數(shù)字信號處理課程設(shè)計報告語音信號去噪處理

1、數(shù)字信號處理課程設(shè)計報告題目： 語音信號去噪處理 專業(yè)班級 xxxxxxxxx 學(xué) 號 xxxxxxxxxxxxx 學(xué)生姓名 xxxxxx 指導(dǎo)教師 張培玲 教師評分 2016年 1月 13日語音信號濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的巴特沃斯濾波摘要 本課程設(shè)計主要運用麥克風(fēng)采集一段語音信號，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的一個滿足指標(biāo)的巴特沃斯iir濾波器，對該語音信號進(jìn)行濾波去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果和學(xué)過的理論得出合理的結(jié)論。關(guān)鍵詞 課程設(shè)計；濾波去噪；巴特沃斯濾波器；脈沖響應(yīng)不變法；matlab目 錄一、設(shè)計目的與要求. 4二、總

2、體設(shè)計方案. 5 2.1實驗步驟 5 2.2設(shè)計內(nèi)容 . 6 2.3語音信號的頻譜分析 7 2.4濾波器設(shè)計. 8 2.5結(jié)果分析. 13三、設(shè)計原理結(jié)果與仿真分析 13 3.1設(shè)計原理 . 13 3.2 仿真結(jié)果與分析 13四、結(jié)論 14五、心得體會 14參考文獻(xiàn) 14附錄. 15一、設(shè)計目的與要求1.1 課程設(shè)計目的數(shù)字信號處理課程設(shè)計是在學(xué)生完成數(shù)字信號處理和matlab的結(jié)合后的基本實驗以后開設(shè)的。本課程設(shè)計的目的是為了讓學(xué)生綜合數(shù)字信號處理和matlab并實現(xiàn)一個較為完整的小型濾波系統(tǒng)。這一點與驗證性的基本實驗有本質(zhì)性的區(qū)別。開設(shè)課程設(shè)計環(huán)節(jié)的主要目的是通過系統(tǒng)設(shè)計、軟件仿真、程序安

3、排與調(diào)試、寫實習(xí)報告等步驟，使學(xué)生初步掌握工程設(shè)計的具體步驟和方法，提高分析問題和解決問題的能力，提高實際應(yīng)用水平。1.2 課程設(shè)計的要求（1）濾波器指標(biāo)必須符合工程設(shè)計。（2）設(shè)計完后應(yīng)檢查其頻率響應(yīng)曲線是否滿足指標(biāo)。（3）處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。（4）獨立完成課程設(shè)計并按要求編寫課程設(shè)計報告。2、 總體設(shè)計方案2.1設(shè)計步驟開始語音信號濾波去噪使用脈沖不變響應(yīng)法設(shè)計的巴特沃斯濾波器的設(shè)計流程如圖3.1.1所示：語音信號的采集（wavread函數(shù)），畫時域圖快速傅里葉變換，并且畫頻譜圖設(shè)定濾波器性能指標(biāo)，通帶截止頻率fb=1100，阻帶截止頻率fc=1200，通帶波紋ap

4、=1，阻帶波紋as=20脈沖響應(yīng)不變法法設(shè)計巴特沃斯濾波器驗證并進(jìn)行頻譜分析設(shè)計好的濾波器進(jìn)行濾波處理比較濾波前后語音信號的波形及頻譜回放語音信號結(jié)束圖2.1.1 脈沖響應(yīng)不變法巴特沃斯濾波器對語音信號去噪流程圖2.2設(shè)計內(nèi)容 用麥克風(fēng)采集一段語音信號，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的一個滿足指標(biāo)的巴特沃斯iir濾波器，對該語音信號進(jìn)行濾波去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析點擊windows系統(tǒng)桌面的“開始”按鈕，點擊開始菜單欄里的“附件”，選擇“錄音機”選項，點擊錄音機“文件”選項，進(jìn)入“聲音選定”設(shè)置，把屬性一欄設(shè)置成“8000hz，8位，單聲道，7

5、kb/秒”(見圖3.2.1)。點擊確定，然后開始語言信號的采集，采集時間為1秒左右為最佳。采集的聲音文件以“.wav”格式存儲（見圖3.2.2）。圖2.2.1 采集聲音的參數(shù)設(shè)置圖2.2.2 采集聲音2.3語音信號的頻譜分析在matlab中編輯m函數(shù)，使用wavread函數(shù)讀取采集的聲音文件（.wav)將它賦值給某一向量，再對其進(jìn)行采樣,然后使用plot語句畫出相關(guān)的頻譜圖形在figure(1）上。（1）wavread函數(shù)調(diào)用格式：y,fs,nbits=wavread(file)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)。（2）快速傅里葉變換算法fft計算d

6、ft的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：xk=fft(x,n)參數(shù)x為被變換的時域序列向量，n是dft變換區(qū)間長度，當(dāng)n大于x的長度時，fft函數(shù)自動在x后面補零。，當(dāng)n小于xn的長度時，fft函數(shù)計算x的前n個元素，忽略其后面的元素。在本次課程設(shè)計中，我們利用fft函數(shù)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。（3）聲音采樣文件讀取的程序（文件名：c.wav)%用麥克風(fēng)采集一段8000hz，8k的單聲道語音信號，繪制波形并觀察其頻譜x, fs, nbits = wavread(c.wav)figure(1)n=length(x)x1=fft(x,n)x2=abs(x1)x3=angl

7、e(x1)subplot(4,1,1);stem(x);title(原信號時域)subplot(4,1,2);stem(x1);title(原信號fft)subplot(4,1,3);stem(x2);title(fft幅值)subplot(4,1,4);stem(x3);title(fft相角)所得語音頻譜分析圖見圖2.3.1圖2.3.1 聲音信號的頻譜分析（第一幅是時域波形；采樣1是fft后波形；采樣2是頻域幅度譜；采樣3是頻域相位譜）2.4濾波器設(shè)計設(shè)計指標(biāo)：通帶截止頻率為1100hz，阻帶截止頻率為1200hz，通帶波紋為1db，阻帶波紋為20db，用脈沖（沖激）響應(yīng)不變法設(shè)計的一個滿

8、足上述指標(biāo)的巴特沃思iir濾波器%巴特沃思低通濾波器fs=8000; %采樣頻率wp=1100*2/fs;ws=1200*2/fs;%根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)化rp=1;rs=20;%通帶波紋和阻帶波紋nn=128;n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%求濾波器的最小階數(shù)和3db固有頻率b,a=butter(n,wn)%設(shè)計butterworth低通濾波器，返回濾波器的系數(shù)矩陣figure(2);h,f=freqz(b,a,nn,fs);%用nn點求得頻率特性，h為n個點處的頻率響應(yīng)復(fù)值輸出向量；f為與第n點處對應(yīng)的頻率值f(hz)subplot(2,1,1);plot(

9、f,20*log10(abs(h);title(濾波器特性)%20log10(abs(h)db為頻響幅值曲線幅值xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;%濾波器幅頻特性subplot(2,1,2);plot(f,180/pi*unwrap(angle(h);%angle(h)為頻響相位曲線相位值xlabel(頻率/hz);ylabel(相位/o);grid on;%濾波器相頻特性巴特沃思低通濾波器的相位譜和振幅譜見圖2.4.1圖2.4.1 利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的數(shù)字巴特沃斯濾波器（w(單位：)使用巴特沃思低通濾波器對語音信號進(jìn)行去噪處理，編寫程序如下：dt=1

10、/fs;%采樣間隔t=0;(length(x1)-1)*dt;%時間序列figure(3)subplot(2,1,1);plot(x1);title(輸入信號);y=filter(b,a,x1);%對輸入信號進(jìn)行濾波subplot(2,1,2);plot(y);title(輸出信號);%繪制輸出信號xlabel(時間/s)%比較濾波前后語音信號的波形am=abs(y);pha=angle(y);figure(4);subplot(4,1,1);plot(am);title(濾波后幅值)subplot(4,1,2);plot(pha);title(濾波后相位)subplot(4,1,3);plo

11、t(x2);title(濾波前幅值)subplot(4,1,4);plot(x3);title(濾波前相位) %比較濾波前后語音信號的頻譜濾波前后的波形見圖2.4.2圖2.4.2濾波前后波形比較圖濾波前后波形的頻域幅值譜和相位譜的比較圖2.4.3圖2.4.3 濾波前后波形的頻域幅值譜和相位譜的比較圖%用麥克風(fēng)采集一段8000hz，8k的單聲道語音信號，繪制波形并觀察其頻譜x, fs, nbits = wavread(c.wav)figure(1)n=length(x)x1=fft(x,2000)x2=abs(x1)x3=angle(x1)subplot(4,1,1);plot(x);title

12、(原信號時域)subplot(4,1,2);plot(x1);title(原信號fft)subplot(4,1,3);plot(x2);title(fft幅值)subplot(4,1,4);plot(x3);title(fft相角)%巴特沃思低通濾波器fs=8000; %采樣頻率wp=1100*2/fs;ws=1200*2/fs;%根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)化rp=1;rs=20;%通帶波紋和阻帶波紋nn=128;n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%求濾波器的最小階數(shù)和3db固有頻率b,a=butter(n,wn)%設(shè)計butterworth低通濾波器，返回濾波器的系數(shù)矩

13、陣figure(2);h,f=freqz(b,a,nn,fs);%用nn點求得頻率特性，h為n個點處的頻率響應(yīng)復(fù)值輸出向量；f為與第n點處對應(yīng)的頻率值f(hz)subplot(2,1,1);plot(f,20*log10(abs(h);title(濾波器特性)%20log10(abs(h)db為頻響幅值曲線幅值xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;%濾波器幅頻特性subplot(2,1,2);plot(f,180/pi*unwrap(angle(h);%angle(h)為頻響相位曲線相位值xlabel(頻率/hz);ylabel(相位/o);grid on;%

14、濾波器相頻特性dt=1/fs;%采樣間隔t=0;(length(x1)-1)*dt;%時間序列figure(3)subplot(2,1,1);plot(x1);title(輸入信號);y=filter(b,a,x1);%對輸入信號進(jìn)行濾波subplot(2,1,2);plot(y);title(輸出信號);%繪制輸出信號xlabel(時間/s)%比較濾波前后語音信號的波形am=abs(y);pha=angle(y);figure(4);subplot(4,1,1);plot(am);title(濾波后幅值)subplot(4,1,2);plot(pha);title(濾波后相位)subplot

15、(4,1,3);plot(x2);title(濾波前幅值)subplot(4,1,4);plot(x3);title(濾波前相位)%比較濾波前后語音信號的頻譜2.5 結(jié)果分析 根據(jù)3.5.1 的濾波前后波形的頻域幅值譜和相位譜的比較圖（圖3.5.2）得：從幅值的大小來說，濾波后的幅值變小；從相位的稀疏度來說，濾波后的相位較為稀疏。由此可以得出，通過巴特沃思低通濾波器的濾波，濾除了采樣文件中夾雜的噪聲，濾波成功。三、設(shè)計原理結(jié)果與仿真分析3.1 設(shè)計原理用麥克風(fēng)采集一段語音信號，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的一個滿足指標(biāo)的巴特沃斯iir濾波器，對該語音信號進(jìn)行濾波

16、去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析。3.2結(jié)果與分析 在這次的課程設(shè)計中我們設(shè)計的濾波器對語音信號的濾噪處理或多或少會因為我們的疏忽或者實踐能力不夠還是會遇到問題的，當(dāng)遇到問題時我們不但運用自己學(xué)到的知識還得到同學(xué)和老師的幫助將其解決，不斷完善和修改。設(shè)計中出現(xiàn)的問題及解決方法如下：（1）所有的時間波形橫坐標(biāo)都要化為時間，濾波前后頻譜的橫坐標(biāo)應(yīng)是頻率，這樣在觀察通帶截止頻率和阻帶截止頻率時更加精確，誤差較小。（2）在運用matlab設(shè)計濾波器時，當(dāng)編輯完前面兩條程序時無法放出聲音，后來發(fā)現(xiàn)我們應(yīng)當(dāng)把采集的語音信號wav文件放到matlab的work文件夾中。（3）還要在濾波器性能曲線

17、的wc處畫一根豎線，這樣更方便看出結(jié)果，其中wc處線的確定還需計算出wb/pi的值。（4）設(shè)計的濾波器達(dá)不到要求，因為在采集語音信號時，錄音機的音頻格式應(yīng)該是pcm 8000khz，8位，單聲道。四、結(jié)論課程設(shè)計總結(jié)拿到語音信號濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計的巴特沃斯濾波題目后，我通過去圖書館查閱相關(guān)書籍及在網(wǎng)上搜集相關(guān)的資料，獲得了有關(guān)于濾波器的仿真相關(guān)的信息，經(jīng)過學(xué)習(xí)建出巴特沃斯濾波器的仿真模型，在調(diào)試過程中，有金曉華老師的悉心指導(dǎo)，整個設(shè)計過程較為順利。很早的就完成了任務(wù)。通過本周實習(xí)，不僅使我對數(shù)字信號處理這門課有了更深刻的了解，加強了對理論知識的學(xué)習(xí)。而且使我切體會到數(shù)字信號處理技術(shù)

18、在我們現(xiàn)實生活中的用處之大，懂得如何更好更熟練地進(jìn)行有用資料的收集，有益于我今后的學(xué)習(xí)?？偠灾局艿恼n程設(shè)計使我受益匪淺。五、心得體會本次matlab課程設(shè)計主要任務(wù)是完成fir數(shù)字濾波器的設(shè)計，對我來說這個題目還是很有挑戰(zhàn)性的，因為自己對matlab中有關(guān)濾波器的設(shè)計知識了解較少，但正是這種有挑戰(zhàn)性的題目才能提高自己的能力，才有研究價值，入手這個題目后我查閱了相關(guān)的資料，也從網(wǎng)上獲得了不少有關(guān)matlab設(shè)計濾波器的資料，加上自己之間對matlab有一定的了解，因而設(shè)計思路漸漸明朗，經(jīng)過自己的不斷嘗試和探索，終于弄明白了fir濾波器的工作原理，通過查閱相關(guān)資料和研究matlab中提供的幫

19、助信息，我也明白了fir濾波器設(shè)計相關(guān)的一些函數(shù)的使用方法，并用它們來設(shè)計fir濾波器，最終完成了題目。 在設(shè)計過程中，我也遇到了很多不懂得地方，程序經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，尤其是在利用所設(shè)計的濾波器對模擬出來的數(shù)字序列濾波時，出現(xiàn)很多錯誤，但經(jīng)過自己的不斷努力和嘗試，最終還是解決了問題。同時，在書寫報告的過程中，更加深入的學(xué)會了對word的使用，其中遇到最大的困難就是如何在word中添加設(shè)計fir數(shù)字濾波器過程中計算所需的公式，雖然書寫起來很麻煩，但是最終通過不斷的探索和努力還是完成了。參考文獻(xiàn)1 郭士劍，王寶順，賀志國，楊可心 等. matlab7.x數(shù)字信號處理,北京：人民郵電出版社.2006年1

20、2月 2 程佩青. 數(shù)字信號處理教程.北京：清華大學(xué)出版社.2010年5月 3 徐明遠(yuǎn)，劉增力. matlab仿真在信號處理中的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2007年11月4 羅軍輝,羅勇江，白義臣，龐娜 等. matlab7.0在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社.2005年5月5 萬永革. 數(shù)字信號處理的matlab實現(xiàn).北京：科學(xué)出版社.2007年4月附錄利用wavread函數(shù)對語音信號進(jìn)行采樣，其程序如下：y,fs,bits=wavread(1.wav); y=y(:,1); siglength=length(y); y = fft(y,siglength); pyy = y.* conj(y) / siglength; halflength=floor(siglength/2); f=fs*(0:halflength)/siglength; figure;plot(f,pyy(1:halflength+1);xlabel(