基于MATLAB的语音信号去噪处理(修改版).pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.71M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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摘要语音信号在数字信号处理中占有极其重要的地位，因此选择通过对语音信号的研究来巩固和掌握数字信号处理的基本能力十分具有代表性。对数字信号处理离不开滤波器，因此滤波器的设计在信号处理中占有极其重要的地位。 FIR 数字滤波器和 IIR 滤波器是滤波器设计的重要组成部分。利用 MATLAB信号处理工具箱可以快速有效地设计各种数字滤波器。功能强大、简单易学、编程效率高 , 深受广大科技工作者的欢迎。通过理论推导得出相应结论，再利用 MATLAB作为编程工具进行计算机实现对加噪声语音信号进行时域、频域分析和滤波。在设计实现的过程中，使用窗函数法来设计 FIR 数字滤波器，用巴特沃斯、切比雪夫和双线性变法设计 IIR 数字滤波器，并利用 MATLAB作为辅助工具完成设计中的计算与图形的绘制及仿真。关键词滤波器； MATLAB；窗函数法；双线性变换 1

Abstract Voice signal occupies an extremely important position in digital signal processing, so the selection based on the research of the speech signal to consolidate and master the basic ability of digital signal processing is very representative. For digital signal processing (DSP) is dependent on the filter, so filter design occupies an extremely important role in signal processing. FIR digital filter and IIR filter is an important part of the filter design. MATLAB signal processing toolbox can be used to quickly and efficiently design all kinds of digital filter. Powerful and easy to learn, programming, high efficiency, is popular among the masses of scientific and technical workers. We can tear down the corresponding conclusion through theoretical derivation, using MATLAB as a programming tool for computer to add noise speech signal in time domain, frequency domain analysis and filtering. In the process of design implementation, we use window function method to design FIR digital filter, butterworth, chebyshev and bilinear reform IIR digital filter design, and the MATLAB as an auxiliary tool to complete the design of computing and graphics drawing and simulation. Keyword filter MATLAB Window function method Double linear transformation 2

目录摘要 . ............................................................... Abstract . ........................................................... 目录 . ............................................................... 1．绪论 . ............................................................ 1.1 研究的目的和意义 ............................................ 1.2 本课题的研究内容 ............................................ 1.3 其大概流程框图可如下表示 ................................... 2. 原始语音信号采集与处理 . ........................................... 2.1 Matlab 简单介绍 ............................................. 2.2 语音信号的采样理论依据 . ..................................... 2.2.1 采样的基本概念 . .......................................... 2.3 语音信号的采集 . ............................................ 2.4 语音信号的时频分析 ......................................... 2.5 语音信号加噪与频谱分析 ..................................... 2.5.1 正弦波信号加入原始语音信号 . ............................ 随机噪音信号加入原始语音信号 . .......................... 2.5.2 2.6 本章小结 ................................................... 3 设计数字滤波器 ................................................... 3.1 滤波器概述 ................................................. 3.1.1 模拟滤波器概述 . ........................................ 3.1.2 数字滤波器概述 . ........................................ 3.2 IIR 数字滤波器概述 . ......................................... 3.3 FIR 数字滤波器概述 . ......................................... 3.4 设计 FIR 数字滤波器和 IIR 数字滤波器比较 ..................... 3.5 数字滤波器设计的基本思路 ................................... 3.6 设计 FIR 滤波器 ............................................. 3.6.1 窗函数法及设计步骤 . .................................... 3.6.2 源程序与仿真图像 ....................................... 3.7 设计 IIR 滤波器 ............................................. 3.7.1 双线性变换法与设计步骤 ................................. 3.7.2 源程序与仿真图像 ....................................... 3.8 本章小结 . .................................................. 4 滤波并绘制滤波前后语音信号的波形及频谱 . .......................... 4.1 滤波及仿真 ................................................. 3 1 2 3 3 6 6 7 8 8 9 9 10 11 14 14 14 18 19 19 19 19 20 21 21 21 22 22 23 24 24 25 27 29 29

4.1.1 FIR 滤波器法去噪 ....................................... 滤波器法去噪 ....................................... 4.1.2 IIR 4.2 结合去噪后的频谱图对比两种方式滤波的优缺点 .................. 4.3 本章小结 .................................................... 总结 . .............................................................. 致谢 . .............................................................. 参考文献 . .......................................................... 附录 . .............................................................. 附录（ I ）设计 FIR 和 IIR 数字滤波器 . ............................. 附录（ II ）比较滤波前后语音信号的波形及频谱 . ..................... 29 30 31 32 33 34 35 36 36 40 4

1．绪论数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域都获得了极其广泛的应用。具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等优点。数字滤波器 , 是数字信号处理中及其重要的一部分。随着信息时代和数字技术的发展，受到人们越来越多的重视。数字滤波器可以通过数值运算实现滤波，所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。数字滤波器种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应 ( FIR ，Finite Impulse Response) 滤波器和无限冲激响应 ( IIR ，Infinite Impulse Response) 滤波器。 FIR滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，系统函数 H (z) 在处收敛，极点全部在 z = 0处（因果系统），因而只能用较高的阶数达到高的选择性。 FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于 IIR 数字滤波器低，但是线性相位，就是不同频率分量的信号经过 fir 滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。 FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。 FIR 滤波器因具有系统稳定，易实现相位控制，允许设计多通带（或多阻带）滤波器等优点收到人们的青睐。 IIR 滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。 IIR 滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。同时， IIR 数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，在设计一个 IIR 数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。滤波器的设计可以通过软件或设计专用的硬件两种方式来实现。随着 MATLAB软件及信号处理工具箱的不断完善， MATLAB很快成为应用学科等领域不可或缺的基础软件。它可 , 有利于滤波器以快速有效地实现数字滤波器的设计、分析和仿真，极大地减轻了工作量设计的最优化 [1] 。 5

1.1 研究的目的和意义语音信号的采集与分析技术是一门涉及面很广的交叉科学，它的应用和发展与语音学、声音测量学、电子测量技术以及数字信号处理等学科紧密联系，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段。在信号传输过程中，由于实验条件或各种其他主观或客观条件的原因，语音处理系统都不可避免地要受到各种噪声的干扰。噪声不但降低了语音质量和语音的可懂度，而且还将导致系统性能的急剧恶化，严重时使整个系统无法正常工作。现实中噪音给人带来生理上和心理上的危害具体表现在损害听力、损害视力、有害于人的心血管系统、我国对城市噪音与居民健康的调查表明 : 地区的噪音每上升一分贝 , 高血压发病率就增加 3%。影响人的神经系统 , 使人急躁、易怒。影响睡眠 , 造成疲倦。噪声对睡眠的危害：突然的噪声在 40 分贝时，可使 10％的人惊醒，达到 60 分贝时，可使 70％的人惊醒。因此噪声处理已经成为现代人必须面临的问题。选择设计此方案，是对数字信号处理的一次实践。在数字信号处理的课程学习过程中，我们过多的是理论学习，几乎没有进行实践方面的运用。这个课题正好是对数字语音处理的一次有利实践，而且语音处理也可以说是信号处理在实际应用中很大众化的一方面。这个方案用到的软件也是在数字信号处理中非常通用的一个软件—— 课题的设计过程也是一次数字信号处理在 MATLAB中应用的学习过程。课题用到了较多的 MATLAB语句，而由于课题研究范围所限，真正与数字信号有关的命令函数却并不多。 MATLAB软件。所以这个 1.2 本课题的研究内容课题基于 MATLAB有噪音语音信号处理的设计与实现，综合运用数字信号处理的理论知识对加噪声语音信号进行时域、频域分析和滤波。通过理论推导得出相应结论，再利用 MATLAB 作为编程工具进行计算机实现。在设计实现的过程中，使用窗函数法来设计数字滤波器，用巴特沃斯、切比雪夫和双线性变法设计 IIR 数字滤波器，并利用 MATLAB 作 FIR 为辅助工具完成设计中的计算与图形的绘制。最终结合图像以及对语音信号的回放，通过对比，得出结论。本课题的研究基本步骤如下： 1. 语音信号的录制。 2. 在 MATLAB平台上读入语音信号。 3. 绘制频谱图并回放原始语音信号。 4. 利用 MATLAB编程加入一段正弦波噪音，设计滤波器去噪。 5. 利用 MATLAB编程加入一段随机噪音信号，设计 FIR 和 IIR 滤波器去噪，并分别绘制频谱图、回放语音信号。 6

6 通过仿真后的图像以及对语音信号的回放，对比两种去噪方式的优缺点。 1.3 其大概流程框图可如下表示程序流程图开始用 wavread 读取语音信号，并进行采样，建立数据文件，并用频谱图 plot 画出数据文件时域波形图和利用 MATLAB 中的正弦波函数、随机函数产生噪声分别加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，并对其进行频谱分析。运用数字信号处理理论设计 FIR 和 IIR 数字滤波器，并对被噪声污染的语音信号进行滤波，分析滤波后信号的时域和频域特征。回放语音信号得出所设计滤波器 FIR 和 IIR 在语音处理中的优劣结束图 1-1 程序流程图 7

2. 原始语音信号采集与处理 2.1 Matlab 简单介绍 MATLAB是矩阵实验室（ Matrix Laboratory ）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB和 Simulink 两大部分。 20 世纪 70 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任 Cleve Moler 为了减轻学生编程的负担，用 FORTRAN编写了最早的 MATLAB。1984 年由 Little 、Moler 、Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks公司正式把 MATLAB推向市场。到 20 世纪 90 年代， MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran ）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和 Mathematica 、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB来解算问题要比用 C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB也吸收了像 Maple 等软件的优点 , 使 MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用 , 用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。 2.2 语音信号的采样理论依据 2.2.1 采样的基本概念（1）所谓“采样”，就是利用采样脉冲序列 p（t ）从连续时间信号 x(t) 中抽取一系列的 ^）表示它的离散样值，由此得到的离散时间信号通常称为采样信号，而它的顶部符号（采样信号， X^a(t)=x a(t).p(t) 。采样器可以看成是一个电子开关，设开关每隔 T 秒短暂地 8

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