IIR濾波器語音去噪處理2

/課程設(shè)計(論文)題目基于IIR數(shù)字濾波器的有噪語音信號的處理課程設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院題目：基于IIR數(shù)字濾波器的有噪語音信號的處理起止時間：2016年10月25日至16年11月20日學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：教研室主任：院長：2016年11月20日論文(設(shè)計)內(nèi)容與要求：一、課程設(shè)計（論文）原始依據(jù)在信號傳輸過程中，由于實驗條件或各種其他主觀或客觀條件的原因，不可避免的會引進(jìn)一些噪聲信號，因此‘除噪’成了研究信號傳輸過程中必不可少的一環(huán)。基于MATLAB的有噪語音信號處理，通過MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可以極大程度上消弱噪聲影響，還原出真實的語音信號。二、課程設(shè)計（論文）主要內(nèi)容課程設(shè)計內(nèi)容如下：1.緒論2.基于濾波器的語音信號的處理2.1語音信號的采樣理論依據(jù)2.1.1采樣頻率2.1.2采樣位數(shù)2.1.3采樣定理2.2語音信號的采集3.濾波器的設(shè)計3.1數(shù)字濾波器概述3.2模擬濾波器概述3.3IIR濾波器概述3.4IIR濾波器設(shè)計3.5用濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波4.仿真與結(jié)果分析4.1語音信號的時頻分析4.2加噪后的語音信號與其頻譜分析4.3驗證所設(shè)計的濾波器4.4比較濾波前后語音信號的波形與頻譜4.5IIR濾波器處理結(jié)果的分析5.課題結(jié)論6.參考文獻(xiàn)7.謝辭8.附錄附錄1：IIR數(shù)字濾波器的主要程序附錄2：比較濾波前后語音信號的波形與頻譜三、課程設(shè)計（論文）基本要求（1）技術(shù)要求：編制Matlab程序，完成以下功能，產(chǎn)生系統(tǒng)輸入信號；根據(jù)系統(tǒng)差分方程求解單位脈沖響應(yīng)序列；根據(jù)輸入信號求解輸出響應(yīng)；用實驗方法檢查系統(tǒng)是否穩(wěn)定；繪制相關(guān)信號的波形。（2）工作要求：簡述離散系統(tǒng)時域分析和判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性方法；完成所給設(shè)計實驗，并對結(jié)果進(jìn)行分析和解釋；打印程序清單和要求畫出的信號波形；寫出本次課程設(shè)計的收獲和體會；列出參考文獻(xiàn)。四、課程設(shè)計（論文）進(jìn)度安排課程設(shè)計進(jìn)度（時間）安排如下：1.2016年10月25日—2016年10月31日理解課程設(shè)計題目的設(shè)計要求，查閱相關(guān)資料；2.2016年11月1日—2016年11月8日完成各部分程序代碼與系統(tǒng)調(diào)試；3.2016年11月9日—2016年12月11日完成課程設(shè)計初稿；4.2016年11月12日—2016年11月24日完成完整的課程設(shè)計報告；5.2016年11月20日上交課程設(shè)計作品并答辯。五、主要參考文獻(xiàn)[1].高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號處理[M].北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2008[2].劉泉，闕大順．?dāng)?shù)字信號處理原理與實現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005[3].張磊，畢靖，郭蓮英．MATLAB實用教程[M]．北京：人民郵電出版社，2008[4].張威．MATLAB基礎(chǔ)與編程入門[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006[5].周利清，蘇菲．?dāng)?shù)字信號處理基礎(chǔ)[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005指導(dǎo)老師：（簽名）年月日摘要：濾波器設(shè)計在數(shù)字信號處理中占有極其重要的地位，IIR濾波器是濾波器設(shè)計的重要組成部分。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(yùn)用數(shù)字信號處理的理論知識對加噪聲語音信號進(jìn)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(jìn)行計算機(jī)實現(xiàn)。在設(shè)計實現(xiàn)的過程中，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計IIR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信號處理工具處理工具箱可以有效快捷地設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，結(jié)果的各項性能指標(biāo)均達(dá)到指定要求。關(guān)鍵詞：MATLAB；IIR濾波器；有噪音語音信號Abstract:filterdesignplaysanimportantroleindigitalsignalprocessing,IIRfilterisanimportantpartofthefilterdesign.ResearchbasedonMATLABdesignandimplementationofthenoiseprocessingofspeechsignal,thetheoryofknowledgeoftheintegrateduseofdigitalsignalprocessingintimedomainofspeechsignalplusnoise,frequencydomainanalysisandfiltering.ThroughtheoreticalderivationcorrespondingconclusionusingMATLABasaprogrammingtoolforcomputerimplementation.Inthedesignprocess,withButterworth,ChebyshevandbilinearmethodofIIRdigitalfilterdesign,anduseMATLABasatoolCompletethedrawingcalculationandgraphicdesign.Throughthesimulationandfrequencycharacteristicanalysisonthedesignoffilter,MATLABsignalprocessingtoolsprocessingtoolboxcaneffectivelyandquicklydesignIIRdigitalfilterbasedontheresultsoftheperformanceindicatorstomeetthespecifiedrequirements.Keywords:MATLAB;IIRfilter;noisyspeechsignal目錄TOC\o"1-3"\h\u1.緒論 12.基于濾波器的語音信號的處理 12.1語音信號的采樣理論依據(jù) 12.1.1采樣頻率 12.1.2采樣位數(shù) 22.1.3采樣定理 22.2語音信號的采集 23.濾波器的設(shè)計 23.1數(shù)字濾波器概述 23.2模擬濾波器概述 33.3IIR濾波器概述 33.4IIR濾波器設(shè)計 43.5用濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波 64.仿真與結(jié)果分析 64.1語音信號的時頻分析 64.2加噪后的語音信號與其頻譜分析 84.3驗證所設(shè)計的濾波器 94.4比較濾波前后語音信號的波形與頻譜 114.5IIR濾波器處理結(jié)果的分析 135.課題結(jié)論 146.參考文獻(xiàn) 167.謝辭 178.附錄 18附錄1：IIR數(shù)字濾波器的主要程序 18附錄2：比較濾波前后語音信號的波形與頻譜 191.緒論數(shù)字濾波器，是數(shù)字信號處理中與其重要的一部分。隨著信息時代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，受到人們越來越多的重視。數(shù)字濾波器可以通過數(shù)值運(yùn)算實現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活不存在阻抗匹配問題，可以實現(xiàn)模擬濾波器無法實現(xiàn)的特殊功能。IIR濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計數(shù)據(jù)或圖表可查，在設(shè)計一個IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。本設(shè)計研究的主要內(nèi)容中是先進(jìn)行語音信號的采集，然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析，再利用IIR兩種濾波器對語音信號進(jìn)行過濾和頻譜分析，畫出濾波之后的頻譜圖與時域波形，并對信號濾波前后進(jìn)行分析比較，分析信號的變化，得出濾波性能。2.基于濾波器的語音信號的處理選擇一個語音信號作為分析的對象，或錄制一段語音信號，對其進(jìn)行頻譜分析；利用MATLAB中的隨機(jī)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(jìn)行頻譜分析；設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，并對被噪聲污染的語音信號進(jìn)行濾波，分析濾波后信號的時域和頻域特征，最后回放語音信號。2.1語音信號的采樣理論依據(jù)2.1.1采樣頻率采樣頻率是指計算機(jī)每秒鐘采集多少個聲音樣本，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)。采樣頻率越高，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。這就是說采樣頻率是衡量聲卡采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。2.1.2采樣位數(shù)采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(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越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機(jī)，44.1kHz意味著音頻流進(jìn)入計算機(jī)時計算機(jī)每秒會對其拍照達(dá)441000次。顯然采樣率越高，計算機(jī)攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。2.1.3采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號中，最高頻率fmax的2倍時，即：fs.max>=2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。1924年奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式:理想低通信道的最高大碼元傳輸速率=2W*log2N(其中W是理想低通信道的帶寬,N是電平強(qiáng)度)2.2語音信號的采集利用WINDOWS操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機(jī)的語音輸入插口上,啟動錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“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(diǎn)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g:\MATLAB\work中?？梢钥吹?文件存儲器的后綴默認(rèn)為.wav,這是WINDOWS操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。3.濾波器的設(shè)計3.1數(shù)字濾波器概述數(shù)字濾波器的實現(xiàn)有兩個關(guān)鍵步驟：一個從數(shù)字域到模擬域間的變換，這個變換實現(xiàn)了數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)到模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，同樣也實現(xiàn)了模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)到數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的轉(zhuǎn)換；另一個是從模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)到滿足該指標(biāo)的模擬濾波器的設(shè)計。3.2模擬濾波器概述用模擬—數(shù)字變換法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，首先必須設(shè)計一個模擬濾波器，它有許多不同的類型，主要有以下兩種類型：=1\*GB3①巴特沃思（Botterworth簡寫B(tài)W）濾波器。BW濾波器是根據(jù)幅頻特性在通帶內(nèi)具有最拼圖特性而定義的濾波器，對一個N階低通濾波器來說，所謂最平坦特性就是模擬函數(shù)的前（2N-1）階導(dǎo)數(shù)在處都為零。BW濾波器的另一個特性是在通帶和阻帶內(nèi)的幅頻特性始終是頻率的單調(diào)下降函數(shù)，且其模擬函數(shù)隨階次N的增大而更接近于理想低通濾波器。=2\*GB3②切比雪夫（Chbyshev簡寫為CB）濾波器。CB低通濾波器的模擬函數(shù)由切比雪夫多項式定義，且在通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)是波動的，在阻帶則單調(diào)變化。3.3IIR濾波器概述IIR(InfiniteImpulseResponse)數(shù)字濾波器，又名“無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器”，或“遞歸濾波器”。遞歸濾波器，也就是IIR數(shù)字濾波器，顧名思義，具有反饋，一般認(rèn)為具有無限的脈沖響應(yīng)。IIR濾波器有以下幾個特點(diǎn)：（1）封閉函數(shù)：IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式。（2）IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)：IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。（3）借助成熟的模擬濾波器的成果：IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計工作量比較小，對計算工具的要求不高。在設(shè)計一個IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，再通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。（4）需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)：IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對相位要求較高時，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。3.4IIR濾波器設(shè)計無論是數(shù)字濾波器還是模擬濾波器，他們技術(shù)指標(biāo)的建立都是以所謂的“固有衰減”參數(shù)為參照。以數(shù)字濾波器為例，固有衰減參數(shù)定義為A(w)=-20lg|H(ejw)|-20lg|H（ej0）|目前IIR數(shù)字濾波器設(shè)計的最通用的方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法。模擬濾波器設(shè)計已經(jīng)有了一套相當(dāng)成熟的方法，它不但有完整的設(shè)計公式，而且還有較為完整的圖表供查詢，因此，充分利用這些已有的資源將會給數(shù)字濾波器的設(shè)計帶來很大方便。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟是：=1\*GB3①按一定規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)；=2\*GB3②根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計模擬低通濾波器；=3\*GB3③再按一定規(guī)則將G(s)轉(zhuǎn)換成H(z)。若設(shè)計的數(shù)字濾波器是低通的，那么上述設(shè)計工作可以結(jié)束，若所設(shè)計的是高通，帶通或帶阻濾波器，那么還有步驟=4\*GB3④；=4\*GB3④將高通、帶通、或帶阻數(shù)字l不去的技術(shù)指標(biāo)先轉(zhuǎn)化為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后按照上述步驟=2\*GB3②設(shè)計出低通，再將轉(zhuǎn)換為所需的H(z)。下面我們總結(jié)一下利用模擬濾波器設(shè)計IIR數(shù)字低通濾波器的步驟：（1）確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率、通帶最大衰減，阻帶截止頻率、阻帶最小衰減。（2）將數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（3）按照模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計與過渡模擬低通濾波器。（4）用雙線性變換法，模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)。接下來，我們根據(jù)語音信號的特點(diǎn)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在Matlab中，利用函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計IIR濾波器，利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各步步器的頻率響應(yīng)。MATLAB信號處理工具箱函數(shù)buttpbuttorbutter是巴特沃斯濾波器設(shè)計函數(shù)，其有5種調(diào)用格式，本課程設(shè)計中用到的是[N,wc]=butter(N,wc,Rp,As,’s’),該格式用于計算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率wc。MATLAB信號處理工具箱函數(shù)cheblap,cheblord和cheeby1是切比雪夫I型濾波器設(shè)計函數(shù)。我們用到的是cheeby1函數(shù)，其調(diào)用格式如下：[B,A]=cheby1(N,Rp,wpo,’ftypr’)函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計IIR濾波器時都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計濾波器時只需要代入相應(yīng)的實現(xiàn)函數(shù)即可。下面我們以IIR低通濾波器的設(shè)計為例：Ft=8000;Fp=1000;Fs=1200;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’);[b11,a11]=butter(n11,wn11,’s’);[num11,den11]=bilinear(b11,a11,0.5);[h,w]=freqz(num11,den11);figure;plot(w*8000*0.5/pi,abs(h));legend(‘IIR低通濾波器’,’Location’,’NorthWest’);grid;程序結(jié)果如下圖：圖3.4IIR低通濾波器3.5用濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波用設(shè)計的各濾波器分別對加噪的語音信號進(jìn)行濾波，在Matlab中，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)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(rèn)的輸入向量的重長度M=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter(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。4.仿真與結(jié)果分析4.1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(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。下面介紹Wavread函數(shù)幾種調(diào)用格式。y=wavread（file）功能說明：讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。（2）[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)。y=wavread（file，N）功能說明：讀取錢N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。y=wavread（file，[N1,N2]）功能說明：讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。接下來，對語音信號OriSound.wav進(jìn)行采樣。其程序如下：>>[y,fs,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(jìn)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)用格式如下：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(bǔ)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(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。程序如下：[y,fs,nbits]=wavread(‘OriSound’);%語音信號的采集sound(y,fs,nbits);%語音信號的播放n=length(y);Y=fft(y,n);%快速傅里葉變換figure;subplot(2,1,1);plot(y);title(‘原始信號波形’,’fontweight’,’bold’);axis([7800080000-11]);grid;subplot(2,1,2);plot(abs(Y));title(‘原始信號頻譜’,’fontweight’,’bold’);axis([015000004000]);grid;程序結(jié)果如下圖：圖4.1原始信號波形與頻譜4.2加噪后的語音信號與其頻譜分析利用MATLAB中的隨機(jī)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n×n服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生m×n的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randn（m,n）函數(shù)。加噪程序如下所示：[y,fs,nbits]=wavread('OriSound');sound(y,fs,nbits);n=length(y);Noise=0.2*randn(n,2);s=y+Noise;sound(s);figure;subplot(2,1,1);plot(s);title('加噪語音信號的時域波形','fontweight','bold');axis([7800080000-11]);grid;S=fft(s);subplot(2,1,2);plot(abs(S));title('加噪語音信號的頻域波形','fontweight','bold');axis([015000004000]);grid;圖4.2加噪語音信號時域與頻域波形4.3驗證所設(shè)計的濾波器為了驗證濾波器的可使用性，我們用常用的sin函數(shù)來進(jìn)行驗證。其具體程序與運(yùn)行結(jié)果如下：t=[0:1/1023:1];s=sin(2*pi*t);N=length(s);y=s+0.5*rand(1,N);subplot(2,1,1);plot(y);title('加噪語音信號的時域波形','fontweight','bold');S=fft(y);subplot(2,1,2);plot(abs(S));title('加噪語音信號的頻域波形','fontweight','bold');Ft=8000;Fp=1000;Fs=1200;wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;[n11,wn11]=buttord(wp,ws,1,50,'s');%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);%利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應(yīng)S域到Z域的變換z11=filter(num11,den11,s);sound(z11);m11=fft(z11);%求濾波后的信號figure;subplot(2,2,1);plot(abs(S),'g');title('濾波前信號的頻譜','fontweight','bold');grid;subplot(2,2,2);plot(abs(m11),'r');title('濾波后信號的頻譜','fontweight','bold');grid;subplot(2,2,3);plot(y);title('濾波前信號的波形','fontweight','bold');grid;subplot(2,2,4);plot(z11);title('濾波后的信號波形','fontweight','bold');grid;圖4.3驗證所設(shè)計的濾波器4.4比較濾波前后語音信號的波形與頻譜用自己設(shè)計的各濾波器分別對加噪的語音信號進(jìn)行濾波，在Matlab中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)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：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(rèn)的輸入向量的重長度M=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter(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。[y,fs,nbits]=wavread(‘OriSound’);%IIR低通n=length(y);%求出語音信號的長度Noise=0.2*randn(n,2);%隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y+Noise;%語音信號加入噪聲S=fft(s);Ft=8000;Fp=1000;Fs=1200;wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;[n11,wn11]=buttord(wp,ws,1,50,’s’);%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);%利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應(yīng)S域到Z域的變換z11=filter(num11,den11,s);sound(z11);m11=fft(z11);%求濾波后的信號figure;subplot(2,2,1);plot(abs(S),’g’);title(‘濾波前信號的頻譜’,’fontweight’,’bold’);axis([015000004000]);grid;subplot(2,2,2);plot(abs(m11),’r’);title(‘濾波后信號的頻譜’,’fontweight’,’bold’);axis([015000004000]);grid;subplot(2,2,3);plot(s);title(‘濾波前信號的波形’,’fontweight’,’bold’);axis([95000100000-11]);grid;subplot(2,2,4);plot(z11);title(‘濾波后的信號波形’,’fontweight’,’bold’);axis([95000100000-11]);grid;程序結(jié)果如下圖：圖4.4雙線性法低通濾波器經(jīng)過以上的加噪處理后，可在Matlab中用函數(shù)sound對聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,bits)?？梢圆煊X濾波前后的聲音有明顯的變化。4.5IIR濾波器處理結(jié)果的分析IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對相位要求較高時，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。IIR濾波器設(shè)計時的階數(shù)不是由設(shè)計者指定，而是根據(jù)設(shè)計者輸入的各個濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等），由軟件設(shè)計出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在MATLAB下設(shè)計不同類型IIR濾波器均有志對應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。（3）IIR單位響應(yīng)為無限脈沖序列。（4）IIR幅頻特性精度很高，不是線性相位的，可以應(yīng)用于對相位信息不敏感的音頻信號上。（5）IIR濾波器有噪聲反饋，而且噪聲較大。（6）IIR濾波器運(yùn)算誤差大，有可能出現(xiàn)極限環(huán)振蕩。IIR幅頻特性精度很高，不是線性相位的，可以應(yīng)用于對相位信息不敏感的音頻信號上。5.課題結(jié)論語音信號處理是語音學(xué)與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，課題在這里不討論語音學(xué)，而是將語音當(dāng)做一種特殊的信號，即一種“復(fù)雜向量”來看待。也就是說，課題更多的還是體現(xiàn)了數(shù)字信號處理技術(shù)。從課題的中心來看，課題“基于MATLAB的有噪聲語音信號處理”是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于某一實際領(lǐng)域，這里就是指對語音與加噪處理。作為存儲于計算機(jī)中的語音信號，其本身就是離散化了的向量，我們只需將這些離散的量提取出來，就可以對其進(jìn)行處理了。這一過程的實現(xiàn)，用到了處理數(shù)字信號的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB。通過MATLAB里幾個命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實際語音與數(shù)字信號的理論之間搭了一座橋。課題的特色在于它將語音信號看作一個向量，于是就把語音數(shù)字化了。那么，就可以完全利用數(shù)字信號處理的知識來解決語音與加噪處理問題。我們可以像給一般信號做頻譜分析一樣，來對語音信號做頻譜分析，也可以較容易的用數(shù)字濾波器來對語音進(jìn)行濾波處理。通過比較加噪前后，語音的頻譜和語音回放，能明顯的感覺到加入噪聲后回放的聲音與原始的語音信號有很大的不同,前者隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語音信號的頻譜圖中可以看出含噪聲的語音信號頻譜,在整個頻域范圍內(nèi)分是布均勻。其實，這正是干擾所造成的。通過濾波前后的對比，低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差。由此可見，語音信號主要分布在低頻段，而噪聲主要分布在高頻段。6.參考文獻(xiàn)[1].高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號處理[M].北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2008[2].劉泉，闕大順．?dāng)?shù)字信號處理原理與實現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005[3].張磊，畢靖，郭蓮英．MATLAB實用教程[M]．北京：人民郵電出版社，2008[4].張威．MATLAB基礎(chǔ)與編程入門[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006[5].周利清，蘇菲．?dāng)?shù)字信號處理基礎(chǔ)[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005[6].王書林.小波變換在信號去噪中的應(yīng)用[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2006[7].吳湘淇.信號系統(tǒng)與信號處理(下)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1996.[8].李正周.MATLAB數(shù)字信號處理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，20087.謝辭通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)數(shù)字信號處理方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使自己掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計過程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計終于