【正文】 要缺點(diǎn)是會(huì)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(guò)頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型的過(guò)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()(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)。可以借助于模擬濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)一個(gè)所需類型的過(guò)渡模擬濾波器，再經(jīng)過(guò)雙線性變換將其轉(zhuǎn)換策劃那個(gè)所需的數(shù)字濾波器。對(duì)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(guò)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)。程序結(jié)果如下圖：圖2 加噪后的波形及頻譜分析 設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器IIR濾波器和FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法完全不同。加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻域波形39。plot(abs(S))。S=fft(Si)。加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形39。plot(Si)。 %語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲 sound(Si)。 %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度Noise=*randn(n,2)。luyin1’)。在這里，我們選用Randn（m,n）函數(shù)。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們是利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜分析。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號(hào)中加入高斯白噪聲。程序結(jié)果如下圖： 圖1 原始信號(hào)波形及頻譜 語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，有兩個(gè)產(chǎn)生高斯白噪聲的兩個(gè)函數(shù) 。原始信號(hào)頻譜39。 plot(abs(Y))。)。 title(39。 %傅里葉變換 subplot(2,2,1)。 N=length(y)。pause。按任意鍵后回放:39。)。%文字提示wavwrite(y,fs,39。錄音結(jié)束\n39。)。%文字提示y=wavrecord(t*fs, fs,channel,39。錄音中...39。 pause。按任意鍵后開始 %d 秒錄音：39。t=5。%====方法2：可以用Matlab直接用函數(shù)進(jìn)行錄制，然后再進(jìn)行分析=======fs=8000。原始信號(hào)頻譜39。 plot(abs(Y))。)。 title(39。 %傅里葉變換 subplot(2,2,1)。% 回放語(yǔ)音信號(hào) N=length(y)。)。其程序如下：%========方法1:用Matlab直接讀取已經(jīng)錄好的音頻文件===========[y,fs,nbits]=wavread(39。（4）y=wavread（file，[N1,N2]）功能說(shuō)明：讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。（2）[y,fs,nbits]=wavread(file) 功能說(shuō)明：采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbits表示采樣位數(shù)。下面介紹Wavread 函數(shù)幾種調(diào)用格式。 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析利用MATLAB中的“wavread”命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。以文件名“l(fā)uyin”保存入D :\ MATLAB \ work 中。按下錄音按鈕,接著對(duì)話筒說(shuō)話“語(yǔ)音信號(hào)處理”,說(shuō)完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長(zhǎng)度。六、信號(hào)處理原理、分析和實(shí)現(xiàn) 語(yǔ)音信號(hào)的采集 利用PC 機(jī)上的聲卡和WINDOWS 操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。繼續(xù)上面的例子，N=1024時(shí)，總的運(yùn)算次數(shù)就變成了525312次，節(jié)省了大約50%的運(yùn)算量。當(dāng)N=1024點(diǎn)甚至更多的時(shí)候，需要N2=1048576次運(yùn)算，在FFT中，利用WN的周期性和對(duì)稱性，把一個(gè)N項(xiàng)序列（設(shè)N=2k,k為正整數(shù)），分為兩個(gè)N/2項(xiàng)的子序列，每個(gè)N/2點(diǎn)DFT變換需要（N/2）2次運(yùn)算，再用N次運(yùn)算把兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT變換組合成一個(gè)N點(diǎn)的DFT變換。采用這種算法能使計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少,特別是被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多,FFT算法計(jì)算量的節(jié)省就越顯著。利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以快速有效地設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，大大地簡(jiǎn)化了計(jì)算量。平時(shí)所要設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，階數(shù)和類型并不一定是完全給定的，很多時(shí)候要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷地調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。設(shè)計(jì)完成后對(duì)已設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)要進(jìn)行校核。在對(duì)濾波器實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)過(guò)程的運(yùn)算量是很大的。FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列。IIR數(shù)字濾波器具有無(wú)限寬的沖激響應(yīng)，與模擬濾波器相匹配，所以IIR濾波器的設(shè)計(jì)可以采取在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步變換的方法。四、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理數(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(guò)程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。語(yǔ)音信號(hào)處理與分析語(yǔ)音信號(hào)處理與分析專 業(yè)： 通信工程 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 一、實(shí)驗(yàn)類型 綜合研究性實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握采樣定理及FFT譜分析的基本原理及其利用Matlab的實(shí)現(xiàn)方法；2. 掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理和方法；3. 學(xué)習(xí)用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)字濾波系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)要求1. 利用Windows下的錄音機(jī)設(shè)備采集語(yǔ)音信號(hào)；2. 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣并混進(jìn)加性噪聲，作頻譜分析；3. 通過(guò)頻譜分析選擇合適的濾波器性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波器，并對(duì)含噪音的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波；4. 設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面（GUI），在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的參數(shù)，顯示濾波器的頻率響應(yīng)，選擇信號(hào)等。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(wú)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。其設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)典設(shè)計(jì)法、直接設(shè)計(jì)法和最大平滑濾波器設(shè)計(jì)法。它的設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。設(shè)計(jì)階數(shù)較高的IIR濾波器時(shí)，計(jì)算量更大，設(shè)計(jì)過(guò)程中改變參數(shù)或?yàn)V波器類型時(shí)都要重新計(jì)算。要得到幅頻、相頻響應(yīng)特性，運(yùn)算量也是很大的。在這種情況下，濾波器設(shè)計(jì)就要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，單純的靠公式計(jì)算和編制簡(jiǎn)單的程序很難在短時(shí)間內(nèi)完成。五、傅里葉變換計(jì)算離散傅里葉變換的一種快速算法,簡(jiǎn)稱FFT。設(shè)X（n）為N項(xiàng)的復(fù)數(shù)序列，由DFT變換，任一X（m）的計(jì)算都需要N次復(fù)數(shù)乘法和N1次復(fù)數(shù)加法，而一次復(fù)數(shù)乘法等于四次實(shí)數(shù)乘法和兩次實(shí)數(shù)加法，一次復(fù)數(shù)加法等于兩次實(shí)數(shù)加法，即使把一次復(fù)數(shù)乘法和一次復(fù)數(shù)加法定義成一次“運(yùn)算”（四次實(shí)數(shù)乘法和四次實(shí)數(shù)加法），那么求出N項(xiàng)復(fù)數(shù)序列的X（m）,即N點(diǎn)DFT變換大約就需要N^2次運(yùn)算。這樣變換以后，總的運(yùn)算次數(shù)就變成N+2（N/2）2=N+N2/2。而如果我們將這種“一分為二”的思想不斷進(jìn)行下去，直到分成兩兩一組的DFT運(yùn)算單元，那么N點(diǎn)的DFT變換就只需要Nlog2N次的運(yùn)算，N在1024點(diǎn)時(shí)，運(yùn)算量?jī)H有10240次，是先前的直接算法的1%，點(diǎn)數(shù)越多，運(yùn)算量的節(jié)約就越大，這就是FFT的優(yōu)越性。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音輸入插口上,啟動(dòng)錄音機(jī)。點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)?？梢钥吹?文件存儲(chǔ)器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。再對(duì)其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。（1）y=wavread（file）功能說(shuō)明：讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。（3）y=wavread（file，N）功能說(shuō)明：讀取錢N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。接下來(lái)。39。 %把語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加載入Matlab仿真軟件平臺(tái)中 wavplay(y,fs)。%求語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度 Y=fft(y,N)。 plot(y)。原始信號(hào)波形39。 subplot(2,2,2)。 title(39。)。channel=1。fprintf(39。,t)。%文字提示 %暫停命令fprintf(39。)。double39。%錄制語(yǔ)音信號(hào)fprintf(39。)。d:\matlab\work\39。% 存儲(chǔ)錄音信號(hào)fprintf(39。)。wavplay(y,fs)。%求語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度 Y=fft(y,N)。 plot(y)。原始信號(hào)波形39。 subplot(2,2,2)。 title(39。)。我們可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù)：一個(gè)是WGN，另一個(gè)是AWGN。也可直接用randn函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。Randn函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者產(chǎn)生nn服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生mn的隨機(jī)數(shù)矩陣。語(yǔ)音信號(hào)添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：%=========================加白噪聲=======================[y,fs,nbits]=wavread (39。N = length (y) 。 %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲Si=y+Noise。subplot(2,1,1)。title(39。)。 %傅里葉變換subplot(2,1,2)。 title(39。)。IIR濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的。FIR濾波器比鞥采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。 對(duì)于數(shù)字高通、帶通濾波器的設(shè)計(jì)，通用方法為雙線性變換法。具體設(shè)計(jì)步驟如下：（1）確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（4）設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。（6）采用雙線性變換法將相應(yīng)類型的過(guò)渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。為了克服之一缺點(diǎn)，可以采用雙線性變換法。（2）將數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（4）用雙線性變換法，模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。（2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。（4）加窗得到設(shè)計(jì)結(jié)果。hn=fir1(M，wc，window)，可以指定窗函數(shù)向量window。其中可選的窗函數(shù)有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相應(yīng)的都有實(shí)現(xiàn)函數(shù)。MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)cheblap,cheblord和cheeby1是切比雪夫I型濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)。下面我們將給出FIR和IIR數(shù)字濾波器的主要程序。Fp=1000。 %阻帶截止頻率wp=2*pi*Fp/Ft。fp=2*Ft*tan(wp/2)。[n11,wn11]