估计窗口长度N （或阶数M=N-1），窗函数类型可根据最小阻带衰减As 独立选择，因为窗口长度N 对最小阻带衰减As 没有影响，在确定窗函数类型以后，可根据过渡带宽小于给定指标确定所拟用的窗函数的窗口长度N ，设待求滤波器的过渡带宽为Δw ，它与窗口长度N 近似成反比，窗函数类型确定后，其计算公式也确定了，不过这些公式是近似的，得出的窗口长度还要在计算中逐步修正，原则是在保证阻带衰减满足要求的情况下，尽量选择较小的N ，在N 和窗函数类型确定后，即可调用MATLAB 中的窗函数求出窗函数wd （n ）。

根据待求滤波器的理想频率响应求出理想单位脉冲响应hd(n)，如果给出待求滤波器频率应为Hd ，则理想的单位脉冲响应可以用下面的傅里叶反变换式求出：

在一般情况下，hd(n)是不能用封闭公式表示的，需要采用数值方法表示；从w=0到w=2π采样N 点，采用离散傅里叶反变换（IDFT ）即可求出。 用窗函数wd(n)将hd(n)截断，并进行加权处理，得到

如果要求线性相位特性， 则h(n)还必须满足：

根据上式中的正、 负号和长度N 的奇偶性又将线性相位FIR 滤波器分成四类。 要根据所设计的滤波特性正确选择其中一类。 例如， 要设计线性相位低通特性可选择h(n)=h(N-1-n)一类，而不能选h(n)=-h(N-1-n)一类。

验算技术指标是否满足要求，为了计算数字滤波器在频域中的特性，可调用freqz 子程序，如果不满足要求，可根据具体情况，调整窗函数类型或长度，直到满足要求为止。

2.用双线性变换法设计IIR 数字滤波器 1

()()2j j n d d h n H e e d πωωπω

π-=⎰()()()d h n h n n ω=()(1)

h n h N n =±--

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脉冲响应不变法的主要缺点是产生频率响应的混叠失真。这是因为从S平面到Ｚ平面是多值的映射关系所造成的。为了克服这一缺点，可以采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到-π/T～π/T之间，再用z=esT 转换到Z平面上。也就是说，第一步先将整个S平面压缩映射到S1平面的-π/T～π/T一条横带里；第二步再通过标准变换关系z=es1T将此横带变换到整个Z平面上去。这样就使S平面与Z平面建立了一一对应的单值关系，消除了多值变换性，也就消除了频谱混叠现象，映射关系如图1所示。

图1双线性变换的映射关系

为了将S平面的整个虚轴jΩ压缩到S1平面jΩ1轴上的-π/T到π/T段上，可以通过以下的正切变换实现

（1）式中,T仍是采样间隔。

当Ω1由-π/T经过0变化到π/T时，Ω由-∞经过0变化到+∞，也即映射了整个jΩ轴。将式（1）写成

将此关系解析延拓到整个S平面和S1平面，令jΩ=s，jΩ1=s1，则得

再将S1平面通过以下标准变换关系映射到Z平面

z=es1T

从而得到S平面和Z平面的单值映射关系为：

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