畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于MATLAB的語音數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

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1、密 級(jí)公 開學(xué) 號(hào)110989 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 基于MATLAB的語音數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)院（系、部）：信息工程學(xué)院姓 名：年 級(jí)：2011級(jí)專 業(yè)：自動(dòng)化指導(dǎo)教師：教師職稱： 2015年 06月20日北京北 京 石 油 化 工 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 任 務(wù) 書學(xué)院（系、部） 信息工程學(xué)院 專業(yè) 自動(dòng)化 班級(jí) 自113 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師/職稱 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于MATLAB的語音數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.任務(wù)起止日期： 2014年 12 月 22日 至 2015年 07 月 03 日3.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容與要求（含課題簡(jiǎn)介、任務(wù)與要求、預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)、含原

2、始數(shù)據(jù)及應(yīng)提交的成果）課題簡(jiǎn)介根據(jù)模擬濾波器的設(shè)計(jì)原理，提出了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，并在MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)語音數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即無限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器。其主要內(nèi)容概括為：首先查閱語音濾波器的基本概念及原理，其中包括系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、系統(tǒng)的模型；接著對(duì)兩類濾波器的需求和設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；重點(diǎn)描述語音數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程，最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)人機(jī)交互的濾波器。具體工作任務(wù)與要求：撰寫開題報(bào)告 翻譯外文資料（不少于25000字符）了解數(shù)字濾波器的基本原理。根據(jù)數(shù)字濾波器的基本原理指出FIR和IIR

3、兩種傳遞類型。要求MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 a、系統(tǒng)傳遞函數(shù) b、系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)c、MATLAB運(yùn)行語音數(shù)字濾波器程序，修改錯(cuò)誤部分預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)：具備文獻(xiàn)查閱與綜合能力。具備閱讀和翻譯能力。具備數(shù)據(jù)的收集、分析、計(jì)算和處理能力。具備項(xiàng)目調(diào)研、設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試能力。具備現(xiàn)場(chǎng)解決問題的能力。具備一定的科技論文寫作能力。最終提交材料：開題報(bào)告資料原文（不少于25000字符）及翻譯稿畢業(yè)設(shè)計(jì)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)日常記錄本4.主要參考文獻(xiàn)朱義勝，董輝，信號(hào)處理濾波器設(shè)計(jì)古萩隆嗣，數(shù)字濾波器與信號(hào)處理張明照，劉鄭波，劉斌，應(yīng)用MATLAB實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析和處理5.進(jìn)度計(jì)劃及指導(dǎo)安排周次日 期工 作 內(nèi) 容具

4、 體 要 求162014.12.222015.12.26崗位實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)（調(diào)研、查資料、熟悉系統(tǒng)工藝，翻譯外文資料、寫開題報(bào)告）同步進(jìn)行。172014.12.292015.01.02崗位實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)（調(diào)研、查資料、熟悉系統(tǒng)工藝，翻譯外文資料、寫開題報(bào)告）同步進(jìn)行。182015.01.052015.01.09崗位實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)（調(diào)研、查資料、熟悉系統(tǒng)工藝，翻譯外文資料、寫開題報(bào)告）同步進(jìn)行。192015.01.122015.01.16崗位實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)（調(diào)研、查資料、熟悉系統(tǒng)流程，翻譯外文資料、寫開題報(bào)告）同步進(jìn)行。202015.01.192015.01.23與崗位實(shí)習(xí)穿插進(jìn)行，在按時(shí)開題后

5、無先后順序。交譯文/開題報(bào)告這段時(shí)間穿插共計(jì)8周崗位實(shí)習(xí)12015.03.022015.03.0622015.03.092015.03.1332015.03.162015.03.2042015.03.232015.03.27設(shè)置系統(tǒng)傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型52015.03.302015.04.03確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)、系統(tǒng)模型、FIR和IIR工作分配。62015.04.062015.04.10用MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR傳遞函數(shù)，系統(tǒng)模型72015.04.132015.04.17用MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR傳遞函數(shù)，系統(tǒng)模型82015.04.202015.04.24用MATLAB設(shè)計(jì)FIR和

6、IIR傳遞函數(shù)，系統(tǒng)模型92015.04.272015.05.01FIR和IIR，調(diào)試102015.05.042015.05.08FIR和IIR，調(diào)試112015.05.112015.05.15FIR和IIR，調(diào)試122015.05.182015.05.22FIR和IIR，調(diào)試132015.05.252015.05.29FIR和IIR，調(diào)試142015.06.012015.06.05FIR和IIR，調(diào)試這段時(shí)間穿插共計(jì)8周崗位實(shí)習(xí)152015.06.082015.06.12調(diào)試及整理論文162015.06.152015.06.19畢業(yè)答辯交論文172015.06.222015.06.268周崗

7、位實(shí)習(xí)總結(jié)交崗位實(shí)習(xí)報(bào)告182015.06.292015.07.03備注：2014年12月至2015年6月畢業(yè)設(shè)計(jì)期間包括8周崗位實(shí)習(xí)任務(wù)書審定日期2014年12月18日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期2014年12月19日 教學(xué)院（系、部）院長(zhǎng)（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期2014年12月20日 指導(dǎo)教師（簽字） 計(jì)劃完成任務(wù)日期2015年07月03日 學(xué)生（簽字） 基于MATLAB的語音數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要語音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和語音學(xué)知識(shí)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的新興的學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學(xué)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。將語音信號(hào)處理在MATLAB的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)

8、行實(shí)現(xiàn)，是比較簡(jiǎn)單的便捷的方法之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)在大部分語音處理軟件內(nèi)容繁多、操作不便等問題，采用MATLAB綜合運(yùn)用GUI界面設(shè)計(jì)、各種函數(shù)調(diào)用等來實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的變頻、變幅、傅里葉變換及濾波，程序界面簡(jiǎn)練，操作簡(jiǎn)便，最終通過在MATLAB上設(shè)計(jì)語音濾波器，進(jìn)行數(shù)字濾波、傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，結(jié)合不同的參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)人機(jī)交互的過程，使輸入的語音信號(hào)能夠處理后輸出，并得出不同的濾波效果。最后，本文對(duì)語音信號(hào)處理的進(jìn)一步發(fā)展方向提出了自己的見解。關(guān)鍵字：MATLAB，語音信號(hào)，傅里葉變換，濾波

9、AbstractSpeech Signal Processing is a new emerging discipline to study the speech signal processing by the use of digital signal processing technology and phonetics knowledge, which is one of the core technologies in the fastest developing information science research field. Running the speech signa

10、l processing on the basis of MATLAB is a relative simple and convenient method. Transmitting the signal through speech is the most important, most effective, most common and most convenient information exchanging form. Considering the various contents and the inconvenient operation for the current m

11、ost speech processing software, this design uses the MATLAB to synthetically apply GUI interface design and call the various functions to achieve the frequency, amplitude, Fourier Transform and wave filtering of the speech signal. The program interface is concise and the operation is convenient. Ult

12、imately designing a speech filter based on MATLAB to realize the digital filter, Fourier Transform, the time domain and frequency domain analysis, the sound playback and various graph presentation. Then combining with different parameters to realize the interactive process of human and machine, outp

13、ut the processed speech signal and get the different filter wave effect. Finally, the paper puts forward the own views on the further development of the speech signal processing.Keywords:MATLAB，voice signal，fourier transform，wave filteringIV基于MATLAB的語音數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目 錄第一章 前 言11.1 研究背景11.2 研究意義11.3 國內(nèi)外發(fā)展

14、狀況21.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容4第二章 應(yīng)用軟件的介紹62.1 MATLAB 簡(jiǎn)介62.2 運(yùn)行環(huán)境72.3 開發(fā)環(huán)境7第三章 數(shù)字濾波器83.1 濾波的基本概念83.2 數(shù)字濾波器的工作原理83.3 數(shù)字濾波器的分類93.4 FIR濾波器的結(jié)構(gòu)93.4.1 直接型結(jié)構(gòu)93.4.2 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)103.4.3 頻率采樣型結(jié)構(gòu)103.5 IIR濾波器的結(jié)構(gòu)113.5.1 直接型結(jié)構(gòu)113.5.2 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)133.6 巴特沃斯濾波器14第四章 語音濾波器設(shè)計(jì)154.1 設(shè)計(jì)流程圖154.2 程序演示164.2.1 語音信號(hào)的提取164.2.2 語音信號(hào)的調(diào)整194.2.3 語音信號(hào)的振幅調(diào)整20

15、4.2.4 語音信號(hào)的加噪聲及分析224.2.5 語音信號(hào)的濾波254.2.6語音信號(hào)的輸出25第五章 結(jié)論與展望295.1 總結(jié)295.2 展望29參 考 文 獻(xiàn)30致 謝32附 錄133附 錄241聲 明42第一章 前 言1.1 研究背景目前很多方面都需要用到濾波處理，用MATLAB運(yùn)行濾波器缺點(diǎn)是速度比較慢,但不要添加硬件設(shè)備,比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用1,針對(duì)不同的場(chǎng)合及使用方向，選擇不同的濾波器。MATLAB是應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法,與C語言的程序設(shè)計(jì)相比較,利用MATLAB可節(jié)省大量的編程時(shí)間,將其用于數(shù)字濾波器的編程,提高了編程效率。利用MATLAB的窗函數(shù)可以快速有效地設(shè)計(jì)各種F

16、IR數(shù)字濾波器,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便。采用MATLAB,可以根據(jù)要求和所設(shè)計(jì)的濾波器的特性,隨意調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),最終達(dá)到濾波器的最優(yōu)設(shè)計(jì)2。數(shù)字濾波器(digital filter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種裝置3,在通信、圖像、語音、雷達(dá)等許多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。MATLAB是第四代計(jì)算機(jī)語言,是目前公認(rèn)的國際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具。強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能是MATLAB在濾波器設(shè)計(jì)更方便快捷4。采用現(xiàn)有軟件生產(chǎn)商提供的軟件工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是最可行的，即引入了大型工程設(shè)計(jì)仿真軟件MATLAB(矩陣實(shí)驗(yàn)室)，可以滿足現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要5。按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶

17、阻濾波器四種,根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征,可將數(shù)字濾波器分為長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR)濾波器兩種3,4。由于MATLAB具有強(qiáng)大運(yùn)算功能,所以MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)法可以快速有效的設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)的上述數(shù)字濾波器,其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)方便、快捷,極大的減輕了工作量6,7。1.2 研究意義利用研制可用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的軟件系統(tǒng)，用直觀的形式把結(jié)果顯示出來8。序列的基本計(jì)算、基本信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、傅里葉變換、FIR及IIR濾波器的設(shè)計(jì)9。在測(cè)量高速電氣化鐵道鋼軌電位時(shí)，為濾除數(shù)據(jù)采集裝置中接觸網(wǎng)與受電弓系統(tǒng)耦合作用產(chǎn)生的高頻電磁干擾而造成的噪音，同時(shí)為消除供電系統(tǒng)

18、產(chǎn)生的靜電干擾與磁干擾引起的附加噪音，需要采取有效的濾波措施。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件中采用了基于MATLAB的低通IIR濾波器，有效濾除上述干擾造成的噪音現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證實(shí)該濾波器能滿足測(cè)量要求，為數(shù)字濾波器工程化應(yīng)用提供了有益經(jīng)驗(yàn)10。采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電機(jī)的控制時(shí)，為了得到理想的控制效果，需要對(duì)被控信號(hào)先進(jìn)行濾波處理，針對(duì)電動(dòng)汽車充電機(jī)系統(tǒng)中直流信號(hào)可能存在有交流分量和交流信號(hào)可能存在有諧波分量的情況，采用數(shù)字濾波器對(duì)被控信號(hào)進(jìn)行處理。針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中繁瑣的理論計(jì)算，以MATLAB為輔助條件對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并針對(duì)不同的被控信號(hào)分別進(jìn)行了IIR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器的

19、設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了對(duì)比分析，為了提高處理速度，建議在電動(dòng)汽車充電機(jī)數(shù)字濾波中采用工FIR數(shù)字濾波器11。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即無限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器12。IIR濾波器比一定能保證其穩(wěn)定性，并且也不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的線性相應(yīng)13 。但是它不僅能利用以前所積累的模擬濾波器的經(jīng)驗(yàn)，而且用低階濾波器也可以得到優(yōu)良的幅頻特性11。IIR數(shù)字濾波器可用較少的階數(shù)達(dá)到所要求的幅度特性,且實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的運(yùn)算次數(shù)及存儲(chǔ)單元都很少，十分適合對(duì)于相位特性沒有嚴(yán)格要求的場(chǎng)有合,如果對(duì)相位特性要求這時(shí)選用FIR濾波器較好14。FIR濾波器具有以

20、下的優(yōu)點(diǎn):可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確、嚴(yán)格的線性相位；由于FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)是有限長(zhǎng)序列，因此FIR濾波器沒有不穩(wěn)定的問題；由于FIR濾波器一般為非遞歸結(jié)構(gòu)，因此在采用MATLAB設(shè)計(jì)時(shí)候采用有限精度的計(jì)算，來避免出現(xiàn)遞歸結(jié)構(gòu)中極性震蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象15。FIR濾波器的缺點(diǎn)在于:信號(hào)的延遲偏大?？紤]到用高性能的DSP，由于其處理速度快，此缺點(diǎn)是可以避免的，用定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)濾波器械要考慮DSP的定標(biāo)、誤差、循環(huán)尋址等幾個(gè)關(guān)鍵問題16。1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處

21、理的各種應(yīng)用中發(fā)揮著十分重要的作用，它是通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的17。1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和廉價(jià)方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新

22、型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐。海馬橋車有限公司楊亮針對(duì)電動(dòng)汽車充電機(jī)系統(tǒng)，對(duì)被控信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字濾波處理，根據(jù)被控信號(hào)的不同，以MATLAB為輔助條件，分別進(jìn)行了1IR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，建議在電動(dòng)汽車充電機(jī)系統(tǒng)中采用IIR數(shù)字濾波器對(duì)被控信號(hào)進(jìn)行處理，這有利于提高控制器對(duì)被控信號(hào)的處理速度18。南

23、京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院陳明忠利用MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鋼軌電位測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字濾波19。研究表明，機(jī)車受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電磁干擾和大電流入地系統(tǒng)的靜電干擾對(duì)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，往往導(dǎo)致儀器設(shè)備不能正常工作，或出現(xiàn)較大誤差。除在硬件上需要設(shè)計(jì)防干擾的各種措施外，在軟件上采用數(shù)字濾波器消除干擾也是非常重要的有效方法。利用MATLAB提供的數(shù)字濾波器分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的濾波要求和條件，正確選擇濾波器參數(shù)，則可方便快捷的設(shè)計(jì)出所需要的濾波器。在高速電氣化鐵路或有強(qiáng)電磁干擾的工業(yè)測(cè)量控制現(xiàn)場(chǎng)，基于MATLAB的數(shù)字濾波器，將會(huì)發(fā)揮更有效的作用。蘇州大學(xué)王蔚在圖

24、像壓縮、圖像去噪等方面的應(yīng)用研究，應(yīng)用MATLAB對(duì)原圖增加對(duì)比度增加亮度，得出的圖像效果有了一定的改善20。又對(duì)圖像進(jìn)行加噪以及去噪的圖像顯示均有明顯改善效果，得出結(jié)論MATLAB信號(hào)處理工具箱、圖像處理工具箱、小波等工具箱可以很好地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，為數(shù)字濾波、信號(hào)處理、圖像處理等方面的研究提供了有力的工具。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘金云研究地震勘測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器是利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)具有濾波處理功能的離散、時(shí)間線性，實(shí)際勘探中，采集站主要由前端的模擬濾波器、中間的過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器和后端的數(shù)字抽取濾波器組成21。研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)IR濾波器系統(tǒng)中不存在回路，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的，而且系統(tǒng)相位可控，

25、容易實(shí)現(xiàn)線性相位，但是設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜。對(duì)于以地震波形信息來判斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)的石油勘探，只有FIR濾波器才是合適的選擇。中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心饒知在濾波器在聲波測(cè)井儀方面做了相應(yīng)的研究22，交又偶極陣列聲波測(cè)井儀是目前主流的先進(jìn)聲波測(cè)井設(shè)備之一，但在測(cè)井過程中難免存在噪聲十?dāng)_，對(duì)測(cè)井質(zhì)量造成不利影響。在利用MATLAB對(duì)大量實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)噪聲的規(guī)律和特點(diǎn)，提出時(shí)域?yàn)V波和頻域?yàn)V波相結(jié)合的方案。時(shí)域上采取限幅平均濾波法，頻域上選擇具有線性相位的FIR濾波器。利用MATLAB濾波器設(shè)計(jì)與分析工具箱獲取濾波器系數(shù)，借助DSP軟件開發(fā)環(huán)境CCS，用匯編語言設(shè)計(jì)了基于DSP的井下

26、實(shí)時(shí)FIR數(shù)字濾波器?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)井試驗(yàn)表明，該濾波器對(duì)測(cè)井信號(hào)中存在的噪聲具有良好的抑制作用，同時(shí)滿足測(cè)井系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。合肥工業(yè)大學(xué)的趙春柳做了并聯(lián)型有源電力濾波器仿真研究23，首先對(duì)三相三線制系統(tǒng)傳統(tǒng)檢測(cè)負(fù)載電流諧波（含有諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)）和檢測(cè)直流側(cè)電壓（不含諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)）的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的討論，探討了兩者本質(zhì)聯(lián)系；給出了一種新型控制策略，其具有傳統(tǒng)檢測(cè)負(fù)載電流諧波控制策略的較好的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)又有檢測(cè)直流側(cè)電壓控制策略的簡(jiǎn)潔性。其次對(duì)三相四線制系統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電容中點(diǎn)式和四橋臂式的控制策略作了詳細(xì)的論述。最后討論了并聯(lián)型有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)電流檢測(cè)時(shí)的抗混疊

27、技術(shù)、諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)的數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)、輸出濾波器的設(shè)計(jì)及對(duì)有源電力濾波器系統(tǒng)性能影響分析和濾波器啟動(dòng)時(shí)大過補(bǔ)償電流的產(chǎn)生原因及抑制措施等。天津大學(xué)王金星在分析抑制諧波常用方法的基礎(chǔ)上，利用瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行有源濾波器的仿真設(shè)計(jì)24。該方法可以實(shí)現(xiàn)快速的高次諧波檢測(cè)與濾波，并進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)用先進(jìn)的仿真軟件工具M(jìn)ATLAB中的電力系統(tǒng)仿工具箱對(duì)基于這種方法的有源濾波器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明基于瞬時(shí)無功功率理論設(shè)計(jì)的有源濾波器裝置能夠有效檢測(cè)出高次諧波分量，并可以消除諧波分量和進(jìn)行無功補(bǔ)償。1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文主要研究目的是在MATLAB的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)無限長(zhǎng)響應(yīng)FIR和有限長(zhǎng)

28、響應(yīng)IIR的語音濾波器，通過對(duì)FIR和IIR濾波器的原理研究，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述，確定濾波器的傳遞函數(shù)，對(duì)兩類濾波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹和了解，我主要針對(duì)Butterworth濾波器設(shè)計(jì)了低通、高通、帶通、帶阻的FIR和IIR八種濾波器，結(jié)合MATLAB設(shè)計(jì)語音數(shù)字濾波器，充分利用軟件的方便與實(shí)用性，再結(jié)合不同的參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)人機(jī)交互的過程，使輸入的語音信號(hào)能夠理想的輸出。第二章 應(yīng)用軟件的介紹2.1 MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB是美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和Simul

29、ink兩大部分。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、 繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域25。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多、并且Math work也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)

30、,，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用28 。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)， MATLAB 的用戶界面也越來越精致，更加

31、接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因26。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語

32、言，如C和C+27。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。 MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。2.2 運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行環(huán)境主要介紹了硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。 硬件環(huán)境： 1. 處理器：Inter Pentium 166 MX或更高2. 內(nèi)存：512MB或更高 3. 硬盤空間：40GB或

33、更高 4. 顯卡：SVGA顯示適配器 5. 操作系統(tǒng)：Window 98以上2.3 開發(fā)環(huán)境開發(fā)環(huán)境主要介紹了本系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境。其中操作系統(tǒng)為Windows 8.1，開發(fā)環(huán)境是MATLAB 2014a。第三章 數(shù)字濾波器3.1 濾波的基本概念濾波就是提取輸入信號(hào)中的有用頻率成分，抑制無用頻率成分的信號(hào)處理過程。所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)值運(yùn)算處理改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例，或者濾除某些頻率成分的數(shù)字器件或程序。正因?yàn)閿?shù)字濾波通過數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不存在阻抗匹配問題，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特

34、殊濾波功能。所謂數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，就是要找出滿足濾波要求的系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h(n)，或者系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。3.2 數(shù)字濾波器的工作原理數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形（或頻譜）進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。數(shù)字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于

35、單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高。但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性；對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高510倍，結(jié)果，成本較高，信號(hào)延時(shí)也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。整體來看，IIR濾波器達(dá)到同樣效果階數(shù)少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；F

36、IR濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大。3.3 數(shù)字濾波器的分類與模擬濾波器類似，數(shù)字濾波器按頻率特性劃分為低通、高通、帶通、帶阻、全通等類型，由于數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)是周期性的，周期為2。各種理想數(shù)字濾波器的幅度頻率響應(yīng)如圖3-1所示。按功能劃分經(jīng)典濾波器又可分為低通、高通、帶通、帶阻四種濾波器。圖3-1 四種濾波器的幅頻響應(yīng)3.4 FIR濾波器的結(jié)構(gòu)FIR濾波器的設(shè)計(jì)是建立在對(duì)期望濾波器頻率特性的某種近似基礎(chǔ)之上的。目前有許多方法可以設(shè)計(jì)FIR濾波器，比如窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、頻率取樣法等。其中，窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是濾波器設(shè)計(jì)的主要方法之一，由于運(yùn)算簡(jiǎn)便，物理意義直觀，已成為工程實(shí)際中應(yīng)用

37、最廣泛的方法，常見的窗函數(shù)有：矩形窗、三角形窗、布萊克曼窗、切比雪夫窗等。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)FIR濾波器主要有三種結(jié)構(gòu)。3.4.1 直接型結(jié)構(gòu)直接型結(jié)構(gòu)的FIR濾波器常被稱為橫向?yàn)V波器。結(jié)構(gòu)圖如圖3-2，傳函表達(dá)式： 公式（3-1）圖3-2 直接型結(jié)構(gòu)3.4.2 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)對(duì)H(z)進(jìn)行因式分解，表示為公式3-2，結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。 公式（3-2）圖3-3 H(z)的結(jié)構(gòu)將公式3-2再進(jìn)行z變換得到： 公式（3-3）是用直接型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的二階FIR濾波器，結(jié)構(gòu)圖如圖3-4。3.4.3 頻率采樣型結(jié)構(gòu)將公式3-2通過離散傅里葉變換得到等式: 公式（3-4）這種濾波器是以為系數(shù)，是將單位圓上的頻

38、率特性進(jìn)行N等分采樣得到，結(jié)構(gòu)圖如圖3-5。圖3-4 的結(jié)構(gòu)圖3-5 頻率采樣型結(jié)構(gòu)3.5 IIR濾波器的結(jié)構(gòu)3.5.1 直接型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的傳遞函數(shù)可以表示為 公式（3-5）直接型結(jié)構(gòu)分為直接I型和直接II型，結(jié)構(gòu)圖分別如圖3-6和圖3-7所示。圖3-6 直接I型圖3-7 直接II型3.5.2 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)對(duì)IIR濾波器的傳函進(jìn)行一因式分解，可得公式3-6，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-8。 公式（3-6）圖3-8 級(jí)聯(lián)型I型級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)也分為I型和II型，如圖3-9所示為II型。圖3-9 級(jí)聯(lián)型II型將IIR的傳函進(jìn)行因式分解，換一種寫法，可得公式3-7，結(jié)構(gòu)圖如圖3-10。 公式（3-7）圖3-10

39、并聯(lián)型結(jié)構(gòu)3.6 巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提出的。其特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，如圖3-11所示。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上，從某一邊界角頻率開始, 振幅隨著角頻率的增加而逐步減少，趨向負(fù)無窮大。 圖3-11 頻率響應(yīng)曲線第四章 語音濾波器設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)流程圖本文的設(shè)計(jì)流程圖如圖4-1所示，將MATLAB運(yùn)行，先導(dǎo)入語音信號(hào)，這時(shí)會(huì)有導(dǎo)入

40、的語音回放，并可點(diǎn)擊其他按鈕查看頻譜、幅頻、相頻等圖像。在原來采集的語音信號(hào)基礎(chǔ)上加一定的噪音，這時(shí)的聲音會(huì)有嗞嗞的響聲，在第二個(gè)界面可以輸入FIR或IIR的不同參數(shù)，進(jìn)行濾波處理，點(diǎn)擊輸出，原來的信號(hào)會(huì)有不同的效果。 圖4-1 設(shè)計(jì)流程圖4.2 程序演示4.2.1 語音信號(hào)的提取在MATLAB中使用wavread函數(shù)，可得出信號(hào)的采樣頻率為22500，并且聲音是單聲道的。利用Sound函數(shù)可以清晰的聽到已錄入的語音信號(hào)。點(diǎn)擊“采集”按鈕采集數(shù)據(jù)并畫出波形圖。其中聲音的采樣頻率fs=22050Hz，x為采樣數(shù)據(jù)，bits表示量化階數(shù)。部分程序如下：x,fs,bits=wavread(My_vo

41、ice); sound(x); axes(handles.axes1)plot(x);title(原始信號(hào)波形);guidata(hObject, handles); %更新結(jié)構(gòu)體運(yùn)行后語音信號(hào)處理系統(tǒng)的操作界面如圖4-2。 圖4-2 語音信號(hào)處理系統(tǒng)的采集信號(hào)界面然后點(diǎn)擊“頻譜”按鈕，得到采集得到的語音信號(hào)的頻譜圖如圖4-3：部分程序如下：x,fs,bits=wavread(My_voice); X=fft(x,4096);axes(handles.axes1)claplot(X); title(原始信號(hào)頻譜);圖4-3 原始信號(hào)頻譜圖點(diǎn)擊“幅頻”按鈕，便可得到語音的幅頻圖如圖4-4：x,f

42、s,bits=wavread(My_voice); X=fft(x,4096);magX=abs(X);angX=angle(X);axes(handles.axes1)claplot(magX);title(原始信號(hào)幅值);guidata(hObject, handles); %更新結(jié)構(gòu)體圖4-4 語音的幅頻圖點(diǎn)擊“相頻”按鈕，便可得到語音的相頻圖如圖4-5：其部分程序如下：x,fs,bits=wavread(My_voice); X=fft(x,4096);magX=abs(X);angX=angle(X);axes(handles.axes1)claplot(angX);title(原始

43、信號(hào)相位);guidata(hObject, handles); %更新結(jié)構(gòu)體圖4-5 語音的相頻圖如圖中提取的語音的波形圖所示，整段音頻數(shù)據(jù)中得聲音高低起伏與錄入的聲音信號(hào)基本一致，并且可以觀察到其中包含部分高頻噪聲。4.2.2 語音信號(hào)的調(diào)整在設(shè)計(jì)中，可以將語音信號(hào)的采樣頻率提高或降低，來實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的調(diào)整，得到理想的語音信號(hào)。例如將采樣頻率增加500Hz，即可得到語音信號(hào)頻率比原頻率高50Hz新的語音信號(hào)。在頻率調(diào)節(jié)編輯框中填寫500，即頻率增加500Hz，點(diǎn)擊“頻率調(diào)節(jié)”按鈕，得到如圖4-6的信號(hào)波形圖，并試聽調(diào)整后的效果。其部分程序如下：x,fs,bits=wavread(My_vo

44、ice);var1=str2num(get(handles.Fuzhi,string);fs1=str2num(get(handles.Pinlv,string);wavwrite(x,fs+fs1,bits,My_voice);x1,fs2,bits=wavread(My_voice);y1=var1*x1;axes(handles.axes1);plot(y1);title(頻率調(diào)整);%plot(x1(:,1);sound(y1,fs2,bits);圖4-6頻率調(diào)整后波形圖與原語音信號(hào)相比，經(jīng)過調(diào)整后的信號(hào)語速明顯變快，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)頻率增加功能。4.2.3 語音信號(hào)的振幅調(diào)整在設(shè)計(jì)中，可

45、以將語音信號(hào)的幅度進(jìn)行提高或降低操作，來實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的調(diào)整，得到聲音音量大小不同的語音信號(hào)，例如將原語音信號(hào)的幅度提高一倍，得到如圖4-7的信號(hào)波形圖，可以通過GUI操作界面的輸出功能試聽調(diào)整后的效果。其部分程序如下：x,fs,bits=wavread(My_voice);var1=str2num(get(handles.Fuzhi,string);fs1=str2num(get(handles.Pinlv,string);z1=var1*x;axes(handles.axes1);plot(z1); title(幅值調(diào)節(jié));sound(z1)guidata(hObject, handles)

46、; %更新結(jié)構(gòu)體圖4-7 幅度調(diào)整后波形圖此時(shí)聽到的調(diào)整后聲音聲調(diào)變高，但不是很明顯，可以將幅度的變化值設(shè)置的比較大，那樣的話就可以得到效果相當(dāng)明顯的語音信號(hào)了。4.2.4 語音信號(hào)的加噪聲及分析對(duì)原信號(hào)加噪聲再濾波，可以清楚地體現(xiàn)出濾波器對(duì)信號(hào)的濾波作用。加噪聲部分程序如下：點(diǎn)擊“加噪聲”按鈕，得到如圖4-8的信號(hào)波形圖，并試聽加噪聲后的效果。其部分程序如下：fs=22050; %語音信號(hào)采樣頻率為22050 x,fs,bits=wavread(My_voice); %讀取語音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量xy1=fft(x,1024); %對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)FFT變換f=fs*(0:511)/102

47、4;x1=rand(1,length(x); %產(chǎn)生一與x長(zhǎng)度一致的隨機(jī)信號(hào) x2=x1+x;sound(x2);axes(handles.axes1)plot(x2); %做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖形title(加高斯噪聲后語音信號(hào)時(shí)域圖)xlabel(time n);ylabel(fudu);guidata(hObject, handles); %更新結(jié)構(gòu)體點(diǎn)擊“頻譜顯示”按鈕，得到如圖4-9的信號(hào)頻譜圖。其部分程序如下：fs=22050; %語音信號(hào)采樣頻率為22050 x,fs,bits=wavread(My_voice); %讀取語音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量xy1=fft(x,1024);

48、%對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)FFT變換x1=rand(1,length(x); %產(chǎn)生一與x長(zhǎng)度一致的隨機(jī)信號(hào) x2=x1+x;y2=fft(x2,1024);axes(handles.axes1)plot(y2,r);title(原始語音信號(hào)頻譜);xlabel(Hz);ylabel(fudu);guidata(hObject, handles); %更新結(jié)構(gòu)體 圖4-8加噪聲后波形 圖4-9 加噪聲后頻譜倒譜分析是指信號(hào)短時(shí)振幅譜的對(duì)數(shù)進(jìn)行傅里葉反變換。它具有可近似地分離并提取出頻譜包絡(luò)信息和細(xì)微結(jié)構(gòu)信息的特點(diǎn)。對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在MATLAB中可以利用函數(shù)fft對(duì)信號(hào)行快速傅里葉變換，得到

49、信號(hào)的頻譜圖，并進(jìn)行倒譜分析，得到倒譜圖。點(diǎn)擊“倒頻譜顯示”按鈕，可以得到加噪聲后信號(hào)的倒頻譜顯示，如圖4-10。其部分程序如下：fs=22050; %語音信號(hào)采樣頻率為22050 x,fs,bits=wavread(My_voice); %讀取語音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量xy1=fft(x,1024); %對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)FFT變換x1=rand(1,length(x); %產(chǎn)生一與x長(zhǎng)度一致的隨機(jī)信號(hào) x2=x1+x;y2=fft(x2,1024);c=fft(log(abs(x2)+eps); %倒頻譜計(jì)算ms1=fs/1000;ms20=fs/50;q=(ms1:ms20)/fs; %確

50、定倒頻刻度axes(handles.axes1)plot(q,abs(c(ms1:ms20); %畫倒譜圖legend(倒譜圖);xlabel(倒頻（s）);ylabel(倒頻譜幅度（Hz）);圖4-10 倒譜圖顯示從上面的倒譜圖可以看出當(dāng)讀“主人，信息收到了”時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率大概在200Hz左右。這與人的語音信號(hào)頻率集中在200 Hz到4.5 kHz之間是相一致的。而在未發(fā)聲的時(shí)間段內(nèi)，相對(duì)的小高頻部分(200500Hz)應(yīng)該屬于背景噪聲。4.2.5 語音信號(hào)的濾波從圖4-7中發(fā)現(xiàn)，語音信號(hào)中包含背景噪聲，這些噪聲的頻率一般較高。所以可以利用MATLAB軟件中的濾波器進(jìn)行濾波處理，得到較為理

51、想的語音信號(hào)。本系統(tǒng)有Butterworth低通、高通、帶通、帶阻FIR和IIR各2種共8種濾波器，選擇所需濾波器，填入對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，即可得到所需濾波器。Butterworth低通、高通、帶通、帶阻的FIR濾波器部分程序如下：switch(v)case 1,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,low);H,W=freqz(num,den);case 2,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,high);H,W=freqz(

52、num,den);case 3,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,bandpass);H,W=freqz(num,den);case 4,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,stop);H,W=freqz(num,den);假設(shè)通帶截止頻率為2500，阻帶截止頻率為3500，通帶最大衰減1，阻帶最小衰

53、減30，數(shù)字抽樣頻率8000。點(diǎn)擊“Design”按鈕，可得符合需求的濾波器，低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器界面圖分別如圖4-11、圖4-12、圖4-13、圖4-14所示。4.2.6語音信號(hào)的輸出 圖4-11 FIR低通濾波器圖象顯示 圖4-12 FIR高通濾波器圖象顯示 圖4-13 FIR帶通濾波器圖象顯示 圖4-14 FIR帶阻濾波器圖象顯示濾波后的語音信號(hào)輸出界面如圖4-15所示。程序如下：switch(v)case 1,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,low);H,W=freqz

54、(num,den);y=filter(num,den,x);case 2,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,high);H,W=freqz(num,den);y=filter(num,den,x);case 3,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,bandpass);H,W=freqz(num,den);y=filter(num,den,x);case 4,W

55、p=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,stop);H,W=freqz(num,den);y=filter(num,den,x);case 5,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,low);H,W=freqs(num,den);y=filter(num,den,x);case 6,n,Wn=buttord(wp/(Fs/2),ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);nu

56、m,den=butter(n,Wn,high);H,W=freqs(num,den);y=filter(num,den,x);case 7,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=butter(n,Wn,bandpass);H,W=freqs(num,den);y=filter(num,den,x);case 8,Wp=wp(1),wp(2);Ws=ws(1),ws(2);n,Wn=buttord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs,z);num,den=bu

57、tter(n,Wn,stop);H,W=freqs(num,den);y=filter(num,den,x); 圖4-15 語音信號(hào)輸出界面顯示第五章 結(jié)論與展望5.1 總結(jié)本文對(duì)語音信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的介紹，采用濾波器圖像分析和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用濾波器進(jìn)行語音信號(hào)的基本處理的功能，經(jīng)過測(cè)試運(yùn)行，本設(shè)計(jì)圓滿的完成了對(duì)語音信號(hào)的讀取與打開；較好的完成了對(duì)語音信號(hào)的頻譜分析，通過fft變換，得出了語音信號(hào)的頻譜圖；在濾波這一塊，課題主要是從數(shù)字濾波器入手來設(shè)計(jì)濾波器，分別從兩大模塊設(shè)計(jì)了FIR和IIR各種類型的濾波器，基本實(shí)現(xiàn)了濾波，完成了各種濾波器的濾波效果比較，與課題的要求十分相符。

58、綜上，本設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 操作界面簡(jiǎn)練。在進(jìn)行語音信號(hào)處理的操作界面中，菜單按鍵明了，每個(gè)功能只對(duì)應(yīng)一個(gè)按鍵，省去了大型軟件的操作復(fù)雜步驟。2) 處理速度較快。由于整個(gè)操作過程存在多個(gè)分步驟，并且每個(gè)步驟的聯(lián)系不是很緊密，所以每個(gè)步驟中的運(yùn)行速度很快。3) 占用內(nèi)存空間比較小。整個(gè)程序僅占用數(shù)十KB的物理空間，省去了軟件的安裝麻煩。5.2 展望濾波器在世界上的使用率越來越高，各個(gè)方面都可以利用濾波器來進(jìn)行分析處理，充分利用性價(jià)比較高的MATLAB可以節(jié)省很多時(shí)間。然而本文設(shè)計(jì)還存在許多可以改進(jìn)的地方，主要有以下幾個(gè)方面：1) 本程序僅能進(jìn)行一般應(yīng)用條件下的語音信號(hào)處理，功能比較單一，不

59、能進(jìn)行復(fù)雜的語音信號(hào)處理。2) 由于系統(tǒng)定位于一般條件下的語音信號(hào)處理，計(jì)算精度比較低，不能進(jìn)行精度較高的語音信號(hào)處理。3) 該程序由于編寫簡(jiǎn)單，操作界面較小，對(duì)較大物理內(nèi)存的語音信號(hào)文件不能進(jìn)行處理。期待以后能夠?qū)ξ以O(shè)計(jì)的這個(gè)濾波器有更大的改進(jìn)。參 考 文 獻(xiàn)1 廖頑,劉良福,肖士斌. 基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)J.贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006（06）：01.2 方勇.數(shù)字信號(hào)處理原理與實(shí)踐.北京:清華大學(xué)出版社,2005.3 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程M.北京清華大學(xué)出版社,1995. 4 Chi-Tsongchen.數(shù)字信號(hào)處理頻譜計(jì)算與濾波器設(shè)計(jì)M.電子工業(yè)出版社,2002.5 IEEE Transactions on Signal Processing2006，54(10)：40154025.6 Ingle VK,Proakis JG.數(shù)字信號(hào)處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)M.北京電子工業(yè)出版社 ,1998.7 梁虹,梁潔,陳躍斌.信號(hào)與系統(tǒng)分析及MATLAB實(shí)現(xiàn)M.北京電子工業(yè)出版社,2002.8 A.G YarovoM L.E Ligthan,J.Ma