數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告語(yǔ)音信號(hào)去噪處理

1、數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 語(yǔ)音信號(hào)去噪處理 專業(yè)班級(jí) xxxxxxxxx 學(xué) 號(hào) xxxxxxxxxxxxx 學(xué)生姓名 xxxxxx 指導(dǎo)教師 張培玲 教師評(píng)分 2016年 1月 13日語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波摘要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用麥克風(fēng)采集一段語(yǔ)音信號(hào)，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的一個(gè)滿足指標(biāo)的巴特沃斯iir濾波器，對(duì)該語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果和學(xué)過的理論得出合理的結(jié)論。關(guān)鍵詞 課程設(shè)計(jì)；濾波去噪；巴特沃斯濾波器；脈沖響應(yīng)不變法；matlab目 錄一、設(shè)計(jì)目的與要求. 4二、總

2、體設(shè)計(jì)方案. 5 2.1實(shí)驗(yàn)步驟 5 2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 . 6 2.3語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析 7 2.4濾波器設(shè)計(jì). 8 2.5結(jié)果分析. 13三、設(shè)計(jì)原理結(jié)果與仿真分析 13 3.1設(shè)計(jì)原理 . 13 3.2 仿真結(jié)果與分析 13四、結(jié)論 14五、心得體會(huì) 14參考文獻(xiàn) 14附錄. 15一、設(shè)計(jì)目的與要求1.1 課程設(shè)計(jì)目的數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)是在學(xué)生完成數(shù)字信號(hào)處理和matlab的結(jié)合后的基本實(shí)驗(yàn)以后開設(shè)的。本課程設(shè)計(jì)的目的是為了讓學(xué)生綜合數(shù)字信號(hào)處理和matlab并實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為完整的小型濾波系統(tǒng)。這一點(diǎn)與驗(yàn)證性的基本實(shí)驗(yàn)有本質(zhì)性的區(qū)別。開設(shè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要目的是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件仿真、程序安

3、排與調(diào)試、寫實(shí)習(xí)報(bào)告等步驟，使學(xué)生初步掌握工程設(shè)計(jì)的具體步驟和方法，提高分析問題和解決問題的能力，提高實(shí)際應(yīng)用水平。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求（1）濾波器指標(biāo)必須符合工程設(shè)計(jì)。（2）設(shè)計(jì)完后應(yīng)檢查其頻率響應(yīng)曲線是否滿足指標(biāo)。（3）處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。（4）獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)并按要求編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2、 總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)步驟開始語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪使用脈沖不變響應(yīng)法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)流程如圖3.1.1所示：語(yǔ)音信號(hào)的采集（wavread函數(shù)），畫時(shí)域圖快速傅里葉變換，并且畫頻譜圖設(shè)定濾波器性能指標(biāo)，通帶截止頻率fb=1100，阻帶截止頻率fc=1200，通帶波紋ap

4、=1，阻帶波紋as=20脈沖響應(yīng)不變法法設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器驗(yàn)證并進(jìn)行頻譜分析設(shè)計(jì)好的濾波器進(jìn)行濾波處理比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜回放語(yǔ)音信號(hào)結(jié)束圖2.1.1 脈沖響應(yīng)不變法巴特沃斯濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)去噪流程圖2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 用麥克風(fēng)采集一段語(yǔ)音信號(hào)，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的一個(gè)滿足指標(biāo)的巴特沃斯iir濾波器，對(duì)該語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析點(diǎn)擊windows系統(tǒng)桌面的“開始”按鈕，點(diǎn)擊開始菜單欄里的“附件”，選擇“錄音機(jī)”選項(xiàng)，點(diǎn)擊錄音機(jī)“文件”選項(xiàng)，進(jìn)入“聲音選定”設(shè)置，把屬性一欄設(shè)置成“8000hz，8位，單聲道，7

5、kb/秒”(見圖3.2.1)。點(diǎn)擊確定，然后開始語(yǔ)言信號(hào)的采集，采集時(shí)間為1秒左右為最佳。采集的聲音文件以“.wav”格式存儲(chǔ)（見圖3.2.2）。圖2.2.1 采集聲音的參數(shù)設(shè)置圖2.2.2 采集聲音2.3語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析在matlab中編輯m函數(shù)，使用wavread函數(shù)讀取采集的聲音文件（.wav)將它賦值給某一向量，再對(duì)其進(jìn)行采樣,然后使用plot語(yǔ)句畫出相關(guān)的頻譜圖形在figure(1）上。（1）wavread函數(shù)調(diào)用格式：y,fs,nbits=wavread(file)功能說明：采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbits表示采樣位數(shù)。（2）快速傅里葉變換算法fft計(jì)算d

6、ft的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：xk=fft(x,n)參數(shù)x為被變換的時(shí)域序列向量，n是dft變換區(qū)間長(zhǎng)度，當(dāng)n大于x的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在x后面補(bǔ)零。，當(dāng)n小于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算x的前n個(gè)元素，忽略其后面的元素。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們利用fft函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。（3）聲音采樣文件讀取的程序（文件名：c.wav)%用麥克風(fēng)采集一段8000hz，8k的單聲道語(yǔ)音信號(hào)，繪制波形并觀察其頻譜x, fs, nbits = wavread(c.wav)figure(1)n=length(x)x1=fft(x,n)x2=abs(x1)x3=angl

7、e(x1)subplot(4,1,1);stem(x);title(原信號(hào)時(shí)域)subplot(4,1,2);stem(x1);title(原信號(hào)fft)subplot(4,1,3);stem(x2);title(fft幅值)subplot(4,1,4);stem(x3);title(fft相角)所得語(yǔ)音頻譜分析圖見圖2.3.1圖2.3.1 聲音信號(hào)的頻譜分析（第一幅是時(shí)域波形；采樣1是fft后波形；采樣2是頻域幅度譜；采樣3是頻域相位譜）2.4濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶截止頻率為1100hz，阻帶截止頻率為1200hz，通帶波紋為1db，阻帶波紋為20db，用脈沖（沖激）響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的一個(gè)滿

8、足上述指標(biāo)的巴特沃思iir濾波器%巴特沃思低通濾波器fs=8000; %采樣頻率wp=1100*2/fs;ws=1200*2/fs;%根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)化rp=1;rs=20;%通帶波紋和阻帶波紋nn=128;n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%求濾波器的最小階數(shù)和3db固有頻率b,a=butter(n,wn)%設(shè)計(jì)butterworth低通濾波器，返回濾波器的系數(shù)矩陣figure(2);h,f=freqz(b,a,nn,fs);%用nn點(diǎn)求得頻率特性，h為n個(gè)點(diǎn)處的頻率響應(yīng)復(fù)值輸出向量；f為與第n點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值f(hz)subplot(2,1,1);plot(

9、f,20*log10(abs(h);title(濾波器特性)%20log10(abs(h)db為頻響幅值曲線幅值xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;%濾波器幅頻特性subplot(2,1,2);plot(f,180/pi*unwrap(angle(h);%angle(h)為頻響相位曲線相位值xlabel(頻率/hz);ylabel(相位/o);grid on;%濾波器相頻特性巴特沃思低通濾波器的相位譜和振幅譜見圖2.4.1圖2.4.1 利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的數(shù)字巴特沃斯濾波器（w(單位：)使用巴特沃思低通濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行去噪處理，編寫程序如下：dt=1

10、/fs;%采樣間隔t=0;(length(x1)-1)*dt;%時(shí)間序列figure(3)subplot(2,1,1);plot(x1);title(輸入信號(hào));y=filter(b,a,x1);%對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波subplot(2,1,2);plot(y);title(輸出信號(hào));%繪制輸出信號(hào)xlabel(時(shí)間/s)%比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形am=abs(y);pha=angle(y);figure(4);subplot(4,1,1);plot(am);title(濾波后幅值)subplot(4,1,2);plot(pha);title(濾波后相位)subplot(4,1,3);plo

11、t(x2);title(濾波前幅值)subplot(4,1,4);plot(x3);title(濾波前相位) %比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜濾波前后的波形見圖2.4.2圖2.4.2濾波前后波形比較圖濾波前后波形的頻域幅值譜和相位譜的比較圖2.4.3圖2.4.3 濾波前后波形的頻域幅值譜和相位譜的比較圖%用麥克風(fēng)采集一段8000hz，8k的單聲道語(yǔ)音信號(hào)，繪制波形并觀察其頻譜x, fs, nbits = wavread(c.wav)figure(1)n=length(x)x1=fft(x,2000)x2=abs(x1)x3=angle(x1)subplot(4,1,1);plot(x);title

12、(原信號(hào)時(shí)域)subplot(4,1,2);plot(x1);title(原信號(hào)fft)subplot(4,1,3);plot(x2);title(fft幅值)subplot(4,1,4);plot(x3);title(fft相角)%巴特沃思低通濾波器fs=8000; %采樣頻率wp=1100*2/fs;ws=1200*2/fs;%根據(jù)采樣頻率將濾波器邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)化rp=1;rs=20;%通帶波紋和阻帶波紋nn=128;n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%求濾波器的最小階數(shù)和3db固有頻率b,a=butter(n,wn)%設(shè)計(jì)butterworth低通濾波器，返回濾波器的系數(shù)矩

13、陣figure(2);h,f=freqz(b,a,nn,fs);%用nn點(diǎn)求得頻率特性，h為n個(gè)點(diǎn)處的頻率響應(yīng)復(fù)值輸出向量；f為與第n點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值f(hz)subplot(2,1,1);plot(f,20*log10(abs(h);title(濾波器特性)%20log10(abs(h)db為頻響幅值曲線幅值xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅/db);grid on;%濾波器幅頻特性subplot(2,1,2);plot(f,180/pi*unwrap(angle(h);%angle(h)為頻響相位曲線相位值xlabel(頻率/hz);ylabel(相位/o);grid on;%

14、濾波器相頻特性dt=1/fs;%采樣間隔t=0;(length(x1)-1)*dt;%時(shí)間序列figure(3)subplot(2,1,1);plot(x1);title(輸入信號(hào));y=filter(b,a,x1);%對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波subplot(2,1,2);plot(y);title(輸出信號(hào));%繪制輸出信號(hào)xlabel(時(shí)間/s)%比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形am=abs(y);pha=angle(y);figure(4);subplot(4,1,1);plot(am);title(濾波后幅值)subplot(4,1,2);plot(pha);title(濾波后相位)subplot

15、(4,1,3);plot(x2);title(濾波前幅值)subplot(4,1,4);plot(x3);title(濾波前相位)%比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜2.5 結(jié)果分析 根據(jù)3.5.1 的濾波前后波形的頻域幅值譜和相位譜的比較圖（圖3.5.2）得：從幅值的大小來(lái)說，濾波后的幅值變小；從相位的稀疏度來(lái)說，濾波后的相位較為稀疏。由此可以得出，通過巴特沃思低通濾波器的濾波，濾除了采樣文件中夾雜的噪聲，濾波成功。三、設(shè)計(jì)原理結(jié)果與仿真分析3.1 設(shè)計(jì)原理用麥克風(fēng)采集一段語(yǔ)音信號(hào)，繪制波形并觀察其頻譜，給定相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的一個(gè)滿足指標(biāo)的巴特沃斯iir濾波器，對(duì)該語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波

16、去噪處理，比較濾波前后的波形和頻譜并進(jìn)行分析。3.2結(jié)果與分析 在這次的課程設(shè)計(jì)中我們?cè)O(shè)計(jì)的濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的濾噪處理或多或少會(huì)因?yàn)槲覀兊氖韬龌蛘邔?shí)踐能力不夠還是會(huì)遇到問題的，當(dāng)遇到問題時(shí)我們不但運(yùn)用自己學(xué)到的知識(shí)還得到同學(xué)和老師的幫助將其解決，不斷完善和修改。設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題及解決方法如下：（1）所有的時(shí)間波形橫坐標(biāo)都要化為時(shí)間，濾波前后頻譜的橫坐標(biāo)應(yīng)是頻率，這樣在觀察通帶截止頻率和阻帶截止頻率時(shí)更加精確，誤差較小。（2）在運(yùn)用matlab設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，當(dāng)編輯完前面兩條程序時(shí)無(wú)法放出聲音，后來(lái)發(fā)現(xiàn)我們應(yīng)當(dāng)把采集的語(yǔ)音信號(hào)wav文件放到matlab的work文件夾中。（3）還要在濾波器性能曲線

17、的wc處畫一根豎線，這樣更方便看出結(jié)果，其中wc處線的確定還需計(jì)算出wb/pi的值。（4）設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)不到要求，因?yàn)樵诓杉Z(yǔ)音信號(hào)時(shí)，錄音機(jī)的音頻格式應(yīng)該是pcm 8000khz，8位，單聲道。四、結(jié)論課程設(shè)計(jì)總結(jié)拿到語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波題目后，我通過去圖書館查閱相關(guān)書籍及在網(wǎng)上搜集相關(guān)的資料，獲得了有關(guān)于濾波器的仿真相關(guān)的信息，經(jīng)過學(xué)習(xí)建出巴特沃斯濾波器的仿真模型，在調(diào)試過程中，有金曉華老師的悉心指導(dǎo)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程較為順利。很早的就完成了任務(wù)。通過本周實(shí)習(xí)，不僅使我對(duì)數(shù)字信號(hào)處理這門課有了更深刻的了解，加強(qiáng)了對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。而且使我切體會(huì)到數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

18、在我們現(xiàn)實(shí)生活中的用處之大，懂得如何更好更熟練地進(jìn)行有用資料的收集，有益于我今后的學(xué)習(xí)。總而言之，本周的課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺。五、心得體會(huì)本次matlab課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成fir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，對(duì)我來(lái)說這個(gè)題目還是很有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樽约簩?duì)matlab中有關(guān)濾波器的設(shè)計(jì)知識(shí)了解較少，但正是這種有挑戰(zhàn)性的題目才能提高自己的能力，才有研究?jī)r(jià)值，入手這個(gè)題目后我查閱了相關(guān)的資料，也從網(wǎng)上獲得了不少有關(guān)matlab設(shè)計(jì)濾波器的資料，加上自己之間對(duì)matlab有一定的了解，因而設(shè)計(jì)思路漸漸明朗，經(jīng)過自己的不斷嘗試和探索，終于弄明白了fir濾波器的工作原理，通過查閱相關(guān)資料和研究matlab中提供的幫

19、助信息，我也明白了fir濾波器設(shè)計(jì)相關(guān)的一些函數(shù)的使用方法，并用它們來(lái)設(shè)計(jì)fir濾波器，最終完成了題目。 在設(shè)計(jì)過程中，我也遇到了很多不懂得地方，程序經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，尤其是在利用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)模擬出來(lái)的數(shù)字序列濾波時(shí)，出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，但經(jīng)過自己的不斷努力和嘗試，最終還是解決了問題。同時(shí)，在書寫報(bào)告的過程中，更加深入的學(xué)會(huì)了對(duì)word的使用，其中遇到最大的困難就是如何在word中添加設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器過程中計(jì)算所需的公式，雖然書寫起來(lái)很麻煩，但是最終通過不斷的探索和努力還是完成了。參考文獻(xiàn)1 郭士劍，王寶順，賀志國(guó)，楊可心 等. matlab7.x數(shù)字信號(hào)處理,北京：人民郵電出版社.2006年1

20、2月 2 程佩青. 數(shù)字信號(hào)處理教程.北京：清華大學(xué)出版社.2010年5月 3 徐明遠(yuǎn)，劉增力. matlab仿真在信號(hào)處理中的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2007年11月4 羅軍輝,羅勇江，白義臣，龐娜 等. matlab7.0在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005年5月5 萬(wàn)永革. 數(shù)字信號(hào)處理的matlab實(shí)現(xiàn).北京：科學(xué)出版社.2007年4月附錄利用wavread函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，其程序如下：y,fs,bits=wavread(1.wav); y=y(:,1); siglength=length(y); y = fft(y,siglength); pyy = y.* conj(y) / siglength; halflength=floor(siglength/2); f=fs*(0:halflength)/siglength; figure;plot(f,pyy(1:halflength+1);xlabel(