音頻信號(hào)噪聲處理

1、音頻信號(hào)噪聲處理一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟練掌握濾波器的基本原理2 . 熟悉濾波器的應(yīng)用3. 進(jìn)一步掌握FIR濾波器的不同設(shè)計(jì)方法4. 學(xué)習(xí)matlab中濾波器設(shè)計(jì)工具fdatool的使用二、實(shí)驗(yàn)原理若想對(duì)于信號(hào)噪聲的處理有更好的掌握，需要熟知以下的基本理論和原理：調(diào)制和解調(diào)：調(diào)制就是用基帶信號(hào)去控制載波信號(hào)的某個(gè)或幾個(gè)參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號(hào)傳輸，而解調(diào)是調(diào)制的反過程，通過具體的方法從已調(diào)信號(hào)的參量變化中將恢復(fù)原始的基帶信號(hào)。 調(diào)制的種類很多，分類方法也不一致。按調(diào)制信號(hào)的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。用模擬信號(hào)調(diào)制稱為模擬調(diào)制；用數(shù)據(jù)或數(shù)字信號(hào)調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)信號(hào)的種類

2、可分為脈沖調(diào)制、正弦波調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制(如對(duì)非相干光調(diào)制)等。調(diào)制的載波分別是脈沖，正弦波和光波等。正弦波調(diào)制有幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制三種基本方式，后兩者合稱為角度調(diào)制。此外還有一些變異的調(diào)制，如單邊帶調(diào)幅、殘留邊帶調(diào)幅等。脈沖調(diào)制也可以按類似的方法分類。此外還有復(fù)合調(diào)制和多重調(diào)制等。不同的調(diào)制方式有不同的特點(diǎn)和性能。 解調(diào)是從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息的過程。在各種信息傳輸或處理系統(tǒng)中，發(fā)送端用所欲傳送的消息對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生攜帶這一消息的信號(hào)。接收端必須恢復(fù)所傳送的消息才能加以利用，這就是解調(diào)。 解調(diào)是調(diào)制的逆過程。調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣。與調(diào)制的分類相對(duì)應(yīng)，解調(diào)可分為正弦

3、波解調(diào)（有時(shí)也稱為連續(xù)波解調(diào)）和脈沖波解調(diào)。正弦波解調(diào)還可再分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)。同樣，脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。對(duì)于多重調(diào)制需要配以多重解調(diào)。 解調(diào)的方式有正弦波幅度解調(diào)、正弦波角度解調(diào)和共振解調(diào)技術(shù)。FDAtool：FDATool(Filter Design and Analysis Tool)是MATLAB信號(hào)處理工具箱提供的一種綜合、簡便的圖形用戶工具。通過該工具提供的先進(jìn)可視化濾波器集成設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶可以方便地設(shè)計(jì)幾乎所有的常規(guī)濾波器，包括FIR和IIR 的各種設(shè)計(jì)方法。上圖為FDATool設(shè)計(jì)界面。用戶可根據(jù)需要設(shè)計(jì)各種

4、濾波器。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容待處理信號(hào)：wav格式音頻信號(hào)二維數(shù)據(jù)采樣率44.1kHz音頻信號(hào)主要集中在03.4KHz范圍頻譜如下圖： 頻譜圖分為以下四個(gè)部分：有效音頻信號(hào)、單頻干擾、帶外噪聲、白噪聲對(duì)于這種情況，我們可以使用不同的濾波器，根據(jù)情況逐步分離處理出原音頻信號(hào)。1. 通過FFT得到原始信號(hào)頻譜2. 消除單頻干擾根據(jù)上一小節(jié)頻譜分析的結(jié)果，可以編寫一個(gè)Matlab小程序計(jì)算幅度最大頻率的位置（maxFind.m）。程序讀入經(jīng)過FFT變換的原始波形，計(jì)算頻率譜幅度最大的頻率點(diǎn)，得到max_f=1049Hz。這里我們使用等波紋帶阻濾波器，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖：Fs=44100HzFpass1=900

5、HzFstop1=1000HzFstop2=1100HzFpass2=1200HzApass1=1dBAstop=50dBApass2=1dB其時(shí)域響應(yīng)如下圖所示：音頻信號(hào)經(jīng)過等波紋帶阻濾波器后所得到的頻域響應(yīng)如下圖所示：從圖中可以看到，單頻噪聲已經(jīng)被濾除。3. 消除帶外噪聲和白噪聲因?yàn)闃芬粢话愣荚?3.4kHz之間，所以低通濾波器所需參數(shù)可設(shè)計(jì)為：Fs=44100HzFpass=3400HzFstop=3500HzApass=1dBAstop=50dB返回一個(gè)748階的濾波器，其時(shí)域響應(yīng)如下圖：濾波后的頻譜圖如下：可以看到帶外噪聲和白噪聲都被較好的濾了出去，得到的信號(hào)就是原來的音頻信號(hào)。保存

6、為wav文件之后用播放器聽，已經(jīng)沒有單頻噪聲和帶外干擾，信號(hào)的處理過程較為成功。4. 使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)低通濾波器并比較性能根據(jù)要求，濾波器阻帶衰減大于50dB，則只有Hamming窗、Blackman窗和Kaiser窗滿足條件，由上面的設(shè)計(jì)可知濾波器階數(shù)為748。（1） Hamming窗設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖：Fs=44100HzFc=3450Hz時(shí)域響應(yīng)如下圖：濾波后頻譜圖如下：可見Hamming窗比較好的恢復(fù)了原始音頻信號(hào)。（2） Blackman窗設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Fs=44100HzFc=3450Hz時(shí)域響應(yīng)如下圖：濾波后頻譜圖如下：可見Blackman窗也比較好的恢復(fù)了原始音頻信號(hào)。（3） Kai

7、ser窗設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Bata=5.658(因?yàn)?0dB的Beta值可能效果沒有這個(gè)好，就改為60dB的Beta了)Fs=44100HzFc=3450Hz時(shí)域響應(yīng)如下圖：濾波后的頻域響應(yīng)如下圖：可見Kaiser窗也比較好的恢復(fù)了原始音頻信號(hào)。（4） 三種窗函數(shù)的比較通過三種窗函數(shù)設(shè)計(jì)出的濾波器都能較好的恢復(fù)原始音頻信號(hào)，這在使用播放器播放時(shí)，用耳朵是比較難分辨的，但三種窗函數(shù)的性能還是有所差別。Hamming窗設(shè)計(jì)的濾波器阻帶前段增益較大；Blackman窗設(shè)計(jì)的濾波器過渡帶增益很大，阻帶前段增益也很大，但對(duì)于高頻的衰減非常好；Kaiser窗設(shè)計(jì)的濾波器過渡帶和阻帶的衰減都比較不錯(cuò)。三種窗函數(shù)的差別主要體現(xiàn)在過渡帶和阻帶的參數(shù)上，雖然有所差異，但都有較好的濾波性能。5. 解調(diào)噪聲解調(diào)噪聲需使用帶通濾波器對(duì)相應(yīng)頻段進(jìn)行濾波，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Fs=44100HzFstop1=5900HzFpass1=6000HzFpass2=10000HzFstop2=10100HzAstop1=80dBApass=1dBAstop2=80dB濾波后得到的噪聲頻譜如下圖：采用相干解調(diào)和幅度放大后得到的頻譜如下：可還原出另一個(gè)噪音極大音樂。四、實(shí)驗(yàn)討論本次聲音信號(hào)噪聲處理實(shí)驗(yàn)雖然代碼量不是很大，內(nèi)容也不復(fù)雜，但整個(gè)設(shè)計(jì)和處理的過程非常有意義，以前雖然早就接觸調(diào)制解調(diào)和濾波等知識(shí)，但只限于書本，通過這次