MATLAB結(jié)課論文設(shè)計(jì)

1、MATLAB程序設(shè)計(jì)(論文) 基于MATLAB實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的去噪 院（系）名稱電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)通信工程 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 任課教師 本科生（論文）論 文 任 務(wù)給定一段帶噪語音(mp3文件格式) 1將帶噪語音abc.mp3讀入MATLAB內(nèi)存2畫出時(shí)域波形圖，3畫出頻譜圖4. 分析該段語音文件的頻譜圖5. 設(shè)計(jì)語音信號(hào)去噪方案6編寫代碼實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)去噪7. 將純凈語音重新合成mp3文件7. 總結(jié)設(shè)計(jì)方案，分析實(shí)驗(yàn)效果，撰寫論文 摘 要濾波器設(shè)計(jì)在數(shù)字信號(hào)處理中占有極其重要的地位，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器和IIR濾波器是濾波器設(shè)計(jì)的重要組成部分。利用MATLAB信號(hào)處理工具箱可以快速有效地設(shè)計(jì)

2、各種數(shù)字濾波器。課題基于MATLAB有噪音語音信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)對(duì)加噪聲語音信號(hào)進(jìn)行時(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程中，使用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計(jì)IIR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。通過對(duì)對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器的仿真和頻率特性分析，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，過程簡(jiǎn)單方便，結(jié)果的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到指定要求。關(guān)鍵詞 數(shù)字濾波器 MATLAB 窗函數(shù)法

3、巴特沃斯 切比雪夫 雙線性變換I 目 錄第1章 緒論11.1數(shù)字信號(hào)處理的意義11.2語音去噪設(shè)計(jì)要求2第2章 語音去噪方案設(shè)計(jì)32.1語音去噪的應(yīng)用意義32.2 語音去噪設(shè)計(jì)框圖32.3設(shè)計(jì)原理4第3章 程序分析53.1 語音去噪采樣過程53.2 語音去噪方案6第 4 章 總結(jié)8參考文獻(xiàn)9附錄10II第1章 緒論1.1數(shù)字信號(hào)處理的意義數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的。它在語音、雷達(dá)、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)

4、、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器, 是數(shù)字信號(hào)處理中及其重要的一部分。隨著信息時(shí)代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋?shù)字濾波器可以通過數(shù)值運(yùn)算實(shí)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(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即有限沖激響應(yīng)( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無限沖激響應(yīng)( IIR，Infinite Impulse Response)濾波器。FIR濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數(shù)H

5、 (z)在處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過fir濾波器后他們的時(shí)間差不變，這是很好的性質(zhì)。FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。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(shí)、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(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型

6、四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時(shí)，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，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。濾波器的設(shè)計(jì)可以通過軟件或設(shè)計(jì)專用的硬件兩種方式來實(shí)現(xiàn)。隨著MATLAB軟件及信號(hào)處理工具箱的不斷完善，MATLAB很快成為應(yīng)用學(xué)科等領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)軟件。它可以快速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、分析和仿真，極大地減輕了工作量,有利于濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。1.2語音去噪設(shè)計(jì)要求1 語音去噪設(shè)計(jì)框圖2 仿真設(shè)計(jì)3 輸出

7、結(jié)果判斷電路是否正確4 分析電路1.3課程設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇一個(gè)語音信號(hào)作為分析的對(duì)象，或錄制一段各人自己的語音信號(hào)，對(duì)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(hào)中，模仿語音信號(hào)被污染，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析；設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器， 并對(duì)被噪聲污染的語音信號(hào)進(jìn)行濾波， 分析濾波后信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，回放語音信號(hào)；最后，設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)界面。在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的類型。1數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告第2章 語音去噪方案設(shè)計(jì)2.1語音去噪的應(yīng)用意義 語音信號(hào)的采集與分析技術(shù)是一門涉及面很廣的交叉科學(xué)，它的應(yīng)用和發(fā)展與語音學(xué)、聲音測(cè)量學(xué)、電子測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)

8、處理等學(xué)科緊密聯(lián)系，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。在信號(hào)傳輸過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件或各種其他主觀或客觀條件的原因，語音處理系統(tǒng)都不可避免地要受到各種噪聲的干擾。噪聲不但降低了語音質(zhì)量和語音的可懂度，而且還將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的急劇惡化，嚴(yán)重時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺

9、脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以極大程度上削弱噪聲影響，還原出真實(shí)的語音信號(hào)（相符度在90%以上）。，還原出真實(shí)的語音信號(hào)（相符度在90%以上）。2.2 語音去噪設(shè)計(jì)框圖圖 2.1 整體框圖圖 2.1為調(diào)頻發(fā)射機(jī)整體框圖。其中高頻振蕩級(jí)主要是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、中心頻率符合指標(biāo)要求的正弦波信號(hào)，且其頻率受到外加音頻信號(hào)電壓調(diào)變；緩沖級(jí)主要是對(duì)調(diào)頻振蕩信號(hào)進(jìn)行放大，以提供末級(jí)所需的激勵(lì)功率，同時(shí)還對(duì)前后級(jí)起有一定的隔離作用，2.3設(shè)計(jì)原理1. 濾波器的基本原理濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路。 濾波器

10、分為有源濾波和無源濾波，它的主要作用是：讓有用信號(hào)盡可能無衰減的通過，對(duì)無用信號(hào)盡可能大的衰減。 濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱為L(zhǎng)型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成。基本單節(jié)式濾波器由一個(gè)串聯(lián)臂及一個(gè)并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L(zhǎng)型及型兩種。L型單節(jié)濾波器而言，其電感抗XL與電容抗XC，對(duì)任一頻率為一常數(shù)，其關(guān)系為 XL·XC=K2 故L型濾波器又稱為K常數(shù)濾

11、波器。簡(jiǎn)而言之，濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過程。2.采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中，最高頻率fmax的2倍時(shí)，即：fs.max>=2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(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。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*log2 N (其中W是理想低通信道的帶寬,N是電平強(qiáng)度) 第3章 程序分析3.1 語音去噪采樣過程采集語音的程

12、序如下：y,fs,bits=wavread('abc.wav');sound(y,fs) % 回放語音信號(hào)n=length(y) %選取變換的點(diǎn)數(shù) y_p=fft(y,n); %對(duì)n點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換到頻域f=fs*(0:n/2-1)/n; % 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率figure(1)subplot(2,1,1);plot(y); %語音信號(hào)的時(shí)域波形圖title('原始語音信號(hào)采樣后時(shí)域波形');xlabel('時(shí)間軸')ylabel('幅值 A')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2); %語音信號(hào)的頻譜

13、圖title('原始語音信號(hào)采樣后頻譜圖');xlabel('頻率Hz');ylabel('頻率幅值');執(zhí)行后的結(jié)果如下：圖3.1 原波形3.2 語音去噪方案濾波器設(shè)計(jì)程序?qū)V波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)為通帶截止頻率fp=1500HZ,阻帶頻率fc=1700HZ,通帶波紋Ap=1dB，阻帶波紋As=20dB,要求確定H(z)。設(shè)計(jì)程序如下：fp=1500;fs=8000;As=100;Ap=1; wc=2*pi*fc/fs; wp=2*pi*fp/fs;wdel=wc-wp;beta=0.112*(As-8.7);N=ceil(As-8)/2.285/w

14、del);wn= kaiser(N+1,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(N,ws,wn);figure(2);freqz(b,1);程序結(jié)果如下：圖3.2 濾波波形1. 3.3語音去在結(jié)果分析圖3.3 濾波前后波形由圖1.2中濾波前后波形比較可看出，經(jīng)過濾波后的波形比原波形的振幅有所減小，去除了很多由于噪聲所產(chǎn)生的干擾；從濾波前后的頻譜比較可以看出經(jīng)過濾波后除了原本的聲音外，中間由于噪聲產(chǎn)生的頻譜波形已經(jīng)濾除；經(jīng)過MATLAB仿真，聽濾波前后的聲音，可以聽出有明顯的濾波效果。第 4 章 總結(jié)語音信號(hào)處理是語音學(xué)與數(shù)字信號(hào)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)

15、，而是將語音當(dāng)做一種特殊的信號(hào)，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(hào)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(hào)處理”是希望將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域，這里就是指對(duì)語音及加噪處理。作為存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的語音信號(hào)，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(duì)其進(jìn)行處理了。這一過程的實(shí)現(xiàn)，用到了處理數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB。通過MATLAB里幾個(gè)命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實(shí)際語音與數(shù)字信號(hào)的理論之間搭了一座橋。課題的特色在于它將語音信號(hào)看作一個(gè)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(hào)處理的知識(shí)來

16、解決語音及加噪處理問題。我們可以像給一般信號(hào)做頻譜分析一樣，來對(duì)語音信號(hào)做頻譜分析，也可以較容易的用數(shù)字濾波器來對(duì)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(hào)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(hào)的頻譜圖中可以看出含噪聲的語音信號(hào)頻譜,在整個(gè)頻域范圍內(nèi)分是布均勻。其實(shí)，這正是干擾所造成的。通過濾波前后的對(duì)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(hào)主要分布在低頻段，而噪聲主要分布在高頻段。 本人簽字： 參考文獻(xiàn)1.高西全，丁玉美數(shù)字信號(hào)處理第3版北京：西安電子科技大學(xué)出版社，20082.劉泉，闕

17、大順數(shù)字信號(hào)處理原理與實(shí)現(xiàn)北京：電子工業(yè)出版社，20053 .張磊，畢靖，郭蓮英MATLAB實(shí)用教程北京：人民郵電出版社，20084 .張威MATLAB基礎(chǔ)與編程入門西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20065 .周利清，蘇菲數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)北京：北京郵電大學(xué)出版社，20056.蔣瑞艷 振動(dòng)，噪聲處理系統(tǒng)J. 大連理工大學(xué)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2002（1） 7.崔曉娟 基于MATLAB的艦船輻射噪聲信號(hào)小波消噪處理J. 艦船科學(xué)技術(shù) 2006（06） 8附錄 源代碼%對(duì)語言信號(hào)做原始的時(shí)域波形分析和頻譜分析 y,fs,bits=wavread('abc.wav');% soun

18、d(y,fs) % 回放語音信號(hào)n=length(y) %選取變換的點(diǎn)數(shù) y_p=fft(y,n); %對(duì)n點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換到頻域f=fs*(0:n/2-1)/n; % 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率figure(1)subplot(2,1,1);plot(y); %語音信號(hào)的時(shí)域波形圖title('原始語音信號(hào)采樣后時(shí)域波形');xlabel('時(shí)間軸')ylabel('幅值 A')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2); %語音信號(hào)的頻譜圖title('原始語音信號(hào)采樣后頻譜圖');xlabel('頻率Hz&