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语音信号处理设计报告 语音信号处理系统的设计报告(Hebei University of Technology) 信号与系统课程设计 课题六：语音信号分析系统 班级: 电子091 姓名： 学号： 成绩： 指导教师： 日期： 2012/1/1 语音信号处理系统的设计报告 【摘要】本设计使用了已有的’de1’的录音，在matlab平台上对其进行时域分析和频域分析。对该语音信号加入了余弦噪声和白噪声，并对加噪语音信号进行时域分析和频域分析，以确定加噪信号的频率分布情况，从而确定滤波器的相关参数。进一步用双线性变换法设计了一个巴特沃思低通滤波器，然后对加噪的语音信号进行滤波处理。比较滤波前后的语音信号的时域和频域特性，回放加噪语音信号和去噪语音信号，从而分析滤波性能。并在此基础上，设计GUI图形用户界面，更加方便人际交互。 【关键词】 Matlab，频域特性，滤波，GUI 一、 课程设计的目的、意义 本设计课题主要研究语音信号初步分析的软件实现方法、滤波器的设计及应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的： 1．了解Matlab软件的特点和使用方法。 2．掌握利用Matlab分析信号和系统的时域、频域特性的方法； 3．掌握数字滤波器的设计方法及应用。 4．了解语音信号的特性及分析方法。 5．通过本课题的设计，培养运用所学知识分析和解决实际问题的能力。 二、设计任务及技术指标 设计任务 设计一个简单的语音信号分析系统，实现对语音信号时域波形显示、进行频谱分析，利用滤波器滤除噪声、对语音信号的参数进行提取分析等功能。采用Matlab设计语言信号分析相关程序，并且利用GUI设计图形用户界面。具体任务是： 1．采集语音信号。 2．对原始语音信号加入干扰噪声，对原始语音信号及带噪语音信号进行时频域分析。 3．针对语音信号频谱及噪声频率，设计合适的数字滤波器滤除噪声。 4．对噪声滤除前后的语音进行时频域分析。 5. 对语音信号进行重采样，回放并与原始信号进行比较。 6．对语音信号部分时域参数进行提取。 7．设计图形用户界面（包含以上功能）。 其技术指标主要为滤波器的相关参数： ① Wp：通带边界频率； ② Ws：阻带截止频率； ③ AP：通带内允许最大衰减； ④ AS：阻带内允许最小衰减； 三：设计方案论证 本系统设计主要可分为五个部分： ? 语音信号的时频域分析 ? 加噪语音信号的时频域分析 ? 滤波器的设计及相关技术指标的确定 ? 加噪语音信号的滤波处理及滤波特性的分析 ? 图形用户界面的设计 系统功能实现之关键在于滤波器的设计及相关技术指标的确定。根据加噪语音信号的频率响应可分析出有用信号的频率集中范围与噪声信号的频率集中范围，从而确定通带和阻带的大致范围，在通带范围内使滤波器的幅频响应接近于‘1’，在阻带范围内使滤波器的幅频响应接近于‘0’，进而实现滤波器的滤波功能。本系统采用巴特沃思滤波器，下面是巴特沃思滤波器原理 巴特沃思滤波器原理 巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性：在小于截止频率?c的范围内，具有最平幅度的响应，而在???c后，幅频响应迅速下降。 巴特沃思低通滤波器幅度平方函数为： Ha(j?)?21 2N1?()?c 式中N为滤波器阶数，?c为3dB截止角频率。将幅度平方函数写成 s的函数： Ha(s)Ha(?s)?1 2N1?()j?c 该幅度平方函数有2N个等间隔分布在半径为?c的圆上的极点sk??ce12k?1j?(?)22N ，k?0,1,...2N?1 为了形成稳定的滤波器，取左半平面的N个极点构成Ha(s)，即： Ha(s)??N c?(s?s) k k?0N?1 为使设计统一，将频率归一化，得到归一化极点pk?e 应的归一化系统函数为： Ha(p)?12k?1j?(?)22N，相?(p?p) k k?0N?1 多项式形式为：Ha(p)?(b0?b1p?.. .?pN) 模拟滤波器数字化原理 将模拟滤波器转化为数字滤波器在工程上常用的有脉冲响应不变法和双 线性变换法。 脉冲响应不变法时一种时域上的转换方法，它是数字滤波器的单位取样响应在抽样点上等于模拟滤波器的单位冲激响应，即： h(n)?ha(nT) 设模拟滤波器只有单阶极点，其系统函数为： Ha(s)??i?1NAi s?si 对Ha(s)进行拉氏反变换得到ha(t)，对ha(t)进行等间隔抽样，得到 h(n)?ha(nT)，对h(n)进行Z变换，得到数字滤波器系统函数： H(z)??Ai siT?1zi?11?eN 这种方法s和z的关系是：z?esT。该方法的优点是频率坐标变换时线性的切数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好；缺点是会产生频谱混叠现象，适合低通、带通滤波器的设计，不适合高通、带阻滤波器的设计。 双