陷波滤波器设计及其在语音信号处理中的应用Word文件下载.docx
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原型滤波器是设计其他滤波器的基础,先设计低通模拟滤波器原型,再通过频率变换将低通传输函数转换为所需的滤波器传输函数,就可以设计我们所需的其他滤波器。
2、语音信号的分析和处理
2.1语音信号的特点
语音信号具有如下特点:
1)、在时域范围内,语音信号具有“短时性”的特点,即总体上看,语音信号的特征是随着时间而变化的,但在一段较短的时间间隔内,语音信号基本保持平稳;
2)、在频域范围内,人的听觉器官能感知的声音频率范围约为20Hz~20kHz的信号称为音频(Audio)信号。
人发音器官发声频率约是80~3400Hz,但人说话的信号频率约为300~3000Hz,即话音(speech)信号,也是本文将要研究的信号[2]。
2.2语音信号的采集
语音信号是模拟信号,需要先对它进行数字化处理,经过采样、量化、编码后转变成变成数字信号,即进行模/数(A/D)转换,然后用数字技术进行数字信号处理,最后经过数/模(D/A)转换成模拟信号,这一过程称为模拟信号的数字信号处理[3]。
这个过程如下图所示:
图1模拟信号数字处理框图
采样也称抽样,是信号在时间上的离散化,即按照一定时间间隔T在模拟信号x(t)上逐点采取其瞬时值。
设原信号为x(t),采样后,所得信号为:
(1)
2.3语音信号的滤波
数字信号处理过程中,所处理的信号往往含有噪声,从接收到的信号中消除或削弱噪声,提取有用信号的过程就是滤波,实现滤波功能的系统就是滤波器。
图2滤波器设计原理
模拟原型滤波器指的截止频率为1的滤波器。
低通滤波器的传输函数经过频率变换可以转换成高通、带通和带阻滤波器,所以设计滤波器一般先设计低通滤波器,再通过频率变换法将低通滤波器转换成所需要的滤波器的形式。
因此,常把低通滤波器称为原型低通滤波器。
所以,掌握模拟原型滤波器的原理十分重要,是设计其他滤波器的基础[4]。
模拟滤波器的幅度响应常用幅度平方函数来表示:
(2)
由于脉冲响应h(t)是实函数,因而H*(jω)=H(-jω),所以:
(3)
其中,
是模拟滤波器的稳态幅度特性,
是模拟滤波器的系统函数,
是模拟滤波器的稳态响应即频率特性。
本文应用巴特沃斯和切比雪夫I型模拟低通滤波器进行滤波,下面进行详细介绍:
2.3.1巴特沃思(Butterworth)滤波器
巴特沃思模拟低通滤波器的平方幅频响应函数为:
(4)
式中,N为滤波器阶数,
c为低通滤波器的截止频率。
巴特沃思模拟低通滤波器的特点是:
1)通带内具有最大平坦的频率特性,且随着频率增大,曲线平滑单调下降;
2)阶数越高,特性越接近矩形,过渡带越窄;
3)传递函数无零点[5]。
图3滤波特性图
这里的特性接近矩形,是指通带频率响应段与过渡带频率响应段的夹角接近直角。
通常该角为钝角,如果该角为直角,则为理想滤波器。
巴特沃思滤波器的传递函数具有下面的形式:
(5)
该滤波器没有零点,极点为[p
(1),p
(2),L,p(n)],增益为K。
2.3.2切比雪夫(Chebyshev)I型模拟低通滤波器
切比雪夫I型模拟低通滤波器的平方幅值响应函数为:
(6)
式中,
为小于1的正数,表示通带内的幅值波纹情况;
为截止频率,N为切比雪夫多项式阶数,
为切比雪夫多项式,定义为:
(7)
切比雪夫I型的特点是:
1)、通带内具有等波纹起伏特性,而在阻带内则单调下降,且与巴特沃思滤波器相比具有更大的衰减性;
2)、阶数越高,特性越接近矩形,过渡带越窄;
3)、传递函数没有零点。
图4阶数对切比雪夫滤波器的影响
切比雪夫滤波器的传递函数为:
则滤波器极点为[p
(1),p
(2),L,
],增益为K。
由上图可以看出,在相同的阶数下,与巴特沃斯滤波器相比,切比雪夫I型模拟原型滤波器的过渡带更加陡峭,但这同时也牺牲了通带的单调平滑特性。
3、运用MATLAB对语音信号进行频谱分析
3.1语音信号的采集
录制一段自己的语音,时间在10s左右;
然后利用MATLAB软件中wavread函数对语音信号进行采样[6]。
函数调用格式如下:
[x1,fs,nbits]=wavread('
luyin'
)
其中,采样值放在向量x1中,fs表示采样频率(Hz),nbits表示采样点数。
运行可得fs=16000,nbits=16,即采样频率为16000Hz,采样点数为16。
3.2原始语音信号的频谱分析
先绘制语音信号的频谱图如下:
图5语音信号时域图
图6语音信号频域图
图7滤波器特性对比
可以看出,切比雪夫Ⅰ型滤波器比巴特沃思滤波器有更窄的过渡特性,巴特沃思滤波器在通带内具有最大平坦的频率特性,且随着频率增大平滑单调下降;
切比雪夫Ⅰ型滤波器在通带内具有等波纹起伏特性,而在阻带内则单调下降,且具有更大衰减性。
3.4用滤波器对信号进行滤波
将语音信号进行巴特沃斯和切比雪夫低通滤波,得到下图:
图8巴特沃斯低通滤波
图9切比雪夫低通滤波
图10巴特沃斯高通滤波
图11切比雪夫高通滤波
进行低通滤波后,从图中可以看出,低频语音信号被保留,高频噪声被滤除,滤波后信号幅值有所降低,但位置不变;
进行高通滤波后,可以看出,高频语音信号被保留,低频噪声被滤除,经过滤波后,语音信号的幅值降低,但位置不变。
参考文献
[1]李正周.MATLAB数字信号处理及应用[M].清华大学出版社.2008,5
[2](美)维纳·
K·
英格尔著.刘树棠译.数字信号处理(MATLAB版)[M].西安交通大学出版社.2008,1
[3]曾尚璀,沈华.基于MATLAB系统的信号FFT频谱分析与显示[J].科技通报.2000,7
[4]颜龙,刘刚.语言信号时频谱分析[J].电子测量技术2005
(2)
[5]徐靖涛.基于MATLAB的语音信号分析与处理[J].自然科学报.2008,2
[6]张文.语音频谱分析仿真系统的实现[J].科学咨询.2009,(26)
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- 陷波 滤波器 设计 及其 语音 信号 处理 中的 应用