音頻信號噪聲處理

1、音頻信號噪聲處理一、 實驗目的1. 熟練掌握濾波器的基本原理2 . 熟悉濾波器的應用3. 進一步掌握FIR濾波器的不同設計方法4. 學習matlab中濾波器設計工具fdatool的使用二、實驗原理若想對于信號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：調制和解調：調制就是用基帶信號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調信號傳輸，而解調是調制的反過程，通過具體的方法從已調信號的參量變化中將恢復原始的基帶信號。 調制的種類很多，分類方法也不一致。按調制信號的形式可分為模擬調制和數字調制。用模擬信號調制稱為模擬調制；用數據或數字信號調制稱為數字調制。按被調信號的種類

2、可分為脈沖調制、正弦波調制和強度調制(如對非相干光調制)等。調制的載波分別是脈沖，正弦波和光波等。正弦波調制有幅度調制、頻率調制和相位調制三種基本方式，后兩者合稱為角度調制。此外還有一些變異的調制，如單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。脈沖調制也可以按類似的方法分類。此外還有復合調制和多重調制等。不同的調制方式有不同的特點和性能。 解調是從攜帶消息的已調信號中恢復消息的過程。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載波進行調制，產生攜帶這一消息的信號。接收端必須恢復所傳送的消息才能加以利用，這就是解調。 解調是調制的逆過程。調制方式不同，解調方法也不一樣。與調制的分類相對應，解調可分為正弦

3、波解調（有時也稱為連續(xù)波解調）和脈沖波解調。正弦波解調還可再分為幅度解調、頻率解調和相位解調。同樣，脈沖波解調也可分為脈沖幅度解調、脈沖相位解調、脈沖寬度解調和脈沖編碼解調等。對于多重調制需要配以多重解調。 解調的方式有正弦波幅度解調、正弦波角度解調和共振解調技術。FDAtool：FDATool(Filter Design and Analysis Tool)是MATLAB信號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可視化濾波器集成設計環(huán)境，用戶可以方便地設計幾乎所有的常規(guī)濾波器，包括FIR和IIR 的各種設計方法。上圖為FDATool設計界面。用戶可根據需要設計各種

4、濾波器。三、實驗內容待處理信號：wav格式音頻信號二維數據采樣率44.1kHz音頻信號主要集中在03.4KHz范圍頻譜如下圖： 頻譜圖分為以下四個部分：有效音頻信號、單頻干擾、帶外噪聲、白噪聲對于這種情況，我們可以使用不同的濾波器，根據情況逐步分離處理出原音頻信號。1. 通過FFT得到原始信號頻譜2. 消除單頻干擾根據上一小節(jié)頻譜分析的結果，可以編寫一個Matlab小程序計算幅度最大頻率的位置（maxFind.m）。程序讀入經過FFT變換的原始波形，計算頻率譜幅度最大的頻率點，得到max_f=1049Hz。這里我們使用等波紋帶阻濾波器，其設計參數如下圖：Fs=44100HzFpass1=900

5、HzFstop1=1000HzFstop2=1100HzFpass2=1200HzApass1=1dBAstop=50dBApass2=1dB其時域響應如下圖所示：音頻信號經過等波紋帶阻濾波器后所得到的頻域響應如下圖所示：從圖中可以看到，單頻噪聲已經被濾除。3. 消除帶外噪聲和白噪聲因為樂音一般都在03.4kHz之間，所以低通濾波器所需參數可設計為：Fs=44100HzFpass=3400HzFstop=3500HzApass=1dBAstop=50dB返回一個748階的濾波器，其時域響應如下圖：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，得到的信號就是原來的音頻信號。保存

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

7、ser窗設計參數如下：Bata=5.658(因為50dB的Beta值可能效果沒有這個好，就改為60dB的Beta了)Fs=44100HzFc=3450Hz時域響應如下圖：濾波后的頻域響應如下圖：可見Kaiser窗也比較好的恢復了原始音頻信號。（4） 三種窗函數的比較通過三種窗函數設計出的濾波器都能較好的恢復原始音頻信號，這在使用播放器播放時，用耳朵是比較難分辨的，但三種窗函數的性能還是有所差別。Hamming窗設計的濾波器阻帶前段增益較大；Blackman窗設計的濾波器過渡帶增益很大，阻帶前段增益也很大，但對于高頻的衰減非常好；Kaiser窗設計的濾波器過渡帶和阻帶的衰減都比較不錯。三種窗函數的差別主要體現在過渡帶和阻帶的參數上，雖然有所差異，但都有較好的濾波性能。5. 解調噪聲解調噪聲需使用帶通濾波器對相應頻段進行濾波，設計參數如下：Fs=44100HzFstop1=5900HzFpass1=6000HzFpass2=10000HzFstop2=10100HzAstop1=80dBApass=1dBAstop2=80dB濾波后得到的噪聲頻譜如下圖：采用相干解調和幅度放大后得到的頻譜如下：可還原出另一個噪音極大音樂。四、實驗討論本次聲音信號噪聲處理實驗雖然代碼量不是很大，內容也不復雜，但整個設計和處理的過程非常有意義，以前雖然早就接觸調制解調和濾波等知識，但只限于書本，通過這次