基于聲卡的數(shù)字濾波技術(shù)的研究

1、語音信號濾波處理MR YANG （電子信息工程系 指導(dǎo)教師：余尤好）摘要：語音信號濾波處理是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)和語音學(xué)知識對語音信號進(jìn)行處理的新興的學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學(xué)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。Matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應(yīng)用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的

2、處理和分析以及信號的可視化，使人機交互更加便捷。信號處理是Matlab重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一。本設(shè)計通過錄制一段語音，對其進(jìn)行了時域分析，頻譜分析,分析語音信號的特性。并應(yīng)用matlab平臺對語音信號進(jìn)行加噪然后再除去噪聲，進(jìn)一步設(shè)計兩種種濾波器即高通濾波器、帶通濾波器，基于這兩種濾波器設(shè)計原理，對含加噪的語音信號進(jìn)行濾波處理。最后對比濾波前后的語音信號的時域和頻域特性，回放含噪語音信號和去噪語音信號。論文從理論和實踐上比較了不同數(shù)字濾波器的濾波效果。關(guān)鍵字：Matlab；語音信號；信號處理；傅里葉變換；濾波器1 緒論1.1課題研究的背景通過語音傳遞倍息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信

3、息的形式。語言是人類持有的功能，聲音是人類常用的工具，是相互傳遞信息的最主要的手段。因此，語音信號是人們構(gòu)成思想疏通和感情交流的最主要的途徑。并且，由于語言和語音與人的智力活動密切相關(guān)，與社會文化和進(jìn)步緊密相連，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平。現(xiàn)在，人類已開始進(jìn)入了信息化時代，用現(xiàn)代手段研究語音信號，使人們能更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲、獲取和應(yīng)用語音信息，這對于促進(jìn)社會的發(fā)展具有十分重要的意義。讓計算機能聽懂人類的語言，是人類自計算機誕生以來夢寐以求的想法。隨著計算機越來越向便攜化方向發(fā)展，隨著計算環(huán)境的日趨復(fù)雜化，人們越來越迫切要求擺脫鍵盤的束縛而代之以語音輸人這樣便于使用的、自然

4、的、人性化的輸人方式。作為高科鼓應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點，語音信號采集與分析從理論的研究到產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)走過了幾十個春秋并且取得了長足的進(jìn)步。它正在直接與辦公、交通、金融、公安、商業(yè)、旅游等行業(yè)的語音咨詢與管理工業(yè)生產(chǎn)部門的語聲控制，電話、電信系統(tǒng)的自動撥號、輔助控制與查詢以及醫(yī)療衛(wèi)生和福利事業(yè)的生活支援系統(tǒng)等各種實際應(yīng)用領(lǐng)域相接軌，并且有望成為下一代操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的用戶界面?？梢?，語音信號采集與分析的研究將是一項極具市場價值和挑戰(zhàn)性的工作。我們今天進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究與開拓就是要讓語音信號處理技術(shù)走人人們的日常生活當(dāng)中，并不斷朝更高目標(biāo)而努力。語音信號采集與分析之所以能夠那樣長期地、深深地吸引廣

5、大科學(xué)工作者去不斷地對其進(jìn)行研究和探討，除了它的實用性之外，另一個重要原因是，它始終與當(dāng)時信息科學(xué)中最活躍的前沿學(xué)科保持密切的聯(lián)系并且一起發(fā)展。語音信號采集與分析是以語音語言學(xué)和數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)而形成的一門涉及面很廣的綜合性學(xué)科，與心理、生理學(xué)、計算機科學(xué)、通信與信息科學(xué)以及模式識別和人工智能等學(xué)科都有著非常密切的關(guān)系。對語音信號采集與分析的研究一直是數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的重要推動力量。因為許多處理的新方法的提出，首先是在語音信號處理中獲得成功，然后再推廣到其他領(lǐng)域。1.2本文的主要工作及研究步驟1.2.1本文的主要工作本文簡要介紹了語音信號采集與分析的發(fā)展史以及語音信號的特征、采集與分析方

6、法，并通過錄制自己的一段聲音，運用Matlab進(jìn)行仿真分析，最后對于加在聲音中的噪聲進(jìn)行濾波處理，比較濾波前后的變化以及介紹語音信號的特點與采集，仿真主要是驗證奈奎斯特定理，對語音信號進(jìn)行時域、頻域上的分析，率譜，是對語音信號的綜合和分析，包括語音信號的調(diào)制和濾波。1.2.2論文的研究步驟 1理論依據(jù) 根據(jù)設(shè)計要求分析系統(tǒng)功能，掌握設(shè)計中所需理論（采樣頻率、采樣位數(shù)的概念，采樣定理；時域信號的FFT分析；數(shù)字濾波器設(shè)計原理和方法，各種不同類型濾波器的性能比較），闡明設(shè)計原理。 2信號采集 采集語音信號，并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，畫出信號的時域波形圖和頻譜圖。 3構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻

7、譜分析 對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加噪信號進(jìn)行回放，感覺加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結(jié)論。并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，比較加噪前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果進(jìn)行分析，闡明原因，得出結(jié)論。 4數(shù)字濾波器設(shè)計 根據(jù)待處理信號特點，設(shè)計合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計濾波器的幅頻和相頻特性。 5信號處理 用所設(shè)計的濾波器對含噪語音信號進(jìn)行濾波。對濾波后的語音信號進(jìn)行FFT頻譜分析。畫出處理過程中所得各種波形及頻譜圖。 對語音信號進(jìn)行回放，感覺濾波前后聲音的變化。比較濾波前后語音信號 的波形及頻譜，對所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析，闡明原因，得出結(jié)論。 1.3本文使用的軟件Matlab介

8、紹MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分4。MATLAB在現(xiàn)實中應(yīng)用很廣泛，如今隨處可見，在各個領(lǐng)域都是有廣泛的使用。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測

9、、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。2語音信號處理的設(shè)計原理2.1語音信號的采集在MATLAB軟件平臺下，利用函數(shù)wavr

10、ead（ ）對語音信號采集，并記錄采樣頻率和采樣點數(shù)。將語音信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠運算的有限長序列。 wavread函數(shù)的調(diào)用格式如下： y=wavread(file)讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。 y,fs=wavread(file)采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（Hz）。 2.2 用FFT作譜分析FFT即快速傅立葉變換，它是從DFT運算中發(fā)展起來的，利用系數(shù) 的對稱性和周期性減少運算量。長度為N的序列直接計算DFT需要次復(fù)乘和次復(fù)加，而用FFT進(jìn)行運算一般需要 次復(fù)乘和次復(fù)加，從而使DFT的運算大大簡化。用FFT對連續(xù)信號進(jìn)行譜分析的步驟如下：Sc(t)LPF

11、A/DDFT 圖3.1 連續(xù)信號譜分析過程引入前置低通濾波器LPF是為了消除或減少時域連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成序列時可能出現(xiàn)的頻譜混疊現(xiàn)象。表示時域有限的窗函數(shù)。2.3.設(shè)計濾波器去除語音信號的噪聲通過wavread（）函數(shù)將語音信號讀入，通過頻率采樣及fft ( )產(chǎn)生信號，并對之加噪，通過窗函數(shù)法設(shè)計濾波器濾掉該語音信號的噪聲，對比濾波前后的語音波形和頻譜。3 語音信號處理的基本知識3.1語音的錄入和打開在MATLAB中，y,Fs,bit=wavread('nihao')用于讀取語音，采樣值放在向量y中，F(xiàn)s表示采樣頻率(Hz)，bit表示采樣位數(shù)。sound(x,Fs,bit);

12、用于對聲音的回放。向量y則就代表了一個信號（也即一個復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式”）也就是說可以像處理一個信號表達(dá)式一樣處理這個聲音信號。3.2采樣位數(shù)和采樣頻率采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(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越精確。3.3時

13、域信號FFT分析3.3數(shù)字濾波器原理3.3.1數(shù)字濾波器概念若濾波器的輸入、輸出都是離散時間信號，那么該濾波器的單位沖激響應(yīng)h(n)也必然是離散的，這種濾波器稱為數(shù)字濾波器（DF）。數(shù)字濾波器實質(zhì)上是一種運算過程用來描述離散系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的差分方程的計算或卷積計算。數(shù)字濾波器的實質(zhì)是用一有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性時不變系統(tǒng)，以完成對信號進(jìn)行濾波處理的過程。它是數(shù)字信號處理的一個重要分支，具有穩(wěn)定性好、精度高、靈活性強、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點。3.3.2數(shù)字濾波器分類數(shù)字濾波器根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以將濾波器分成不同的類別。 （1）根據(jù)單位沖激響應(yīng)h(n)的時間特性分類 無限沖激響應(yīng)（I

14、IR）數(shù)字濾波器 有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器 （2）根據(jù)實現(xiàn)方法和形式分類 遞歸型數(shù)字濾波器 非遞歸型數(shù)字濾波器 快速卷積型 （3）根據(jù)頻率特性分類 低通數(shù)字濾波器、高通數(shù)字濾波器、帶通數(shù)字波器、 帶阻數(shù)字濾波器4 設(shè)計方案4.1設(shè)計內(nèi)容1） 利用Windows下的錄音機錄制一段自己的話音，時間在1s內(nèi)。然后在Matlab軟件平臺下，利用wavread函數(shù)對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)；2） 畫出語音信號的時域波形，對采樣后的語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到語音信號的頻譜特性；對語音信號分別加入正弦噪聲和白噪聲，畫出加噪信號的時域波形和頻譜圖；3） 根據(jù)對加噪語音信號譜分析的

15、結(jié)果，確定濾除噪聲所需濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計合適的數(shù)字濾波器，并畫出濾波器的頻域響應(yīng)；4） 用所設(shè)計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，在同一個窗口畫出濾波前后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化；利用sound(x)回放語音信號，驗證設(shè)計效果；4.2設(shè)計步驟1) 打開錄音機，錄制一段在1s內(nèi)的語音信號。更改語音采樣頻率為8000HZ，保存在電腦中。命名為“nihao.wav”。語音信號的相關(guān)參數(shù)如圖4.1所示。圖4.1 語音信號的參數(shù)圖從上圖可以看出，語音信號的采樣頻率和采樣點數(shù)分別為8000HZ和8bit。2） 在Matlab中使用Wavread函數(shù)，可得出信號的采樣

16、頻率為8000，并且聲音是單聲道的。利用Sound函數(shù)可以清晰的聽到命名為“nihao”的語音。對語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到語音信號的頻譜特性；對語音信號分別加入正弦噪聲和白噪聲，再畫出加噪信號的時域波形和頻譜圖，將語音信號的時域和頻域的波形圖分別和正弦噪聲及白噪聲的圖形畫在同一張圖中。加噪信號的程序如下。結(jié)果如圖4.2和4.3所示。 G=fft(g,n); 圖4.2 語音信號和加正弦噪聲后的時、頻圖形 圖4.3 語音信號和加高斯噪聲后的時、頻圖3） 根據(jù)對加噪語音信號譜分析的結(jié)果，確定濾除噪聲所需濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計合適的數(shù)字濾波器，并畫出濾波器的頻域響應(yīng)；畫出的濾波器的頻域響應(yīng)如圖

17、4.4所示。圖4.4 濾波器的頻域響應(yīng)4）用所設(shè)計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，在同一個窗口畫出濾波前后信號的時域波形和頻譜，相應(yīng)程序如下，利用sound(x)回放語音信號，驗證設(shè)計效果；濾波后的圖形分別如圖4.5和圖4.6所示。 圖4.5 用高通濾波器濾波后的圖形 圖4.6 用帶通濾波器濾波后的圖形5 分析和體會本文對語音信號處理系統(tǒng)的設(shè)計作了詳細(xì)的介紹，采用一系列圖像分析和處理技術(shù)，實現(xiàn)了語音信號的基本處理的功能，經(jīng)過測試運行，本設(shè)計圓滿的完成了對語音信號的讀取與打開；較好的完成了對語音信號的頻譜分析，通過fft變換，得出了語音信號的頻譜圖；在濾波這一塊，課題主要是從數(shù)字濾波器入手來設(shè)計濾

18、波器，基本實現(xiàn)了濾波，完成了各種濾波器的濾波效果比較，與課題的要求十分相符。本文對語音信號處理系統(tǒng)的設(shè)計作了詳細(xì)的介紹，采用一系列圖像分析和處理技術(shù)，實現(xiàn)了語音信號的基本處理的功能，經(jīng)過測試運行，基本達(dá)到預(yù)期目的。本設(shè)計還存在許多可以改進(jìn)的地方以及存在的問題，主要有以下幾個方面：（1）本程序僅能進(jìn)行一般應(yīng)用條件下的語音信號處理，功能比較單一，不能進(jìn)行復(fù)雜的語音信號處理。(2) 該程序由于編寫簡單，操作界面較小，對較大物理內(nèi)存的語音信號文件不能進(jìn)行處理。（3）在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)自己對于編程，還是存在很大的不足，本設(shè)計很多程序都是在查閱有關(guān)數(shù)字信號編程的書籍之下完成的，自己以后的學(xué)習(xí)的還是很多。參考

19、文獻(xiàn):1 李勇、徐震，MATLAB輔助現(xiàn)代工程數(shù)字信號處理，西安電子科技大學(xué)出版社.2 高西全、丁玉美，數(shù)字信號處理，西安電子科技大學(xué)出版社.3周淵，王炳和，劉斌勝基于MATLAB的噪聲信號采集和分析系統(tǒng)的設(shè)計M.噪聲控制2004(7)：52-54 4朱學(xué)芳，徐建平計算機語音信號處理與語音識別系統(tǒng)J南京郵電學(xué)院學(xué)報，1998，18(56)：113115楊崇林，李雪耀，孫羽強噪聲背景下漢語語音端點檢測和音節(jié)分割J哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，199718(5)：28326 張雄偉，陳量，楊吉斌現(xiàn)代語音處理技術(shù)及應(yīng)用M北京：機械工業(yè)出版社2003附 錄clearclcy,Fs,bit=wavread (&#

20、39;nihao.wav'); %sound(y,Fs,bit); n=length(y); Y=fft(y,n); f=0:Fs/n:Fs*(n-1)/n; %加正弦噪聲T=1/Fs;t=0:T:(n-1)*T;noise=0.5*sin(300*2*pi*t); z=y+noise' Z=fft(z,n); %sound(z,Fs,bit); %設(shè)計巴特沃斯高通濾波器fp=600; %通帶截止頻率fs=400; %阻帶截止頻率rp=0.1; %通帶最大衰減rs=40; %阻帶最小衰減wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs; %計算數(shù)字濾波器設(shè)計指標(biāo)N1,wc=butto

21、rd(wp,ws,rp,rs); b,a=butter(N1,wc,'high'); w=0:0.01*pi:pi;h1,w=freqz(b,a,w);%計算高通濾波器頻率響應(yīng)h1=20*log10(abs(h1);%用巴特沃斯高通濾波器濾除正弦噪聲zl=filter(b,a,z); %濾波Nzl=length(zl); %計算濾波后的長度Zl=fft(zl,Nzl); %對濾除噪聲后的信號進(jìn)行DFT變換sound(zl,Fs,bit); %回放濾波后的信號%加高斯白噪聲g=awgn(y,80); %給語音信號加上信噪比為80的高斯白噪聲%sound(g,Fs,bit); %回

22、放加噪信號G=fft(g,n); %對加噪后的語音信號進(jìn)行FFT變換%設(shè)計巴特沃斯帶通濾波器 fp1=600;fp2=800;fs1=400;fs2=1000; rp=0.1; %通帶最大衰減rs=40; %阻帶最小衰減wp=2*fp1/Fs,2*fp2/Fs;ws=2*fs1/Fs,2*fs2/Fs; %計算數(shù)字濾波器設(shè)計指標(biāo)N2,wc=buttord(wp,ws,rp,rs);b,a=butter(N2,wc); w=0:0.01*pi:pi;h2,w=freqz(b,a,w); h2=20*log10(abs(h2); %用巴特沃斯帶通濾波器濾除高斯白噪聲gl=filter(b,a,g)

23、; %sound(gl,Fs,bit); Ngl=length(gl); Gl=fft(gl,Ngl); %繪圖部分%figure(1)subplot(2,2,1);plot(t,y);grid;title('原始語音信號時域波形');subplot(2,2,2);plot(abs(Y);grid;axis(0,n/2,-20,250);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度/dB');title('原始語音信號頻譜特性');subplot(2,2,3);plot(t,z);grid;title('加正弦噪聲語

24、音信號的時域波形');subplot(2,2,4);plot(abs(Z);grid;axis(0,n/2,-20,250);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度/dB');title('加正弦噪聲語音信號的頻譜特性'); figure(2)subplot(2,2,1);plot(t,y);grid;title('原始語音信號時域波形');subplot(2,2,2);plot(abs(Y);grid;axis(0,n/2,-20,250);xlabel('f/Hz');ylabel('

25、;幅度/dB');title('原始語音信號頻譜特性');subplot(2,2,3);plot(t,g);grid;title('加高斯白噪聲語音信號的時域波形');subplot(2,2,4);plot(abs(G);grid;axis(0,n/2,-20,250);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度/dB');title('加高斯白噪聲語音信號的頻譜特性'); figure(3)subplot(211)plot(w,-abs(h1),'b');axis(0,1,-120,20)xlabel('omega/pi');ylabel('幅度（dB)')title('巴特沃斯高通濾波器頻域響應(yīng)')subplot(212)plot(w,-abs(h2),'b');axis(0,2,-120,20)xlabel('omega/pi'