3927.語音信號濾波去噪——使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器 dsp課程設(shè)計(jì)報(bào)告正文

1、 語音信號濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器 摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用麥克風(fēng)采集一段語音信號，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，對該語音信號進(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；matlab1 引 言本課程設(shè)計(jì)主要利用麥克風(fēng)采集一段8000hz，8k的單聲道語音信號，并繪制波形觀察其頻譜，再用matlab利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯濾波器，將該語音信號進(jìn)行濾波去噪處理。1.1 課程設(shè)計(jì)目的數(shù)字信號處

2、理課程設(shè)計(jì)是在學(xué)生完成數(shù)字信號處理和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 設(shè)計(jì)原理用

3、麥克風(fēng)采集一段語音信號，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，對該語音信號進(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。2.1 iir濾波器2.2 巴特沃斯濾波器 2.3 脈沖響應(yīng)不變法 3.設(shè)計(jì)步驟3.1設(shè)計(jì)流程圖語音信號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所示：開始語音信號的采集（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=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

4、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音信號的波形及頻譜回放語音信號結(jié)束圖3.1 脈沖響應(yīng)不變法巴特沃斯濾波器對語音信號去噪流程圖3.2語言信號的采集利用pc 機(jī)上的錄音軟件進(jìn)行采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語音輸入插口上,啟動(dòng)錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“大蘿卜”,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“speech”保存入g : matlab work 中?？梢钥吹?文件存儲器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是windows 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。然后，通過文件中的屬性，將此錄音轉(zhuǎn)換成8000hz，8k的單聲道語音信號。

5、圖3.2 語音信號設(shè)置3.3語音信號的頻譜分析利用matlab中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。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)。接下來，對語音信號speech.wav進(jìn)行采樣。其程序如下： y,fs,nbits=wavered (speech.wav); 然后，畫出語音信號的時(shí)域波形，再對語音信號進(jìn)行頻譜分析。matlab提供了快速傅里葉變換算法fft計(jì)算dft的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下： xk=fft(xn,n) 域序

6、列向量，n是dft變換區(qū)間長度，當(dāng)n大于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)n小于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前n個(gè)元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。其程序如下：y,fs,nbits=wavread(44.wav);n=length(y);y=fft(y,n);subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信號波形);subplot(2,1,2);plot(abs(y);title(原始信號頻譜); 圖3.3 時(shí)域波形圖3.4 頻域幅度譜圖3.5 頻域幅度譜和相位譜3.4濾波器設(shè)計(jì)將數(shù)字

7、濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)為通帶截止頻率fb=1100hz,阻帶頻率fc=1200hz,通帶波紋ap=1db，阻帶波紋as=20db,要求確定h(z)。設(shè)計(jì)步驟如下：（1）確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（2）將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為=2/t tan(0.5)(3)將相應(yīng)類型的模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標(biāo)。（4）設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。（5）通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器。（6）采用雙線性變換法將相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。 程序：fp=1200;%阻帶截止頻率fs=1100;%通帶截止頻率

8、ft=8000;%采集頻率as=20;%通帶波紋ap=1ap=1;%阻帶波紋as=20wp=2*pi*fp/ft;ws=2*pi*fs/ft;fp=2*ft*tan(wp/2);fs=2*ft*tan(ws/2);n,wn=buttord(wp,ws,ap,as,s); %求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn,s); %求s域的頻率響應(yīng)的參數(shù) num,den=bilinear(b,a,1); %雙線性變換實(shí)現(xiàn)s域到z域的變換 h,w=freqz(num,den); %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng) plot(w*fs/(2*pi),abs(h);grid;xlabel(頻率hz);

9、ylabel(頻率響應(yīng)幅度);title(iir低通濾波器);legend(用butter設(shè)計(jì)); 圖3.6 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：)）3.5 信號濾波信號圖3.7 濾波前后的時(shí)域?qū)Ρ炔ㄐ螢V波前后頻域頻譜圖3.8所示圖3.8 濾波前后頻域頻譜圖圖3.9 濾波前后相位圖3.5 結(jié)果分析 4.出現(xiàn)的問題及解決方法 在這次的課程設(shè)計(jì)中我們設(shè)計(jì)的濾波器對語音信號的濾噪處理或多或少會因?yàn)槲覀兊氖韬龌蛘邔?shí)踐能力不夠還是會遇到問題的，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）設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)不到要求，因?yàn)樵诓杉Z音信號時(shí)，錄音機(jī)的音頻格式應(yīng)該是pcm 8000khz，8位，單聲道。（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)無法放出聲音，后來發(fā)現(xiàn)我們應(yīng)當(dāng)把采集的語音信號wav文件放到matlab的work文件夾中。（3）還要在濾波器性能曲線的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）所有的時(shí)間波形橫坐標(biāo)都要化為時(shí)間，濾波前后頻