音频信号频谱分析及滤波

宜宾学院

物理与电子工程学院（DSP）设计报告

题目：音频信号频谱及滤波

专业：物理与电子工程学院

班级：2012级硕勋励志班

学号：*********

姓名：**

音频信号频谱分析及滤波

一、 设计任务

1、 用计算机 开始—所有程序---娱乐—录音机程序，录取本人的“物电学院”音频信号，时间约为2秒。格式为8KHz 采样，8位量化，单声道，以自已名字命名的.wav 文件。（格式转化在录音机的“文件”下拉菜单的“属性”，选择“立即转换”,再到“属性”里选择相应参数计算机录音一般是采样率为44.1kHz ，16位量化；为减小计算量，在录机的文件—属性—立即转换, 将声音数据转换为采样率8kHz ，8位量化）。

2、 对语音信号逐字进行频谱分析，分析自己语音信号的频谱特征。用wavread()读取声音文件，作图画出声音的时域波形，对其进行频谱分析，画出其频域波形。分析自已音频信号的特点。

3、设计一个0Hz----3.4KHz 的IIR 低通滤波器，

Hz f p 3400= , Hz f s 3550=, dB s 25=α dB p 1=α。对“物”字和“电”字音频信号逐字滤波。

要求：画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域和频域信号。同时用sound 回放滤波后的声音信号。

（本题即为设计一个IIR 低通滤波器，通带截止频率为3400Hz,阻带截止频率为3550Hz ，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB ）

4、设计一个0Hz----3.4KHz 的FIR 低通滤波器，Hz f p 3400= , Hz f s 3550=, dB s 25=α dB p 1=α 。对“物”字和“电”字音频信号逐字滤波。

要求：画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域和频域信号。同时用sound 回放滤波后的声音信号。

（本题即为设计一个FIR 低通滤波器，通带截止频率为3400Hz,阻带截止频率为3550Hz ，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB ）

5、设计一个100Hz----8KHz 的IIR 带通滤波器，Hz f s 01=, Hz f p 1001= , Hz f p 80002= , Hz f s 81001=, dB s 25=α dB p 1=α，对“学”字和“院”字的音频信号逐字滤波。

要求：画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域

和频域信号。同时用sound 回放滤波后的声音信号。

（本题即为设计一个IIR 带通滤波器，通带截止频率为100Hz 、8000Hz,阻带截止频率为0Hz 、8100Hz ，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB ）

6、设计一个100Hz----8KHz 的FIR 带通滤波器，Hz f s 01=, Hz f p 1001= , Hz f p 80002= , Hz f s 81001=, dB s 25=α dB p 1=α

对“学”字和“院”字音频信号逐字滤波。

要求：画出所设计滤波器的幅频特性曲线，并用该滤波器对音频信号滤波，画出滤波后的音频信号的时域和频域波形，结合波形比较滤波前后的时域和频域信号。同时用sound 回放滤波后的声音信号。

（本题即为设计一个FIR 带通滤波器，通带截止频率为100Hz 、8000Hz ；阻带截止频率为0Hz 、8100Hz ，阻带衰减为25dB,通带衰减为1dB ）

二、 任务分析

任务1：

此任务就是录制自己的声音信号，但是如果采用上述所提供的方法录制声音信号，录制的的声音信号会因为电脑的不同录音的格式出现个体差异，为了便于MATLAB 的调用，也就还要将所录制的声音信号转换成“.wav ”格式，这就先得相对比较复杂。故而我们采用专用的录音软件，这样比较方便，在此我们选择“宏乐录音器”来录制声音信号。

任务2：

此任务对语音信号逐字进行频谱分析，之所以要逐字进行频谱分析，是因为人在对不同的字发声时，可能产生相同的频率成分。如果对所有字的声音一同进行FFT 变换，那么便得不出字与字之间组成成分频率的差异。故而对语音信号逐字进行频谱分析，解决逐字分析，根据所有声音在数字域的分布，找出不同字对应的数据段，然后将各个字对应的数据段进行FFT 变换，分析得到的频谱，便可以得到自己音频信号的特点。

任务3：

此任务目的在于设计IIR 低通滤波器，值得注意的一点是：所给的通带截止频率3400Hz =p f ,阻带截止频率3550Hz =s f ，这里的频率指的应该是模拟频率，故在设计滤波器是应该先根据s

f f w π2=（注意此s f 为采样频率）转换成数字频率p w s w ，然后根据所需设计滤波器的参数确定采用什么原型滤波器，以及采用什么方法将模拟滤波器转化为数字滤波器。

任务4：

此任务是设计与参数与任务3相同的FIR 滤波器。同样应该先将模拟频率转化成数字频率，然后利用窗函数法选择合适的窗函数设计FIR 滤波器。此任务的难点是各种窗函数在MATLAB 中调用函数的格式。

任务5：

此任务是设计一个通带为100～8kHz 的IIR 带通滤波器。同样需要将所给的模拟频率转换成对应的数字频率，分析所需设计的滤波器的指标发现所给的指标存在问题，因为本设计的是针对音频信号进行频谱分析及滤波，所规定的采样频率为8kHz ，由此可见频带指标违反了乃奎斯特采样定律。故在此将带通滤波器的频率做如下改动:Hz f s 1001=,Hz f p 2001= , Hz f p 39002= , Hz f s 40001=, dB s 25=α dB p 1=α。还有一个值得注意的地方是，在设计带通滤波器时如何将低通滤波器通过调用函数转换成带通滤波器。

任务6：

此任务是设计参数和任务5相同的FIR 带通滤波器。值得注意的是模拟频率到数字频率的转换和所需窗函数的调用形式，以及脉冲响应长度N 值的选取。

三、 任务解决方案设计

3.1 任务1

根据任务1陈述的分析，在此我们不采用电脑自带的录音软件，而采用专用的录音软件“宏乐录音器”。下面将介绍该录音软件的界面及相应的录音操作流程。

图1：宏乐录音器的主界面图

单击界面上的“设置”按钮,进入“录音设置窗”，将“特征”下的“取样”选择8000的采样频率、8位。然后关闭设置窗口，进入主界面进行录音操作，录音操作较为简单，单击主界面上的“录音”按钮及进入录音状态，然后对着所选择地录音外设进行录音，录音完毕后单击主界面上的“停录”按键，及退出录音状态，最后保存所录制的音频文件（有关宏乐录音器录音的完整操作请自行查