MATLAB結課論文設計

1、MATLAB程序設計(論文) 基于MATLAB實現語音信號的去噪 院（系）名稱電子與信息工程學院 專業(yè)班級通信工程 學號 學生姓名 任課教師 論 文 任 務給定一段帶噪語音(mp3文件格式) 1將帶噪語音abc.mp3讀入MATLAB內存2畫出時域波形圖，3畫出頻譜圖4. 分析該段語音文件的頻譜圖5. 設計語音信號去噪方案6編寫代碼實現語音信號去噪7. 將純凈語音重新合成mp3文件7. 總結設計方案，分析實驗效果，撰寫論文 摘 要濾波器設計在數字信號處理中占有極其重要的地位，FIR數字濾波器和IIR濾波器是濾波器設計的重要組成部分。利用MATLAB信號處理工具箱可以快速有效地設計各種數字濾波器

2、。課題基于MATLAB有噪音語音信號處理的設計與實現，綜合運用數字信號處理的理論知識對加噪聲語音信號進行時域、頻域分析和濾波。通過理論推導得出相應結論，再利用 MATLAB 作為編程工具進行計算機實現。在設計實現的過程中，使用窗函數法來設計FIR數字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設計IIR數字濾波器，并利用MATLAB 作為輔助工具完成設計中的計算與圖形的繪制。通過對對所設計濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用MATLAB信號處理工具箱可以有效快捷地設計FIR和IIR數字濾波器，過程簡單方便，結果的各項性能指標均達到指定要求。關鍵詞 數字濾波器 MATLAB 窗函數法 巴特沃斯 切比

3、雪夫 雙線性變換 目 錄第1章 緒論11.1數字信號處理的意義11.2語音去噪設計要求2第2章 語音去噪方案設計32.1語音去噪的應用意義32.2 語音去噪設計框圖32.3設計原理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8參考文獻9附錄10第1章 緒論1.1數字信號處理的意義數字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數值計算的方法對信號進行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達到提取信息和便于應用的目的。它在語音、雷達、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學等眾多領域都獲得了極其廣泛的應用。具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低

4、、速度快等優(yōu)點。數字濾波器, 是數字信號處理中及其重要的一部分。隨著信息時代和數字技術的發(fā)展，受到人們越來越多的重視。數字濾波器可以通過數值運算實現濾波，所以數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，可以實現模擬濾波器無法實現的特殊功能。數字濾波器種類很多，根據其實現的網絡結構或者其沖激響應函數的時域特性，可分為兩種，即有限沖激響應( FIR，Finite Impulse Response)濾波器和無限沖激響應( IIR，Infinite Impulse Response)濾波器。FIR濾波器結構上主要是非遞歸結構，沒有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數H (z)在處收斂，極

5、點全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數達到高的選擇性。FIR數字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經過fir濾波器后他們的時間差不變，這是很好的性質。FIR數字濾波器是有限的單位響應也有利于對數字信號的處理，便于編程，用于計算的時延也小，這對實時的信號處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實現相位控制，允許設計多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點收到人們的青睞。IIR濾波器采用遞歸型結構，即結構上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運算結構通常由延時、乘以系數和相加等基本運算組成，可以組合成直接型、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結構形式，都具有

6、反饋回路。同時，IIR數字濾波器在設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，有現成的設計數據或圖表可查，在設計一個IIR數字濾波器時，我們根據指標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換成數字濾波器的公式。濾波器的設計可以通過軟件或設計專用的硬件兩種方式來實現。隨著MATLAB軟件及信號處理工具箱的不斷完善，MATLAB很快成為應用學科等領域不可或缺的基礎軟件。它可以快速有效地實現數字濾波器的設計、分析和仿真，極大地減輕了工作量,有利于濾波器設計的最優(yōu)化。1.2語音去噪設計要求1 語音去噪設計框圖2 仿真設計3 輸出結果判斷電路是否正確

7、4 分析電路1.3課程設計內容選擇一個語音信號作為分析的對象，或錄制一段各人自己的語音信號，對其進行頻譜分析；利用MATLAB中的隨機函數產生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其進行頻譜分析；設計FIR和IIR數字濾波器， 并對被噪聲污染的語音信號進行濾波， 分析濾波后信號的時域和頻域特征，回放語音信號；最后，設計一個信號處理系統(tǒng)界面。在所設計的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的類型。第2章 語音去噪方案設計2.1語音去噪的應用意義 語音信號的采集與分析技術是一門涉及面很廣的交叉科學，它的應用和發(fā)展與語音學、聲音測量學、電子測量技術以及數字信號處理等學科緊密聯(lián)系，語音是人類獲取信息的重要來

8、源和利用信息的重要手段。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，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量和語音的可懂度，而且還將導致系統(tǒng)性能的急劇惡化，嚴重時使整個系統(tǒng)無法正常工作。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortr

9、an）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。其強大的數據處理能力可以極大程度上削弱噪聲影響，還原出真實的語音信號（相符度在90%以上）。，還原出真實的語音信號（相符度在90%以上）。2.2 語音去噪設計框圖圖 2.1 整體框圖圖 2.1為調頻發(fā)射機整體框圖。其中高頻振蕩級主要是產生頻率穩(wěn)定、中心頻率符合指標要求的正弦波信號，且其頻率受到外加音頻信號電壓調變；緩沖級主要是對調頻振蕩信號進行放大，以提供末級所需的激勵功率，同時還對前后級起有一定的隔離作用，2.3設計原理1. 濾波器的基本原理濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。 濾波器分為有源濾波和無源濾波，它的主要作用是：讓有用

10、信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。 濾波器是由電感器和電容器構成的網路，可使混合的交直流電流分開。整流器中，即借助此網路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個電容器和一個電感器構成，稱為L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)式濾波器由一個串聯(lián)臂及一個并聯(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，對任一頻率為一常數，其關系為 XL·XC=K2 故L型濾波器又稱為K常數濾波器。簡而言之，濾波，本質上是從被噪聲畸變和污

11、染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。2.采樣定理在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中，最高頻率fmax的2倍時，即：fs.max>=2fmax,則采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的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是電平強度) 第3章 程序分析3.1 語音去噪采樣過程采集語音的程序如下：y,fs,bits=wavread(&

12、#39;abc.wav');sound(y,fs) % 回放語音信號n=length(y) %選取變換的點數 y_p=fft(y,n); %對n點進行傅里葉變換到頻域f=fs*(0:n/2-1)/n; % 對應點的頻率figure(1)subplot(2,1,1);plot(y); %語音信號的時域波形圖title('原始語音信號采樣后時域波形');xlabel('時間軸')ylabel('幅值 A')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2); %語音信號的頻譜圖title('原始語音信號采樣后頻譜

13、圖');xlabel('頻率Hz');ylabel('頻率幅值');執(zhí)行后的結果如下：圖3.1 原波形3.2 語音去噪方案濾波器設計程序將濾波器的設計指標設為通帶截止頻率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)。設計程序如下：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/wdel);wn= kaiser(N+1,bet

14、a);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(N,ws,wn);figure(2);freqz(b,1);程序結果如下：圖3.2 濾波波形1. 3.3語音去在結果分析圖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生的干擾；從濾波前后的頻譜比較可以看出經過濾波后除了原本的聲音外，中間由于噪聲產生的頻譜波形已經濾除；經過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 總結語音信號處理是語音學與數字信號處理技術相結合的交叉學科，課題在這里不討論語音學，而是將語音當做一種特殊的信號，即一種“復雜向

15、量”來看待。也就是說，課題更多的還是體現了數字信號處理技術。從課題的中心來看，課題“基于MATLAB的有噪聲語音信號處理”是希望將數字信號處理技術應用于某一實際領域，這里就是指對語音及加噪處理。作為存儲于計算機中的語音信號，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，就可以對其進行處理了。這一過程的實現，用到了處理數字信號的強有力工具MATLAB。通過MATLAB里幾個命令函數的調用，很輕易的在實際語音與數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，于是就把語音數字化了。那么，就可以完全利用數字信號處理的知識來解決語音及加噪處理問題。我們可以像給一般信號做

16、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字濾波器來對語音進行濾波處理。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。 本人簽字： 參考文獻1.高西全，丁玉美數字信號處理第3版北京：西安電子科技大學出版社，20082.劉泉，闕大順數字信號處理原理與實現北京：電子工業(yè)出版社

17、，20053 .張磊，畢靖，郭蓮英MATLAB實用教程北京：人民郵電出版社，20084 .張威MATLAB基礎與編程入門西安：西安電子科技大學出版社，20065 .周利清，蘇菲數字信號處理基礎北京：北京郵電大學出版社，20056.蔣瑞艷 振動，噪聲處理系統(tǒng)J. 大連理工大學學院學報(自然科學版) 2002（1） 7.崔曉娟 基于MATLAB的艦船輻射噪聲信號小波消噪處理J. 艦船科學技術 2006（06） 附錄 源代碼%對語言信號做原始的時域波形分析和頻譜分析 y,fs,bits=wavread('abc.wav');% sound(y,fs) % 回放語音信號n=length

18、(y) %選取變換的點數 y_p=fft(y,n); %對n點進行傅里葉變換到頻域f=fs*(0:n/2-1)/n; % 對應點的頻率figure(1)subplot(2,1,1);plot(y); %語音信號的時域波形圖title('原始語音信號采樣后時域波形');xlabel('時間軸')ylabel('幅值 A')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2); %語音信號的頻譜圖title('原始語音信號采樣后頻譜圖');xlabel('頻率Hz');ylabel('頻率幅值');%對加噪的語音信號進行去噪程序如下： fp=1500;fc=1700;As=100;Ap=1;%(以上為低通濾波器的性能指標） 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/wdel);wn= kaiser(N+1,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(N,ws,wn);figure(2);freqz(b,1); %（此前為低通濾波器設計階段）接下來為去除噪聲信號的程序x=fftfilt(b,y);X=ff