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

1、<p><b>　　數(shù)字信號處理</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有噪音語音信號處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號處理的理論知識(shí)對加噪聲語音信號進(jìn)行時(shí)域、頻域分析和濾波。通過理論推導(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)的過程中，使用窗函數(shù)法來設(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。通過對對所設(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，過程簡單方便，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 語音信號的采集4</p><p>　　3.2 語音信號的時(shí)頻分析4</p><p>　　3.3 語音信號加噪與頻譜分析

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 用濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波9</p><p>　　3.6 分析濾波前后語音信號波形及頻譜的變化10</p><p>　　3.7回放語音信號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)算的方法對信號進(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，受到人們越來越多的重視。數(shù)字濾波

8、器可以通過數(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經(jīng)過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)也有利于對數(shù)字信號的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對實(shí)時(shí)的信號處理很重要。 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)可以通過軟件或設(shè)計(jì)專用的硬件兩種方式來實(shí)現(xiàn)。隨著MATLAB軟件及信號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>　　錄制一段自己的語音信號（可以錄制含有噪音的信號，或者錄制語音后再加進(jìn)噪音信號），</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　?。?）對語音信號進(jìn)行采樣；</p><p>　?。?）畫出采樣后語音信號的時(shí)域波形和

13、頻譜圖；</p><p>　　（3）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)的濾波器對語音信號進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號的時(shí)域波形和頻譜圖；</p><p>　　（5）對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化；</p><p>　?。?）回放語音信號。</p><p>　　3

14、課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.1 語音信號的采集</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)字信號的采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語音輸入插口上,啟動(dòng)錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說一段話,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。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。可以

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 語音信號的時(shí)頻分析</p><p>　　利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進(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>　　（2）[y,fs,nbits]=wavread(file) </p><p>　　功能說明：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>　　功能說明：讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　　接下來，對語音信號speech.wav進(jìn)行采樣。其程序如下：</p><p>

18、;　　>> [y,fs,nbits]=wavered (‘speech.wav’); %把語音信號加載入Matlab 仿真軟件平臺(tái)中。</p><p>　　然后，畫出語音信號的時(shí)域波形，再對語音信號進(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)間長度，當(dāng)N大于xn的長度時(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對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。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('原始信號波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(Y));title('原始信號頻譜');&l

21、t;/p><p><b>　　程序運(yùn)行如下：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　3.3 語音信號加噪與頻譜分析</p><p>　　在原始信號中加入高頻噪音，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');%對原語音信號調(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)制后信號波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(Y1));title('調(diào)制后信號頻譜'); </p><p>　　% sound(y1); </p><p>　　對原信號進(jìn)行調(diào)制得到的波形和頻譜圖如下：</p><p>　　接著對調(diào)制后

24、的信號加入原始信號，其程序?yàn)椋?lt;/p><p>　　% 調(diào)制信號+原始信號波形</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+原始信號波形'); </p><p>　　subplot(212);plot(abs(Y2));title('調(diào)制信號+原始信號頻譜');</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 用濾波器對加噪語

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

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

31、回放的聲音與原始的語音信號有很大的不同,前者隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語音信號的頻譜圖中可以看出含噪聲的語音信號頻譜,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。通過濾波前后的對比，低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差。由此可見，語音信號主要分布在低頻段，而噪聲主要分布在高頻段。</p><p>　　3.7 回放語音信號</p><p>　　經(jīng)過以上的加噪聲處理后，可在Ma

32、tlab中用函數(shù)sound對聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,bits)。可以察覺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

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

34、理技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，課題在這里不討論語音學(xué)，而是將語音當(dāng)做一種特殊的信號，即一種“復(fù)雜向量”來看待。也就是說，課題更多的還是體現(xiàn)了數(shù)字信號處理技術(shù)。</p><p>　　從課題的中心來看，課題“基于MATLAB的有噪聲語音信號處理”是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域，這里就是指對語音及加噪處理。作為存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的語音信號，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，就可以對其進(jìn)行處理了

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

36、噪前后，語音的頻譜和語音回放，能明顯的感覺到加入噪聲后回放的聲音與原始的語音信號有很大的不同,前者隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語音信號的頻譜圖中可以看出含噪聲的語音信號頻譜,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。通過濾波前后的對比，低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差。由此可見，語音信號主要分布在低頻段，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，我們有過爭吵，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)字信號處理基礎(chǔ)．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005<