毕业论文-基于matlab的有噪声语音信号处理说明书

毕业论文-基于matlab的有噪声语音信号处理说明书内容摘要：

figure。 subplot(2,1,1)。 plot(y)。 title(„原始信号波形 ‟,‟fontweight‟,‟bold‟)。 9 axis([ 78000 80000 1 1])。 grid。 subplot(2,1,2)。 plot(abs(Y))。 title(„原始信号频谱 ‟,‟fontweight‟,‟bold‟)。 axis([ 0 150000 0 4000])。 grid。 程序结果如下图： 7 . 8 7 . 8 2 7 . 8 4 7 . 8 6 7 . 8 8 7 . 9 7 . 9 2 7 . 9 4 7 . 9 6 7 . 9 8 8x 1 041 0 . 500 . 51原始信号波形0 5 10 15x 1 0401000202030004000原始信号频谱 图 22 原始信号采集波形图 语音信号加噪与频谱分析 在 MATLAB 中产生高斯白噪声非常方便， 我们 可以直接应用两个函数 ： 一个是 WGN， 另一个是 AWGN。 WGN 用于产生高斯白噪声， AWGN 则用于在某一信号中加入高斯白噪声。 也可直接用 randn 函数产生高斯分布序列。 在本次设计中，我们是利用 MATLAB 中的随机函数 (rand 或 randn)产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，并对其频谱分析。 Randn 函数有两种基本调用格式： Randn(n)和 Randn（ m,n） ,前者产生 n n 服从标准高斯分布的随 10 机数矩阵，后者产生 m n 的随机数矩阵。 在这里，我们选用 Randn（ m,n）函数。 语音信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下： [y,fs,nbits]=wavread(39。 OriSound39。 )。 sound(y,fs,nbits)。 n = length (y)。 Noise=*randn(n,2)。 s=y+Noise。 sound(s)。 figure。 subplot(2,1,1)。 plot(s)。 title(39。 加噪语音信号的时域波形 39。 ,39。 fontweight39。 ,39。 bold39。 )。 axis([ 78000 80000 1 1])。 grid。 S=fft(s)。 subplot(2,1,2)。 plot(abs(S))。 title(39。 加噪语音信号的频域波形 39。 ,39。 fontweight39。 ,39。 bold39。 )。 axis([ 0 150000 0 4000])。 grid。 11 7 . 8 7 . 8 2 7 . 8 4 7 . 8 6 7 . 8 8 7 . 9 7 . 9 2 7 . 9 4 7 . 9 6 7 . 9 8 8x 1 041 0 . 500 . 51加噪语音信号的时域波形0 5 10 15x 1 0401000202030004000加噪语音信号的频域波形 图 23 信号加噪时域波形图与频谱图 本章小结 本章介绍了语音信号的采集，信号加白噪声，加噪后的时域与频域分析。 12 3 设计数字滤波器 数字滤波器设计的基本思路 数字滤波器的实现有两个关键步骤：一个从数字域到模拟域间的变换，这个变换实现了数字滤波器技术指标到模拟滤波器技术指标的转换，同样也实现了模拟滤波器系统函数到数字滤波器系统函数 的转换；另一个是从模拟滤波器技术指标到满足该指标的模拟滤波器的设计。 模拟滤波器概述 用模 拟 — 数字变换法设计 IIR 数字滤波器，首先必须设计一个模拟滤波器，它有许多不同的类型，主要有以下两种类型： ① 巴特沃思（ Botterworth 简写 BW）滤波器。 BW 滤波器是根据幅频特性在通带内具有最拼图特性而定义的滤波器，对一个 N 阶低通滤波器来说，所谓最平坦特性就是模拟函数的前（ 2N1） 阶导数在 0 处都为零。 BW滤波器的另一个特性是 在通带和阻带内的幅频特性始终是频率的单调下降函数，且其模拟函数随阶次N 的增大而更接近于理想低通滤波器。 ② 切比雪夫（ Chbyshev 简写为 CB） 滤波器。 CB 低通滤波器的模拟函数由切比雪夫多项式定义，且在通带内的幅频响应是波动的，在阻带则单调变化。 IIR 数字滤波器概述 IIR(Infinite Impulse Response)数字滤波器，又名 “无限脉冲响应数字滤波器 ”，或 “递归滤波器 ”。 递归滤波器，也就是 IIR 数字滤波器，顾名思义，具有反馈，一般认为具有无限的脉冲响 应。 IIR 滤波器有以下几个特点： （ 1） 封闭函数 ： IIR 数字滤波器的 系统函数 可以写成封闭函数的形式。 （ 2） IIR 数字滤波器采用递归型结构 ： IIR 数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。 IIR 滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反 13 馈回路。 由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微 弱的 寄生振荡。 （ 3） 借助成熟的模拟滤波器的成果 ： IIR 数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和 椭圆滤波器 等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。 在设计一个 IIR数字滤波器 时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式， 再 通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。 （ 4） 需加相位校准网络 ： IIR 数字滤波器的相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。 FIR 数字滤波器概述 FIR 数字滤波器（ finite impulse response filter） 又名 “有 限脉冲响应数字滤波器 ”， 这类滤波器对于脉冲输入信号的响应最终趋向于 0，因此而得名。 有限脉冲响应滤波器（ FIR filter）的优点： （ 1） 脉冲响应（ impulse response）为有限长 ：造成当输入数位讯号为有限长的时候，输出数位讯号也为有限长。 （ 2） 比无限脉冲响应滤波器（ IIR filter）较容易最佳化（ optimize）。 （ 3） 线性相位（ linear phase）：造成 h(n),是偶对称（ even）或奇对称（ odd）且有限长。 （ 4） 一定是稳定的（ stable）：因为 Z转换（ Z transform）后所有的极点（ pole）都在单位圆内 FIR 数字滤波器和 IIR 数字滤波器比较 不论是 IIR 滤波器还是 FIR 滤波器的设计都包括三个步骤： (1) 按照实际任务的要求 ，确定滤波器的性能指标。 (2) 用一个因果、稳定的离散线性时不变系统的系统函数去逼近这一性能指标。 根据不同的要求可以用 IIR 系统函数，也可以用 FIR 系统函数去逼近。 (3) 利用有限精度算法实现系统函数，包括结构选择、字长选择等。 但 IIR 滤波器和 FIR 滤波器的设计方法完全不同。 IIR 滤波器设计方法有间 14 接法和直接法，间接法是借助于模拟滤波器的设计进行的。 其设计步骤是：先设计过渡模拟滤波器得到系统函数 H（ s），然后将 H（ s）按某种方法转换成数字滤波器的系统函数 H(z)。 FIR 滤波器比鞥采用间接法，常用的方法 有窗函数法、频率采样发和切比雪夫等波纹逼近法。 对于线性相位滤波器，经常采用 FIR 滤波器。 低通，高通及带通滤波器 低通滤波器：对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。 当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器 , 或高音消除滤波器。 低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的 hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（ acoustic barriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。 低通滤波器在信号处理中的 作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（ moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。 高通滤波器 ： 去掉信号中不必要的低频成分，去掉低频干扰的 滤波器。 在电力系统中， 谐波 补偿时用 高通滤波器滤除某次及其以上的各次谐波。 高通滤波器是指车载功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动 扬声器 的中音和高音单元。 此外高通滤波器常常和 低通滤波器 成对出现，不论哪一种，都 是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。 带通滤波器 ： 能通过某一频率范围内的 频率 分量、但将其他范围的频率分量 衰减 到极低水平的 滤波器 ，与 带阻滤波器 的概念相对。 一个模拟带通滤波器的例子是电阻 电感 电容电路 (RLC circuit)。 这些滤波器也可以用低通滤波器 同 高通滤波器 组合来产生。 设计 FIR 滤波器 如前所述， IIR 滤波器和 FIR 滤波器的设计方法有很大的区别。 下面我们着重介绍用窗函数法设计 FIR 滤波器的步骤。 如下： 15 （ 1）根据对阻带衰减及过渡带的指标要求，选择窗函数类型（矩形窗、三角窗、汉宁窗、哈明窗、凯塞窗等），并估计窗口长度 N。 先按照阻带衰减选择窗函数类型。 原则是在保证阻带衰减满足要求的情况下，尽量选择主瓣的窗函数。 （ 2）构造希望逼近的频率响应函数。 （ 3）计算 h(n).。 （ 4）加窗得到设计结果。 设 计 IIR 滤波器 无论是数字滤波器还是模拟滤波器，他们技术指标的建立都是以所谓的“固有衰减”参数为参照。 以数字滤波器为例，固有衰减参数（关于之旅分量归一化）定义为 A(w)=20lg|H(ejw)|20lg|H（ ej0） | （式 31） 目前 IIR 数字滤波器设计的最通用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法。 模拟滤波器设计已经有了一套相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且还有较为完整的图表供查询，因此，充分利用这些已有的资源将会给数字滤波器的设计带来很大方便。 IIR 数字 滤波器的设计步骤是： ① 按一定规则将给出的数字滤波器的技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标； ② 根据转换后的技术指标设计模拟低通滤波器 Gs； ③ 再按一定规则将 G(s)转换成 H(z)。 若设计的数字滤波器是低通的，那么上述设计工作可以结束，若所设计的是高通，带通或带阻滤波器，那么还有步骤 ④ ； ④ 将高通、带通、或 带阻数字 l 不去的技术指标先转化为低通模拟滤波器的技术指标，然后按照上述步骤 ② 设计出低通 Gs，再将 Gs转换为所需的 H(z)。 双线性变换法和窗函数法 对于数字高通、带通滤波器的设计，通用方法为双线性变换法。 可以借助于模拟滤波器的频率转换设计一个所需类型的过渡模拟滤波器，再经过双线性变换 16 将其转换策划那个所需的数字滤波器。 具体设计步骤如下： （ 1）确定所需类型数字滤波器的技术指 标。 （ 2）将所需类型数字滤波器的边界频率转换成相应的模拟滤波器的边界频率，转换公式为Ω =2/T tan( )（式 32） (3)将相应类型的模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标。 （ 4）设计模拟低通滤波器。 （ 5）通过频率变换将模拟低通转换成相应类型的过渡模拟滤波器。 （ 6）采用双线性变换法将相应类型的过渡模拟滤波器转换成所需类型的数字滤波器。 我们知道，脉冲响应不变法的主要缺点是会产生频谱混叠现象，使数字滤波器的频响偏离模拟滤波器的频响特性。 为了克服之一缺点，可以采用双线性变换法。 下面 我们总结一下利用模拟滤波器设计 IIR 数字低通滤波器的步骤： （ 1）确定数字低通滤波器的技术指标：通带边界频率、通带最大衰减，阻带截止频率、阻带最小衰减。 （ 2）将数字低通滤波器的技术指标转换成相应的模拟低通滤波器的技术指标。 （ 3）按照模拟低通滤波器的技术指标设计及过渡模拟低通滤波器。 （ 4）用双线性变换法，模拟滤波器系统函数转换成数字低通滤波器系统函数。 接下来，我们根据语音信号的特点给出有关滤波器的技术指标： ①低通滤波器的性能指标： fp=1000Hz， fc=1200Hz， As=100db ,Ap=1dB ②高通滤波器的性能指标： fp=3500Hz， fc=4000Hz， As=100dB， Ap=1dB； ③带通滤波器的性能指标： fp1=1200Hz， fp2=3000hZ， fc1=1000Hz， fc2=3200Hz， As=100dB， Ap=1dB 在 Matlab 中，可以利用函数 fir1 设计 FIR 滤波器，利用函数 butter,cheby1 和 17 ellip 设计 IIR 滤波器，利用 Matlab 中的函数 freqz 画出各步步。