基于MATLAB的加噪語(yǔ)音信號(hào)的濾波

1、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 基于MATLAB的加噪語(yǔ)音信號(hào)的濾波學(xué)生姓名： 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 2017年12月 一濾波器的簡(jiǎn)述在MATLAB環(huán)境下IIR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方 法即實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)，以顯示所介紹迷你濾波器的設(shè)計(jì)特性。 在無(wú)線(xiàn)脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行模擬濾波器的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行模擬-數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換，即采用脈沖響應(yīng)不變法及雙線(xiàn)性Z變化法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，最后進(jìn)行濾波器的頻帶轉(zhuǎn)換。在有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，討論了FIR線(xiàn)性相位濾波的特點(diǎn)和用窗口函數(shù)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器兩個(gè)問(wèn)題。兩類(lèi)濾波器

2、整個(gè)過(guò)程都是按照理論分析、編程設(shè)計(jì)、集體實(shí)現(xiàn)的步驟進(jìn)行的。 為方便分析直觀者直觀、形象、方便的分析濾波器的特性，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)出圖形用戶(hù)界面-濾波器分析系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)界面，其內(nèi)容主要包括四個(gè)部分：System（系統(tǒng)）、Analysis（分析）、Tool（工具）、Help（幫助）。數(shù)字濾波在DSP中占有重要地位。數(shù)字濾波器按實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應(yīng)，分為IIR（無(wú)限脈沖響應(yīng)）和FIR（有限脈沖響應(yīng)）濾波器。如果IRR濾波器和FIR濾波器具有相同的性能，那么通常IIR濾波器可以用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，執(zhí)行速度更快，所有的存儲(chǔ)單元更少，所以既經(jīng)濟(jì)又高效。二設(shè)計(jì)要求1.在matlab平

3、臺(tái)上錄制一段語(yǔ)音信號(hào)；2.完成語(yǔ)音信號(hào)的譜分析；3.對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪以及加噪后信號(hào)的譜分析；4.選擇合適的濾波器進(jìn)行濾波，確定相關(guān)指標(biāo)；5.實(shí)現(xiàn)濾波過(guò)程，顯示濾波后的結(jié)果，并進(jìn)行譜分析。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、 語(yǔ)音信號(hào)的錄入打開(kāi)matlab平臺(tái)，先使用R=audiorecorder(44100,16,2)函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)保存音頻信息的對(duì)象，其中44100表示采樣頻率為44100Hz，16表示用16位存儲(chǔ)，2表示兩通道。再使用record（R）開(kāi)始錄音，對(duì)著電腦麥克風(fēng)采集聲音，錄入的音頻內(nèi)容為“MATLAB的課程大作業(yè)”。stop(R)語(yǔ)句停止錄入。然后將音頻信息以數(shù)字矩陣存儲(chǔ)。最后使用wavwri

4、te函數(shù)保存這段音頻。原始語(yǔ)音R=audiorecorder(44100,16,2);record(R);stop(R);myword=getaudiodata(R);plot(myspeech)wavwrite(myspeech,44100,16,'myword');程序圖波形圖： 由輸出的波形圖可以看出，當(dāng)采集“MATLAB的課程大作業(yè)”這句音頻信息時(shí)，波動(dòng)明顯，但受到環(huán)境的影響其他地方也有輕微的波動(dòng)。2、 語(yǔ)音信號(hào)的譜分析wavread讀取存儲(chǔ)在電腦中的音頻。suond函數(shù)回放語(yǔ)音信號(hào)，fft(y,n)則是對(duì)n點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域。然后用plot函數(shù)畫(huà)出語(yǔ)音

5、信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形圖。 y,fs,bits=wavread('D:Matalbe123binsouds.wav'); sound(y,fs);n=length(y);y_f=fft(y,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;subplot 211;plot(y);xlabel('時(shí)間s');ylabel('幅值 ');title('加噪前的時(shí)域波形');subplot 212;plot(f,abs(y_f(1:n/2);xlabel('頻率Hz');ylabel('頻率幅值');title(

6、'加噪前的頻譜圖');程序圖：時(shí)域波形與頻譜圖如下：由時(shí)域波形圖可以看出聲音信號(hào)主要集中在了2.5s5.0s之間，在其他時(shí)間內(nèi)只是有少量的波動(dòng)。由頻域波形圖可以看出該聲音信號(hào)的頻率與人的發(fā)聲頻率相符合。3、 語(yǔ)音加噪及譜分析對(duì)原始的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪處理，使用randn函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)與音頻信號(hào)等長(zhǎng)度的高斯隨機(jī)噪聲信號(hào)（噪聲大小取決于隨機(jī)函數(shù)的幅度倍數(shù)）。然后通過(guò)信號(hào)的疊加y_z=y+noise;，生成一個(gè)新的信號(hào)。再通過(guò)傅里葉變換得到信號(hào)在頻域上的波形，最后畫(huà)出時(shí)域與頻域波形。L=length(y);noise=0.1*randn(L,2);y_z=y+noise;sound(y_

7、z,fs);n=length(y);y_zf=fft(y_z,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;subplot 211;plot(y_z);xlabel('時(shí)間s');ylabel('幅值');title('加噪后的時(shí)域波形');subplot 212;plot(f,abs(y_zf(1:n/2);xlabel('頻率Hz');ylabel('頻率幅值');title('加噪后的頻譜圖');程序圖：波形圖如下： 當(dāng)執(zhí)行上述程序時(shí)，會(huì)聽(tīng)到嘈雜的聲音層，且頻率高于原始語(yǔ)音很多，由加噪后的頻譜圖與加

8、噪前的頻譜圖相對(duì)比會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)在原時(shí)間內(nèi)多了很多頻率變化，觀察到的頻譜圖變化與我們的目的是一致的，加噪成功。4、 濾波設(shè)計(jì)由于噪聲信號(hào)的頻率高于原語(yǔ)音信號(hào)的頻率，所以選擇FIR低通濾波器。在數(shù)字信號(hào)處理中，脈沖響應(yīng)不變法會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使頻率響應(yīng)偏離模擬濾波器的頻響特性，為避免這一現(xiàn)象我們采用雙線(xiàn)性變換法。經(jīng)嘗試fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fp=1100;fc=1300;As=100;Ap=1; fp=1300;fc=1500;As=100;Ap=1;fp=1400;fc=1600;As=100;Ap=1;fp=1500;fc=1700;As=100;Ap=1;中

9、效果最好的一組為：fp=1300;fc=1500;As=100;Ap=1;因此設(shè)計(jì)如下：fp=1300;fc=1500;As=100;Ap=1; wc=2*pi*fc/fs;wp=2*pi*fp/fs;wdel=wc-wp;beta=0.112*(As-8.7);N=ceil(As-8)/2.285/wdel);wn= kaiser(N+1,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(N,ws,wn);freqz(b,1);程序圖：濾波器頻率特性如圖 5、 濾波結(jié)果及譜分析將加噪后音頻通過(guò)此濾波器進(jìn)行濾波，再進(jìn)行濾波后去噪信號(hào)的譜分析，選用了函數(shù)x=fftfilt(b,y_z)，

10、利用FFT的重疊相加法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波程序清單如下：x=fftfilt(b,y_z); X=fft(x,n);subplot 211;plot(f,abs(X(1:n/2);title('濾波后的頻譜'); subplot 212;plot(x); title('濾波后的波形');sound(x,fs,bits)程序圖：去噪后的譜分析如下所示：執(zhí)行程序后聽(tīng)到的音頻依舊含有噪音信號(hào)，不如原始語(yǔ)音清晰，但比加噪后的語(yǔ)音有了明顯的改進(jìn)，可以比較清晰的聽(tīng)到原語(yǔ)音。由譜分析圖可以看出頻率高于1500Hz的音頻信號(hào)都被濾除了，開(kāi)始有點(diǎn)接近原始信號(hào)的波形圖.。四語(yǔ)音信號(hào)圖原始語(yǔ)音加噪后減噪后5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與體會(huì)這次是用Matlab對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的處理進(jìn)行了一系列的操作。在Matlab平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的錄制、加噪、濾波以及譜分析。比較加噪后的頻譜可以發(fā)現(xiàn)高于1500Hz的噪音已經(jīng)濾除，通過(guò)聲音的回放也可以發(fā)現(xiàn)去除了比較尖銳的干擾噪音。由于設(shè)計(jì)的濾波器程序功能單一，僅能處理一般條件下的語(yǔ)音信號(hào)，不能進(jìn)行精度較高的語(yǔ)音信號(hào)處理。Matlab是英文Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，它是由美國(guó)Math Word公司推出的用于圖形處理和數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)計(jì)算。在Matlab環(huán)境下，用戶(hù)可以