基于MATLAB的FIR濾波器語音信號去噪

1、*實踐教學*蘭州理工大學計算機與通信學院2013年春季學期信號處理課程設計題目:專業(yè)班級：基于MATLAB的FIR濾波器語音信號去噪姓名:學號:指導教師：成績:摘要本次課程設計是基于MATLAB的FIR濾波器語音信號去噪，在設計過程中，首先錄制一段不少于10秒的語音信號，并對錄制的信號進行采樣；其次使用MATLAB會出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖；然后在給原始的語音信號疊加上噪聲，并繪出疊加噪前后的時域圖及頻譜圖；再次設計FIR濾波器，針對語音信號的性質選取一種適合的窗函數(shù)設計濾波器進行濾波；最后對仿真結果進行分析。設計出的濾波器可以滿足要求。關鍵詞：FIR濾波器；語音信號；MATLAB

2、仿真目錄1 FIR濾波器設計的基本原理1.1.1 濾波器的相關介紹.1.1.1.1 數(shù)字濾波器的概念1.1.1.2 IIR和FIR濾波器1.1.2 利用窗函數(shù)法設計FIR濾波器1.1.2.1 窗函數(shù)法設計FIR濾波器的基本思想1.1.2.2 窗函數(shù)法設計FIR濾波器的步驟2.1.2.3 窗函數(shù)法設計FIR濾波器的要求2.1.2.4 常用窗函數(shù)的性質和特點3.1.2.5 語音處理中的采樣原理3.2 語音信號去噪實現(xiàn)框圖5.三詳細設計Z.2.1 信號的采集7.2.2 語音信號的讀入與打開.7.2.3 語音信號的FFT變換8.2.4 含噪信號的合成9.2.5 FIR濾波器的設計102.6 利用FIR

3、濾波器濾波1.12.7 結果分析1.4.總結15.參考文獻16.附錄17.致謝21.FIR濾波器設計的基本原理1.1 濾波器的相關介紹1.1.1 數(shù)字濾波器的概念數(shù)字濾波器（DigitalFilter,簡稱為DF）是指用來對輸入信號進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，通過一定運算關系改變輸入信號所含頻率成分的相對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，因為信號的形式和實現(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。一般用兩種方法來實現(xiàn)數(shù)字濾波器：一是采用通用計算機，把濾波器所要完成的運算編

4、成程序通過計算機來執(zhí)行，也就是采用計算機軟件來實現(xiàn)；二是采用實際專用的數(shù)字處理硬件。11.1.2 IIR和FIR濾波器數(shù)字濾波器在數(shù)字信號處理的各種應用中發(fā)揮著十分重要的作用。它是通過對采樣數(shù)據(jù)信號進行數(shù)學運算處理來達到濾波的目的。數(shù)字濾波器從實現(xiàn)的網絡結構或者從單位脈沖響應可分為無限脈沖響應（IIR）濾波器和有限脈沖響應（FIR）濾波器。FIR濾波器的設計方法和IIR濾波器的設計方法有很大的不同，F(xiàn)IR濾波器設計任務是選擇有限長度的h（n）,使傳輸函數(shù)H（ejw）滿足技術要求，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器設計的方法有三種，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，II

5、R濾波器以非線性相位為代價以較低的階數(shù)獲得較高的選擇性。而FIR濾波器想要獲得相同的選擇性階數(shù)是IIR濾波器的5-10倍，結果成本較高、信號時延也較大：從結構上說，IIR采用遞歸結構，F(xiàn)IR采用非遞歸結構；從設計工具上說；IIR可以借助于模擬濾波器的成果，F(xiàn)IR濾波器一般采用沒有封閉形式的設計公式；從使用場合上來看，在對相位要求不敏感的場合，如語音通訊等，選用IIR較為合適，可以充分發(fā)揮經濟高效的特點。對圖像處理、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)法設計FIR濾波器1.2.1 窗函數(shù)法設計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

6、濾波器，這種濾波器總是有一個非因果，無限長的脈沖響應，然后將它的脈沖響應截斷（或加窗）以得到一個線性相位和因果的FIR濾波器，因為必須設計一個因果可實現(xiàn)的FIR濾波器。需要注意的是，數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)H(ejw)都是以2冗為周期的，濾波器的低通頻帶處于2冗的整數(shù)倍處，而高頻頻帶處于冗的奇數(shù)被附近，這一點和模擬濾波器是有區(qū)別的。因為錄制的語音信號是模擬信號，要想使用數(shù)字濾波器對疊加了噪聲的信號進行濾波，則在設計數(shù)字濾波器之前首先要進行模數(shù)轉換，將模擬信號轉換為數(shù)字信號。1.2.2 窗函數(shù)法設計FIR濾波器的步驟主要設計步驟為：(1)根據(jù)技術要求確定待求FIR濾波器的單位取樣響應hd(n)。如果

7、給出待求FIR濾波器的頻率響應為Hd(ejw),那么單位取樣響應使用(1-1)1的公式求出：Hd(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)的類型并估計窗口長度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獨立選擇，因為窗口長度N對最小阻帶衰減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確定所擬用的窗函數(shù)的窗口長度N,設待求濾波器白過渡帶寬為Aw,它與窗口長度N近似成反比，窗函數(shù)類型確定后，其計算公式也確定了，不過這些公式是近似的，得出的窗口長度還要在計算中逐步修正，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

8、,在N和窗函數(shù)類型確定后，即可調用MATLA呻的窗函數(shù)求出窗函數(shù)w(n)。(3) 計算濾波器的單位取樣響應h(n),使用(1-2)的公式求出：h(n)=hd(n)w(n)(1-2)(4) 驗算技術指標是否滿足要求。11.2.2 窗函數(shù)法設計FIR濾波器的要求在使用窗函數(shù)法設計FIR濾波器時要滿足以下兩個條件：(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幅度，也就是使能量盡量集中于主瓣，減小峰肩和紋波，進而增加阻帶的衰減。在實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(Ham

9、ming)及凱塞窗(Kaiser)。1.2.3 常用窗函數(shù)的性質和特點(1)矩形窗矩形窗屬于時間變量的零次幕窗。矩形窗使用最多，習慣上不加窗就是使信號通過了矩形窗。這種窗的優(yōu)點是主瓣比較集中，缺點是旁瓣較高，并有負旁瓣，導致變換中帶進了高頻干擾和泄露漏，甚至出現(xiàn)負譜現(xiàn)象。(2)三角形窗三角形窗又稱費杰窗，是幕窗的一次文形式。與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗的兩倍，但旁瓣小，而且無負旁瓣。(3)漢寧窗漢寧窗又稱開余弦窗，漢寧窗可以看作是3個矩形時間窗的頻譜之和。漢寧窗優(yōu)于矩形窗，但漢寧窗主瓣加寬，相當于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。(4)哈明窗哈明窗與漢寧窗都是余弦窗，只是加權系數(shù)不同，哈明窗加

10、權的系數(shù)能使旁瓣達到更小，所以哈明窗又稱為改進的開余弦窗。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*冗/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，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，一項指標的提高總是以另一項指標的下降為代價，窗口選擇實際上是對兩項指標作權衡。而兩項指標是跳變的，于是有人提出可調整窗，適當修改參數(shù)，可在這兩項指標問作連續(xù)的選擇。常用的可調整窗是凱塞(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系，可以在它們兩者之

11、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為錄制的語音信號是模擬信號，要想使用數(shù)字濾波器對疊加了噪聲的信號進行濾波，則在設計數(shù)字濾波器之前首先要進行模數(shù)轉換，將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在進行模數(shù)轉換的過程中，當最高采樣頻率fs大于信號中最高頻率f的2倍時，即：fsmax>2fmax,采樣之后的數(shù)字信號可以完整地保留原始信號中的信息，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。頻帶為F的連續(xù)信號f可用一系列離散的采樣值f(t1),f(t1±At),f(t1±2At),.來表示，只要這些采樣點的時間間隔At01/2F,便可

12、根據(jù)各采樣值完全恢復原來的信號f(t)。這是時域采樣定理的一種表述方式。時域采樣定理的另一種表述方式是：當時問信號函數(shù)f(t)的最高頻率分量為fm時,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，即采樣點的重復頻率f>2fm。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)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(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間，它是采樣之間的時間問隔。通俗的講采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少個聲音樣本，是描述聲音文件的音質、音調，衡量聲卡、聲音文件的質量標準。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，也是選擇

13、音頻接口的兩個重要標準。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。2二語音信號去噪實現(xiàn)框圖本次課程設計先完成語音信號的采集，并對所采集的語音信號加入不同的干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，針對受干擾語音信號的特點設計不同的濾波器，然后利用窗函數(shù)法設計低通，高通，帶通等濾波器對采集到的語音信號進行濾波處理，分析語音信號各頻率段的特性。對加噪信號進行濾波，恢復原信號。把原始語音信號、加噪語音信號和濾波后的信號進行時域變換和頻域變換，畫出它們的時域波形和頻域波形圖，從視覺角度比較分析濾波的

14、效果。實現(xiàn)框圖如圖2-1所示：圖2-1整體設計流程圖要求錄制一段語音信號，要求長度不小于10秒,并對錄制的信號進行采樣，在MATLAB中可以使用wavrecord()函數(shù)完成。語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析主要是在時域和頻域進行的。FFT為快速傅里葉變換，是離散傅里葉變換的快速算法，對語音信號進行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的幅度等特性。在MATLAB軟件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪聲，繪制出疊加噪聲之后的語音信號時域圖形及頻域圖形，可以在視覺上與原始信號圖形對比

15、。這時的這語音信號已經是包含了噪聲的合成信號，這些噪聲的頻率一般較高。所以可以利用MATLAB軟件中設計的FIR濾波器進行濾波處理。根據(jù)信號的特性，計算出技術指標，利用凱瑟窗設計FIR濾波器。利用設計好的凱瑟窗的低通FIR濾波器和高通FIR濾波器對合成的含噪信號進行濾波，繪制出FIR濾波器的頻率響應，繪出濾波后的時域波形和頻譜圖，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化。三詳細設計本次課程設計中語音信號的錄制以及進一步處理分析都選用了MATLAB平臺。MATLAB是一種科學計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內置函數(shù)，不斷完善M

16、ATLAB產品以提高產品自身的競爭能力。MATLAB的數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大，運用它來進行語音信號的分析、處理和可視化相當便捷。而且編程易學、直觀，代碼非常符合人們的思維習慣。MATLAB幾乎可以在各種機型和操作系統(tǒng)上運行，所以在可移植性和可擴充性上MATLAB遠優(yōu)越于其他的高級編程語言。MATLAB語言具有強大的數(shù)值計算能力和視圖能力，其偏微分方程工具箱提供了有限元求解的一個強大而靈活的環(huán)境，并且有限元網格可做精細劃分以滿足要求。33.1 信號的采集要求錄制一段語音信號，要求長度不小于10秒，并對錄制的信號進行采樣。在MATLAB中可以使用wavrecord()函數(shù)完成，例如：y=wav

17、record(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)；用于對聲音的回放。向量y則就代表了一個信號，也即一個復雜的“函數(shù)

18、表達式”，也可以說像處理一個信號的表達式一樣處理這個聲音信號。在MATLAB中，實現(xiàn)語音的讀入，并繪出了語音信號的原始信號圖可采用fs=11025;語音信號的采樣頻率為11025,x1=wavread('aa.wav');讀取語音信號的數(shù)據(jù)賦給變量，sound(x1,11025);用于播放語音信號。語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成、語音識別和語音增強等語音處理中無一例外需要提取語音中包含的各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析可以分為時域和變換域等處理方法，其中時域分析是最簡單的方法，直接對

19、語音信號的時域波形進行分析，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時能量，短時平均過零率，短時自相關函數(shù)等。原始語音信號圖如圖3-2-1所示:圖3-2-1原始語音信號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基本一致。3.3 語音信號的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、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。在MATLAB的信號處理工具箱中函數(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

20、，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長度；若x為一矩陣，則y是對矩陣的每一列向量進行FFT。如果x長度是2的幕次方，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，計算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調用格式為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點的FFT,若x為向量且長度小于N,則函數(shù)將x補零至長度N;若向量x的長度大于N,則函數(shù)截短x使之長度為N;若x為矩陣，按相同方法對x進行處理。對語音信號進行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的幅度等特性。如圖3-3-1所示即為原始信號幅值圖:圖3-3-1原始信號幅值

21、圖信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。因為對于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復指數(shù)和的響應，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。語音信號經過FFT變換之后，就可以得到信號的頻域圖形，另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項宏物理現(xiàn)象。從圖中可以看出語音信號的截止頻率為4000Hz。3.4 含噪信號的合成在MATLAB軟件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪聲，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

22、語音信號時域圖形及頻域圖形，在視覺上與原始信號圖形對比，也可以通過Windows播放軟件或者是利用MATLAB的sound（）函數(shù)從聽覺上進行對比，分析并體會含噪語音信號頻譜和時域波形的改變。加噪后語音信號時域及頻域圖如圖3-4-1所示：圖3-4-1加噪后信號的時域及頻域圖與原始信號對比，加入噪聲后的波形與原始信號相比出現(xiàn)了一些區(qū)別：先原始信號沒加噪音之前0到2000有幅值，在4000至IJ6000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所示的原始信號幅度譜與加噪后圖3-4-1所示的信號頻譜對比可看出。3.5 FIR濾波器的設計數(shù)字

23、濾波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形（或頻譜）進行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預定的要求對信號進行變換。數(shù)字濾波器可以理解為是一個計算程序或算法，將代表輸入信號的數(shù)字時間序列轉化為代表輸出信號的數(shù)字時間序列，并在轉化過程中，使信號按預定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應的時域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應（IIR）濾波器和有限長沖激響應（FIR）濾波器。從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點可位于單位圓內的任何地方，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，所以經濟而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則

24、相位非線性越嚴重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點固定在原點，所以只能用較高的階數(shù)達到高的選擇性；對于同樣的濾波器設計指標，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高510倍，結果，成本較高，信號延時也較大；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絡進行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復雜性。整體來看，IIR濾波器達到同樣效果階數(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，采用窗函數(shù)法設計各種類型的濾波器(低通、高通、帶通、帶阻)來對

25、疊加噪聲后的與語音信號進行濾波處理。43.6 利用FIR濾波器濾波利用凱瑟窗設計低通FIR濾波器，利用凱瑟窗設計高通FIR濾波器對合成的含噪信號進行濾波，繪制出FIR濾波器的頻率響應，繪出濾波后的時域波形和頻譜圖，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化；在相同的性能指標下比較個方法的濾波效果，并從理論上進行分析。語音信號中包含背景噪聲，這些噪聲的頻率一般較高。所以可以利用MATLAB軟件中設計的FIR濾波器進行濾波處理，得到較為理想的語音信號。從以上各種數(shù)字濾波器經過濾波后得出的語音信號相比較，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

26、人的聲音。(1)用凱瑟窗設計FIR低通濾波器利用凱瑟窗設計的FIR低通濾波器，濾波器的性能指標為：fp=1000;fs=1200;rs=100;Fs=8000o凱瑟窗是全面地反映主瓣與旁瓣衰減之間的交換關系，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計的低通濾波器和濾波前后的語音信號圖：fInnTiAhzprlF-pqupnryrarl.samplp)111111IIX-1JXX1Kib.iJ1iiiiiiii-100C2OQC-30Od40DC圖3-6-1凱瑟窗設計低通濾波器的頻譜圖圖3-6-2濾波前后的信號的比較NormalizedFr

27、equency(xxrad/sampie)從圖3-6-1與3-6-2看出，加噪聲后的語音信號經過FIR濾波器濾波后，時域和頻域圖與原始信號幾乎一樣，說明噪聲幾乎都被濾掉了，也說明FIR濾波器設計很理想，能滿足所需要求。使用凱瑟窗設計的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計的高通濾波器和濾波前后的語音信號圖:(2)用凱瑟窗設計FIR高通濾波器1U0-200-1000-2000iiii0.304NormalizedFrequencygrad/carmph)mp)gE

28、U6E5前力蛆占名)s£1001000八1111I7IIIK0.2050.6HormalizedFrequency(xrad/sample圖3-6-3凱瑟窗設計的高通濾波器的頻譜忐漉'很語音頻譜濾波后語言拗語圖3-6-4濾波前后信號的比較利用凱瑟窗設計高通濾波器，濾波器的性能指標為：fp=3000;fs=2800;FS=8000;as=100高通濾波器濾波以后，此時只有少許雜音，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 結果分析通過對比分析可知，濾波后的輸出波形和原始語音加噪聲信號的圖形發(fā)生了一些變化：

29、濾波后的輸出波形明顯在對應時間幅度比原語音加噪聲信號的要小，而且濾波的效果也與濾波器的選擇有關，可以看出濾波器的性能差異以及參數(shù)的調節(jié)會對濾波器產生一定的影響，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主要集中在低頻部分，說明高頻語音信號被濾出，濾波器達到既定要求。在采樣時要注意音頻要為單聲道，否則會提示出錯，無法利用freqz繪制原始語音信號的頻率響應圖?？偨Y要求錄制一段語音信號，要求長度不小于10秒，并對錄制的信號進行采樣。在MATLA呼可使用waV)函數(shù)完成錄制一段語音，在MATLA中y,fs,bits=wavread

30、();用于讀取語音，wavplay(y,fs);用于語音播放，也可以使用函數(shù)sound()。語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析可以分為時域和變換域等處理方法，其中時域分析是最簡單的方法，直接對語音信號的時域波形進行分析，提取的特征參數(shù)。語音信號經過FFT變換之后，就可以得到信號的頻域圖形，另外，頻域圖形使信號的某些特性變得更明顯，信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。因為對于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復指數(shù)和的響應，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。應用

31、MATLAB艮據(jù)給定的技術指標進行FIR數(shù)字濾波器設計時，可根據(jù)設計要求隨時改變參數(shù)，以使濾波器達到最優(yōu)化。使用凱瑟窗設計低通、高通濾波器，并對疊加噪聲后的語音信號進行濾波。比較濾波前后的時域波形和頻譜并進行分析。在頻域波形中，我們可以明顯的看到設計的濾波器對語音信號進行了濾波處理，將噪聲進行了濾除。此次濾波基本達到了要求，完成了設計指標。總之，加噪聲的后的語音信號經過FIR濾波器的濾波處理，時域和頻域圖與原始信號都幾乎一樣，這說明噪聲幾乎全被濾掉了，同時也說明FIR濾波器設計還算理想，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，后面經過調試濾波器的參數(shù)發(fā)現(xiàn)當fp、fs參數(shù)的數(shù)值相

32、差增大時，剩余噪聲便會減少，于是通過進一步調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。本課程設計的主要目的是在MATLAB環(huán)境下，使用窗函數(shù)設計法設計一個FIR濾波器,并對疊加了噪聲后的語音信號進行濾波去噪。此次濾波基本達到了要求，完成了設計指標。參考文獻1丁美玉.數(shù)字信號處理.西安電子科技大學出版社151:2222朱冰蓮.數(shù)字信號處理.電子工業(yè)出版社87:933李勇、徐震，MATL

33、ABf助現(xiàn)代工程數(shù)字信號處理，西安電子科技大學出版社48:564劉樹棠譯.數(shù)字信號處理一一使用MATLA0S安：西安交通大學出版社42:495羅軍輝等編著.MATLAB7.0在數(shù)字信號處理中的應用.北京：機械工業(yè)出版社.28:34附錄%聲音采集及繪制原始語音信號的時域波形和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X=fft(x,4096);magX=abs(X);angX=angle(X);y1=fft(x,1024);%對信號做1024點F

34、FT變換f=fs*(0:511)/1024;figure(1)subplot(211);plot(magX);title('原始信號幅值');gridon;subplot(212);plot(angX);title('原始信號相位');gridon;figure(2)subplot(211);plot(x);%繪制原始語音信號的時域波形圖title('原始語音信號時域波形圖');xlabel('timen');ylabel('fuzhin');gridon;Subplot(212);%繪制原始語音信號的頻率響應圖p

35、lot(f,abs(y1(1:512);title('原始語音信號頻譜圖')xlabel('Hz');ylabel('fudu');gridon;%添加隨機噪聲及添加噪聲后的時域圖和頻譜圖noise_mu=0;noise_var=0.05;x0=randn(size(x).*sqrt(noise_var)+noise_mu;x1=x+x0;ts=1/fs;%繪制在原始信號上加隨機噪聲的信號圖ta=(length(x)-1)/fs;t=0:ts:ta;figure(3);subplot(211);plot(t,x1);title('加隨機噪

36、聲后語音信號時域圖');xlabel('t');ylabel('x1');gridon;y2=fft(x1,1024);%對信號做1024點FFT變換f=fs*(0:511)/1024;Subplot(212);%繪制原始語音信號的頻率響應圖plot(f,abs(y2(1:512);title('加隨機噪聲后的語音信號頻譜圖')xlabel('Hz');ylabel('fudu');gridon;sound(x1)；%用凱瑟窗設計FIR低通濾波器fp=1000;fs=1200;rs=100;Fs=8000;%kaiser濾波器設計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);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濾波器對語音信號濾波Y1=fft(y1);n=0:length(y)-1