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

數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告PAGE13數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)課程名稱數(shù)字信號(hào)處理題目名稱基于MATLAB的語(yǔ)音去噪處理專業(yè)班級(jí)13級(jí)通信工程本一學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師二○一五年十二月二十七日引言濾波器設(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。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目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 12課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 23課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 23.1語(yǔ)音信號(hào)的采集 43.2語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析 43.3語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析 63.4利用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器 83.5用濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波 93.6分析濾波前后語(yǔ)音信號(hào)波形及頻譜的變化 103.7回放語(yǔ)音信號(hào) 103.8小結(jié) 11結(jié)論 22致謝 23參考文獻(xiàn) 241緒論數(shù)字信號(hào)處理是利用計(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)。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(wèn)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)initeImpulseResponse)濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)(IIR，InfiniteImpulseResponse)濾波器。FIR濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)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。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)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫(xiě)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。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。2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容錄制一段自己的語(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)），要求：（1）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣；（2）畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；（3）設(shè)計(jì)一個(gè)合適的濾波器，并畫(huà)出濾波器的頻率響應(yīng)曲線；（4）用設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；（5）對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；（6）回放語(yǔ)音信號(hào)。3課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)3.1語(yǔ)音信號(hào)的采集 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?？梢钥吹?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)。3.2語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析利用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。（1）y=wavread（file）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。（2）[y,fs,nbits]=wavread(file)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)。（3）y=wavread（file，N）功能說(shuō)明：讀取錢N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。（4）y=wavread（file，[N1,N2]）功能說(shuō)明：讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。接下來(lái)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)speech.wav進(jìn)行采樣。其程序如下：>>[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。然后，畫(huà)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)參數(shù)xn為被變換的時(shí)域序列向量，N是DFT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。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：[y,fs,bits]=wavread('speech.wav');%sound(y,fs,bits);Y=fft(y,40000);%采樣點(diǎn)數(shù)subplot(211);plot(y);title('原始信號(hào)波形');subplot(212);plot(abs(Y));title('原始信號(hào)頻譜');程序運(yùn)行如下：：3.3語(yǔ)音信號(hào)加噪與頻譜分析在原始信號(hào)中加入高頻噪音，其具體的程序如下：fc=20000;%載波頻率y1=modulate(y,fc,fs,'fm');%對(duì)原語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制Y1=fft(y1,40000);%采樣點(diǎn)數(shù)40000figure(2);subplot(211);plot(y1);title('調(diào)制后信號(hào)波形');subplot(212);plot(abs(Y1));title('調(diào)制后信號(hào)頻譜');%sound(y1);對(duì)原信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得到的波形和頻譜圖如下：接著對(duì)調(diào)制后的信號(hào)加入原始信號(hào)，其程序?yàn)椋?調(diào)制信號(hào)+原始信號(hào)波形y2=y+y1;Y2=fft(y2,40000);%采樣點(diǎn)數(shù)40000figure(3)subplot(211);plot(y2);title('調(diào)制信號(hào)+原始信號(hào)波形');subplot(212);plot(abs(Y2));title('調(diào)制信號(hào)+原始信號(hào)頻譜');%sound(y2);得到的圖形為：;3.4利用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器程序如下所示：figure(4);%用雙線性變換法設(shè)計(jì)的低通濾波器fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs1=22050;wc=2*fc/fs1;wp=2*fp/fs1;[n,wn]=ellipord(wp,wc,Ap,As);[b,a]=ellip(n,Ap,As,wn);freqz(b,a,512,fs1);x=filter(b,a,y2);%對(duì)要進(jìn)行低通濾波X=fft(x,40000);運(yùn)行結(jié)果如圖：3.5用濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波利用設(shè)計(jì)的低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，程序如下：figure(5);subplot(211);plot(x);title('低通濾波后信號(hào)波形');subplot(212);plot(abs(X));title('低通濾波后信號(hào)頻譜');sound(x,40000)運(yùn)行結(jié)果如下圖：3.6分析濾波前后語(yǔ)音信號(hào)波形及頻譜的變化通過(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(jué)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(jiàn)，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。3.7回放語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)以上的加噪聲處理后，可在Matlab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(jué)濾波前后的聲音有明顯的變化。3.8小結(jié)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(kāi)，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)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(kāi)語(yǔ)音文件、顯示已定濾波前后的波形圖，界面沒(méi)有用到其它的一些控件，如列表框、下拉菜單等等。結(jié)論語(yǔ)音信號(hào)處理是語(yǔ)音學(xué)與數(shù)字信號(hào)處理技術(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)。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。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。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(wèn)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)比較加噪前后，語(yǔ)音的頻譜和語(yǔ)音回放，能明顯的感覺(jué)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(jiàn)，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。致謝本次課程設(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(shū)館查閱相關(guān)文獻(xiàn)，遇到難題，共同商討。解決不了的問(wèn)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，那里空調(diào)一直開(kāi)放，我們覺(jué)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(shū)館廣泛查閱相關(guān)資料，圖書(shū)館也熱情地老師幫助，在此，向他們表示致謝。參考文獻(xiàn)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，20082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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