數(shù)字信號(hào)課設(shè)——語音去噪及fir濾波器

1、*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)題 目：基于MATLAB的FIR濾波器語音信號(hào)去噪專業(yè)班級(jí)： 通信工程一班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成 績： 摘 要本課程設(shè)計(jì)通過分析FIR濾波器的基本原理，在MATLAB環(huán)境下利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出FIR濾波器,實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的仿真。首先是采集一段語音信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，然后對(duì)所采集的語音信號(hào)加入噪聲，并對(duì)加噪后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，再用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出FIR濾波器，對(duì)加入噪聲后的語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以去除噪聲，并繪出濾波前后時(shí)域和頻域的波形圖，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，通過仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的FIR濾波器可以

2、有效的濾除干擾信號(hào),設(shè)計(jì)結(jié)果滿足性能指標(biāo)要求。 關(guān)鍵詞： 語音信號(hào)；FIR濾波器；凱塞窗；濾波去噪 目 錄第一章 緒論1第二章 FIR濾波器設(shè)計(jì)的基本原理22.1語音信號(hào)的特點(diǎn)22.2語音信號(hào)的采集22.2.1 采樣定理22.2.2語音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換與量化32.2.3基于PC機(jī)的語音信號(hào)采集過程32.3語音信號(hào)分析處理32.3.1 語音信號(hào)的時(shí)域分析32.3.2語音信號(hào)頻域分析42.4數(shù)字濾波器42.5FIR濾波器52.5.1 FIR濾波器的基本概念52.5.2 FIR濾波器的特點(diǎn)52.5.3 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法52.6 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器62.7凱塞窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器7第三

3、章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟93.1總體設(shè)計(jì)框圖93.2總體設(shè)計(jì)流程圖93.3語音信號(hào)采集與分析模塊103.4語音信號(hào)加噪處理模塊113.5FIR濾波器對(duì)加噪語音信號(hào)濾波去噪處理模塊11第四章 FIR濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果124.1語音信號(hào)錄入和讀取124.2原始語音信號(hào)的分析124.3語音信號(hào)加噪處理134.4FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)154.4.1 FIR低通濾波器設(shè)計(jì)154.4.2 FIR高通濾波器設(shè)計(jì)164.5FIR數(shù)字濾波器對(duì)加噪語音信號(hào)濾波17總結(jié)19參考文獻(xiàn)20附錄21致謝24 第一章 緒論 在現(xiàn)代各種通信系統(tǒng)中，由于自然界中的各種各樣的復(fù)雜噪聲不免會(huì)摻雜在其中，數(shù)字信號(hào)處理這門經(jīng)

4、典學(xué)科恰好能夠解決這個(gè)問題，其中最通用的方法就是利用濾波器來濾除這些雜波噪聲。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的基本方法。根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類:無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器1。FIR 濾波器是有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，在結(jié)構(gòu)上是非遞歸型的。它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確嚴(yán)格的線性相位。所以FIR 數(shù)字濾波器廣泛地應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。FIR濾波器可以利用快速傅立葉變換進(jìn)行快速卷積來實(shí)現(xiàn)，另外，F(xiàn)IR濾波器具有嚴(yán)格的相位特性，這對(duì)于語音信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸是很重要的。IIR濾波器的優(yōu)越的幅度響應(yīng)是以相位的非線性為代價(jià)的，而非線性相位會(huì)引起頻率

5、色散。目前FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有三種：窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。最常用的是窗函數(shù)法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計(jì)法。本設(shè)計(jì)中采用窗函數(shù)法2來設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，可以應(yīng)用現(xiàn)成的窗函數(shù)公式，在技術(shù)要求不高的時(shí)候是比較方便靈活的，它是從時(shí)域出發(fā)，用一個(gè)窗函數(shù)截取理想的hd(n)得到h(n)，以有限長序列h(n)近似理想的hd(n)。本課程設(shè)計(jì)是選用凱塞窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器對(duì)語音信號(hào)濾波去噪的。在MATLAB環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。第二章 FIR濾波器設(shè)計(jì)的基本原理2.1語音信號(hào)的特點(diǎn)通過對(duì)大量語音信號(hào)的觀察和分析發(fā)現(xiàn)，語音信號(hào)3主要有下面兩個(gè)特點(diǎn)： （1）在頻域內(nèi)，語音信號(hào)的

6、頻譜分量主要集中在3003400Hz的范圍內(nèi)。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以用一個(gè)防混迭的帶通濾波器將此范圍內(nèi)的語音信號(hào)頻率分量取出，然后按8kHz的采樣率對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，就可以得到離散的語音信號(hào)。 （2）在時(shí)域內(nèi)，語音信號(hào)具有“短時(shí)性”的特點(diǎn)，即在總體上，語音信號(hào)的特征是隨著時(shí)間而變化的，但在一段較短的時(shí)間間隔內(nèi)，語音信號(hào)保持平穩(wěn)。在濁音段表現(xiàn)出周期信號(hào)的特征，在清音段表現(xiàn)出隨機(jī)噪聲的特征。2.2語音信號(hào)的采集為了將原始模擬語音信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須經(jīng)過采樣和量化兩個(gè)步驟，從而得到時(shí)間和幅度上均為離散的數(shù)字語音信號(hào)。2.2.1 采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)

7、中，最高頻率fmax的2倍時(shí)，即：fs.max=2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的510倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理:理想低通信道的最高大碼元傳輸速率=2W*log2 N (其中W是理想低通信道的帶寬,N是電平強(qiáng)度)。采樣頻率4（也稱為采樣速度或者采樣率）定義了每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，它用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作采樣時(shí)間，它是采樣之間的時(shí)間間隔。采樣頻率的常用的表示符號(hào)是 fs。2.2.2語音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換與量化語音信號(hào)經(jīng)過預(yù)濾波和采樣后，由AD變換器變換為二址制數(shù)字碼。這

8、種防混疊濾波通常與模數(shù)轉(zhuǎn)換器做在一個(gè)集成塊內(nèi)，因此目前來說，語音信號(hào)的數(shù)字化的質(zhì)量還是有保證的。市面上購買到的普通聲卡在這方面做的都很好，語音聲波通過話筒輸入到聲卡后直接獲得的是經(jīng)過防混疊濾波、A/D變換、量化處理的離散的數(shù)字信號(hào)。2.2.3基于PC機(jī)的語音信號(hào)采集過程在實(shí)際工作中，我們可以利用windows自帶的錄音機(jī)錄制語音文件，圖2-3是基于PC機(jī)的語音信號(hào)采集過程，聲卡可以完成語音波形的A/D轉(zhuǎn)換，獲得WAVE文件，為后續(xù)的處理儲(chǔ)備原材料。調(diào)節(jié)錄音機(jī)保存界面的“更改”選項(xiàng)，可以存儲(chǔ)各種格式的WAVE文件。Windows自帶的錄音機(jī)聲音麥克風(fēng)聲卡濾波采樣A/D轉(zhuǎn)換 Wav圖2-1 基于P

9、C機(jī)的語音信號(hào)采集過程2.3語音信號(hào)分析處理2.3.1 語音信號(hào)的時(shí)域分析語音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。進(jìn)行語音分析時(shí)，最先接觸到并且也是最直觀的是它的時(shí)域波形。語音信號(hào)本身就是時(shí)域信號(hào)，因而時(shí)域分析是最早使用，也是應(yīng)用最廣泛的一種分析方法，這種方法直接利用語音信號(hào)的時(shí)域波形。時(shí)域分析3通常用于最基本的參數(shù)分析及應(yīng)用，如語音的分割、預(yù)處理、大分類等。這種分析方法的特點(diǎn)是：（1）表示語音信號(hào)比較直觀、物理意義明確。（2）實(shí)現(xiàn)起來比較簡單、運(yùn)算且少。（3）可以得到語音的一些重要的參數(shù)。語音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)有短時(shí)能量、短時(shí)過零率、短時(shí)白相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等，這是語音信號(hào)

10、的一組最基本的短時(shí)參數(shù)，在各種語音信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)中都要應(yīng)用3。2.3.2語音信號(hào)頻域分析語音信號(hào)的頻域分析3就是分析語音信號(hào)的頻域持征。從廣義上講，語音信號(hào)的頻域分析包括語音信號(hào)的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜包絡(luò)分析等，而常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變換法、線件預(yù)測法等幾種。本設(shè)計(jì)用到的是語音信號(hào)的傅里葉分析法。因?yàn)檎Z音波是一個(gè)非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能用來直接表示語音信號(hào)，2.4數(shù)字濾波器FIR:Finite Impulse response，有限沖擊響應(yīng)IIR:Infinite Impulse response，無限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器1

11、的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。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)化過程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。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，即無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。整體來看，IIR濾波器達(dá)到同樣效果階數(shù)少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；FIR濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大。2.5FIR濾波器2.5.1 FIR濾波器的基本概念FIR濾

12、波器1：有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。濾波器設(shè)計(jì)是根據(jù)給定濾波器的頻率特性，求得滿足該特性的傳輸函數(shù)。2.5.2 FIR濾波器的特點(diǎn)有限長單位沖激響應(yīng)（FIR）濾波器有以下特點(diǎn)： （1） 系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)在有限個(gè)n值處不為零； （2） 系統(tǒng)函數(shù)在處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)）； （3） 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，但有些結(jié)構(gòu)中（例如頻率抽樣結(jié)構(gòu)）也包含有反饋的

13、遞歸部分。設(shè)FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)的長度為N,則其頻率響應(yīng)函數(shù)即傳輸函數(shù)為：H（ejw）=h(n)e-jwn ( 2-1 )一般將（2-1）式表示成如下（2-2）形式： H（ejw）=Hg(w)ej(w) ( 2-2 ) 式中，Hg(w)稱為幅度特性，(w)稱為相位特性。注意這里Hg(w)不同于H（ejw）, Hg(w)為w的實(shí)函數(shù)，可能取負(fù)值，而H（ejw）總是正值。H（ejw）線性相位是指(w)是w的線性函數(shù)。2.5.3 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要分為兩類：第一類是基于逼近理想濾波器器特性的方法包括窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法；第二類是最優(yōu)設(shè)計(jì)法

14、。2.6 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器窗函數(shù)法1的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器（這種濾波器總是有一個(gè)非因果，無限長的脈沖響應(yīng)），然后將它的脈沖響應(yīng)截?cái)啵ɑ蚣哟埃┮缘玫揭粋€(gè)線性相位和因果的FIR濾波器。主要設(shè)計(jì)步驟為：(1) 根據(jù)技術(shù)要求確定待求濾波器的單位取樣響應(yīng)hd(n)。如果給出待求濾波器的頻率響應(yīng)為Hd(ejw),那么單位取樣應(yīng)用下式（2-3）求出： Hd(n)=1/2Hd(ejw)ejwdw ( 2-3 ) (2)據(jù)過渡帶寬及阻帶衰減要求，選擇窗函數(shù)的類型并估計(jì)窗口長度N（或階數(shù)M=N-1），窗函數(shù)類型可根據(jù)最小阻帶衰減As獨(dú)立選擇，因?yàn)榇翱陂L度N對(duì)最小阻帶衰減As沒有

15、影響，在確定窗函數(shù)類型以后，可根據(jù)過渡帶寬小于給定指標(biāo)確定所擬用的窗函數(shù)的窗口長度N，設(shè)待求濾波器的過渡帶寬為w，它與窗口長度N近似成反比，窗函數(shù)類型確定后，其計(jì)算公式也確定了，不過這些公式是近似的，得出的窗口長度還要在計(jì)算中逐步修正，原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇較小的N，在N和窗函數(shù)類型確定后，即可調(diào)用MATLAB中的窗函數(shù)求出窗函數(shù)w(n)。(3) 用式（2-4）計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)h(n), h(n)= hd(n)w(n) ( 2-4 )(4) 驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)時(shí)要滿足以下兩個(gè)條件：（1）窗譜主瓣盡可能地窄，以獲得較陡的過渡帶；（2）盡量減

16、少窗譜的最大旁瓣的相對(duì)幅度，也就是使能量盡量集中于主瓣，減小峰肩和紋波，進(jìn)而增加阻帶的衰減。在實(shí)際工程中常用的窗函數(shù)有五種，即矩形窗(Rectangularwindow)、三角窗(Triangularwindow)、漢寧窗(Hanningwindow)、漢明窗(Hammingwindow)及凱塞窗(Kaiserwindow)。下面介紹這五種常用窗函數(shù)1的性質(zhì)和特點(diǎn)：（1）矩形窗矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗。矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)通過了矩形窗。這種窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄露漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象。（2）三角窗三角窗又稱費(fèi)杰窗，

17、是冪窗的一次文形式。與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗的兩倍，但旁瓣小，而且無負(fù)旁瓣。（3）漢寧窗漢寧窗又稱升余弦窗，漢寧窗可以看作是3個(gè)矩形時(shí)間窗的頻譜之和，或者說是3個(gè)sine(t)型函數(shù)之和，旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能?？梢钥闯?，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣則顯著減小，從減小泄漏觀點(diǎn)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗，但漢寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。（4）漢明窗漢明窗與漢寧窗都是余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同，漢明窗加權(quán)的系數(shù)能使旁瓣達(dá)到更小。分析表明，漢明窗的第一旁瓣衰減為42dB。漢明窗的頻譜也是由3個(gè)矩形時(shí)窗的頻譜合成，但其旁瓣衰減速度為20dB/（10oct）,這比利時(shí)漢寧窗衰

18、減速度慢。漢明窗與漢寧窗都是很有用的窗函數(shù)。（5）凱塞窗以上幾種窗函數(shù)是各以一定主瓣加寬為代價(jià)，來換取某種程度的旁瓣抑制，而凱窗則是全面地反映主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，可以在它們兩者之間自由地選擇它們的比重。表（1） 常用窗函數(shù)特性窗函數(shù)名稱近似過渡帶寬精確過渡帶寬最小阻帶衰減矩形4/M1.8/M21dB漢寧8/M6.2/M44 dB哈明8/M6.6/M53 dB布萊克曼12/M11/M74 dB2.7凱塞窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器窗函數(shù)的主瓣寬度和旁瓣峰值衰耗是矛盾的，一項(xiàng)指標(biāo)的提高總是以另一項(xiàng)指標(biāo)的下降為代價(jià)，窗口選擇實(shí)際上是對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)作權(quán)衡。而兩項(xiàng)指標(biāo)是跳變的，于是有人提出可調(diào)整窗，適

19、當(dāng)修改參數(shù)，可在這兩項(xiàng)指標(biāo)間作連續(xù)的選擇。常用的可調(diào)整窗是凱塞（Kaiser）窗1。凱塞窗全面地反映主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，可以在它們兩者之間自由地選擇它們的比重。凱塞窗的表達(dá)式如下式(2-5)所示: Wk(n)=I0()/ I0(), 0nN-1 ( 2-5 )式中 =2 ( 2-6 )I0(x)是零階第一類修正貝塞爾函數(shù)，一般I0(x)取1525項(xiàng)，便可以滿足精度要求，參數(shù)可以控制窗的形狀，一般加大，主瓣加寬，旁瓣幅度減小，典型數(shù)據(jù)為49。當(dāng)=5.44時(shí)，窗函數(shù)接近哈明窗，而=7.865時(shí)，窗函數(shù)接近布萊克曼窗。 第三章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟3.1總體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)總體分為三大模

20、塊：語音信號(hào)采集與分析模塊，語音信號(hào)加噪處理模塊，F(xiàn)IR濾波去噪模塊。其總體框圖如下圖3-1所示語音信號(hào)采集語音信號(hào)加噪語音信號(hào)去噪處理繪出時(shí)域頻域圖播放語音信號(hào) 圖3-1總體設(shè)計(jì)框圖3.2總體設(shè)計(jì)流程圖如下圖設(shè)計(jì)流程圖，本設(shè)計(jì)的流程為：采集一段語音信號(hào)。將語音信號(hào)的文件名命名為aa.wav，再用MATLAB中的wavread函數(shù)求出語音信號(hào)的三個(gè)參數(shù)，分別為：每個(gè)樣本的值，生成該語音波形文件時(shí)的采樣頻率，波形文件樣本的碼數(shù)，再對(duì)語音信號(hào)以及加入了低頻和高頻噪聲后的語音信號(hào)做快速傅立葉變化，繪制出時(shí)域波形和頻譜圖。然后讓加噪信號(hào)通過所設(shè)計(jì)的濾波器，繪制濾波前后時(shí)域波形對(duì)比圖和幅頻特性對(duì)比圖，并

21、回放濾波前后的語音信號(hào)來驗(yàn)證是否達(dá)到去噪的目的。其總體設(shè)計(jì)流程圖如下圖3-2所示采集語音信號(hào)，繪圖加入噪聲干擾，繪圖設(shè)計(jì)FIR濾波器濾波去噪處理檢驗(yàn)去噪效果設(shè)計(jì)完成NY開始加入低頻、高頻噪聲確定濾波器技術(shù)指標(biāo)由技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)低通、高通濾波器1.波形對(duì)比2.聲音對(duì)比改變所設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)圖3-2總體設(shè)計(jì)流程圖采集一段語音10s繪出時(shí)域波形繪出頻譜圖播放語音信號(hào)3.3語音信號(hào)采集與分析模塊圖3-3語音信號(hào)采集模塊3.4語音信號(hào)加噪處理模塊加入低頻噪聲加入高頻噪聲原始語音信號(hào)繪出加噪后時(shí)域頻域圖回放加噪后語音信號(hào)圖3-4語音信號(hào)加噪處理模塊3.5FIR濾波器對(duì)加噪語音信號(hào)濾波去噪處理模塊含低頻噪聲的語

22、音信號(hào)通過凱瑟窗法設(shè)計(jì)的高通濾波器通過凱瑟窗法設(shè)計(jì)的低通濾波器含高頻噪聲的語音信號(hào)對(duì)比濾波前后的時(shí)域、頻域波形，并回放濾波后的語音信號(hào)圖3-5FIR濾波去噪模塊第四章 FIR濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果4.1語音信號(hào)錄入和讀取單擊自己的電腦開始程序，選擇所有程序，接著選擇附件，再選擇娛樂，最后選擇錄音。自己錄入“aa”語音信號(hào)，然后保存在MATLAB文件夾里面，命名為“aa.wav”。利用MATLAB中的wavread命令來讀入語音信號(hào)，將它賦值給某一向量。y,fs,bits=wavread( aa.wav);用于讀取語音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。4.

23、2原始語音信號(hào)的分析本次設(shè)計(jì)首先獲得時(shí)間長為9s的語音信號(hào)x。對(duì)x信號(hào)進(jìn)行時(shí)域繪圖，然后采樣y=fft(x,m)，其中m=length(x)。最后利用plot函數(shù)分別畫出x信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖，如下圖4-1、4-2所示：圖4-1原始語音信號(hào)時(shí)域波形圖4-2原始語音信號(hào)頻域波形通過上圖4-1、4-2可觀察到x的時(shí)域和頻域特性，并發(fā)現(xiàn)在頻域內(nèi)，語音信號(hào)的頻譜分量主要集中在3003400Hz的范圍內(nèi)，與理論相符，因此可以選擇不在此頻率范圍的噪聲加入其中。4.3語音信號(hào)加噪處理本次課程設(shè)計(jì)中主要加入兩種噪聲信號(hào)4，它們分別是高頻噪聲信號(hào)noise1=0.01*sin(2*pi*6000*t) ； 低頻

24、噪聲信號(hào)noise2=0.01*sin(2*pi*200*t) 。其中noise1為一個(gè)頻率為5000Hz的高頻信號(hào)可作為低通濾波中x的噪聲輸入得到X1信號(hào)，noise2為頻率為200Hz的低頻信號(hào)可作為高通濾波中x的噪聲輸入得到X2信號(hào)， 用繪圖命令分別畫出語音信號(hào)加噪后的時(shí)域波形和頻域圖，對(duì)應(yīng)如下圖4-3、4-4所示：圖4-3加高頻噪聲語音信號(hào)時(shí)域頻域圖 圖4-4加低頻噪聲語音信號(hào)時(shí)域頻域圖由上圖4-3、4-4中我們可以看到語音信號(hào)加入隨機(jī)噪聲后的時(shí)域波形比未加之前在幅度范圍內(nèi)有了明顯的增加，從頻譜方面我們可以看到在加了隨機(jī)噪聲后的頻譜圖上其幅度不僅有了很大顯的增加，而且變化很大，這現(xiàn)象表

25、現(xiàn)在語音播放時(shí)我們可以聽到尖銳的連續(xù)噪聲5。4.4FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)首先利用數(shù)字信號(hào)處理里面學(xué)過的知識(shí)，根據(jù)自己選定的參數(shù)，用凱塞窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，得到數(shù)字濾波器的參數(shù)。本設(shè)計(jì)中我們加入了低頻和高頻噪聲，所以設(shè)計(jì)用凱瑟窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出FIR低通和高通濾波器64.4.1 FIR低通濾波器設(shè)計(jì)低通濾波的噪聲信號(hào)7為noise1，使X1=x+noise1獲得噪聲污染后的信號(hào)X1。 低通濾波器8是當(dāng)信號(hào)頻率（w）大于通帶邊界頻率（wp）時(shí)將無法通過此濾波器，而當(dāng)wwp時(shí)信號(hào)就能通過。低通濾波器設(shè)計(jì)的主要參數(shù)有通帶邊界頻率wp1，阻帶截止頻率ws1，3dB通帶截止頻率wc1。其中wp12*p

26、i*fp1/Fs，ws12*pi*fs1/Fs（其中fp1，fs1為模擬頻率）wc1(wp1+ws1)/2。本次設(shè)計(jì)中fp12000，fs13000。選定參數(shù)后利用b1=fir1(N,wc1,kaiser(N+1) ，hn1 w1=freqz(b1,1,512)語句實(shí)現(xiàn)低通濾波器的設(shè)計(jì)，其中N為濾波器的階數(shù)，本次設(shè)計(jì)中假定N=38。通過繪圖工具我們可以得出濾波器的波形圖，如下圖4-5所示: 圖4-5FIR低通濾波器的幅頻相頻響應(yīng)由上圖4-5可以看出，該濾波器符合所設(shè)計(jì)的要求性能，當(dāng)信號(hào)頻率（w）大于通帶邊界頻率（wp）時(shí)將無法通過此濾波器，而當(dāng)wwp時(shí)信號(hào)便可通過。高通濾波器設(shè)計(jì)的主要參數(shù)有通

27、帶邊界頻率wp2，阻帶截止頻率ws2，3dB通帶截止頻率wc2。其中wp22*pi*fp2/Fs，ws22*pi*fs2/Fs（其中fp2，fs2為模擬頻率）wc2(wp2+ws2)/2。本次設(shè)計(jì)中fp2500，fs2300。選定參數(shù)后利用b2=fir1(N,wc2,high,kaiser(N+1) ，hn2 w2=freqz(b2,1,512)語句實(shí)現(xiàn)低通濾波器的設(shè)計(jì),其中N為濾波器的階數(shù)， 通過繪圖工具我們可以得出濾波器的波形圖，如下圖4-6所示:圖4-6FIR高通濾波器的幅頻相頻響應(yīng)由上圖4-6可以看出，該濾波器符合所設(shè)計(jì)的要求性能，當(dāng)信號(hào)頻率（w）小于通帶邊界頻率（wp）時(shí)將無法通過此

28、濾波器，而當(dāng)wwp時(shí)信號(hào)便可通過。4.5FIR數(shù)字濾波器對(duì)加噪語音信號(hào)濾波用設(shè)計(jì)好的各濾波器分別對(duì)加噪的語音信號(hào)進(jìn)行濾波9，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。函數(shù)fftfilt用的是重疊相加法實(shí)現(xiàn)線性卷積的計(jì)算。調(diào)用：y=fftfilter(h,x,M)。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(shí)，默認(rèn)的輸入向量的重長度M=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter(B，A.xn)，它是按照直線型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)xn的濾波。其中xn是

29、輸入信號(hào)向量，yn輸出信號(hào)向量。通過繪圖工具我們可以得出濾波器濾波前后的波形與頻譜圖10，如下圖4-7、4-8所示:圖4-7低通濾波器濾波前后的信號(hào)的比較圖4-8低通濾波器濾波前后的信號(hào)的比較由圖4-7、4-8噪聲信號(hào)和濾波后的信號(hào)的時(shí)域圖和頻譜圖可看出噪聲信號(hào)中的噪聲成分已成功的去除，并通過回放濾波以后的語音信號(hào)，也可以聽出濾波后基本與原始語音信號(hào)相同，因而設(shè)計(jì)成功由濾波器的幅頻和相頻圖可看出濾波器的設(shè)計(jì)也符合要求?？偨Y(jié)本課程設(shè)計(jì)的主要是在MATLAB環(huán)境下，使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器，并對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪。首先用麥克風(fēng)采集一段語音信號(hào)，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，然后對(duì)該

30、語音信號(hào)加入低頻和高頻的噪聲，接著用凱塞窗法分別對(duì)應(yīng)不同的噪聲設(shè)計(jì)出兩個(gè)個(gè)滿足不同指標(biāo)的FIR濾波器，然后用設(shè)計(jì)好的濾波器對(duì)加噪語音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，最后比較濾波前后的波形和頻譜，并聽濾波后的語音信號(hào)，與濾波前進(jìn)行對(duì)比分析。通過觀察這次課程設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果，比較濾波前后語音信號(hào)波形、頻譜圖，我們可以明顯的看到設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，將噪聲進(jìn)行了濾除，通過聽濾波后的聲音，我們也發(fā)現(xiàn)與加噪的語音信號(hào)相比，清晰很多。此次FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的性能，完成了設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)。此次課程設(shè)計(jì)通過MATLAB語言對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并用窗函數(shù)法對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行了濾波，不僅使我對(duì)

31、MATLAB工具箱有了更深層次的了解和掌握，而且在FIR濾波器設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行對(duì)種方法的比較，已確定每種方法的優(yōu)劣性，在實(shí)際操作中有很大的意義。參考文獻(xiàn)1丁玉美，高西泉數(shù)字信號(hào)處理（第二版）西安電子科技大學(xué)出版社：195-2222美M.H.海因斯著，張建華等譯.數(shù)字信號(hào)處理.北京：科學(xué)出版社，2002：137-1503朱學(xué)芳，徐建平計(jì)算機(jī)語音信號(hào)處理與語音識(shí)別系統(tǒng)J南京郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，18(56)：1131154楊崇林，李雪耀，孫羽強(qiáng)噪聲背景下漢語語音端點(diǎn)檢測和音節(jié)分割J哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，199718(5)：28325韋曉東.應(yīng)用倒譜特征的帶噪語音端點(diǎn)檢測方法J上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，200

32、0，34(2)：1851886張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2003：49-877樓順天，李博菡.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998:32-788張亞妮，基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)J，遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 2005.24(5)：716-7189周淵，王炳和，劉斌勝基于MATLAB的噪聲信號(hào)采集和分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J噪聲控制2004(7)：52-54 10楊大柱.MATLAB 環(huán)境下FIR 濾波器的設(shè)計(jì)與仿真J.集成電路應(yīng)用.2006，(9)：101-10724附錄 基于matlab的FIR濾波器的設(shè)計(jì)源代碼%原始音頻抽樣

33、Fs=10000;bits=16;T=1;ts=1/Fs;N=38;x,Fs,bits=wavread(aa.wav); x=x(:,1); m=length(x);sound(x,Fs,bits);y=fft(x,m); %對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換f=(Fs/m)*1:m;t=1:m/Fs;figure;subplot(211);plot(t,x);title(原始信號(hào)波形);xlabel(time(s);subplot(212);plot(f,abs(y);title(原始信號(hào)頻譜);xlabel(frequency(hz);%噪聲信號(hào)noise1=0.01*sin(2*pi*6000*

34、t); %高頻噪聲noise2=0.01*sin(2*pi*200*t); %低頻噪聲% 低通濾波 fp1=2000; fs1=3000; wp1=2*pi*fp1/Fs; ws1=2*pi*fs1/Fs; X1=x+noise1;%加了高頻噪聲的信號(hào) sound(X1,Fs,bits);%回放噪聲信號(hào) Y11=fft(X1,m);%對(duì)加了高頻噪聲的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換 figure; subplot(321);plot(t,X1);title(加了高頻噪聲的信號(hào)時(shí)域圖);xlabel(time(s); subplot(322);plot(f,abs(Y11);title(加了高頻噪聲的信號(hào)頻譜

35、圖);xlabel(frequency(hz); wc1=(wp1+ws1)/2; b1=fir1(N,wc1,kaiser(N+1);%調(diào)用kaiser計(jì)算低通FIRDF的b1（n） hn1 w1=freqz(b1,1,512); subplot(323);plot(w1/pi,20*log10(abs(hn1);title(低通濾波器幅頻);xlabel(w); subplot(324);plot(w1/pi,unwrap(angle(hn1);title(低通濾波器相頻);xlabel(w); x1get=filter(b1,1,X1); Y1get=fft(x1get,m); sound(x1get,Fs,bits); subplot(325);plot(t,x1get);title(加了高頻噪聲的信號(hào)濾波后時(shí)域圖);xlabel(time(s);subplot(326);plot(f,abs(Y1get);title(加了高頻噪聲的信號(hào)濾波后頻譜圖);xlabel(frequency(hz);%高通濾波fp2=500;fs2=300;wp2=2