课程设计报告课程名称数字信号处理课题名称数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业通信工程班级1281学号201213120101姓名杨俊指导教师彭祯韩宁2014年12月5日湖南工程学院课程设计任务书课程名称数字信号处理课题数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用专业班级通信工程1281班学生姓名杨俊学号201213120101指导老师彭祯韩宁审批任务书下达日期2014 年12月5日任务完成日期2014 年12月13日《数字信号处理》课程设计任务书一、课程设计的性质与目的《数字信号处理》课程是通信专业的一门重要专业基础课，是信息的数字化处理、存储和应用的基础。
通过该课程的课程设计实践，使学生对信号与信息的采集、处理、传输、显示、存储、分析和应用等有一个系统的掌握和理解；巩固和运用在《数字信号处理》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握数字信号处理的基础理论和处理方法，提高分析和解决信号与信息处理相关问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。
数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。
根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。
二、课程设计题目题目1：数字滤波器设计及在语音信号分析中的应用。
1、设计步骤：（1）语音信号采集录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样；录制时可以使用Windows自带的录音机，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。
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）语音信号分析使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。
根据频谱图求出其带宽，并说明语音信号的采样频率不能低于多少赫兹。
（3）含噪语音信号合成在MATLAB软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：①白噪声；②单频噪色（正弦干扰）；③多频噪声（多正弦干扰）；④其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或Chirp干扰、冲激干扰。
绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号图形对比，也可通过Windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。
（4）数字滤波器设计及滤波给定滤波器的规一化性能指标（参考指标,实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定）例如：通带截止频率wp=0.25*pi, 阻通带截止频率ws=0.3*pi; 通带最大衰减Rp=1 dB; 阻带最小衰减Rs=15 dB，每个题目至少设计出5个用不同方法的不同类型滤波器。
①：采用窗函数法与等波纹法分别设计FIR滤波器来对叠加噪声前后的语音信号进行滤波处理，绘出滤波器的频域响应，绘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；在相同的性能指标下比较各方法的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。
②：采用双线性变换法与脉冲响应不变法，分别利用不同的原型低通滤波器（Butterworth型与切比雪夫I型）来设计IIR滤波器，绘出滤波器的频域响应；并用这些数字滤波器对含噪语音信号分别进行滤波处理，比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。
（5）回放语音信号对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。
（6）设计一个语音信号分析与处理系统界面(选作)利用MATLAB的界面设计功能，设计一个MATLAB环境下的人机交互界面，完成上述滤波器的设计及滤波过程，要求能够接收输入的设计参数，查看设计结果及滤波结果。
目录1. 课题的主要功能 (1)1.1问题描述 (1)1.2功能要求 (1)2. 课题的功能模块的划分 (2)2.1语音信号采集 (2)2.3 含噪语音信号合成 (4)2.4 数字滤波器设计及滤波 (4)2.5 回放语音信号 (4)3. 滤波器实现的原理 (5)3.1 带阻滤波器 (6)3.2 低通滤波器 (8)3.3 高通滤波 (10)4. 程序调试 (12)5. 总结 (13)6. 附件 (13)6.1 带阻滤波 (14)6.2 低通滤波 (15)6.3 高通滤波 (16)7. 评分表 (17)1.课题的主要功能1.1问题描述录制一段课程设计学生的语音信号并保存为文件，要求长度不小于10秒，并对录制的信号进行采样，使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。
在MATLAB 软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，噪声类型分为如下几种：（1）白噪声；（2）单频噪色（正弦干扰）；（3）多频噪声（多正弦干扰）；（4）其它干扰，可设置为低频、高频、带限噪声，或Chirp干扰、冲激干扰。
绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图，在视觉上与原始语音信号图形对比，也可通过Windows播放软件从听觉上进行对比，分析并体会含噪语音信号频谱和时域波形的改变。
给定滤波器的规一化性能指标（参考指标,实际中依据每个同学所叠加噪声情况而定），对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。
1.2功能要求采用IIR滤波器的完全设计函数来设计各型IIR滤波器（Butterworth型与切比雪夫I 型、切比雪夫Ⅱ型和椭圆型的低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型），滤掉在MATLAB 软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，绘出滤波器的频域响应。
并用这些数字滤波器对含噪语音信号分别进行滤波处理，比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析（或解释）。
对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。
2.课题的功能模块的划分图2-1 课题的功能模块图2.1语音信号采集使用Windows自带的录音机，在安静、干扰小的环境下录音。
按“开始”—“程序”—“附件”—“娱乐”—“录音机”的顺序打开windows中的录音机软件。
如图2-1所示：图2-2系统录音界面录制一段自己的话音“信号”，按文件—属性—立即转换—8000KHz，8位，单声道到底顺序，时间控制在10秒以上，然后将音频文件保存“好人.wav”2.2语音信号分析使用MATLAB 绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图，其主要的程序代码和信号时域波形图和频谱图如下：[x1,fs,bits]=wavread('i:/好人_new');%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,32768);figure(1)subplot(2,1,1)plot(x1);title('原始语音信号时域波形');subplot(2,1,2)plot(abs(y1));title('原始语音信号频谱')00.51 1.52 2.53 3.5x 105-1-0.50.51原始语音信号时域波形00.51 1.52 2.53 3.5x 104050100150200原始语音信号频谱图2-3 原始语音信号波形2.3 含噪语音信号合成（1）在原语音信号上加单频余弦信号，其信号时域波形图和频谱图如下：00.51 1.52 2.53 3.5x 105-2-112加单频余弦信号的语音信号时域波形00.51 1.52 2.53 3.5x 104050001000015000加单频余弦信号的语音信号频谱图2-4 加单频余弦信号的波形2.4 数字滤波器设计及滤波采用IIR 滤波器的完全设计函数来设计各型IIR 滤波器（Butterworth 型与切比雪夫I 型、切比雪夫Ⅱ型和椭圆型的低通、高通、带通、带阻中的至少3种类型），滤掉在MATLAB 软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，绘出滤波器的频域响应。
并用这些数字滤波器对含噪语音信号分别进行滤波处理，比较不同方法下设计出来的数字滤波器的滤波效果，并从理论上进行分析。
2.5 回放语音信号对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。
3. 滤波器实现的原理MATLAB 信号处理工具箱提供了IIR 滤波器设计的完全工具函数，用户只要调用这些工具函数即可一次性完成设计，而不需要调用那些基本工具函数分步实现。
IIR 滤波器设计的完全工具函数有butter,cheby1,cheby2,ellip 。
这些工具函数既可用于设计模拟滤波器，也可用于设计数字滤波器。
这里介绍这些函数在IIR 数字滤波器中的应用。
在这两类滤波器设计中，这些工具函数调用格式基本相同，只是在频率处理上有所不同。
在MATLAB 滤波器设计工具箱中，数字滤波器采用归一化频率，取值为0~1之间，归一化频率1对应的数字角频率为π，对应的真实频率为采样频率的一半。
在应用MATLAB 工具函数设计数字滤波器时应注意这一点。
数字IIR 滤波器的完全设计函数有：[b,a]=butter(n,wn[,'ftype'])[z,p,k]=butter(n,wn[, 'ftype'])[b,a]=cheby1(n,Rp,wn[,'ftype'])[z,p,k]=cheby1(n, Rp,wn[,'ftype'])[b,a]=cheby2(n,Rs,wn[,'ftype'])[z,p,k]=cheby2(n, Rs,wn[,'ftype'])[b,a]=ellip(n,Rp,Rs,wn[,'ftype'])[z,p,k]=ellip(n, Rp,Rs,wn[,'ftype'])在上面的调用方式中，n 为滤波器的阶数，wn 为滤波器的截止频率，取值为0~1。
需根据采样频率Fs 来定，如滤波器的截止频率为Fc （Hz ），则wn 的计算公式为： 这样就转换为0~1的归一化频率。
其中wp,ws 等边界频率都要根据此公式进行转换。
'ftype'滤波器的类型为：‘high ’为高通滤波器，截止频率为wn.‘stop ’为带阻滤波器，截止频率为wn=[w1,w2] (w<w2).‘ftype ’缺省时为低通或带通滤波器。
a,b 分别为滤波器传递函数分子和分母多项式系数向量；z,p,k 分别为滤波器的零极点和增益。
Rp,Rs 分别为所设计滤波器的通带波纹和阻带衰减，单位为dB 。
Fs Fcwn *2=设计好的数字滤波器传递函数具有下面形式：上述函数采用双线性变换法和频率的预畸变处理将模拟滤波器离散化为数字滤波器，同时保证模拟滤波器和数字滤波器在wn(或w1,w2)处具有相同的幅频响应。