【正文】 不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。 他們 多次為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵。老師多次詢問進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵。 35 致 謝 感謝南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院給我這次鍛煉的機(jī)會。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 圓滿的完成了對 加噪聲 語音信號的讀取與打開，與課題的要求十分相符 ； 也較好的完成了對 原始 語音信號 和加噪聲后的語音 信號 的頻譜分析，通過 fft 變換，得出了語音信號的頻譜圖；在濾波這 一部分 ，課題主要是從巴特沃斯濾波器入手來設(shè)計(jì)濾波器 等入手，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的濾波效果； 完成了界面的設(shè)計(jì)，但也存在 許多 的不足，只是很勉強(qiáng)的達(dá)到了打開語音文件、顯示已定濾波前后的波形圖 ，界面沒有用到其它的一些控件，如列表框、下拉菜單等等， GUI 的界面設(shè)計(jì)功能沒能得到充分的發(fā)揮。 33 圖 512 FIG文件界面 本章小結(jié) 本章介紹了 GUI 界面的簡單設(shè)置，按 鈕的設(shè)置，編程等都充分得到了體現(xiàn) 34 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)通過 選擇一個語音信號作為分析的對象，對其進(jìn)行頻譜分析；利用MATLAB 中的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿被噪聲干擾的語音信號，并對其進(jìn)行頻譜分析；運(yùn)用數(shù)字信號處理理論設(shè)計(jì) FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器， 并對被噪聲污染的語音信號進(jìn)行濾波，分析濾波后信號的時域和頻域特征，回放語音信號。 編寫 M 文件 編 置好各控件以后，我們就可以來為這些控件編寫程序 （ Mfile）， 29 圖 58 原始語音播放 ： function varargout=OriVoiPlayButton_Callback(hObject, eventdata, handles) 30 圖 59 FIR低通 ： function FIRLowPassButton_Callback(hObject, eventdata, handles) 31 圖 510 退出 ： function varargout=ExitButton_Callback(hObject, eventdata, handles) close(gcf) 32 圖 511雙線性變換法低通濾波器 ： function DDesignLowPassButton_Callback(hObject, eventdata, handles) 最后，使用說明。 25 圖 51 GUI 創(chuàng)建界面 選擇 Blank GUI(Default)。第一步：通過設(shè)置 GUIDE 應(yīng)用程序的選項(xiàng)來運(yùn)行 GUIDE；第二步：使用界面設(shè)計(jì)編輯器進(jìn)行面設(shè)計(jì)；第三步：編寫控件行為響應(yīng)控制（即回調(diào)函數(shù)）代碼。 M文件包括 GUI 設(shè)計(jì)、控件函數(shù)以及定義為子函數(shù)的用戶控件回調(diào)函數(shù)，主要用于控制 GUI 展開時的各種特征。 FIG 文件：包括 GUI 圖形窗口 及其所有后裔的完全描述，包括所有對象屬性的屬性值。 GUIDE 主要是一個界面設(shè)計(jì)工具集， MAYLAB 將所有 GUI 支持度控件都集成在這個環(huán)境中，并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法。用戶通過一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。 對原始語音信號具體程序及運(yùn)行結(jié)果如 附錄（ II） 比較濾波前后語音信號的波形及頻譜 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了怎樣通過自己設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行濾波。 比較后可得 。其調(diào)用格式： sound(y,Fs)， sound(y)和 sound(y,Fs,bits)。 grid。 title(?濾波后的信號波形 ?,?fontweight?,?bold?)。 subplot(2,2,4)。 axis([95000 100000 1 1])。 plot(s)。 grid。 title(?濾波后信號的頻譜 ?,?fontweight?,?bold?)。 subplot(2,2,2)。 axis([ 0 150000 0 4000])。 plot(abs(S),?g?)。 %求濾波后的信號 figure。 sound(z11)。 %求 S 域的頻率響應(yīng)的參數(shù) [num11,den11]=bilinear(b11,a11,)。 [n11,wn11]=buttord(wp,ws,1,50,?s?)。 wp=2*pi*Fp/Ft。 Fp=1000。 %語音信號加入噪聲 S=fft(s)。 %求出語音信號的長度 Noise=*randn(n,2)。下面我們以 IIR 低通為例： [y,fs,nbits]=wavread (‘ OriSound’ )。其中 xn 是輸入信號向量， yn 輸出信號向量。其中， h 是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)向量； x 是輸入序列向量； y 是系統(tǒng)的輸出序列向量； M 是有用戶選擇的輸入序列的分段長度，缺省時，默認(rèn)的輸入向量的重長度 M=512。 函數(shù) fftfilt 用的是重疊相加法實(shí)現(xiàn)線性卷積的計(jì)算。 0 500 1000 15000200400600濾波前信號的頻譜0 500 1000 15000200400600濾波后信號的頻譜0 500 1000 15001012濾波前信號的波形0 500 1000 15001012濾波后的信號波形 圖 41 驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器 由所得結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的濾波器符合要求。)。,39。,39。 title(39。 subplot(2,2,4)。)。,39。,39。 title(39。 subplot(2,2,3)。)。,39。,39。 title(39。r39。 subplot(2,2,2)。)。,39。,39。 title(39。g39。 20 subplot(2,2,1)。 m11=fft(z11)。 %利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng) S 域到 Z 域的變換 z11=filter(num11,den11,s)。)。 %求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率 [b11,a11]=butter(n11,wn11,39。s39。 ws=2*pi*Fs/Ft。 Fs=1200。 Ft=8000。bold39。fontweight39。加噪語音信號的頻域波形 39。 plot(abs(S))。 S=fft(y)。bold39。fontweight39。加噪語音信號的時域波形 39。 plot(y)。 y=s+*rand(1,N)。 s=sin(2*pi*t)。 19 4 進(jìn)行濾波，比較濾波前后語音信號的波形及頻譜 驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器 為了驗(yàn)證濾波器的可使用性，我們用常用的 sin 函數(shù)來進(jìn)行驗(yàn)證。 18 程序結(jié)果如下圖： 0 500 1000 1500 2021 2500 3000 3500 400000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 4IIR 低通濾波器 圖 31 IIR 低通濾波器 IIR 高通要用 cheby1（即切比雪夫 I 型濾波器）函數(shù)來設(shè)計(jì)， 1p2hp[其中 p；pose（模型）， h（ high） ],同理， 1p2bp 中 b 表示 band（帶通）， FIR 與此類似。 legend(?IIR 低通濾波器 ?,?Location?,?NorthWest?)。 figure。 [num11,den11]=bilinear(b11,a11,)。 [n11,wn11]=buttord(wp,ws,1,50,?s?)。 fp=2*Ft*tan(wp/2)。 wp=2*pi*Fp/Ft。 Fp=1000。我們用到的是 cheeby1 函數(shù)，其調(diào)用格式如下： [B,A]=cheby1(N,Rp,wpo,?ftypr?) 函數(shù) butter,cheby1 和 ellip 設(shè)計(jì) IIR 濾波器時都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可。 MATLAB 信號處理工具箱函數(shù) buttp buttor butter 是巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，其 有 5 種調(diào)用格式，本課程設(shè)計(jì)中用到的是 [N,wc]=butter(N,wc,Rp,As,?s?),該格式用于計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù) N 和 3dB 截止頻率 wc。如果缺省 window 參數(shù)，則 fir1 默認(rèn)為哈明窗。 接下來，我們根據(jù)語音信號的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)： ①低通濾波器的性能指標(biāo)： fp=1000Hz， fc=1200Hz， As=100db ,Ap=1dB ②高通濾波器的性能指標(biāo)： fp=3500Hz， fc=4000Hz， As=100dB， Ap=1dB； ③帶通濾波器的性能指標(biāo)： fp1=1200Hz， fp2=3000hZ， fc1=1000Hz， fc2=3200Hz， As=100dB， Ap=1dB 在 Matlab 中 ，可以利用函數(shù) fir1 設(shè)計(jì) FIR 濾波器，利用函數(shù) butter,cheby1 和 17 ellip 設(shè)計(jì) IIR 濾波器，利用 Matlab 中的函數(shù) freqz 畫出各步步器的頻率響應(yīng)。 （ 3）按照模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)及過 渡模擬低通濾波器。 下面我們總結(jié)一下利用模擬濾波器設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字低通濾波器的步驟： （ 1）確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率、通帶最大衰減，阻帶截止頻率、阻帶最小衰減。 我們知道，脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點(diǎn)是會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻響偏離模擬濾波器的頻響特性。 （ 5）通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型 的過渡模擬濾波器。 （ 2）將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為Ω =2/T tan( )（式 32） (3)將相應(yīng)類型的模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標(biāo)?？梢越柚谀M濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)一個所需類型的過渡模擬濾波器，再經(jīng)過雙線性變換 16 將其轉(zhuǎn)換策劃那個所需的數(shù)字濾波器。 若設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器是低通的，那么上述設(shè)計(jì)工作可以結(jié)束，若所設(shè)計(jì)的是高通，帶通或帶阻濾波器，那么還有步驟 ④ ； ④ 將高通、帶通、或帶阻數(shù)字 l 不去的技術(shù)指標(biāo)先轉(zhuǎn)化為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后按照上述步驟 ② 設(shè)計(jì)出低通 ??Gs，再將 ??Gs轉(zhuǎn)換為所需的 H(z)。模擬濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一套相當(dāng)成熟的方法，它不但有完整的設(shè)計(jì)公式，而且還有較為完整的圖表供查詢，因此，充分利用這些已有的資源將會給數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)帶來很大方便。 設(shè)計(jì) IIR 濾波器 無論是數(shù)字濾波器還是模擬濾波器，他們技術(shù)指標(biāo)的建立都是以所謂的“固有衰減”參數(shù)為參照。 （ 3）計(jì)算 h(n).。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。如下： 15 （ 1）根據(jù)對阻帶衰減及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)類型（矩形窗 、三角窗、漢寧窗、哈明窗、凱塞窗等），并估計(jì)窗口長度 N。 設(shè)計(jì) FIR 濾波器 如前所述， IIR 濾波器和 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)方法有很大的區(qū)別。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻 電感 電容電路 (RLC circuit)。此外高通濾波器常常和 低通濾波器 成對出現(xiàn)，不論哪一種，都是為了把一定的聲音頻率送到應(yīng)該去的單元。 在電力系統(tǒng)中， 諧波 補(bǔ)償時用高通濾波器濾除某次及其以上的各次諧波。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)（ moving average)所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器 , 或高音消除濾波器。對于線性相位濾波器，經(jīng)常采用 FIR 濾波器。其設(shè)計(jì)步驟是：先設(shè)計(jì)過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù) H（ s），然后將 H（ s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z)。 但 IIR 濾波器和 FIR 濾波器的設(shè)計(jì) 方法完全不同。根據(jù)不同的要求可以用 IIR 系統(tǒng)函數(shù)，也可以用 FIR 系統(tǒng)函數(shù)去逼近。 （ 4） 一 定是穩(wěn)定的（ stable）：因?yàn)?Z 轉(zhuǎn)換（ Z transform）后所有的極點(diǎn)（ pole）都在單位圓內(nèi) FIR 數(shù)字濾波器和 IIR 數(shù)字濾波器比較 不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個步驟： (1) 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。