數(shù)字語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì)

1、-走：學(xué)校代碼：11460*：0909406曉莊學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì)Design of digital voice filter所在院系：物理與電子工程學(xué)院學(xué)生：偉指導(dǎo)教師：金彩虹研究起止日期：二一二年十一月至二一三年五月二一三年五月數(shù)字語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì)摘要：在數(shù)字信號(hào)中往往存在很多擾動(dòng)信號(hào)，如在離散控制系統(tǒng)中輸入數(shù)字信號(hào)所含的干擾對(duì)系統(tǒng)的性能就會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)展處理，以提取有用信號(hào)，即數(shù)字信號(hào)處理。其中主要方法是數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，數(shù)字濾波器主要為兩大類(lèi)，F(xiàn)IR有限脈沖濾波器和IIR無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器。本文主要介紹有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)FIR濾波器的設(shè)計(jì)，采用M

2、ATLAB軟件對(duì)FIR數(shù)字濾波器進(jìn)展設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中繁瑣的計(jì)算。一般有窗函數(shù)法，頻率采樣法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等設(shè)計(jì)方法，本文采用窗函數(shù)法，通過(guò)調(diào)用MATLAB函數(shù)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器。繪制對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線。最后用基于MATLAB函數(shù)設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器進(jìn)展語(yǔ)音濾波處理，通過(guò)濾波前后信號(hào)的頻譜圖和時(shí)域語(yǔ)音信號(hào)的比照，分析不同濾波器的濾波效果。關(guān)鍵詞：FIR數(shù)字濾波器;窗函數(shù)法; MATLAB仿真Design of digital voice filterAbstract：In digital control system,interence,which is mi*ed in the inp

3、ut signal,has a great effect on performance of the system.Therefore,processing of input signal has to be done to get useful signal.Finite impulse response(FIR)filter plays an important role in the processing of digital signal.Designing the FIR filter by Matlab can simplify the plicated putation in s

4、imulation and improve the performance.By using the methods of windowfunction,frequency sapling and optimization techniques,the design of FIR digital foilter has been processed in Matlab.In the view of the designed program of Matlab and the figure of the amplitude-frequency characterization.At last,b

5、y using the FIR digital filter which have been designed to process the sound signal based on the Matlab function,the filtering effect of different digital filters is analyzed by paring the paring the signals spectrum viewers and the sound files which have been generated. The e*perimental results sho

6、w that the FIR filters designed in this paper are effective. Key words：FIR digital filter window function method MATLAB sound目錄第一章緒論11.1 數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介11.2 研究數(shù)字濾波器的目的及意義11.3 研究容21.4 研究方法2第二章數(shù)字濾波器32.1 數(shù)字濾波器原理32.2 數(shù)字濾波器的分類(lèi)32.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的方法42.4 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的一般步驟42.5 數(shù)字濾波器的特點(diǎn)52.6 IIR濾波器與FIR濾波器的分析比較5第三章 MATLAB軟件73.1 M

7、ATLAB的簡(jiǎn)介73.2 濾波器函數(shù)的調(diào)用9第四章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)104.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理104.2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法11第五章利用MATLAB實(shí)現(xiàn)FIR濾波器設(shè)計(jì)205.1 設(shè)計(jì)要求及方法205.2 MATLAB程序設(shè)計(jì)225.2.1 原始信號(hào)的波形圖及頻譜圖225.2.2 設(shè)計(jì)FIR濾波器去除語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲23設(shè)計(jì)FIR帯阻濾波器去噪2553總結(jié)29致29參考文獻(xiàn)30. z-第一章緒論1.1數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介數(shù)字濾波器概述數(shù)字濾波器在信號(hào)的過(guò)濾，檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)等方面起著重要的作用。信號(hào)往往夾雜著噪聲及無(wú)用信號(hào)成分，必須將這些干擾成分濾除。數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)展篩選，可通

8、過(guò)特定頻段的信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，噪聲信號(hào)往往是高頻信號(hào)，而經(jīng)典濾波器正是假定有用信號(hào)與噪聲信號(hào)具有不同的頻段，所以利用經(jīng)典濾波器可以去除噪聲，但假設(shè)有用信號(hào)和無(wú)用信號(hào)或噪聲信號(hào)的頻譜相互重疊，則經(jīng)典濾波器則不能實(shí)現(xiàn)理想的濾波性能?，F(xiàn)代濾波器的作用是從含有噪聲的信號(hào)中估計(jì)出信號(hào)的*些特征或信號(hào)本身，一旦信號(hào)被估計(jì)出，那估計(jì)出的信號(hào)與原始信號(hào)相比會(huì)有更高的信噪比。這類(lèi)濾波器主要有維納濾波器，卡爾曼濾波器，自適應(yīng)濾波器等。數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)狀數(shù)字濾波器準(zhǔn)確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設(shè)備所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域, 例如數(shù)字電視、語(yǔ)音、通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)

9、以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信息數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是，模擬電路技術(shù)存在很多難以解決的問(wèn)題，例如，模擬電路元件對(duì)溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術(shù)則防止很多類(lèi)似的難題，當(dāng)然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，在前面局部已經(jīng)提到，這些都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)展處理是目前的開(kāi)展方向。1.2研究數(shù)字濾波器的目的及意義本設(shè)計(jì)意在熟悉在windows環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法，掌握數(shù)字信號(hào)處理的根本概念，根本理論，根本方法。掌握MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法，并學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)

10、信號(hào)進(jìn)展分析和處理。并加深我們對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的理解，通過(guò)各種濾波器的設(shè)計(jì)來(lái)提高我們的設(shè)計(jì)力。研究數(shù)字濾波器的意義就在于它們正日益成為一種主要的DSP(DigitaI Signal Processing)運(yùn)算，并正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬濾波器，在工程中得到顯著的運(yùn)用。它可以保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性。使它更加廣泛地應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。使音頻視頻言語(yǔ)的開(kāi)展空間更加廣闊，最終實(shí)現(xiàn)高性能，低規(guī)模，低本錢(qián)這樣的設(shè)計(jì)目標(biāo)。而MATLAB現(xiàn)已成為系統(tǒng)級(jí)高層設(shè)計(jì)流行仿真的工具，在電子信息方向的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。1.3研究容本課題基于MATLAB，對(duì)有噪音語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展處理，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)

11、處理的理論知識(shí)對(duì)加噪聲語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展時(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)展計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，主要使用窗函數(shù)法來(lái)設(shè)計(jì)FIR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。1.4研究方法錄制一段個(gè)人的語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)展采樣；可以畫(huà)出時(shí)域語(yǔ)音信號(hào)的波形，進(jìn)展語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析；可以得到語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖，通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，設(shè)計(jì)出低通FIR數(shù)字濾波器消除語(yǔ)音信號(hào)在錄制過(guò)程中混雜的高頻噪聲。

12、根據(jù)性能指標(biāo)嘗試用不同的方法進(jìn)展濾波器的設(shè)計(jì)。先嘗試設(shè)計(jì)了巴特沃斯低通數(shù)字濾波器，并畫(huà)出濾波前后的聲音信號(hào)波形圖和頻譜圖，再?lài)L試運(yùn)用不同窗函數(shù)設(shè)計(jì)，如漢納窗、凱澤窗等，畫(huà)出濾波前后的聲音信號(hào)波形圖和頻譜圖，并回放語(yǔ)音信號(hào)，對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)展比照，分析信號(hào)的變化，評(píng)估濾波器的效果。第二章數(shù)字濾波器2.1 數(shù)字濾波器原理數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成局部之一，數(shù)字濾波器廣泛用于數(shù)字信號(hào)處理中，如電視、VCD、音響等。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷開(kāi)展，在許多場(chǎng)合數(shù)字濾波器正在快速取代模擬濾波器，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高，系統(tǒng)函數(shù)容易改變，靈活性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信

13、號(hào)的過(guò)濾，檢測(cè)和參數(shù)的估計(jì)等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)入信號(hào)波形進(jìn)展加工處理。或者說(shuō)利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)展變換。數(shù)字濾波器是一個(gè)離散的系統(tǒng)，它可以對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)展一系列的運(yùn)算處理，從輸入的信號(hào)中獲得所需要的信息。嗎模擬信號(hào)的數(shù)字處理如圖2-1所示。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器限帶處理后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)數(shù)字處理后，用數(shù)模轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號(hào)，最后，再用平滑濾波器濾除該模擬信號(hào)中的高頻干擾。圖2-1  模擬信號(hào)的數(shù)字處理2.2數(shù)字濾波器的分類(lèi)(1) IIR和FIR數(shù)字濾波器這是根據(jù)濾波器的單

14、位脈沖響應(yīng)h(n)的長(zhǎng)度是否有限來(lái)劃分的。假設(shè)h(n)是一個(gè)長(zhǎng)度為M+1的有限長(zhǎng)序列，通常將此時(shí)的系統(tǒng)稱(chēng)為有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)FIR，F(xiàn)inite Impulse Response系統(tǒng)。 如果相應(yīng)的h(n)是無(wú)限圖長(zhǎng)序列，稱(chēng)這種系統(tǒng)為無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)IIR，Infinite Impulse Response系統(tǒng)。(2)低通、高通、帶通、帶阻濾波器如2-2所示2-2 低通、高通、帶通、帶阻濾波器示意圖2.3實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的方法數(shù)字濾波器按特定的運(yùn)算改變數(shù)字輸入信號(hào)的頻譜分布，用軟件或硬件實(shí)現(xiàn)。一般有兩種，一種是利用計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，即在通用計(jì)算機(jī)上執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理程序，從而仿真實(shí)現(xiàn),這種方法靈活

15、，但一般不能完成實(shí)時(shí)處理。另一種是利用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn),硬件處理是根據(jù)數(shù)字濾波器的算法，設(shè)計(jì)專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理集成電路，使計(jì)算程序全部硬件化，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是處理速度高，但靈活性差，設(shè)備開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字濾波器一般需要三個(gè)根本的運(yùn)算單元：加法器，乘法器和延時(shí)器。2.4設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的一般步驟(1)按所給要求確定濾波器的性能(2)用一個(gè)因果穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)的函數(shù)逼近此性能的要求(3)利用算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)函數(shù)(4)利用計(jì)算機(jī)仿真或硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)2.5數(shù)字濾波器的特點(diǎn)無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器特點(diǎn)(1)無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器(IIR filter)的優(yōu)點(diǎn)：較容易設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。(2)無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器(IIR

16、 filter)的缺點(diǎn)： 脈沖響應(yīng)(impulse response)為無(wú)限長(zhǎng)：造成當(dāng)輸入信號(hào)個(gè)數(shù)為有限長(zhǎng)的時(shí)候，輸出信號(hào)個(gè)數(shù)會(huì)變成無(wú)限長(zhǎng)。比有限脈沖響應(yīng)濾波器(FIR filter)較不易最正確化(optimize)。不一定是穩(wěn)定的(stable)：因?yàn)閆轉(zhuǎn)換(Z transform)后所有的極點(diǎn)(pole)不一定都在單位圓。具有非線性相位有限脈沖響應(yīng)濾波器特點(diǎn)(1)有限脈沖響應(yīng)濾波器FIR filter的優(yōu)點(diǎn)： 脈沖響應(yīng)impulse response為有限長(zhǎng)：造成當(dāng)輸入信號(hào)個(gè)數(shù)為有限長(zhǎng)的時(shí)候，輸出數(shù)信號(hào)個(gè)數(shù)也為有限長(zhǎng)。 比無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器IIR filter較容易最正確化optimiz

17、e。 線性相位linear phase：造成h(n)是偶對(duì)稱(chēng)even或奇對(duì)稱(chēng)odd且有限長(zhǎng)。 一定是穩(wěn)定的stable：因?yàn)閆轉(zhuǎn)換Z transform后所有的極點(diǎn)pole都在單位圓。(2)有限脈沖響應(yīng)濾波器FIR filter的缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)方式較無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器IIR filter不容易。2.6 IIR濾波器與FIR濾波器的分析比較前面已經(jīng)介紹了IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，選擇哪一種濾波器取決于每種類(lèi)型濾波器的優(yōu)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中的重要性。為了能在實(shí)際工作中恰當(dāng)?shù)剡x用適宜的濾波器，現(xiàn)將兩種濾波器特點(diǎn)比較分析如下：(1) 選擇數(shù)字濾波器是必須考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，通常將硬件的復(fù)雜性、芯片的面積或計(jì)算速

18、度等作為衡量經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的因素。在一樣的技術(shù)指標(biāo)要求下，由于IIR數(shù)字濾波器存在輸出對(duì)輸入的反響，因此可以用較少的階數(shù)來(lái)滿足要求，所用的存儲(chǔ)單元少，運(yùn)算次數(shù)少，較為經(jīng)濟(jì)。例如，用頻率抽樣法設(shè)計(jì)一個(gè)阻帶衰減為20dB的FIR數(shù)字濾波器，要33階才能到達(dá)要求，而用雙線性變換法只需45階的切比雪夫IIR濾波器就可到達(dá)同樣的技術(shù)指標(biāo)。這就是說(shuō)FIR濾波器的階數(shù)要高510倍左右。(2) 在很多情況下,FIR數(shù)字濾波器的線性相位與它的高階數(shù)帶來(lái)的額外本錢(qián)相比是非常值得的。對(duì)于IIR濾波器，選擇性越好，其相位的非線性越嚴(yán)重。如果要使IIR濾波器獲得線性相位，又滿足幅度濾波器的技術(shù)要求，必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展相位校正

19、，這同樣將大大增加濾波器的階數(shù)。就這一點(diǎn)來(lái)看，F(xiàn)IR濾波器優(yōu)于IIR濾波器。(3) FIR濾波器主要采用非遞歸構(gòu)造，因而無(wú)論是理論上還是實(shí)際的有限精度運(yùn)算中他都是穩(wěn)定的，有限精度運(yùn)算誤差也較小。IIR濾波器必須采用遞歸構(gòu)造，極點(diǎn)必須在z平面單位圓才能穩(wěn)定。對(duì)于這種構(gòu)造，運(yùn)算中的舍入處理有時(shí)會(huì)引起寄生振蕩。(4) 對(duì)于FIR濾波器，由于沖激響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因此可以用快速傅里葉變換算法，這樣運(yùn)算速度可以快得多。IIR濾波器不能進(jìn)展這樣的運(yùn)算。(5) 從設(shè)計(jì)上看，IIR濾波器可以利用模擬濾波器設(shè)計(jì)的現(xiàn)成的閉合公式、數(shù)據(jù)和表格，可以用完整的設(shè)計(jì)公式來(lái)設(shè)計(jì)各種選頻濾波器。一旦選定了的一種逼近方法(如巴特

20、奧茲，切比雪夫等)，就可以直接把技術(shù)指標(biāo)帶入一組設(shè)計(jì)方程計(jì)算出濾波器的階次和系統(tǒng)函數(shù)的系數(shù)(或極點(diǎn)和零點(diǎn))。FIR濾波器則一般沒(méi)有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)公式。窗函數(shù)法只給出了窗函數(shù)的計(jì)算公式，但計(jì)算通帶和阻帶衰減仍無(wú)顯式表達(dá)式。一般FIR濾波器設(shè)計(jì)僅有計(jì)算機(jī)程序可資利用，因而要借助于計(jì)算機(jī)。(6) IIR濾波器主要是設(shè)計(jì)規(guī)格化、頻率特性為分段常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器。FIR濾波器則靈活很多，例如頻率抽樣法可適應(yīng)各種幅度特性和相位特性的要求。因此FIR濾波器可設(shè)計(jì)出理想正交變換器、理想微分器、線性調(diào)頻器等各種網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)性很廣。而且，目前已經(jīng)有很多FIR濾波器的計(jì)算機(jī)程序可供使用。表2-1 兩種

21、濾波器特點(diǎn)比較分析FIR濾波器IIR濾波器設(shè)計(jì)方法一般無(wú)解析的設(shè)計(jì)公式，要借助計(jì)算機(jī)程序完成利用AF的成果，可簡(jiǎn)單、有效地完成設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果可得到幅頻特性(可以多帶)和線性相位(最大優(yōu)點(diǎn))只能得到幅頻特性，相頻特性未知，如需要線性相位，須用全通網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)，但增加濾波器階數(shù)和復(fù)雜性穩(wěn)定性極點(diǎn)全部在原點(diǎn)(永遠(yuǎn)穩(wěn)定)無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題有穩(wěn)定性問(wèn)題階數(shù)高低構(gòu)造非遞歸系統(tǒng)遞歸系統(tǒng)運(yùn)算誤差一般無(wú)反響，運(yùn)算誤差小有反響，由于運(yùn)算中的四舍五入會(huì)產(chǎn)生極限環(huán)第三章MATLAB軟件3.1MATLAB的簡(jiǎn)介MATLAB語(yǔ)言特點(diǎn)(1) 具有豐富的數(shù)學(xué)功能 包括矩陣各種運(yùn)算。如：正交變換、三角分解、特征值、常見(jiàn)的特殊矩陣等 包括各

22、種特殊函數(shù)。如：貝塞爾函數(shù)、勒讓德函數(shù)、伽碼函數(shù)、貝塔函數(shù)、橢圓函數(shù)等 包括各種數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。如：微分、積分、插值、求極值、方程求根、FFT 、常微分方程的數(shù)值解等(2) 具有很好的圖形系統(tǒng) 可方便地畫(huà)出二維和三維圖形 高級(jí)圖形處理。如：色彩控制、句柄圖形、動(dòng)畫(huà)等。 圖形用戶界面GUI制作工具，可以制作用戶菜單和控件。(3) 可以直接處理聲音和圖形文件 聲音文件。如 WAV文件 圖形文件。如 bmp 、gif 、 pc* 、tif 、jpeg等文件(4) 具有功能強(qiáng)大的應(yīng)用工具箱 Control System Toolbo*控制系統(tǒng)工具箱 munication Toolbo*通信工具箱 Fin

23、ancial Toolbo*財(cái)政金融工具箱 Simulink Toolbo*動(dòng)態(tài)仿真工具箱 Image Processing Toolbo*圖象處理工具箱 Neural Network Toolbo*神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱 Optimization Toolbo*優(yōu)化工具箱 Signal Processing Toolbo*信號(hào)處理工具箱 Statistics Toolbo*統(tǒng)計(jì)工具箱 Symbolic Math Toolbo*符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱MATLAB主要功能(1)強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算(2)靈活的程序設(shè)計(jì)流程(3)高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)(4)便捷的與其他程序和語(yǔ)言接口MATLAB組成(1)MATAL

24、B 語(yǔ)言體系 MATLAB 是高層次的矩陣/數(shù)組語(yǔ)言(2)MATLAB 工作環(huán)境 包括管理工作空間中的變量輸入輸出的方式和方法，以及開(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理M 文件的各種工具。 (3)圖形圖像系統(tǒng) (4)MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) (5)MATLAB 應(yīng)用程序接口 MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶可以在MATLAB環(huán)境中使用C程序和FORTRAN程序3.2濾波器函數(shù)的調(diào)用 信號(hào)的采集在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，Wavread函數(shù)調(diào)用格式y(tǒng)=wavreadfile%讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。y,fs,

25、bits=wavread(file) %采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率hz，bits表示采樣位數(shù)。y=wavreadfile，N%讀取前N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。y=wavreadfile，N1,N2%讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。y,fs,nbits=wavread (OriSound); %把語(yǔ)音信號(hào)加載入MATLAB仿真軟件平臺(tái)中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：*k=fft(*n,N) 3.1參數(shù)*n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*n的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在*n后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于*n的長(zhǎng)度時(shí)，

26、fft函數(shù)計(jì)算*n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)展快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。函數(shù)的調(diào)用 哦hn=fir1(M，wc，window)，可以指定窗函數(shù)向量window。如果缺省window參數(shù)，則fir1默認(rèn)為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相應(yīng)的都有實(shí)現(xiàn)函數(shù)。濾波用自己設(shè)計(jì)的各濾波器分別對(duì)加噪的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展濾波，在MATLAB中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)展濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)展濾波。函數(shù)fftfilt用的是重疊相加

27、法實(shí)現(xiàn)線性卷積的計(jì)算。調(diào)用：y=fftfilter(h,*,M)。其中，h是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)向量；*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(zhǎng)度，缺省時(shí)，默認(rèn)的輸入向量的重長(zhǎng)度M=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter(B，A.*n)，它是按照直線型構(gòu)造實(shí)現(xiàn)對(duì)*n的濾波。其中*n是輸入信號(hào)向量，yn輸出信號(hào)向量。第四章FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)4.1數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，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。IIR濾波器的特征是，具有無(wú)限持續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)。這種濾波器一般需要用遞

28、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濾波器的沖激響應(yīng)只能延續(xù)一定時(shí)間，在工程實(shí)際中可以采用遞歸的方式實(shí)現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有多種，如雙根據(jù)頻域指標(biāo)直接設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器、先設(shè)計(jì)模擬濾波器，通過(guò)離散化轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器等。隨著MATLAB軟件尤其是MATLAB的信號(hào)處理工作箱的不斷完善，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)到達(dá)最優(yōu)化。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的根本步驟如下：(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

29、響應(yīng)。幅度指標(biāo)主要以?xún)煞N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。在工程實(shí)際中，這種指標(biāo)最受歡迎。對(duì)于相位響應(yīng)指標(biāo)形式，通常希望系統(tǒng)在通頻帶中具有線性相位。運(yùn)用線性相位響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)展濾波器設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：只包含實(shí)數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算；不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲；長(zhǎng)度為N的濾波器(階數(shù)為N-1)，計(jì)算量為N/2數(shù)量級(jí)。因此，本文中濾波器的設(shè)計(jì)就以線性相位FIR濾波器的設(shè)計(jì)為例。(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)

30、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)果是得到以差分或系統(tǒng)函數(shù)或沖激響應(yīng)描述的濾波器。根據(jù)這個(gè)描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足指標(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，再分析濾波結(jié)果來(lái)判斷。4.2FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法4.2.1 FIR數(shù)字濾波器概述FIR 濾波器具有嚴(yán)格的相位特性，對(duì)于信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸是很重要的。目前 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有三種：窗函數(shù)法、頻率取樣法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。常用的是窗函數(shù)法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本實(shí)驗(yàn)中的窗函數(shù)法比較簡(jiǎn)單，可應(yīng)用現(xiàn)成的窗函數(shù)公式

31、，在技術(shù)指標(biāo)要求高的時(shí)候是比較靈活方便的。 (1) FIR濾波器的定義4.1階:長(zhǎng)度的FIR數(shù)字濾波器4.2(2) FIR濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)與模擬濾波器的根本一樣，以低通濾波器為例，技術(shù)指標(biāo)有通帶頻率、通帶最大衰減、阻帶頻率、阻帶最小衰減，如圖7.4-3所示。此外，因模擬頻率，數(shù)字濾波器還需要給出抽樣間隔T或抽樣頻率。對(duì)同一濾波器，系統(tǒng)函數(shù)是模擬頻率與抽樣頻率比值的函數(shù)，抽樣頻率提高一倍，通帶、阻帶模擬頻率也相應(yīng)地提高一倍。圖4-1FIR濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)圖(3) 嚴(yán)格線性相位定義4.3假設(shè)，則稱(chēng)系統(tǒng)H(z)是嚴(yán)格線性相位的。(4)廣義線性相位定義,稱(chēng)為幅度頻函數(shù)4.4 (5)線性

32、相位系統(tǒng)的時(shí)域特性定理：為線性相位的充要條件為hk=±hM-kM=4 偶對(duì)稱(chēng) M=3 偶對(duì)稱(chēng)M=4 奇對(duì)稱(chēng) M=3 奇對(duì)稱(chēng)圖4-2線性相位系統(tǒng)的時(shí)域特性圖(6)線性相位系統(tǒng)的頻域特性線性相位FIR濾波器頻率響應(yīng)一般形式可寫(xiě)為4.5 1型: (hk=hM-k, 為偶數(shù)) II型:( hk=hM-k), 為奇數(shù)M=3 hk=h0, h1, h1, h0的周期=的周期 =的周期=,(4.6)不能用于高通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì),關(guān)于點(diǎn)奇對(duì)稱(chēng)III型: hk= -hM-k, 為偶數(shù)=4 hk=h0, h1, 0, -h1, -h0關(guān)于0和 點(diǎn)奇數(shù)對(duì)稱(chēng),=0，不能用于高通和低通濾波器的設(shè)計(jì)IV型:

33、hk= -hM-k, M 為奇數(shù)M=3 hk=h0, h1, -h1, -h0,A (0)=0 不能用于低通濾波器的設(shè)計(jì)表4-1 四種線性相位FIR濾波器的性質(zhì)類(lèi)型IIIIIIIV階數(shù)M偶奇偶奇hk的對(duì)稱(chēng)性偶對(duì)稱(chēng)偶對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)A(W)關(guān)于W=0的對(duì)稱(chēng)性偶對(duì)稱(chēng)偶對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)A(W)關(guān)于W=p的對(duì)稱(chēng)性偶對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)偶對(duì)稱(chēng)A(W)的周期2p4p2p4pb000.5p0.5pA(0)任意任意00A(p)任意00任意可適用的濾波器類(lèi)型LP,HP,BP,BS等LP, BP微分器,Hilbert變換器微分器,Hilbert變換器，HP7不同類(lèi)型的線性相位系統(tǒng)在zk=±1的零點(diǎn)：I 型F

34、IR濾波器(M為偶)：在zk=1和zk= -1無(wú)零點(diǎn)或者有偶數(shù)個(gè)零點(diǎn)。II 型FIR濾波器(M為奇)： 在zk= -1有奇數(shù)個(gè)零點(diǎn)，在zk=1無(wú)零點(diǎn)或者有偶數(shù)個(gè)零點(diǎn)。III 型FIR濾波器(M為偶)：在zk=1和zk= -1有奇數(shù)個(gè)零點(diǎn)。IV 型FIR濾波器(M為奇)：在zk=1有奇數(shù)個(gè)零點(diǎn)，在zk=-1無(wú)零點(diǎn)或者有偶數(shù)個(gè)零點(diǎn)。4.2.2 利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的具體步驟(1)根據(jù)性能要求確定待求濾波器的沖激響應(yīng)如果根據(jù)通帶阻帶衰減和邊界頻率要求，可選用理想濾波器作為逼近函數(shù)，從而用理想濾波器的頻率響應(yīng)作傅立葉逆變換求出。 (4.8)如果較復(fù)雜或不能用封閉公式表示，則不能用上式求出。此時(shí)可

35、對(duì)從=0到=2p一個(gè)周期均勻采樣M點(diǎn)，采樣值為，k=0,1,M-1，則上式可近似寫(xiě)成 (4.9)根據(jù)采樣定理： (4.10)(2)根據(jù)對(duì)過(guò)渡帶及阻帶衰減的要求，選擇窗口函數(shù)的形式，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。設(shè)待求濾波器的過(guò)渡帶用wD表示,它近似于窗口函數(shù)的主瓣寬度。因過(guò)渡帶近似與窗口函數(shù)長(zhǎng)度N成反比，N»C/ wD，A取決于窗口函數(shù)的形式。如矩形窗C=4p；哈明窗C=8p等。按過(guò)渡帶及阻帶衰減情況選擇窗口函數(shù)的形式。原則是滿足阻帶衰減的前提下盡量選擇主瓣窄的窗口函數(shù)。(3) 確定延時(shí)值即濾波器的對(duì)稱(chēng)中心(4)計(jì)算濾波器的沖激響應(yīng)h(n)。(4.11)w(n)是關(guān)于(N-1)/2對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)度為N

36、的一個(gè)窗函數(shù)(5)驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。設(shè)計(jì)出的濾波器頻率響應(yīng)用下式表示：(4.12)4.3幾種常用的窗(1)矩形窗(4.13)圖 4-3 矩形窗Ap» 0.82dB, As» 21dB矩形窗對(duì)的影響 ，,即，矩形窗的幅度函數(shù)為WNp2Np2-Np4Np4-Npp-主瓣旁瓣)(WW圖 4-4 矩形窗的幅度函數(shù)將理想濾波器的頻率響應(yīng)表示為(4.14)則可得FIR濾波器的頻率響應(yīng)為所以FIR濾波器的幅度函數(shù)為(4.15)如左圖4-5為經(jīng)形窗截?cái)嗪蟮姆群瘮?shù)。)(WAWcWcW-pp-qpp-cWcW-)(q-WW圖4-5 經(jīng)矩形窗截?cái)嗪蟮姆群瘮?shù)(2)Hann(漢納窗)(w

37、=hanning(M+1)(4.16)圖4-6 漢納窗Ap» 0.056dB, As» 44dB(3)Hamming哈明窗( w=hamming(M+1) )(4.17) (4)凱澤窗(Kaiser)窗函數(shù)為4.18 I0(·)是第一類(lèi)修正零階貝塞爾函數(shù)。一般取1525項(xiàng)就可滿足精度要求。是一個(gè)可選參數(shù)，用來(lái)選擇主瓣寬度和旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，一般說(shuō)來(lái)， 越大,過(guò)渡帶越寬，阻帶越小衰減也越大。圖 4-7凱澤窗假設(shè)阻帶最小衰減表示為As=-20lgs,確實(shí)定可采用下述經(jīng)歷公式(4.19)假設(shè)濾波器通帶和阻帶波紋相等即p=s時(shí)，濾波器節(jié)數(shù)可通過(guò)下式確定(4.20)(

38、4.21)p， s分別為數(shù)字低通濾波器的通帶邊頻與阻帶邊頻。用Kaiser窗設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟：(1) 估計(jì)濾波器的階數(shù)(4.22)(2) 估計(jì)(3) 設(shè)定理想低通的截頻(4) hk=hdk*wk用以上幾種窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的指標(biāo)如表4.2所示。設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)阻帶衰減指標(biāo)選取符合要求的窗函數(shù)，再根據(jù)過(guò)渡帶寬度確定樣值響應(yīng)長(zhǎng)度。當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)果不符合要求時(shí)，調(diào)整重新設(shè)計(jì)。                  窗函數(shù)窗譜性能

39、指標(biāo)加窗后濾波器性能指標(biāo)旁瓣峰值dB主瓣寬度( )過(guò)渡帶寬( )阻帶最小衰減dB矩形窗漢寧窗海明窗凱澤窗-13-31-41-57244 0.93.13.35-21-44-53-80表4-2 常用窗函數(shù)性能比較第五章 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)FIR濾波器設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)要求及方法設(shè)計(jì)要求及流程圖濾波器設(shè)計(jì)要求：MATLAB信號(hào)處理工具箱提供了各種濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)及濾波器實(shí)現(xiàn)函數(shù),根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)象,試采用窗函數(shù)法進(jìn)展濾波器設(shè)計(jì)。其中n為濾波器階數(shù),rp為該濾波器在通帶的最大衰減,rs為在阻帶的最小衰減；fir1函數(shù)的調(diào)用格式為 fir1(N,Wn,'ftype',window)，N

40、濾波器的階數(shù)：對(duì)于高通、帶阻濾波器N為偶數(shù)； ftype為濾波器類(lèi)型：低通low、高通high、帶通bandpass、帶阻stop； Wn為截止頻率，低通、高通時(shí)Wn，取值圍為0.01.0，其中1對(duì)應(yīng)0.5fs，fs為采樣頻率，帶通、帶阻時(shí)Wn W1W2且W1<W2，默認(rèn)為低通或高通。window窗函數(shù)類(lèi)型：window可取bo*car、hanning、blankman及kaiser等，缺省為hamming；b為FIR濾波器系數(shù)向量：為N+1。Fs為抽樣頻率。濾波器技術(shù)指標(biāo)：以低通為例，采樣頻率為8000Hz，通帶臨界頻率 fp =1000Hz，通帶衰減小于 dBp=0.3；阻帶臨界頻率

41、 fs=3000Hz，阻帶衰減大于 dBs=40。設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器要求滿足以上參數(shù)。fp1=1000;wp1=2*pi*fp1;fs1=3000;ws1=2*pi*fs1;Ap1=0.3;As1=40;Fs=8000;本課題設(shè)計(jì)主要是針對(duì)一段原始語(yǔ)音信號(hào)，參加設(shè)計(jì)噪聲后，用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出的FIR濾波器對(duì)參加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展濾波去噪處理，并且分析比照前后時(shí)域和頻域波形。課題的設(shè)計(jì)流程圖如以下圖5-0所示。在Windows下錄制一段格式為.wav的語(yǔ)音參加高頻噪聲信號(hào)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展頻譜分析，繪制出時(shí)域和頻域圖 用漢寧窗設(shè)計(jì)FIR濾波器畫(huà)出頻率響應(yīng)函數(shù)用FIR濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展濾波畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)

42、濾波前后頻譜波形并進(jìn)展分析開(kāi)場(chǎng)完畢圖5-0 課題設(shè)計(jì)流程圖具體操作(1)完成語(yǔ)音信號(hào)的采集。利用windows自帶的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段語(yǔ)音。語(yǔ)音信號(hào)的錄制過(guò)程就是模擬語(yǔ)音信號(hào)到數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的變換過(guò)程，即語(yǔ)音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而可以得到數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，便于數(shù)字信號(hào)的處理和分析。在信號(hào)的錄制過(guò)程中注意采樣頻率的選擇。需要滿足抽樣定理。所謂抽樣，就是對(duì)時(shí)間連續(xù)的信號(hào)隔一定的時(shí)間間隔T抽取一個(gè)瞬時(shí)幅度值樣值 ，抽樣是由抽樣門(mén)完成的。 (2)通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，可以知道在錄制語(yǔ)音信號(hào)的過(guò)程中包含了局部高頻噪聲，因此首先設(shè)計(jì)低通FIR數(shù)字濾波器消除語(yǔ)音信號(hào)在錄制過(guò)程中混雜的高頻噪聲。(3

43、)由于FIR數(shù)字濾波器具有嚴(yán)格的線性相位特性，即單位脈沖響應(yīng)h(n)為實(shí)數(shù)具有偶對(duì)稱(chēng)或奇對(duì)稱(chēng)性，根據(jù)不同的奇偶性與階數(shù)確定所選用的濾波器類(lèi)型根據(jù)性能指標(biāo)不同先嘗試運(yùn)用窗函數(shù)漢納窗設(shè)計(jì)了一FIR濾波器，畫(huà)出濾波前后的聲音信號(hào)波形圖和頻譜圖。(4)對(duì)原語(yǔ)音信號(hào)加噪處理，在原始信號(hào)中參加一單頻正弦信號(hào)，并運(yùn)用凱澤窗設(shè)計(jì)一帶阻濾波器，濾除加噪后的語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲。5.2MATLAB程序設(shè)計(jì) 原始信號(hào)的波形圖及頻譜圖Matlab軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展采樣，采集出原始信號(hào)波形與頻譜，y,fs,bits=wavread('Blip',N1 N2)，用于讀取語(yǔ)音，采樣

44、值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。N1 N2表示讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的值假設(shè)只有一個(gè)N的點(diǎn)則表示讀取前N點(diǎn)的采樣值。程序如下：s1,Fs=wavread('11.wav'); %讀取語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)，賦變量s1l=length(s1);%l為采樣點(diǎn)數(shù)s=s1(1:l,1)'%讀取一個(gè)通道的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)T=1/Fs;%采樣周期為T(mén)t=(0:l-1)*T;%t為采樣的時(shí)間點(diǎn)%繪制聲音信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻域頻譜圖n=0;while 2n<l;n=n+1;endL=2n;%DFT的點(diǎn)數(shù)為2nS=fft(s,L);S=fftshift(S);f=(

45、-Fs/2+(0:L-1)*Fs/L);figure(1);subplot(1,2,1);plot(t,s);*label('時(shí)間');ylabel('語(yǔ)音數(shù)字量');title('語(yǔ)音信號(hào)波形');subplot(1,2,2);plot(f,abs(S);*label('頻率(Hz)');ylabel('幅值');title('語(yǔ)音信號(hào)的幅頻譜');sound(s,Fs)圖5-1 原始聲音信號(hào)的波形圖和頻譜圖得到原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形和頻譜圖如以下圖。從圖中可以看出語(yǔ)音信號(hào)有兩個(gè)特點(diǎn)：在時(shí)域語(yǔ)音信號(hào)

46、隨著時(shí)間的延續(xù)而緩慢變化，但在一較短時(shí)間，語(yǔ)音信號(hào)根本保持穩(wěn)定；在頻域語(yǔ)音信號(hào)的頻譜量主要集中在3002000Hz的圍，利用這個(gè)特點(diǎn)，可以利用一個(gè)帶通濾波器將此圍的語(yǔ)音信號(hào)頻率分量取出，然后按8000Hz的采樣頻率對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展采樣，就可以取得離散的語(yǔ)音信號(hào)。設(shè)計(jì)FIR濾波器去除語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，可以知道在錄制語(yǔ)音信號(hào)的過(guò)程中包含了局部高頻噪聲，因此首先設(shè)計(jì)低通FIR數(shù)字濾波器消除語(yǔ)音信號(hào)在錄制過(guò)程中混雜的高頻噪聲。(1)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字低通濾波器(hanning)根據(jù)性能指標(biāo)，不能采用矩形窗，可以采用其他的窗函數(shù)，這里采用漢納窗;%設(shè)計(jì)FIR數(shù)字低通濾波器fp1=100

47、0;wp1=2*pi*fp1;fs1=2000;ws1=2*pi*fs1;Ap1=0.3;As1=40;Wp1=wp1/Fs;Ws1=ws1/Fs;%要求設(shè)計(jì)低通濾波器的性能指標(biāo)%根據(jù)性能指標(biāo)，不能采用矩形窗，可以采用其他的窗函數(shù)，這里采用漢納窗;N1=ceil(6.2*pi/(Ws1-Wp1);%ceil將非整數(shù)向上取整N1=mod(N1+1,2)+N1;M1=N1-1;%M為偶數(shù)，可設(shè)計(jì)、型FIR濾波器w1=hanning(N1)'Wc1=(Wp1+Ws1)/2;k1=0:M1;hd1=(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k1-0.5*M1)/pi);h1=hd1.*w1;%加窗

48、截?cái)啵玫綖V波器的有限脈沖響應(yīng)omega1=linspace(0,2*pi*2*fs1/Fs,512);%從0到數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)圍取512個(gè)數(shù)mag1=freqz(h1,1,omega1);%求頻率響應(yīng)magdb1=20*log10(abs(mag1);figure(2); %繪制低通濾波器的幅頻譜plot(omega1*Fs)/(2*pi),magdb1);%FIR數(shù)字低通濾波器的幅頻特性*label('頻率(Hz)');ylabel('對(duì)數(shù)幅值');title('FIR數(shù)字低通濾波器的幅頻特性');圖5-2 漢納窗的幅頻特性(2)繪制經(jīng)低通濾波器后

49、語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖figure(3)s1=filter(h1,1,s);%濾波輸出subplot(1,2,1);plot(t,s1);*label('時(shí)間');ylabel('語(yǔ)音數(shù)字量');title('低通濾波后的語(yǔ)音信號(hào)波形');S1=fft(s1,L);S1=fftshift(S1);subplot(1,2,2);plot(f,abs(S1);*label('頻率(Hz)');ylabel('幅值');title('低通濾波后語(yǔ)音信號(hào)的幅頻譜'); sound(s1,Fs)圖5-3加

50、窗前后的波形圖和頻譜圖設(shè)計(jì)FIR帯阻濾波器去噪對(duì)原語(yǔ)音信號(hào)加噪處理，在原始信號(hào)中參加一單頻正弦信號(hào)，并運(yùn)用凱澤窗設(shè)計(jì)一帶阻濾波器，濾除加噪后的語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲(1)在語(yǔ)音信號(hào)中參加單頻噪聲fn=500;noise01=0.5*sin(2*pi*fn*t);s01=s+noise01;sound(s01,Fs)%參加單頻噪聲后語(yǔ)音信號(hào)的FFT變換S01=fft(s01,L);S01=fftshift(S01);(2)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字帶阻濾波器fp1=fn*0.95;wp1=2*pi*fp1;fs1=fn*0.99;ws1=2*pi*fs1;fs2=fn*1.01;ws2=2*pi*fs2;fp2=

51、fn*1.05;wp2=2*pi*fp2;Wp1=wp1/Fs;Ws1=ws1/Fs;Ws2=ws2/Fs;Wp2=wp2/Fs;%要求設(shè)計(jì)帶阻濾波器的頻帶分布%采用Kaiser窗設(shè)計(jì)帶阻濾波器;Rs=0.01;f0=Wp1/pi,Ws1/pi,Ws2/pi,Wp2/pi;a0=1,0,1;dev0=Rs*ones(1,length(a0);M0,Wc0,beta0,ftype0=kaiserord(f0,a0,dev0);%使濾波器為型M0=mod(M0,2)+M0;h0=fir1(M0,Wc0,ftype0,kaiser(M0+1,beta0);omega0=linspace(0,pi,5

52、12);mag0=freqz(h0,1,omega0);%繪制帶阻濾波器的頻譜圖figure(4)subplot(1,2,1)plot(omega0*Fs/(2*pi),20*log10(abs(mag0);*label('頻率Hz');ylabel('幅值dB');title('帶阻濾波器的幅頻譜');subplot(1,2,2)omega01=linspace(2*pi*400/Fs,2*pi*600/Fs,512);mag01=freqz(h0,1,omega01);plot(omega01*Fs/(2*pi),20*log10(abs(m

53、ag01);*label('頻率Hz');ylabel('幅值dB');title('阻帶頻率附近帶阻濾波器的幅頻譜');圖5-4 帶阻濾波器的幅頻譜(3)濾波輸出s001=filter(h0,1,s01);S001=fft(s001,L);S001=fftshift(S001);figure(5);%繪制參加單頻噪聲后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形subplot(2,2,1)plot(t,s01);*label('時(shí)間');ylabel('語(yǔ)音數(shù)字量');title('參加單頻噪聲后語(yǔ)音信號(hào)波形');%繪制經(jīng)

54、帶阻濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形subplot(2,2,2)plot(t,s001);*label('時(shí)間');ylabel('語(yǔ)音數(shù)字量');title('經(jīng)帶阻濾波器后的語(yǔ)音信號(hào)');%繪制參加單頻噪聲后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖subplot(2,2,3)plot(f,abs(S01);*label('頻率(Hz)');ylabel('幅值');title('參加單頻噪聲后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');%繪制經(jīng)帶阻濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖subplot(2,2,4);plot(f,abs(S001);*label('頻率(Hz)');ylabel('幅值');title('經(jīng)帶阻濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');sound(s001,Fs)圖5-5 參加單頻噪聲前后信號(hào)的波形圖和頻譜圖的比照從上圖可以看出，濾波前后的波形圖，參加噪聲信號(hào)后，在時(shí)域圖上與原有信號(hào)的時(shí)域圖有明顯差異，在幅度“0位置處附近多出了高頻成分，使加噪后的語(yǔ)音信號(hào)顯得更加緊湊。濾波后的信號(hào)密度明顯減小，這是濾除了高頻噪音保存了低頻語(yǔ)音信號(hào)的結(jié)果。53總結(jié)隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷開(kāi)展，信息處理已