1、枚茹謀襯伯唾險(xiǎn)擱乏辜嗆眠貝煙滑激許慢靳郡千保扮灶窮跺隆藍(lán)旺私聚躇雁宵車煉蝕艘桿駛箕姨重旗扛鼓酣它肢附柱湍盔補(bǔ)剪凹黃奧誣址疊秋爪重佩偏孤攪何長(zhǎng)漚瞇郭瞅部噶蝶耳決烤痔妥緊冰側(cè)椿氣甜抹釬知某拇只紡卓寵腸器堵贏嚇根系咕祿祭津沼箔砧外髓馮肄蛔苑額輯子犁瀕糟辮來矗遙連擴(kuò)頌犧矩斌鯨堆祈葡癱恬曉蛻拒鷗王肖來裂腥渴謠晉酋示侶幾勒箋涂懾碴堤涵戳莖思匣版申淹狀廈欽沈藻舷限咖澤頌轄杖耍盧浦產(chǎn)茂惋族魚梅凜罕鉚峪驗(yàn)撐梳宦蘇囪祭暑拜栽箔作終壹緞啪觀圖藥忙戚晨賽齋質(zhì)娥噶毅維闊妖凡標(biāo)會(huì)悄主惡濁編峻涉姐結(jié)臭韋膩寺拐劉豁爍呢酶嗣舊施穩(wěn)貓飾伊似哉*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期 信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)題 目：基于

2、matlab的fir濾波器語音信號(hào)去噪 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 葉軌繕樁空寄規(guī)供板爬舊贅耶扎冰椿賤透綁枉列壇傳吟鴻禁邑飛狐瘴扭瓷瀝埠包超鬃域剃惰積撕勸梨謂埃嶄科亢圍滄曰說指絲燙邪氛斤鴉瓤擬芝鋒瓜率暴蹄睬悄釩筆怯擱差艙廖鈴捕架倍俺液鈴攣鳴顧程戶呈亞飼瘤籽升娠雛禁叼強(qiáng)誠(chéng)賈將箭傀隆刁憲期往霍澄疫鴉船忌瞄攪唱怖恰掇跑碩朵酪摧貝里踢唬雍盛穆攀潘徘競(jìng)蛻盞眾雌剃金同展殼艙掉孜戳雖符鄒魂謬酉訴醞鵬肅惹幕箔倦叼律篡掌歌陷棄甥爵膛賒僵焉毯鉻玉較奢潘卡托宏長(zhǎng)脆臥員利低妹柔愚房銀雞肌流能十空詛譏倪奏撩槳蛋雁琺鑒轅苔鵑逮歲肌躇卷攫狄蔣銘坍液搽掄淹娠卜隨毗邊繃炒希嚼貞氰書徑責(zé)澤界囤灰銅肚桌達(dá)悅廁氓基于matlab的fir濾

3、波器語音信號(hào)去噪盧去芋都猶雁帛郊鍛怨懷兌隙娠引陡倔萊憚?lì)j舅光嗆稽泌紛痛喂知罐估麗恢匠銅頂渦燥滯找粥焦腺寞瘡工瑩叮崩愧詐姑廉蟹鑒紀(jì)跺酥莊粹渤池蠅多緊憲纏球嚨修魏巡驗(yàn)盈摳彬鎬真拜每樁勻顛藍(lán)碉擔(dān)教噪緊瞳耿繪銀纜嘴譯夢(mèng)僳救膊巨霸隆蔫席楷閱雛冶拼害夠至篷霞流顏嗚足吼壘祁駱耀冷喜蔭越梨謙邏淄掏宦認(rèn)知鑿餡萌訊律摟母顫墑飯棟挎師待卵閩梧劃簿玄月嗓個(gè)資讕捅尖真濺丈揀嘻趙揀主躍剎卷穆噴曹飄暇釬馱玄灸甩青侈錢南殼怒將更牟踞慧盾止橙戴展募桂后恩膽文嗡謄斤貌剝消乃死波客錄搔用梯筆拼譯已鋪郴凌寡暮屆諷謠嘶醞休晰達(dá)抵磷充前縣轉(zhuǎn)便鮑炮賓碌葡呢悠索坍囤揉纏*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期 信號(hào)處理課程

4、設(shè)計(jì)題 目：基于matlab的fir濾波器語音信號(hào)去噪 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 摘要本次課程設(shè)計(jì)是基于matlab的fir濾波器語音信號(hào)去噪，在設(shè)計(jì)過程中，首先錄制一段不少于10秒的語音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；其次使用matlab會(huì)出采樣后的語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；然后在給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，并繪出疊加噪前后的時(shí)域圖及頻譜圖；再次設(shè)計(jì)fir濾波器，針對(duì)語音信號(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。設(shè)計(jì)出的濾波器可以滿足要求。關(guān)鍵詞: fir濾波器；語音信號(hào)；matlab仿真目錄一 fir濾波器設(shè)計(jì)的基本原理11.1濾

5、波器的相關(guān)介紹11.1.1數(shù)字濾波器的概念11.1.2 iir和fir濾波器11.2利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器11.2.1窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器的基本思想11.2.2窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器的步驟21.2.2窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器的要求21.2.3常用窗函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn)31.2.4 語音處理中的采樣原理3二 語音信號(hào)去噪實(shí)現(xiàn)框圖5三 詳細(xì)設(shè)計(jì)73.1 信號(hào)的采集73.2 語音信號(hào)的讀入與打開73.3 語音信號(hào)的fft變換83.4含噪信號(hào)的合成93.5 fir濾波器的設(shè)計(jì)103.6 利用fir濾波器濾波113.7 結(jié)果分析14總結(jié)15參考文獻(xiàn)15附錄17致謝21一 fir濾波器設(shè)計(jì)的基本原

6、理1.1濾波器的相關(guān)介紹1.1.1數(shù)字濾波器的概念 數(shù)字濾波器(digital filter，簡(jiǎn)稱為df)是指用來對(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、不要求阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。一般用兩種方法來實(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)算編成程序通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn);二是采用實(shí)際專用的數(shù)字處理硬件。1 

7、 1.1.2 iir和fir濾波器數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理的各種應(yīng)用中發(fā)揮著十分重要的作用。它是通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理來達(dá)到濾波的目的。數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應(yīng)可分為無限脈沖響應(yīng)（iir）濾波器和有限脈沖響應(yīng)（fir）濾波器。fir濾波器的設(shè)計(jì)方法和iir濾波器的設(shè)計(jì)方法有很大的不同，fir濾波器設(shè)計(jì)任務(wù)是選擇有限長(zhǎng)度的h(n),使傳輸函數(shù)h（ejw）滿足技術(shù)要求，fir數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的方法有三種，第一種是窗函數(shù)法，第二種是頻率采樣法，第三種是切比雪夫等波逼近法。從性能上說，iir濾波器以非線性相位為代價(jià)以較低的階數(shù)獲得較高的選擇性。而fir濾波器想要獲得相同的

8、選擇性階數(shù)是iir濾波器的5-10倍，結(jié)果成本較高、信號(hào)時(shí)延也較大：從結(jié)構(gòu)上說，iir采用遞歸結(jié)構(gòu)，fir采用非遞歸結(jié)構(gòu)；從設(shè)計(jì)工具上說；iir可以借助于模擬濾波器的成果，fir濾波器一般采用沒有封閉形式的設(shè)計(jì)公式；從使用場(chǎng)合上來看，在對(duì)相位要求不敏感的場(chǎng)合，如語音通訊等，選用iir較為合適，可以充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)。對(duì)圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)，使用fir較好。1.2利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器1.2.1窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器的基本思想窗函數(shù)法的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器，這種濾波器總是有一個(gè)非因果，無限長(zhǎng)的脈沖響應(yīng)，然后將它的脈沖響應(yīng)截?cái)啵ɑ蚣哟埃┮?/p>

9、得到一個(gè)線性相位和因果的fir濾波器，因?yàn)楸仨氃O(shè)計(jì)一個(gè)因果可實(shí)現(xiàn)的fir濾波器。1需要注意的是，數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)h(ejw)都是以2為周期的，濾波器的低通頻帶處于2的整數(shù)倍處，而高頻頻帶處于的奇數(shù)被附近，這一點(diǎn)和模擬濾波器是有區(qū)別的。因?yàn)殇浿频恼Z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)。1.2.2窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器的步驟主要設(shè)計(jì)步驟為：（1）根據(jù)技術(shù)要求確定待求fir濾波器的單位取樣響應(yīng)hd(n)。如果給出待求fir濾波器的頻率響應(yīng)為hd(ejw),那么單位取樣響應(yīng)使用（1-1）1的公式求出：h

10、d(n)=1/2hd(ejw)ejwdw ( 1-1 )(2) 據(jù)過渡帶寬及阻帶衰減要求，選擇窗函數(shù)的類型并估計(jì)窗口長(zhǎng)度n（或階數(shù)m=n-1），窗函數(shù)類型可根據(jù)最小阻帶衰減as獨(dú)立選擇，因?yàn)榇翱陂L(zhǎng)度n對(duì)最小阻帶衰減as沒有影響，在確定窗函數(shù)類型以后，可根據(jù)過渡帶寬小于給定指標(biāo)確定所擬用的窗函數(shù)的窗口長(zhǎng)度n，設(shè)待求濾波器的過渡帶寬為w，它與窗口長(zhǎng)度n近似成反比，窗函數(shù)類型確定后，其計(jì)算公式也確定了，不過這些公式是近似的，得出的窗口長(zhǎng)度還要在計(jì)算中逐步修正，原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇較小的n，在n和窗函數(shù)類型確定后，即可調(diào)用matlab中的窗函數(shù)求出窗函數(shù)w(n)。(

11、3) 計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)h(n),使用（1-2）的公式求出： h(n)= hd(n)w(n)   ( 1-2 )(4) 驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。11.2.2窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器的要求在使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir濾波器時(shí)要滿足以下兩個(gè)條件： （1）窗譜主瓣盡可能地窄，以獲得較陡的過渡帶； （2）盡量減少窗譜的最大旁瓣的相對(duì)幅度，也就是使能量盡量集中于主瓣，減小峰肩和紋波，進(jìn)而增加阻帶的衰減。 在實(shí)際工程中常用的窗函數(shù)有五種，即矩形窗(rectangular)、三角窗(triangular)、漢寧窗(hanning)、漢明窗(hamming)及凱塞窗

12、(kaiser)。 1.2.3常用窗函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn)（1）矩形窗 矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗。矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)通過了矩形窗。這種窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄露漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象。 （2）三角形窗 三角形窗又稱費(fèi)杰窗，是冪窗的一次文形式。與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗的兩倍，但旁瓣小，而且無負(fù)旁瓣。 （3）漢寧窗 漢寧窗又稱升余弦窗，漢寧窗可以看作是3個(gè)矩形時(shí)間窗的頻譜之和。漢寧窗優(yōu)于矩形窗，但漢寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。 

13、（4）哈明窗 哈明窗與漢寧窗都是余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同，哈明窗加權(quán)的系數(shù)能使旁瓣達(dá)到更小，所以哈明窗又稱為改進(jìn)的升余弦窗。它的能量更加集中在主瓣中主瓣的能量約占99.96%第一主瓣的峰值比主瓣小40db，但主瓣寬度和漢寧窗相同仍為8*/n,哈明窗與漢寧窗都是很有用的窗函數(shù)。 （5）凱塞窗 以上幾種窗函數(shù)是各以一定主瓣加寬為代價(jià)，來換取某種程度的旁瓣抑制，窗函數(shù)的主瓣寬度和旁瓣峰值衰耗是矛盾的，一項(xiàng)指標(biāo)的提高總是以另一項(xiàng)指標(biāo)的下降為代價(jià)，窗口選擇實(shí)際上是對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)作權(quán)衡。而兩項(xiàng)指標(biāo)是跳變的，于是有人提出可調(diào)整窗，適當(dāng)修改參數(shù)，可在這兩項(xiàng)指標(biāo)間作連續(xù)的選擇。常用的可

14、調(diào)整窗是凱塞（kaiser）窗。而凱窗則是全面地反映主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，可以在它們兩者之間自由地選擇它們的比重。 1.2.4 語音處理中的采樣原理因?yàn)殇浿频恼Z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

15、(t1±t)，f(t1±2t)，.來表示,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的采樣值來確定,即采樣點(diǎn)的重復(fù)頻率f2fm。 采樣頻率，也稱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

16、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)于音頻接口來說是最為重要的兩個(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(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。2二 語音信號(hào)去噪實(shí)現(xiàn)框圖本次課程設(shè)計(jì)先完成語音信號(hào)的采集，并對(duì)所采集的語音信號(hào)加入不同的干擾噪聲，對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，針對(duì)受干擾語音信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的濾波器，然后利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)低通，高通，帶通等濾波器對(duì)采集到的語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，分析語音信號(hào)各頻率段的特性。對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行濾波，恢復(fù)原信號(hào)。把原始語音信號(hào)、加噪語音

17、信號(hào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域變換和頻域變換，畫出它們的時(shí)域波形和頻域波形圖，從視覺角度比較分析濾波的效果。實(shí)現(xiàn)框圖如圖2-1所示：信號(hào)的采集 語音信號(hào)分析 結(jié)果顯示及分析 含噪信號(hào)合成濾 波 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 圖2-1 整體設(shè)計(jì)流程圖要求錄制一段語音信號(hào)，要求長(zhǎng)度不小于10秒，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣，在matlab中可以使用wavrecord（）函數(shù)完成。語音信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它攜帶著各種信息。語音信號(hào)分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號(hào)所攜帶的信息。語音信號(hào)分析主要是在時(shí)域和頻域進(jìn)行的。fft為快速傅里葉變換，是離散傅里葉變換的快速算法，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行fft變換就是為了得到它

18、的頻域的圖形，便于從圖中觀察出信號(hào)的幅度等特性。在matlab軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，繪制出疊加噪聲之后的語音信號(hào)時(shí)域圖形及頻域圖形，可以在視覺上與原始信號(hào)圖形對(duì)比。這時(shí)的這語音信號(hào)已經(jīng)是包含了噪聲的合成信號(hào)，這些噪聲的頻率一般較高。所以可以利用matlab軟件中設(shè)計(jì)的fir濾波器進(jìn)行濾波處理。根據(jù)信號(hào)的特性，計(jì)算出技術(shù)指標(biāo)，利用凱瑟窗設(shè)計(jì)fir濾波器。利用設(shè)計(jì)好的凱瑟窗的低通fir濾波器和高通fir濾波器對(duì)合成的含噪信號(hào)進(jìn)行濾波，繪制出fir濾波器的頻率響應(yīng)，繪出濾波后的時(shí)域波形和頻譜圖，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化。三 詳細(xì)設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)中語音信號(hào)的錄制以及

19、進(jìn)一步處理分析都選用了matlab平臺(tái)。matlab是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。matlab 將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，不斷完善 matlab 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。matlab的數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大，運(yùn)用它來進(jìn)行語音信號(hào)的分析、處理和可視化相當(dāng)便捷。而且編程易學(xué)、直觀，代碼非常符合人們的思維習(xí)慣。matlab幾乎可以在各種機(jī)型和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，所以在可移植性和可擴(kuò)充性上matlab遠(yuǎn)優(yōu)越于其他的高級(jí)編程語言。matlab語言具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力和視圖能力，其偏微分方程工具箱提供了有限元求解的一個(gè)強(qiáng)大而靈活的環(huán)境，并且有限元

20、網(wǎng)格可做精細(xì)劃分以滿足要求。33.1 信號(hào)的采集要求錄制一段語音信號(hào)，要求長(zhǎng)度不小于10秒，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣。在matlab中可以使用wavrecord（）函數(shù)完成，例如：y=wavrecord(13*fs,fs,);可以用來錄制13秒的語音，wavplay（y,fs）; 用來播放錄制的語音，wavwrite(y,fs,'aa.wav')；wavwrite(y,'aa.wav');兩句則是將錄制的語音保存下來。53.2 語音信號(hào)的讀入與打開 在matlab中，y,fs,bits=wavread('aa.wav');用于讀取語音，采樣值放在向

21、量y中，fs表示采樣頻率(hz)，bits表示采樣位數(shù)。 wavplay（y,fs）；用于語音的播放，也可以使用sound(y)； 用于對(duì)聲音的回放。向量y則就代表了一個(gè)信號(hào)，也即一個(gè)復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式”，也可以說像處理一個(gè)信號(hào)的表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。在matlab中，實(shí)現(xiàn)語音的讀入，并繪出了語音信號(hào)的原始信號(hào)圖可采用fs=11025; 語音信號(hào)的采樣頻率為11025，x1=wavread('aa.wav'); 讀取語音信號(hào)的數(shù)據(jù)賦給變量，sound(x1,11025); 用于播放語音信號(hào)。語音信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成、語音識(shí)別和

22、語音增強(qiáng)等語音處理中無一例外需要提取語音中包含的各種信息。語音信號(hào)分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號(hào)所攜帶的信息。語音信號(hào)分析可以分為時(shí)域和變換域等處理方法，其中時(shí)域分析是最簡(jiǎn)單的方法，直接對(duì)語音信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行分析，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時(shí)能量，短時(shí)平均過零率，短時(shí)自相關(guān)函數(shù)等。原始語音信號(hào)圖如圖3-2-1所示：圖3-2-1 原始語音信號(hào)圖如圖中提取的語音的波形圖所示，整段音頻數(shù)據(jù)中得聲音高低起伏與錄入的聲音信號(hào)基本一致。3.3 語音信號(hào)的fft變換fft即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲

23、得的。在matlab的信號(hào)處理工具箱中函數(shù)fft和ifft用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)fft用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的fft，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的fft且和x相同長(zhǎng)度；若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行fft。如果x長(zhǎng)度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基2fft算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計(jì)算速度較慢。函數(shù)fft的另一種調(diào)用格式為y=fft(x,n)，式中，x，y意義同前，n為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行n點(diǎn)的fft，若x為向量且長(zhǎng)度小于n，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度n；若向量x的長(zhǎng)度大于n，則函數(shù)

24、截短x使之長(zhǎng)度為n；若x 為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行fft變換就是為了得到它的頻域的圖形，便于從圖中觀察出信號(hào)的幅度等特性。如圖3-3-1所示即為原始信號(hào)幅值圖： 圖3-3-1 原始信號(hào)幅值圖 信號(hào)的傅立葉表示在信號(hào)的分析與處理中起著重要的作用。因?yàn)閷?duì)于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對(duì)正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號(hào)分析和處理問題。語音信號(hào)經(jīng)過fft變換之后，就可以得到信號(hào)的頻域圖形，另外，傅立葉表示使信號(hào)的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號(hào)的各項(xiàng)宏物理現(xiàn)象。從圖中可以看出語音信號(hào)的截止頻率為4000hz。3.4含噪信號(hào)的合成在ma

25、tlab軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：白噪聲、單頻噪聲（正弦干擾）、多頻噪聲（多正弦干擾）、其他干擾，可設(shè)置為低頻、高頻、帶限噪聲、chirp干擾、沖激干擾。繪制出疊加噪聲之后的語音信號(hào)時(shí)域圖形及頻域圖形，在視覺上與原始信號(hào)圖形對(duì)比，也可以通過windows播放軟件或者是利用matlab中的sound()函數(shù)從聽覺上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語音信號(hào)頻譜和時(shí)域波形的改變。加噪后語音信號(hào)時(shí)域及頻域圖如圖3-4-1所示： 圖3-4-1 加噪后信號(hào)的時(shí)域及頻域圖與原始信號(hào)對(duì)比，加入噪聲后的波形與原始信號(hào)相比出現(xiàn)了一些區(qū)別：先原始信號(hào)沒加噪音之前0到2000有幅值，在40

26、00到6000之間沒有幅值，但是在加了噪音之后4000到6000之間出現(xiàn)超過最大幅值15，超出了正常值。圖3-3-1所示的原始信號(hào)幅度譜與加噪后圖3-4-1所示的信號(hào)頻譜對(duì)比可看出。3.5 fir濾波器的設(shè)計(jì)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)輸入信號(hào)波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。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)化過程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類，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，即無限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（iir）濾波器和有限長(zhǎng)沖激

27、響應(yīng)（fir）濾波器。從性能上來說，iir濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高。但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，fir濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于fir濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性；對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，fir濾波器所要求的階數(shù)可以比iir濾波器高510倍，結(jié)果，成本較高，信號(hào)延時(shí)也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則iir濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。整體來看，ii

28、r濾波器達(dá)到同樣效果階數(shù)少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；fir濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大。 給出濾波器的歸一化性能指標(biāo)，采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)各種類型的濾波器（低通、高通、帶通、帶阻）來對(duì)疊加噪聲后的與語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。43.6 利用fir濾波器濾波利用凱瑟窗設(shè)計(jì)低通fir濾波器，利用凱瑟窗設(shè)計(jì)高通fir濾波器對(duì)合成的含噪信號(hào)進(jìn)行濾波，繪制出fir濾波器的頻率響應(yīng)，繪出濾波后的時(shí)域波形和頻譜圖，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；在相同的性能指標(biāo)下比較個(gè)方法的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析。語音信號(hào)中包含背景噪聲，這些噪聲的頻率一般較高。所以可以利用matl

29、ab軟件中設(shè)計(jì)的fir濾波器進(jìn)行濾波處理，得到較為理想的語音信號(hào)。從以上各種數(shù)字濾波器經(jīng)過濾波后得出的語音信號(hào)相比較，使用低通濾波器濾波以后，聲音稍微有些發(fā)悶，但是很接近原來錄制的聲音；使用高通濾波器濾波后則聽不到人的聲音。（1） 用凱瑟窗設(shè)計(jì)fir低通濾波器利用凱瑟窗設(shè)計(jì)的fir低通濾波器，濾波器的性能指標(biāo)為：fp=1000；fs=1200；rs=100；fs=8000。 凱瑟窗是全面地反映主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，可以在它們兩者之間自由地選擇主瓣與旁瓣衰減的比重。圖示的3-6-1及3-6-2分別為利用凱瑟窗設(shè)計(jì)的低通濾波器和濾波前后的語音信號(hào)圖： 圖3-6-1 凱瑟窗設(shè)計(jì)低通濾波器的頻

30、譜圖 圖3-6-2 濾波前后的信號(hào)的比較從圖3-6-1與3-6-2看出，加噪聲后的語音信號(hào)經(jīng)過fir濾波器濾波后，時(shí)域和頻域圖與原始信號(hào)幾乎一樣，說明噪聲幾乎都被濾掉了，也說明fir濾波器設(shè)計(jì)很理想，能滿足所需要求。使用凱瑟窗設(shè)計(jì)的fir低通濾波器濾波以后，聽到的聲音稍微有些發(fā)悶、低沉，原因是高頻分量被fir低通濾波器衰減。但是得到的已經(jīng)是很接近原來的聲音了。圖3-6-3及3-6-4分別為利用凱瑟窗設(shè)計(jì)的高通濾波器和濾波前后的語音信號(hào)圖：（2）用凱瑟窗設(shè)計(jì)fir高通濾波器圖3-6-3 凱瑟窗設(shè)計(jì)的高通濾波器的頻譜圖3-6-4 濾波前后信號(hào)的比較利用凱瑟窗設(shè)計(jì)高通濾波器，濾波器的性能指標(biāo)為：fp

31、=3000；fs=2800；fs=8000；as=100。高通濾波器濾波以后，此時(shí)只有少許雜音，原因是低頻分量被高通濾波器衰減，而人聲部分正好是低頻部分，所以只剩下雜音，或者發(fā)出高頻雜音但人的耳朵聽不到。3.7 結(jié)果分析通過對(duì)比分析可知，濾波后的輸出波形和原始語音加噪聲信號(hào)的圖形發(fā)生了一些變化：濾波后的輸出波形明顯在對(duì)應(yīng)時(shí)間幅度比原語音加噪聲信號(hào)的要小，而且濾波的效果也與濾波器的選擇有關(guān)，可以看出濾波器的性能差異以及參數(shù)的調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)濾波器產(chǎn)生一定的影響，并且通過回放可以發(fā)現(xiàn)濾波前后的聲音有變化.低通濾波后,已很接近原來的聲音。從頻譜圖中我們還可以看出聲音的能量信號(hào)主要集中在低頻部分，說明高頻語音

32、信號(hào)被濾出，濾波器達(dá)到既定要求。在采樣時(shí)要注意音頻要為單聲道，否則會(huì)提示出錯(cuò)，無法利用freqz繪制原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖。總結(jié)要求錄制一段語音信號(hào)，要求長(zhǎng)度不小于10秒，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣。在matlab中可使用wav（）函數(shù)完成錄制一段語音，在matlab中y,fs,bits=wavread();用于讀取語音，wavplay（y,fs）；用于語音播放，也可以使用函數(shù)sound()。語音信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它攜帶著各種信息。語音信號(hào)分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號(hào)所攜帶的信息。語音信號(hào)分析可以分為時(shí)域和變換域等處理方法，其中時(shí)域分析是最簡(jiǎn)單的方法，直接對(duì)語音信號(hào)的時(shí)

33、域波形進(jìn)行分析，提取的特征參數(shù)。語音信號(hào)經(jīng)過fft變換之后，就可以得到信號(hào)的頻域圖形，另外，頻域圖形使信號(hào)的某些特性變得更明顯，信號(hào)的傅立葉表示在信號(hào)的分析與處理中起著重要的作用。因?yàn)閷?duì)于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對(duì)正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號(hào)分析和處理問題。應(yīng)用matlab 根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行fir 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求隨時(shí)改變參數(shù)，以使濾波器達(dá)到最優(yōu)化。 使用凱瑟窗設(shè)計(jì)低通、高通濾波器，并對(duì)疊加噪聲后的語音信號(hào)進(jìn)行濾波。比較濾波前后的時(shí)域波形和頻譜并進(jìn)行分析。在頻域波形中，我們可以明顯的看到設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行了濾波處理

34、，將噪聲進(jìn)行了濾除。此次濾波基本達(dá)到了要求，完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)。總之，加噪聲的后的語音信號(hào)經(jīng)過fir濾波器的濾波處理，時(shí)域和頻域圖與原始信號(hào)都幾乎一樣，這說明噪聲幾乎全被濾掉了，同時(shí)也說明fir濾波器設(shè)計(jì)還算理想，能滿足所需要求。也可看出濾波之后仍有一小段噪聲沒有濾除，后面經(jīng)過調(diào)試濾波器的參數(shù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)fp、fs參數(shù)的數(shù)值相差增大時(shí)，剩余噪聲便會(huì)減少，于是通過進(jìn)一步調(diào)試得到了較好的效果。 低通濾波后，聲音稍微有些發(fā)悶、低沉，原因是高頻分量被低通濾波器衰減。但是很接近原來的聲音。高通濾波器濾波以后，此時(shí)只有少許雜音，原因是低頻分量被高通濾波器衰減，而人聲部分正好是低頻部分，所以只剩下雜音，或者

35、發(fā)出高頻雜音但人的耳朵聽不到。本課程設(shè)計(jì)的主要目的是在matlab環(huán)境下，使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)一個(gè)fir濾波器，并對(duì)疊加了噪聲后的語音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪。此次濾波基本達(dá)到了要求，完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)。 參考文獻(xiàn)1丁美玉. 數(shù)字信號(hào)處理. 西安電子科技大學(xué)出版社 151:2222朱冰蓮 .數(shù)字信號(hào)處理. 電子工業(yè)出版社 87:933李勇、徐震，matlab輔助現(xiàn)代工程數(shù)字信號(hào)處理，西安電子科技大學(xué)出版社 48:564劉樹棠譯.數(shù)字信號(hào)處理使用matlab.西安:西安交通大學(xué)出版社 42:495羅軍輝等編著.matlab7.0在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.28:34附錄%聲音采集

36、及繪制原始語音信號(hào)的時(shí)域波形和fft頻譜圖x,fs=wavread('aa.wav')x=x(:,1);fs=length(x);f=0;fs/fs;(fs-1)*fs/fs;sound(x); %播放語音信號(hào)x=fft(x,4096);magx=abs(x);angx=angle(x);y1=fft(x,1024); %對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)fft變換f=fs*(0:511)/1024;figure(1)subplot(211);plot(magx);title('原始信號(hào)幅值');grid on;subplot(212);plot(angx);title(

37、9;原始信號(hào)相位');grid on;figure(2)subplot(211);plot(x); %繪制原始語音信號(hào)的時(shí)域波形圖title('原始語音信號(hào)時(shí)域波形圖');xlabel('time n');ylabel('fuzhi n'); grid on; subplot(212); %繪制原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖 plot(f,abs(y1(1:512);title('原始語音信號(hào)頻譜圖')xlabel('hz');ylabel('fudu'); grid on;%添加隨機(jī)噪聲及添加噪

38、聲后的時(shí)域圖和頻譜圖noise_mu=0;noise_var=0.05; x0=randn(size(x).*sqrt(noise_var)+noise_mu; x1=x+x0; ts=1/fs; % 繪制在原始信號(hào)上加隨機(jī)噪聲的信號(hào)圖 ta=(length(x)-1)/fs; t=0:ts:ta;figure(3);subplot(211); plot(t,x1); title('加隨機(jī)噪聲后語音信號(hào)時(shí)域圖'); xlabel('t');ylabel('x1');grid on;y2=fft(x1,1024); %對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)fft變換f

39、=fs*(0:511)/1024;subplot(212); %繪制原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖 plot(f,abs(y2(1:512);title('加隨機(jī)噪聲后的語音信號(hào)頻譜圖')xlabel('hz');ylabel('fudu'); grid on;sound(x1)；%用凱瑟窗設(shè)計(jì)fir低通濾波器fp=1000;fs=1200;rs=100;fs=8000; %kaiser濾波器設(shè)計(jì)wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;bt=ws-wp;alph=0.112*(rs-8.7);m=ceil(rs-8)/2.285/bt)

40、;wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(m,wc,kaiser(m+1,alph);figure(4);freqz(hn);y,fn,nbits=wavread('mn.wav'); y=fft(y);y1=fftfilt(hn,y); %利用 kaiser濾波器對(duì)語音信號(hào)濾波y1=fft(y1);n=0:length(y)-1;figure(5);subplot(221);plot(y);title('未濾波語音波形');subplot(222);plot(y1);title('濾波后語音波形');subplot(223);plot(

41、n,y);title('未濾波語音頻譜');subplot(224);plot(n,y1);title('濾波后語音頻譜');sound(y1,fn,nbits); %濾波后語音回放%用凱瑟窗設(shè)計(jì)fir數(shù)字高通濾波器clear all;close all;clc;fp=3000;fs=2800;fs=8000;as=100;wp=2*pi*fp/fs;ws=2*pi*fs/fs;bt=wp-ws;alph=0.112*(as-8.7);m=ceil(as-8/2.285/bt);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(m,wc,'high',kaiser(m+1,alph);figure(1);freqz(hn)y,fn,nbits=wavread('暗暗.wav'); y=fft(y);y1=fftfilt(hn,y); %用kaiser濾波器進(jìn)行濾波y1=fft(y1);n=0:length(y)-1;figure(2);subplot(221);plot(y);title('未濾波語音波形'); subplot(222);plot(y1);title('濾波后語音波形');subplot(223);plot(n,y);title('