语音信号处理中的滤波器

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1、一.设计任务对采集到的数字语音信号，分别进行FIR和IIR设计，分析语音信号通过两种滤波器的输出的差别，结合仿真结果，给出结论。方案设计：1）录制一段自己的语音信号，并对录制的信号进行采样（注意设置采样频率）；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；根据如下指标设计FIR滤波器。低通fp=1000Hz,fs=1200Hz，αp=1dB,αs=30dB；高通fs=4800Hz,fp=5000Hz，αp=3dB,αs=15dB；带通,通带范围1200~3000Hz,阻带下截止频率1000Hz,阻带上截止频率3200Hz,通带最大衰减3dB,阻带内最小

2、衰减18dB。将采集的语音信号经过设计得到的低通，高通，带通进行滤波，画出滤波后的信号时域波形和频谱，并对滤波前后信号进行对比，分析信号变化；回放滤波后的语音信号，感觉滤波前后声音变化。2）按照上述低通的指标，使用脉冲响应不变法和双线性变换法来设计IIR滤波器，重复处理过程；说明书：设计报告内容要求包括：语音信号的产生、信号的时域频域分析；滤波器设计过程、滤波器频域特征分析；语音信号经过不同滤波器的输出的变化，包括在频域和听觉上的差异，并分析；语音信号通过FIR和IIR的不同变化，以及产生不同变化的原因。一.设计方案2.1语音信号的产生以及其时

3、域与频域的分析为了将原始模拟语音信号变为数字信号，必须经过采样和量化两个步骤，从而得到时间和幅度上均为离散的数字语音信号。取样是将时间上连续的语音信号离散化为一个样本序列。根据取样定理，当取样频率大于信号的两倍带宽时取样过程不会丢失信息，且从取样信号中可以精确地重构原始信号波形。经过预滤波和采样后，由A/D变换器变换为二进制数字码。这种防混叠滤波通常与模数转换器做在一个集成块内，因此目前来说，语音信号的数字化的质量还是有保证的。市面上购买到的普通声卡在这方面做的都很好，语音声波通过话筒输入到声卡后直接获得的是经过防混叠滤波、A/D变换、量化处理

4、的离散的数字语音信号。实际工作中，我们可以通过很多种方式录制语音信号，如手机、电脑、MP3、录音笔等。然后通过转换工具将音频格式转换为MATLAB可以识别的音频文件格式。本设计中我们利用windows自带的录音机录制语音文件，生成.wav文件。先用电脑自带的录音机录制自己的一段语音，保存在MATLAB软件的工作目录下，命名为“录音.wav”然后经过MATLAB软件绘制出其时域波形图和频谱图。（此次设计中我们设定采样频率为12000Hz,此处选用12000是为了能完全覆盖到后续滤波器高通的fp=5000Hz,录音时间设置为5s，总的采样点数为60

5、000）语音信号的时域分析：语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数。进行语音分析时最先接触到并且也是最直观的是它的时域波形。语音信号本身就是时域信号，因而时域分析是最早使用，也是应用最广泛的一种分析方法，这种方法直接利用语音信号的时域波形。时域分析通常用于最基本的参数分析及应用，如语音的分割、预处理、大分类等。这种分析方法的特点是①表示语音信号比较直观、物理意义明确。②实现起来比较简单、运算量少。③可以得到语音的一些重要的参数。④只使用示波器等通用设备，使用较为简单等。下图为随机录制的一段音频信号的时域波形，横轴代表时间，纵轴为声

6、音幅度。语音信号的频域分析：语音信号的频域分析就是分析语音信号的频域持征。从广义上讲，语音信号的频域分析包括语音信号的频谱、功率谱、倒频谱、频谱包络分析等，而常用的频域分析方法有带通滤波器组法、傅里叶变换法、线件预测法等几种。本设计是语音信号的傅里叶分析法。下图为录音音频的幅频波形，横轴代表频率，纵轴代表幅度。在获取语音信号时，主要调用了analoginput等一系列函数，设置了采样频率，得到“录音.wav”文件。之后调用wavread获取了音频文件的参数信息并用wavplay播放，为后续处理做铺垫。在输出时域与频域波形时，用plot函数，频域

7、上使用了shiftfft，fft，以及abs等函数（快速傅里叶变换，傅里叶变换，取绝对值的运算）。2.2滤波器的设计首先设计了符合参数要求的FIR低通，高通，带通滤波器。本设计中均采用了窗函数法，使用了自适应特性的kaiser窗来进行处理。三幅图分别对应kaiser窗函数法设计的FIR低通，高通，带通滤波器的设计图形。设计当中要注意参数的对应，模拟到数字的转换，过渡带宽与截止频率。同时要注意kaiser窗的参数与设计要求的匹配问题，也就是kaiser窗的阶数的设计。之后，又分别采用脉冲响应不变法与双线性变换法设计了符合参数要求的巴特沃兹低通滤波

8、器。脉冲响应不变法调用了impinvar函数，将模拟转换为数字，而双线性变换法使用了bilinear函数，同时要考虑到预畸变。关于巴特沃兹滤波器的设计