數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)--基于 matlab 的語(yǔ)音去噪處理

1、<p><b>　　數(shù)字信號(hào)處理</b></p><p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　二○一五年十二月二十七日</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　濾波器設(shè)計(jì)在數(shù)字信號(hào)處理中占有極其重要的地位，F(xiàn)IR數(shù)字濾

2、波器和IIR濾波器是濾波器設(shè)計(jì)的重要組成部分。利用MATLAB信號(hào)處理工具箱可以快速有效地設(shè)計(jì)各種數(shù)字濾波器。課題基于MATLAB有噪音語(yǔ)音信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析和濾波。通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，使用窗函數(shù)法來(lái)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，并利用MATLAB

3、作為輔助工具完成設(shè)計(jì)中的計(jì)算與圖形的繪制。通過(guò)對(duì)對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB信號(hào)處理工具箱可以有效快捷地設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器，過(guò)程簡(jiǎn)單方便，結(jié)果的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到指定要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞 數(shù)字濾波器 MATLAB 窗函數(shù)法 巴特沃斯 切比雪夫 雙線性變換</p><p><b>　　目錄</b></p>

4、<p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容2</p><p>　　3 課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)2</p><p>　　3.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集4</p><p>　　3.2 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析4</p><p>　　3.3 語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析

5、6</p><p>　　3.4 利用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器8</p><p>　　3.5 用濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波9</p><p>　　3.6 分析濾波前后語(yǔ)音信號(hào)波形及頻譜的變化10</p><p>　　3.7回放語(yǔ)音信號(hào)10</p><p><b>　　3.8小結(jié)11</b&g

6、t;</p><p><b>　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理

7、是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的。它在語(yǔ)音、雷達(dá)、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　數(shù)字濾波器, 是數(shù)字信號(hào)處理中及其重要的一部分。隨著信息時(shí)代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。數(shù)字濾波

8、器可以通過(guò)數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活不存在阻抗匹配問題，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即有限沖激響應(yīng)( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)( IIR，Infinite Impulse Response)濾波器。</p><p>　　FIR濾

9、波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數(shù)H (z)在處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過(guò)fir濾波器后他們的時(shí)間差不變，這是很好的性質(zhì)。FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易

10、實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。</p><p>　　IIR濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時(shí)，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)

11、字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過(guò)一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。</p><p>　　濾波器的設(shè)計(jì)可以通過(guò)軟件或設(shè)計(jì)專用的硬件兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著MATLAB軟件及信號(hào)處理工具箱的不斷完善，MATLAB很快成為應(yīng)用學(xué)科等領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)軟件。它可以快速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、分析和仿真，極大地減輕了工作量,有利于濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。</p><

12、;p><b>　　2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)（可以錄制含有噪音的信號(hào)，或者錄制語(yǔ)音后再加進(jìn)噪音信號(hào)），</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　?。?）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣；</p><p>　?。?）畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和

13、頻譜圖；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)一個(gè)合適的濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)曲線；</p><p>　?。?）用設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；</p><p>　?。?）對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；</p><p>　?。?）回放語(yǔ)音信號(hào)。</p><p>　　3

14、課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集</p><p>　　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。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)。按下錄音按鈕,接著對(duì)話筒說(shuō)一段話,說(shuō)完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長(zhǎng)度。點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“speech”保存入D:\ MATLAB \ work 中?？梢?/p>

15、看到,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)。</p><p>　　3.2 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析</p><p>　　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。再對(duì)其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。下面介紹Wavread 函數(shù)幾種調(diào)用格式。</p><p>　?。?）y=wa

16、vread（file）</p><p>　　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。</p><p>　?。?）[y,fs,nbits]=wavread(file) </p><p>　　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)。</p><p>　　（3）y=wavread（f

17、ile，N）</p><p>　　功能說(shuō)明：讀取錢N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　?。?）y=wavread（file，[N1,N2]）</p><p>　　功能說(shuō)明：讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　　接下來(lái)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)speech.wav進(jìn)行采樣。其程序如下：</p><p>

18、;　　>> [y,fs,nbits]=wavered (‘speech.wav’); %把語(yǔ)音信號(hào)加載入Matlab 仿真軟件平臺(tái)中。</p><p>　　然后，畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計(jì)算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：Xk=fft(xn,N)</p><p>　　參數(shù)xn為被變換的時(shí)域序列向量，N是DF

19、T變換區(qū)間長(zhǎng)度，當(dāng)N大于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。其程序如下：</p><p>　　[y,fs,bits]=wavread('speech.wav'); </p>

20、<p>　　% sound(y,fs,bits); </p><p>　　Y=fft(y,40000);%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p>　　subplot(211);plot(y);title('原始信號(hào)波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(Y));title('原始信號(hào)頻譜');&l

21、t;/p><p><b>　　程序運(yùn)行如下：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　3.3 語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析</p><p>　　在原始信號(hào)中加入高頻噪音，其具體的程序如下：</p><p>　　fc=20000;%載波頻率</p>

22、<p>　　y1=modulate(y,fc,fs,'fm');%對(duì)原語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制</p><p>　　Y1=fft(y1,40000);%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p><b>　　40000 </b></p><p>　　figure(2); </p><p>　　subplot(211);

23、plot(y1);title('調(diào)制后信號(hào)波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(Y1));title('調(diào)制后信號(hào)頻譜'); </p><p>　　% sound(y1); </p><p>　　對(duì)原信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得到的波形和頻譜圖如下：</p><p>　　接著對(duì)調(diào)制后

24、的信號(hào)加入原始信號(hào)，其程序?yàn)椋?lt;/p><p>　　% 調(diào)制信號(hào)+原始信號(hào)波形</p><p>　　y2=y+y1; </p><p>　　Y2=fft(y2,40000);%采樣點(diǎn)數(shù)</p><p><b>　　40000 </b></p><p><b>　　figure(3)&l

25、t;/b></p><p>　　subplot(211);plot(y2);title('調(diào)制信號(hào)+原始信號(hào)波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(Y2));title('調(diào)制信號(hào)+原始信號(hào)頻譜');</p><p>　　% sound(y2); </p><p>&

26、lt;b>　　得到的圖形為：</b></p><p><b>　　; </b></p><p>　　3.4 利用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器</p><p>　　用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器程序如下所示：</p><p>　　figure(4); </p><p>　　% 用

27、雙線性變換法設(shè)計(jì)的低通濾波器</p><p>　　fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs1=22050; </p><p>　　wc=2*fc/fs1;wp=2*fp/fs1; </p><p>　　[n,wn]=ellipord(wp,wc,Ap,As); </p><p>　　[b,a]=ellip(n,Ap,As,

28、wn); </p><p>　　freqz(b,a,512,fs1); </p><p>　　x=filter(b,a,y2);%對(duì)要進(jìn)行低通濾波</p><p>　　X=fft(x,40000); </p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如圖：</b></p><p>　　3.5 用濾波器對(duì)加噪語(yǔ)

29、音信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　利用設(shè)計(jì)的低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，程序如下：</p><p>　　figure(5); </p><p>　　subplot(211);plot(x);title('低通濾波后信號(hào)波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(X));title('

30、;低通濾波后信號(hào)頻譜'); </p><p>　　sound(x,40000)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下圖：</b></p><p>　　3.6 分析濾波前后語(yǔ)音信號(hào)波形及頻譜的變化</p><p>　　通過(guò)比較加噪前后，語(yǔ)音的頻譜和語(yǔ)音回放，能明顯的感覺到加入噪聲后

31、回放的聲音與原始的語(yǔ)音信號(hào)有很大的不同,前者隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖中可以看出含噪聲的語(yǔ)音信號(hào)頻譜,在整個(gè)頻域范圍內(nèi)分是布均勻。其實(shí)，這正是干擾所造成的。通過(guò)濾波前后的對(duì)比，低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差。由此可見，語(yǔ)音信號(hào)主要分布在低頻段，而噪聲主要分布在高頻段。</p><p>　　3.7 回放語(yǔ)音信號(hào)</p><p>　　經(jīng)過(guò)以上的加噪聲處理后，可在Ma

32、tlab中用函數(shù)sound對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,bits)?？梢圆煊X濾波前后的聲音有明顯的變化。</p><p><b>　　3.8小結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)圓滿的完成了對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)的讀取與打開，與課題的要求十分相符；也較好的完成了對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)和加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，通過(guò)

33、fft變換，得出了語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖；在濾波這一部分，課題主要是從雙線性變換法入手來(lái)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(yǔ)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。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)處理是語(yǔ)音學(xué)與數(shù)字信號(hào)處

34、理技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，課題在這里不討論語(yǔ)音學(xué)，而是將語(yǔ)音當(dāng)做一種特殊的信號(hào)，即一種“復(fù)雜向量”來(lái)看待。也就是說(shuō)，課題更多的還是體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。</p><p>　　從課題的中心來(lái)看，課題“基于MATLAB的有噪聲語(yǔ)音信號(hào)處理”是希望將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域，這里就是指對(duì)語(yǔ)音及加噪處理。作為存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的語(yǔ)音信號(hào)，其本身就是離散化了的向量，我們只需將這些離散的量提取出來(lái)，就可以對(duì)其進(jìn)行處理了

35、。這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，用到了處理數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB。通過(guò)MATLAB里幾個(gè)命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實(shí)際語(yǔ)音與數(shù)字信號(hào)的理論之間搭了一座橋。</p><p>　　課題的特色在于它將語(yǔ)音信號(hào)看作一個(gè)向量，于是就把語(yǔ)音數(shù)字化了。那么，就可以完全利用數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)來(lái)解決語(yǔ)音及加噪處理問題。我們可以像給一般信號(hào)做頻譜分析一樣，來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做頻譜分析，也可以較容易的用數(shù)字濾波器來(lái)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行濾波處理。通過(guò)比較加

36、噪前后，語(yǔ)音的頻譜和語(yǔ)音回放，能明顯的感覺到加入噪聲后回放的聲音與原始的語(yǔ)音信號(hào)有很大的不同,前者隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖中可以看出含噪聲的語(yǔ)音信號(hào)頻譜,在整個(gè)頻域范圍內(nèi)分是布均勻。其實(shí)，這正是干擾所造成的。通過(guò)濾波前后的對(duì)比，低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差。由此可見，語(yǔ)音信號(hào)主要分布在低頻段，而噪聲主要分布在高頻段。</p><p><b>　　致 謝</b>

37、;</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)選題及進(jìn)行過(guò)程中得到同學(xué)們的幫助，尤其是我們同一課題的幾個(gè)同學(xué)，我們花費(fèi)課很多的時(shí)間和精力，相互之間幫忙協(xié)作，上網(wǎng)搜索相關(guān)資料，到圖書館查閱相關(guān)文獻(xiàn)，遇到難題，共同商討。解決不了的問題，我們就向老師和其他同學(xué)虛心請(qǐng)教。最終，我們一起解決了一個(gè)又一個(gè)難題，雖然，我們有過(guò)爭(zhēng)吵，但是在真理面前，我們的行動(dòng)是一致的，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中， 學(xué)院的機(jī)房工作人員給我們提供的便利的條件，天氣寒冷

38、，那里空調(diào)一直開放，我們覺得很溫暖，在此，表達(dá)對(duì)工作人員的謝意。在遇到課題技術(shù)難題時(shí)，我和同組的同學(xué)到圖書館廣泛查閱相關(guān)資料，圖書館也熱情地老師幫助，在此，向他們表示致謝。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號(hào)處理．第3版．北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2008</p><p>　　

39、2 劉泉，闕大順．?dāng)?shù)字信號(hào)處理原理與實(shí)現(xiàn)．北京：電子工業(yè)出版社，2005</p><p>　　3 張磊，畢靖，郭蓮英．MATLAB實(shí)用教程．北京：人民郵電出版社，2008</p><p>　　4 張威．MATLAB基礎(chǔ)與編程入門．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006</p><p>　　5 周利清，蘇菲．?dāng)?shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005<