音頻信號(hào)的細(xì)化普設(shè)計(jì)及去噪

1、課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 設(shè)計(jì)要求：音頻信號(hào)的譜分析及去噪基本要求：l 錄制一段音頻（如歌曲，說話聲等），采用Matlab工具對(duì)此音頻信號(hào)用FFT作譜分析。l 錄制一段加入噪聲的音頻（如在歌聲中加入尖銳的口哨聲或者其他噪聲），采用Matlab工具對(duì)此音頻信號(hào)用FFT作譜分析。l 選擇合適的指標(biāo)，設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，將音頻中加入的噪聲信號(hào)減弱或?yàn)V除。擴(kuò)展要求：l 將處理后的音頻信號(hào)重新生成.wav文件，收聽該音頻，根據(jù)效果調(diào)整濾波器指標(biāo)重新設(shè)計(jì)濾波器。音頻信號(hào)的譜分析及去噪一、 設(shè)計(jì)目的和意義通過MATLAB編程，用FFT函數(shù)繪制出音頻信號(hào)的頻譜。用噪音去干擾音頻信號(hào)，畫出干擾后信號(hào)的頻譜。

2、這樣觀察對(duì)比，便可分析出噪聲對(duì)音頻信號(hào)的干擾。主要目的是通過設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器濾除噪音信號(hào)，體會(huì)濾波器可提取有用信號(hào)消除干擾的作用。去噪，可以減少或消除信號(hào)傳輸過程中的干擾，從而達(dá)到有效傳輸。二、 設(shè)計(jì)原理1、FFT原理：運(yùn)用快速傅里葉變換得信號(hào)的頻譜，快速傅里葉變換是可以用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的一種快速求得信號(hào)頻譜的方法。在MATLAB編程中可以直接調(diào)用FFT函數(shù)。2、FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟：1）將給定的數(shù)字濾波器性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的模擬濾波器性能指標(biāo)。2）將模擬濾波器的性能指標(biāo)變換成模擬低通濾波器的性能指標(biāo)。3）用所得的模擬低通濾波器的性能指標(biāo)，利用某種模擬濾波器逼近方法，設(shè)計(jì)得出該濾波器

3、。低通濾波器的頻率響應(yīng)：阻帶過渡帶通帶設(shè)計(jì)濾波器時(shí)主要考慮四個(gè)指標(biāo)：通帶截止頻率、阻帶起始頻率、通帶衰減、阻帶衰減。三、 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟1. 用Windows附件中的錄音機(jī)錄制了一段歌曲，并且由MATLAB中的FFT函數(shù)繪制出它的頻譜圖和時(shí)域波形。N=1024;%采樣點(diǎn)數(shù)fs=20000; %語音信號(hào)采樣頻率為20000x0,fs,NBTS=wavread('d:輸入噪聲ly.wav');% ly為原始語音信號(hào)m0,n0=size(x0);x0=wavread('d:輸入噪聲ly.wav'); %讀取音頻信號(hào)sound(x0,fs); %播放音頻信號(hào)figure(

4、1) plot(linspace(0,m0/fs,m0),x0); %做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖title('輸入音頻信號(hào)');y0=fft(x0,N); %對(duì)輸入音頻信號(hào)做1024點(diǎn)FFT變換f0=fs*(0:N/2-1)/N;figure(2) plot(f0,abs(y0(1:512);title('音頻信號(hào)的頻譜'); %做原始語音信號(hào)的FFT頻譜圖axis(0 5000 0 70);僅從其時(shí)域波形來看，無法看出其波形的正確性，由于是多頻率的信號(hào)因此其時(shí)域波形與單頻信號(hào)肯定存在很大差別。無噪聲音頻頻譜圖：2. 用上述方法從新錄入此段歌曲，且在錄得過程中加入鑰

5、匙響聲噪音。編寫程序畫出其時(shí)域波形和頻譜，同時(shí)觀察加入噪聲后的音頻信號(hào)的頻譜與無噪聲音頻信號(hào)頻譜的區(qū)別。N=1024;fs=20000; x1,fs,NBTS=wavread('d:輸入噪聲lyy.wav'); % lyy帶噪聲的音頻信號(hào)m1,n0=size(x1);x1=wavread('d:輸入噪聲lyy.wav'); %讀取信號(hào)sound(x1,fs); %播放音頻figure(3) plot(linspace(0,m1/fs,m1),x1); %做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖title('帶噪聲的音頻信號(hào)');y1=fft(x1,N); %對(duì)信號(hào)

6、FFT變換f1=fs*(0:N/2-1)/N;figure(4) plot(f1,abs(y1(1:512);title('帶噪聲的音頻信號(hào)頻譜'); %做原始語音信號(hào)的FFT頻譜圖信號(hào)的讀入直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)wavread，從目標(biāo)文件中讀出信號(hào)。帶噪聲音頻信號(hào)波形：將上圖與沒有帶噪聲的音頻信號(hào)相比較，可以看到在原來的基礎(chǔ)上加上了一些比較高的頻率分量。最后要將信號(hào)無失真恢復(fù)出來就必須將該信號(hào)通過一個(gè)濾波器，將高頻分量濾除。從信號(hào)時(shí)域波形可得知其頻譜中一定加入了高頻分量。其頻譜圖如下所示。3、設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器。首先確定其性能指標(biāo)fs=20000;fedge=500 600;%通

7、帶截止頻率和阻帶起始頻率mval=1 0;%通帶幅度為1阻帶幅度為0dev=0.0599 0.00316; %通帶衰減0.5dB，阻帶衰減大于等于50dB。N,fpts,mag,wt=remezord(fedge,mval,dev,fs); %計(jì)算低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。b=remez(N,fpts,mag,wt);h,w=freqz(b,1,512);figure(5)plot(w/pi,20*log10(abs(h);title('低通濾波器頻率響應(yīng)');axis(0 0.2 -80 20);grid;xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅

8、度/db');設(shè)計(jì)低通濾波器頻率響應(yīng)波形：從圖形中可以看到與預(yù)期設(shè)想的基本符合，通帶截止頻率為500Hz，阻帶起始頻率為600Hz。3. 讓加入噪聲后的語音信號(hào)通過此低通濾波器，濾波以后得到的信號(hào)，畫出其時(shí)域波形和頻譜圖。與第一步中不含噪音的音頻信號(hào)的頻譜進(jìn)行比較，分析此低通濾波器的性能。N=1024;fs=20000;lb=filter(b,1,x1);%對(duì)帶有噪聲的音頻信號(hào)進(jìn)行濾波figure(6)plot(linspace(0,m1/fs,m1),lb); title('濾波后的信號(hào)');y2=fft(lb,N); %對(duì)濾波后的信號(hào)FFT變換f2=fs*(0:N/

9、2-1)/N;figure(7) plot(f2,abs(y2(1:512);title('濾波后信號(hào)頻譜');axis(0 5000 0 50);sound(lb,fs);%播放濾波后的音頻信號(hào)。濾波后時(shí)域信號(hào)波形：與帶噪聲的信號(hào)相比噪聲明顯降低了。濾波信號(hào)的頻譜圖形：與無噪聲的音頻信號(hào)頻譜相比，已經(jīng)非常接近了，說明濾波器性能達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)?？梢詮拇嘶謴?fù)原來音頻信號(hào)。5、恢復(fù)重建音頻信號(hào)，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)wavwrite即可生成音頻信號(hào)。lb1=lb/2; %由于加入噪聲的緣故，將其幅度減半以免在重新生成音頻信號(hào)的時(shí)候使得信號(hào)丟失wavwrite(lb1,20000,16,

10、9;lb.wav'); %重新生成音頻信號(hào)將恢復(fù)重建的音頻信號(hào)打開播放，可以感覺到與原來的音頻信號(hào)基本一樣，除了一些頻率比較低的噪聲沒能濾除外，基本達(dá)到要求。四、 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析從上面每一部分設(shè)計(jì)繪出的波形來看，基本達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的要求。主要還存在的問題是由于輸入的是音頻信號(hào)，對(duì)于這種具有多個(gè)頻率的信號(hào)不熟悉，并不像正弦信號(hào)那樣直觀清晰，所以在分析結(jié)果時(shí)比價(jià)困難。但通過一步一步的分析，到最終將信號(hào)恢復(fù)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。五、 體會(huì)通過做這個(gè)課程設(shè)計(jì)，自己受益匪淺。課程設(shè)計(jì)鍛煉了我分析問題解決問題的能力，將所學(xué)知識(shí)更進(jìn)一步的理解運(yùn)用，使我不但從理論上對(duì)知識(shí)有更深的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際中有一定了解。信號(hào)經(jīng)過FFT變換繪出頻譜圖，更加直觀的把信號(hào)的特性展現(xiàn)在了面前，這樣使得我對(duì)信號(hào)的認(rèn)識(shí)也有了進(jìn)一步的了解。線性調(diào)制過程，乘上載波實(shí)質(zhì)就是頻譜的搬移過程，觀察得到的頻譜圖，驗(yàn)證了搬移的過程。本次設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的我認(rèn)為還是濾波器的設(shè)計(jì)，濾波器設(shè)計(jì)得好與差將直接影響調(diào)制結(jié)果，進(jìn)而影響解調(diào)結(jié)果，最后將無法得到原始的調(diào)制信號(hào)，將出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。再有，每次做課程設(shè)計(jì)之前，自己總會(huì)覺得很難，但經(jīng)過仔細(xì)地分析之后，由理論知識(shí)作為基礎(chǔ)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)便會(huì)覺得不是那么難。設(shè)計(jì)過程中，遇到的最大問題是對(duì)MATLAB編程在信號(hào)處理上的不熟悉，在不斷的查