語音信號的噪聲分析及濾波的過程研究

1、電網(wǎng)絡(luò)理論課程設(shè)計與報告 題 目： 語音信號的噪聲分析及濾波的過程研究 一、 語音信號的噪聲分析及濾除一般過程 選擇一個語音信號作為分析的對象，或錄制一段格式為 *.wav各人自己的語音信號，對其進行頻譜分析；利用MATLAB中的隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其進行頻譜分析；設(shè)計數(shù)字濾波器， 并對被噪聲污染的語音信號進行濾波， 分析濾波后信號的時域和頻域特征，回放語音信號。其流程圖如下所示：二、 音頻信號、噪聲的分析(一）、音頻信號分析音頻信號的頻率范圍在20Hz-20000Hz，是人耳可以聽到的頻率范圍，超過這個范圍的音頻信號沒有意義。語音的頻率范圍在30-100

2、0Hz之間。(二)、噪聲的產(chǎn)生 噪聲的來源一般有環(huán)境設(shè)備噪聲和電氣噪聲。環(huán)境噪聲一般指在錄音時外界環(huán)境中的聲音，設(shè)備噪聲指麥克風(fēng)、聲卡等硬件產(chǎn)生的噪聲，電氣噪聲有直流電中包含的交流聲，三極管和集成電路中的無規(guī)則電子運動產(chǎn)生的噪聲，濾波不良產(chǎn)生的噪聲等。這些噪聲雖然音量不大(因為在設(shè)備設(shè)計中已經(jīng)盡可能減少噪聲)，但參雜在我們的語音中卻感到很不悅耳，尤其中在我們語音的間斷時間中，噪聲更為明顯。三、 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換可分為4個階段：即采樣、保持、量化和編碼。 采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成時間上離散的信號，根據(jù)奈奎斯特采樣定理fsZZfh，如果采樣信號頻率大于或等于2倍的最高頻率成分

3、，則可以從采樣后的信號無失真地重建恢復(fù)原始信號?？紤]到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的非線性失真、量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣頻率一般取253倍的最高頻率成分。 要把一個采樣信號準確地數(shù)字化，就需要將采樣所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。保持是將時間離散、數(shù)值連續(xù)的信號變成時間連續(xù)、數(shù)值離散信號，雖然邏輯上保持器是一個獨立的單元，但是，實際上保持器總是與采樣器做在一起，兩者合稱采樣保持器。圖給出了A/D采樣電路的采樣時序圖，采樣輸出的信號在保持期間即可進行量化和編碼。 量化是將時間連續(xù)、數(shù)值離散的信號轉(zhuǎn)換成時間離散、幅度離散的信號；編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。到此，也就完成

4、了A/D轉(zhuǎn)換，這些過程通常是合并進行的。例如，采樣和保持就經(jīng)常利用一個電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在保持過程中實現(xiàn)的。四、 通用串行總線(一)、 USB總線的分析 USB標(biāo)準采用NRZI方式（翻轉(zhuǎn)不歸零制）對數(shù)據(jù)進行編碼。翻轉(zhuǎn)不歸零制（non-return to zero,inverted），電平保持時傳送邏輯1，電平翻轉(zhuǎn)時傳送邏輯0。USB 接頭提供一組5伏特的電壓，可作為相連接USB設(shè)備的電源。實際上，設(shè)備接收到的電源可能會低于5V，只略高于4V。USB規(guī)范要求在任何情形下，電壓均不能超過5.25V；在最壞情形下（經(jīng)由USB供電HUB所連接的LOW POWER設(shè)備）電壓均不能低于4.375

5、V，一般情形電壓會接近5V。 (二)、PCI總線 PCI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能，它為顯卡，聲卡，網(wǎng)卡，MODEM等設(shè)備提供了連接接口，它的工作頻率為33MHz/66MHz。五、 語音信號雜音濾除的具體實現(xiàn)(一)、語音信號的采集 利用PC 機上的聲卡和WINDOWS 操作系統(tǒng)可以進行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機的語音輸入插口上,啟動錄音機。按下錄音按鈕,接著

6、對話筒說話“語音信號處理”,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點擊放音按鈕,可以實現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“speech”保存入X: MATLAB work 中。可以看到,文件存儲器的后綴默認為*.wav ,這是WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準。(二)、語音信號的時頻分析 利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)。其格式是：y=wavread（file）功能是讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。 接下來，對語音信號OriSound.wav進行采樣。其程序是y,fs,

7、nbits=wavered (OriSound); 把語音信號加載入Matlab 仿真軟件平臺中。 然后，畫出語音信號的時域波形，再對語音信號進行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式是Xk=fft(xn,N)。參數(shù)xn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xn的長度時，fft函數(shù)自動在xn后面補零。，當(dāng)N小于xn的長度時，fft函數(shù)計算xn的前N個元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計中，我們利用fft對語音信號進行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。其程序如下：fs=22050; y,fs,nbits=wavread (O

8、riSound.wav);sound(y,fs,nbits); %回放語音信號N= length (y) ; %求出語音信號的長度Y=fft(y,N); %傅里葉變換subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信號波形);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信號頻譜)程序結(jié)果如下圖：圖1 原始信號波形及頻譜(三)、語音信號加噪與頻譜分析MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，有兩個產(chǎn)生高斯白噪聲的兩個函數(shù) 。我們可以直接應(yīng)用兩個函數(shù)：一個是WGN，另一個是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。也可直接用r

9、andn函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。在本次課程設(shè)計中，用MATLAB中的隨機函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析。Randn函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者產(chǎn)生nn服從標(biāo)準高斯分布的隨機數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生mn的隨機數(shù)矩陣。在這里，用Randn（m,n）函數(shù)。語音信號添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：y,fs,nbits=wavread (OriSound.wav);N = length (y) ; %求出語音信號的長度Noise=0.01*randn(n,2); %隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲Si=y+Noise; %語音信

10、號加入噪聲 sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title(加噪語音信號的時域波形);S=fft(Si); %傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(S); title(加噪語音信號的頻域波形);程序結(jié)果如下圖：圖2 加噪后的波形及頻譜分析六、 數(shù)字濾波器設(shè)計 濾波器設(shè)計方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法進行的。其設(shè)計步驟是：先設(shè)計過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)H（s），然后將H（s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣等。具體設(shè)計步驟如下： （1）確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指

11、標(biāo)。 （2）將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為=2/T tan(0.5) (3)將相應(yīng)類型的模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標(biāo)。 （4）設(shè)計模擬低通濾波器。 （5）通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器。 （6）采用雙線性變換法將相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。 脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點是會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻響偏離模擬濾波器的頻響特性。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。 （1）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。 （2）計算h(n)。 （3）加窗得到設(shè)計結(jié)果。 接下來，我們根

12、據(jù)語音信號的特點給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器的性能指標(biāo)：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB高通濾波器的性能指標(biāo)：fp=3500Hz，fc=4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；帶通濾波器的性能指標(biāo)：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB數(shù)字濾波器的主要程序：1、低通濾波器:wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;fp=2*Ft*tan(wp/2);fs=2*Fs*tan(wp/2);n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,s);

13、%求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率b11,a11=butter(n11,wn11,s); %求S域的頻率響應(yīng)的參數(shù) num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5); %雙線性變換實現(xiàn)S域到Z域的變換 h,w=freqz(num11,den11); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);legend(用butter設(shè)計);圖3 低通濾波器2、帶通wp1=tan(pi*Fp1/Ft); %帶通到低通濾波器的轉(zhuǎn)換wp2=tan(pi*Fp2/Ft);ws1=tan(pi*Fs1/Ft);ws2=tan(pi*Fs2/Ft);w=wp1*wp2/ws

14、2;bw=wp2-wp1;wp=1;ws=(wp1*wp2-w.2)/(bw*w);n12,wn12=buttord(wp,ws,1,50,s); %求低通濾波器階數(shù)和截止頻率b12,a12=butter(n12,wn12,s); %求S域的頻率響應(yīng)參數(shù)num2,den2=lp2bp(b12,a12,sqrt(wp1*wp2),bw);%將S域低通參數(shù)轉(zhuǎn)為帶通的num12,den12=bilinear(num2,den2,0.5);%雙線性變換實現(xiàn)S域到Z域的轉(zhuǎn)換h,w=freqz(num12,den12); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng)plot(w*8000*0.5/pi,abs(h);axis(

15、0 4000 0 1.5);legend(用butter設(shè)計);圖4 帶通濾波器七、 用濾波器對加噪語音信號進行濾波（一）、濾波 用自己設(shè)計的各濾波器分別對加噪的語音信號進行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。 函數(shù)fftfilt用的是重疊相加法實現(xiàn)線性卷積的計算。調(diào)用格式為：y=fftfilter(h,x,M)。其中，h是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)向量；x是輸入序列向量；y是系統(tǒng)的輸出序列向量；M是有用戶選擇的輸入序列的分段長度，缺省時，默認的輸入向量的重長度M=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter

16、(B，A.xn)，它是按照直線型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對xn的濾波。其中xn是輸入信號向量，yn輸出信號向量。1、低通濾波器y,fs,nbits=wavread (speech.wav);n = length (y) ; %求出語音信號的長度noise=0.01*randn(n,2); %隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y+noise; %語音信號加入噪聲S=fft(s); %傅里葉變換z11=filter(num11,den11,s);sound(z11);m11=fft(z11); %求濾波后的信號subplot(2,2,1);plot(abs(S),g);title(濾波前信號的頻譜);grid;subplot(

17、2,2,2);plot(abs(m11),r);title(濾波后信號的頻譜);grid;subplot(2,2,3);plot(s);title(濾波前信號的波形);grid;subplot(2,2,4);plot(z11);title(濾波后的信號波形);圖5 性法低通濾波2、帶通濾波器y,fs,nbits=wavread (speech.wav);n = length (y) ; %求出語音信號的長度noise=0.01*randn(n,2); %隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y+noise; %語音信號加入噪聲S=fft(s); %傅里葉變換z12=filter(num12,den12,s);s

18、ound(z12);m12=fft(z12); %求濾波后的信號subplot(2,2,1);plot(abs(S),g);title(濾波前信號的頻譜);subplot(2,2,2);plot(abs(m12),r);title(濾波后信號的頻譜);subplot(2,2,3);plot(s);title(濾波前信號的波形);subplot(2,2,4);plot(z12);title(濾波后的信號波形);圖6 帶通濾波（二）、回放語音信號 經(jīng)過以上的加噪聲處理后，可在Matlab中用函數(shù)sound對聲音進行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,b

19、its)?？梢圆煊X濾波前后的聲音有明顯的變化?？偨Y(jié): 語音信號的噪聲分析及濾除一般包括以下步驟：語音信號的采樣、保持、模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)化、通過USB設(shè)備或者PCI設(shè)備采集到電腦、時域/頻域分析、設(shè)計濾波器、濾波，與原來語音信號進行比對，改進濾波器等步驟。 本次課程設(shè)計的主要內(nèi)容是濾波器設(shè)計，數(shù)字濾波器是濾波器設(shè)計的重要組成部分。利用MATLAB信號處理工具箱可以快速有效地設(shè)計各種數(shù)字濾波器。課題基于MATLAB有噪音語音信號處理的設(shè)計與實現(xiàn)，綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識對加噪聲語音信號進行時域、頻域分析和濾波。通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進行計算機實現(xiàn)。在設(shè)計實現(xiàn)的過程中，使用窗函數(shù)法來數(shù)字濾波器，并利用MATLAB 作為輔助工具完成設(shè)計中的計算與圖形的繪制。通過對所設(shè)計濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB信號處理工具箱可以有效快捷地設(shè)計數(shù)字濾波器，過程簡單方便，結(jié)果的各項性能指標(biāo)均達到指定要求。 在時域，頻率估計是使用過零檢測的方式計算出，從而對于帶噪聲的信號既容易造成“誤