基于語(yǔ)音信號(hào)去噪處理的FIR濾波器設(shè)計(jì)

1、摘要 本次課程設(shè)計(jì)的題目是基于語(yǔ)音信號(hào)去噪處理的FIR濾波器設(shè)計(jì)，主要是利用MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)FIR數(shù)字帶通濾波器，對(duì)一段噪聲環(huán)境下的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)錄制好的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；然后對(duì)原始的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪處理，對(duì)加噪后的信號(hào)進(jìn)行分析，繪出時(shí)域和頻域的分析圖；最后利用設(shè)計(jì)出的FIR帶通濾波器，針對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的性質(zhì)選取一種適合的窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞: FIR帶通濾波器；語(yǔ)音信號(hào)；MATLAB仿真；加噪；濾波目錄前言1第一章 基本原理21.1 語(yǔ)音處理中的采樣原理21.2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)21.3窗函數(shù)法4第二章 F

2、IR帶通濾波器設(shè)計(jì)62.1 FIR濾波器簡(jiǎn)介62.2 FIR帶通濾波器設(shè)計(jì)要求72.3 設(shè)計(jì)方法72.4 設(shè)計(jì)步驟9第三章 FIR帶通濾波器的軟件仿真103.1 程序流程圖103.2 仿真結(jié)果及分析11總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄17致謝22一、 前言在信號(hào)處理過(guò)程中，所處理的信號(hào)往往混有噪音，從接收到的信號(hào)中消除或減弱噪音是信號(hào)傳輸和處理中十分重要的問(wèn)題。根據(jù)有用信號(hào)和噪音信號(hào)的不同特性，提取有用信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為濾波。實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)被稱(chēng)為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類(lèi)控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器應(yīng)用極為廣泛。語(yǔ)音處理是最早應(yīng)用數(shù)字濾波器的領(lǐng)域之一，也是最早推動(dòng)數(shù)字信號(hào)處理理論發(fā)展的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域主要

3、包括5個(gè)方面的內(nèi)容：第一，語(yǔ)音信號(hào)分析。即對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的波形特性，統(tǒng)計(jì)特性，模型參數(shù)等進(jìn)行分析計(jì)算。第二，語(yǔ)音合成。即利用專(zhuān)用硬件或在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行軟件來(lái)產(chǎn)生語(yǔ)音。第三，語(yǔ)音識(shí)別。即利用專(zhuān)用硬件或計(jì)算機(jī)識(shí)別人的講話(huà)，或者識(shí)別說(shuō)話(huà)的人。第四，語(yǔ)音增強(qiáng)。即從噪音或者干擾中提取被掩蓋的語(yǔ)音信號(hào)。第五，語(yǔ)音編碼。主要用于語(yǔ)音數(shù)據(jù)的壓縮，目前已經(jīng)建立了一系列語(yǔ)音編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，大量用于通信和音頻處理。MATLAB是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的語(yǔ)言，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，具有編程效率高、調(diào)試手段豐富、擴(kuò)充能力強(qiáng)等特點(diǎn)。MATLAB的信號(hào)處理工具箱具有強(qiáng)大的函數(shù)功能，它不僅可以用來(lái)設(shè)計(jì)

4、數(shù)字濾波器，還可以使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化，是數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具。第一章 基本原理1.1 語(yǔ)音處理中的采樣原理因?yàn)殇浿频恼Z(yǔ)音信號(hào)是模擬信號(hào)，要想使用數(shù)字濾波器對(duì)疊加了噪聲的信號(hào)進(jìn)行濾波，則在設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器之前首先要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，當(dāng)最高采樣頻率fs大于信號(hào)中最高頻率f的2倍時(shí)，即：fsmax2fmax,采樣之后的數(shù)字信號(hào)可以完整地保留原始信號(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(chēng)奈奎斯特定理。頻帶為F的連續(xù)信號(hào) f(t)可用一系列離散的采樣值f(t1),f(t1±t)，f(t1±2t)，.來(lái)

5、表示,只要這些采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔t1/2F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)f(t)。這是時(shí)域采樣定理的一種表述方式。時(shí)域采樣定理的另一種表述方式是：當(dāng)時(shí)間信號(hào)函數(shù)f(t)的最高頻率分量為fm時(shí),f(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于1/2fm的采樣值來(lái)確定,即采樣點(diǎn)的重復(fù)頻率f2fm。 采樣頻率，也稱(chēng)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(lái)表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫采樣時(shí)間，它是采樣之間的時(shí)間間隔。通俗的講采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)聲音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣位數(shù)和采樣率對(duì)于音

6、頻接口來(lái)說(shuō)是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論采樣頻率如何，理論上來(lái)說(shuō)采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個(gè)采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號(hào)越精確1。1.2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波器(Digital Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)為DF)是指用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的硬件和軟件。所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分的器件。數(shù)字濾波器和模擬濾波器相比，因?yàn)樾盘?hào)的形式和實(shí)現(xiàn)濾波的方式不同，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗

7、匹配等優(yōu)點(diǎn)。一般用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器:一是采用通用計(jì)算機(jī)，把濾波器所要完成的運(yùn)算編成程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn);二是采用實(shí)際專(zhuān)用的數(shù)字處理硬件。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖擊響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即無(wú)限沖擊響應(yīng)IIR濾波器和有限沖擊響應(yīng)FIR濾波器。IIR濾波器的特性是，具有無(wú)限持續(xù)時(shí)間沖擊響應(yīng)。這種濾波器一般需要用遞歸模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而有時(shí)也稱(chēng)之為遞歸濾波器。FIR濾波器的沖擊響應(yīng)只能延續(xù)一定的時(shí)間，在工程實(shí)際中可以采用遞歸的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有多種，如雙線(xiàn)性變換法，窗函數(shù)法，插值逼近法和切比雪夫逼近法等等。隨著MATLA

8、B軟件尤其是MATLAB信號(hào)處理工作的不斷完善，不僅數(shù)字濾波器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有了可能，而且還可以使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化2。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)基本步驟如下：（1）確定指標(biāo)在設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實(shí)際的需要確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻操作。因此，指標(biāo)的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。幅度指標(biāo)主要用以下兩種方式給出。第一種是絕對(duì)指標(biāo)。它提供對(duì)幅度響應(yīng)函數(shù)的要求，一般應(yīng)用于FIR濾波器的設(shè)計(jì)。第二種指標(biāo)是相對(duì)指標(biāo)。它以分貝值的形式給出要求。運(yùn)用線(xiàn)性相位響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)勢(shì)：只包含實(shí)數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算。不存在延時(shí)失真，只有固定數(shù)量的延

9、遲。長(zhǎng)度為N的濾波器，計(jì)算量為N/2數(shù)量級(jí)。（2）逼近確定了技術(shù)指標(biāo)后，就可以建立一個(gè)目標(biāo)的數(shù)字濾波器模型。通常采用理想的數(shù)字濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際濾波器模型來(lái)逼近給定的目標(biāo)。（3）性能分析和計(jì)算機(jī)仿真上兩步的結(jié)果是得到以差分或者系統(tǒng)函數(shù)或者沖擊響應(yīng)描述的濾波器。根據(jù)這個(gè)描述就可以分析器頻率特性和相位特性，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿(mǎn)足指標(biāo)要求：或者利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的濾波器，再分析濾波器結(jié)果來(lái)判斷3。1.3窗函數(shù)法數(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(guò)程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字

10、濾波器有多種分類(lèi)，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(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列。它的設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是確定能滿(mǎn)足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等2。用窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器首先要對(duì)濾波器提出性能指標(biāo)。一般是給定一個(gè)理想的頻率響應(yīng)，使所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的頻率響應(yīng)去逼近所要求的理想的濾波器的響應(yīng)。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的任務(wù)在于尋找一個(gè)可實(shí)現(xiàn)（有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)）的傳遞函數(shù)。用一定寬度窗函數(shù)截取無(wú)限脈沖響應(yīng)序列獲得有限長(zhǎng)的脈沖響應(yīng)序列4。主要設(shè)計(jì)步驟

11、為：（1）通過(guò)傅里葉逆變換獲得理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)。從時(shí)域出發(fā)，截取有限長(zhǎng)的一段沖擊響應(yīng)作為H(z)的系數(shù)，沖擊響應(yīng)長(zhǎng)度N就是系統(tǒng)函數(shù)H(z)的階數(shù)。只要N足夠長(zhǎng)，截取的方法合理，總能滿(mǎn)足頻域的要求。一般這種時(shí)域設(shè)計(jì)、頻域檢驗(yàn)的方法要反復(fù)幾個(gè)回合才能成功。要設(shè)計(jì)一個(gè)線(xiàn)性相位的FIR數(shù)字濾波器，首先要求理想頻率響應(yīng)。是w的周期函數(shù)，周期為，可以展開(kāi)成傅氏級(jí)數(shù)： （1-1）其中是與理想頻響對(duì)應(yīng)的理想單位抽樣響應(yīng)序列。但不能用來(lái)作為設(shè)計(jì)FIR DF用的h(n)，因?yàn)橐话愣际菬o(wú)限長(zhǎng)、非因果的，物理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了設(shè)計(jì)出頻響類(lèi)似于理想頻響的濾波器，可以考慮用h(n)來(lái)近似5。 窗函數(shù)的基本思想：先選

12、取一個(gè)理想濾波器（它的單位抽樣響應(yīng)是非因果、無(wú)限長(zhǎng)的），再截?。ɑ蚣哟埃┧膯挝怀闃禹憫?yīng)得到線(xiàn)性相位因果FIR濾波器，這種方法的重點(diǎn)是選擇一個(gè)合適的窗函數(shù)和理想濾波器6。（2）由性能指標(biāo)確定窗函數(shù)W(n)和窗口長(zhǎng)度N。設(shè)x(n)是一個(gè)長(zhǎng)序列，w(n)是長(zhǎng)度為N的窗函數(shù)，用w(n)截?cái)鄕(n)，得到N點(diǎn)序列xn(n)，即 （1-2）在頻域上則有 （1-3） (3) 求得實(shí)際濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)， h(n)即為所設(shè)計(jì)FIR濾波器系 數(shù)向量。 （1-4）由此可見(jiàn)，窗函數(shù)w(n)不僅僅會(huì)影響原信號(hào)x(n)在時(shí)域上的波形，而且也會(huì)影響到頻域內(nèi)的形狀4。第二章 FIR帶通濾波器設(shè)計(jì)2.1 FIR濾

13、波器簡(jiǎn)介數(shù)字濾波器包括FIR（有限單位脈沖響應(yīng)）濾波器與IIR（無(wú)限單位脈沖響應(yīng)）濾波器兩種。在現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)中，例如數(shù)據(jù)傳輸、雷達(dá)接收以及一些要求較高的電子系統(tǒng)，都越來(lái)越多地要求信道具有線(xiàn)性的相位特性。在這方面，F(xiàn)IR濾波器具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn)性相位特性5。FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)h（n）是有限長(zhǎng)的（0nN-1），其z變換為的（N-1）階多項(xiàng)式： （2-1）可得FIR濾波器的系統(tǒng)差分方程為： （2-2）因此，F(xiàn)IR濾波器又稱(chēng)為卷積濾波器。FIR濾波器的頻率響應(yīng)表達(dá)式為： （2-3）信號(hào)通過(guò)FIR濾波器不失真條件是在通帶內(nèi)具有恒定的幅頻特性和線(xiàn)

14、性相位特性。理論上可以證明：當(dāng)FIR濾波器的系數(shù)滿(mǎn)足下列中心對(duì)稱(chēng)條件： （2-4）或者 （2-5）時(shí)，濾波器設(shè)計(jì)在逼近平直幅頻特性的同時(shí)，還能獲得嚴(yán)格的線(xiàn)性相位特性。線(xiàn)性相位FIR濾波器的相位滯后和群延遲在整個(gè)頻帶上是相等且不變的。對(duì)于一個(gè) N 階的線(xiàn)性相位FIR濾波器，群延遲為常數(shù)，即濾波后的信號(hào)簡(jiǎn)單地延遲常數(shù)個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。這一特性使通帶頻率內(nèi)信號(hào)通過(guò)濾波器后仍保持原有波形形狀而無(wú)相位失真7。FIR濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是選擇有限長(zhǎng)度的h(n)，使傳輸函數(shù)滿(mǎn)足技術(shù)要求。FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有多種，如窗函數(shù)法、頻率采樣法及其它各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，本次設(shè)計(jì)使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器。2.2 FIR

15、帶通濾波器設(shè)計(jì)要求利用MATLAB仿真軟件系統(tǒng)結(jié)合窗函數(shù)法設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字帶通FIR濾波器。設(shè)計(jì)要求：（1）用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)受噪聲影響的信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻譜圖；（2）對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；回放語(yǔ)音信號(hào)，并與原始語(yǔ)音信號(hào)對(duì)比。技術(shù)指標(biāo)：低端阻帶截止頻率 fc11000 Hz 低端通帶截止頻率 fb11200 Hz 高端通帶截止頻率 fb23000 Hz高端阻帶截止頻率 fc23200 Hz通帶衰減系數(shù) ap1dB 阻帶衰減系數(shù) as100 dB2.3 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的方法通常有三種：窗函數(shù)法，頻率抽樣法，等紋波逼近法。本次課程設(shè)計(jì)討論

16、的是第一種窗函數(shù)法。這種方法也叫傅里葉級(jí)數(shù)法。一般是先給定所要求的理想濾波器頻率響應(yīng)，導(dǎo)出，我們知道理想濾波器的沖擊響應(yīng)是無(wú)限長(zhǎng)的非因果序列，而我們要設(shè)計(jì)的是h(n)是有限長(zhǎng)的FIR濾波器，所以要用有限長(zhǎng)序列h(n)來(lái)逼近無(wú)限長(zhǎng)序列，設(shè)： （2-6）常用的方法是使用有限長(zhǎng)的窗函數(shù)w(n)來(lái)截取即： （2-7）根據(jù)在時(shí)域是相乘關(guān)系，在頻域則是卷積關(guān)系： （2-8）其中為矩形窗譜，是FIR濾波器頻率響應(yīng)8。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將無(wú)限長(zhǎng)序列變?yōu)橛邢揲L(zhǎng)序列是通過(guò)時(shí)域加矩形窗乘積來(lái)實(shí)現(xiàn)的截?cái)?。常?jiàn)的窗函數(shù)有：矩形窗，漢寧窗，海明窗，布拉克曼窗，凱澤窗等，下面分別來(lái)討論著幾種常見(jiàn)的窗函數(shù)：矩形窗：窗譜： 幅度函

17、數(shù)： 海明窗：布拉克曼窗：凱澤窗：其中(x)是第一類(lèi)變形修正零階貝塞爾函數(shù) 這些窗函數(shù)的基本參數(shù)如表2-1所示：表2-1 窗函數(shù)的基本參數(shù)名稱(chēng)旁瓣峰值/dB近似過(guò)渡帶寬精確過(guò)渡帶寬最小阻帶衰減/dB矩形窗-134/N1.8/N-21海明窗-418/N6.6/N-53布拉克曼窗-5712/N11/N-74凱澤窗(=7.865)-5710/N-802.4 設(shè)計(jì)步驟 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的主要步驟如下： a.給出希望設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)的函數(shù)； b.根據(jù)允許的過(guò)渡帶寬度及阻帶衰減，初步選定窗函數(shù)及其長(zhǎng)度N； c.根據(jù)技術(shù)要求確定待求濾波器的單位取樣響應(yīng)， d.將與窗函數(shù)相乘得FIR數(shù)字濾波器的

18、單位取樣響應(yīng)， e.按如下方法計(jì)算FIR數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)，并驗(yàn)證是否達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)： （2-9） 或 由計(jì)算幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。計(jì)算式（15）時(shí)可用FFT算法。如果或不滿(mǎn)足要求，可根據(jù)具體情況重復(fù)b,c,d,e步驟，直到滿(mǎn)足技術(shù)要求9。第三章 FIR帶通濾波器的軟件仿真3.1 程序流程圖開(kāi)始在Window下錄制語(yǔ)音將語(yǔ)音格式改為wav對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，畫(huà)出時(shí)域和頻域波形圖加入噪聲畫(huà)出其頻率響應(yīng)用FIR濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)濾波前后的波形并進(jìn)行比較結(jié)束用Blackman窗設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器圖3.1 程序設(shè)計(jì)流程圖首先要錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)錄制好的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻

19、域分析；然后對(duì)原始的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪處理，對(duì)加噪后的信號(hào)進(jìn)行分析，繪出時(shí)域和頻域的分析圖；最后利用設(shè)計(jì)出的FIR帶通濾波器，針對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的性質(zhì)選取一種適合的窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。3.2 仿真結(jié)果及分析對(duì)錄制好的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，編寫(xiě)程序?qū)ζ溥M(jìn)行仿真，原始信號(hào)時(shí)域和頻域仿真圖如圖3.2所示。（程序見(jiàn)附錄）圖3.2 原始信號(hào)的時(shí)域與頻域分析 對(duì)原始信號(hào)加入8.5khz的余弦噪聲，并將噪聲信號(hào)及其加噪后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，仿真結(jié)果如圖3.3所示。（程序見(jiàn)附錄） 圖3.3 噪聲信號(hào)及加噪信號(hào)的時(shí)域與頻域仿真圖仿真分析：通過(guò)對(duì)圖3.2和3.3兩張圖進(jìn)行對(duì)比，可以看出加

20、噪后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形比原始語(yǔ)音信號(hào)渾濁了許多，加噪后的信號(hào)的頻帶寬度也明顯比原始語(yǔ)音信號(hào)的窄；再通過(guò)對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)的回放效果與加噪后的語(yǔ)音信號(hào)回放的效果的對(duì)比，人耳可以明顯辨別出兩種語(yǔ)音信號(hào)不一樣了，加噪后的語(yǔ)音信號(hào)在聽(tīng)覺(jué)上比原始語(yǔ)音信號(hào)要渾濁很多，而且還有混雜音。 利用給定的參數(shù)設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器，對(duì)其在Matlab上進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3.4所示。（程序見(jiàn)附錄）圖3.4 帶通濾波器的幅頻與相頻特性 將加噪后的信號(hào)通過(guò)設(shè)計(jì)出的帶通濾波器進(jìn)行濾波，時(shí)域和頻域的仿真結(jié)果如圖3.5所示。（程序見(jiàn)附錄）圖3.5 加噪信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后的時(shí)域與頻域仿真仿真分析：分析濾波前后信號(hào)的變化，波形圖變窄。頻譜變

21、化表明:信號(hào)的低頻率段和高頻率段被濾除，中間頻率段被保留；分析濾波前后的聲音變化，濾波后聲音一定程度上變的尖銳，與高通濾波器濾波后的聲音相比較低。這說(shuō)明濾波器設(shè)計(jì)基本符合指標(biāo)要求?？偨Y(jié) 在信號(hào)處理過(guò)程中，所處理的信號(hào)往往混有噪音，從接收到的信號(hào)中消除或減弱噪音是信號(hào)傳輸和處理中十分重要的問(wèn)題。根據(jù)有用信號(hào)和噪音信號(hào)的不同特性，提取有用信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為濾波。本次課程設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)FIR數(shù)字帶通濾波器，對(duì)一段錄制好的語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲，在噪聲環(huán)境下對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。 設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)步驟：首先要錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，對(duì)錄制好的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；然后對(duì)原始的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪處

22、理，對(duì)加噪后的信號(hào)進(jìn)行分析，繪出時(shí)域和頻域的分析圖；最后利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出的FIR帶通濾波器，對(duì)加噪后的信號(hào)進(jìn)行濾波，對(duì)比濾波前和濾波后的時(shí)域和頻域的仿真圖對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 經(jīng)過(guò)兩周的時(shí)間，在老師和同學(xué)的幫助下雖然完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，但是還存在許多不足的地方，比如濾波后的語(yǔ)音信號(hào)還是有少許的雜音，沒(méi)有做更多的濾波效果比較等。在以后的工作和學(xué)習(xí)中會(huì)更加努力來(lái)完善設(shè)計(jì)任務(wù)。 參考文獻(xiàn)1 丁玉美. 數(shù)字信號(hào)處理M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003，3.2 朱冰蓮. 數(shù)字信號(hào)處理M. 北京：電子工業(yè)出版社，2003，7. 3 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程（第3版）.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

23、4 陳亞勇等.MATLAB信號(hào)處理詳解.北京：人民郵電出版社，2001.5 萬(wàn)永革.數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn).北京：科學(xué)出版社，2007.6 王力寧.MATLAB與通信仿真.北京：人民郵電出版社，1999.7 宋壽鵬.數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用.江蘇：江蘇大學(xué)出版社,2007.8 普埃克著,方艷梅譯.數(shù)字信號(hào)處理(第四版).北京：電子工業(yè)出版社,2007.9 劉波MATLAB信號(hào)處理M北京：電子工業(yè)出版社，2006.附錄%原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域與頻域分析y,fs,nbits=wavread ('H:信號(hào)處理課設(shè)新建文件夾標(biāo)準(zhǔn)狼叫.wav');y=y(:,1); N=length

24、 (y); %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度Y=fft(y,N); %傅里葉變換subplot(2,1,1);t=(0:N-1)/fs; figure(1);plot(t,y);axis(0 12 -1.5 1.5);title('原始信號(hào)波形');subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title('原始信號(hào)頻譜');%對(duì)噪聲信號(hào)及加噪信號(hào)進(jìn)行時(shí)域與頻域的譜分析f=fs*(0:1023)/2048;Au=0.5;d=Au.*cos(2*pi*8500*t)' %噪聲為8.5kHz的余弦信號(hào)d=d(:,1); dd=fft(d,N); %傅里葉變換fi

25、gure(2);subplot(2,1,1);plot(t,d);axis(0 12 -0.6 0.6)title('噪聲信號(hào)波形');subplot(2,1,2);plot(abs(dd);title('噪聲信號(hào)頻譜');x2=y+d;S=fft(x2); figure(3);subplot(2,1,1);plot(t,x2);axis(0 12 -2 2)title('加噪信號(hào)波形');subplot(2,1,2);plot(abs(S);title('加噪信號(hào)頻譜');%帶通濾波器的設(shè)計(jì)fp1=1200;fp2=3000;f

26、s1=1000;fs2=3200;Fs=8000;%輸入設(shè)計(jì)指標(biāo)wp1=fp1/(Fs/2);%計(jì)算歸一化角頻率wp2=fp2/(Fs/2);ws1=fs1/(Fs/2);ws2=fs2/(Fs/2);deltaw=wp1-ws1;%計(jì)算過(guò)渡帶的寬度N0=ceil(11/deltaw);%按布萊克曼窗設(shè)計(jì)算濾波器長(zhǎng)度N=N0+mod(N0+1,2)%為實(shí)現(xiàn)FIR類(lèi)型I偶對(duì)稱(chēng)濾波器，應(yīng)確保N為奇數(shù)windows=blackman(N);%使用布萊克曼窗wc1=(ws1+wp1)/2;%截止頻率取通阻帶頻率的平均值wc2=(ws2+wp2)/2;b=fir1(N-1,wc1,wc2,windows

27、);%用fir1子函數(shù)求系統(tǒng)函數(shù)系數(shù)db,mag,pha,grd,w=freqz_m(b,1);n=0:N-1;dw=2/1000;Rp=-(min(db(wp1/dw+1:wp2/dw+1)ws0=1:ws1/dw+1,ws2/dw+1:501;As=-round(max(db(ws0)figure(4);subplot(2,2,1)stem(0:N-1,b);axis(0,N,1.1*min(b),1.1*max(b);title('實(shí)際脈沖響應(yīng)');xlabel('n');ylabel('h(n)');subplot(2,2,2)stem(

28、n,windows);axis(0,N,0,1.1);title('窗函數(shù)特性');xlabel('n');ylabel('wh(n)');subplot(2,2,3)plot(w/pi,db);axis(0,1,-100,10);title('幅頻響應(yīng)');xlabel('頻率(×pi)');ylabel('H(e(jomega)');set(gca,'XTickMode','manual','XTick',0,wc1,wc2,1);set(gca,'XTickMode',