語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪——使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器

1、 王雄杰語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪-使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器第20頁(yè) 共20頁(yè) 語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器學(xué)生姓名：王雄杰 指導(dǎo)老師：喻小虎摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器，對(duì)一段含噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理并根據(jù)濾波前后的波形和頻譜分析濾波性能。本課程設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)為MATLAB7.0，開(kāi)發(fā)工具是M語(yǔ)言編程。錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，并人為加入一單頻噪聲，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析以確定所加噪聲頻率，即 fn=3000Hz，并設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波去噪處理，最后比較濾波前后的波形和頻譜，得出結(jié)果為，濾波器后的語(yǔ)音信號(hào)與原始信號(hào)基本一致，即設(shè)

2、計(jì)的巴特沃斯濾波器能夠去除信號(hào)中所加單頻噪聲，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。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)需要錄制一段頻率為8000Hz，8位的單聲道語(yǔ)音信號(hào)，并繪制波形觀察其頻譜，再對(duì)其進(jìn)行加噪處理，同樣要繪制加噪后的頻譜圖，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(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理。1.1 課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是教學(xué)的最后一個(gè)步驟，課程設(shè)計(jì)有利于基礎(chǔ)知識(shí)的理解，我們掌握了基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，但是要真正接觸才能真正理解課程的深入部分；還有利于邏輯思維的鍛煉，在許多常規(guī)學(xué)科的日常教學(xué)中，我們不難發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)現(xiàn)象，不少學(xué)

3、生的思維常常處于混亂的狀態(tài)，寫(xiě)起作文來(lái)前言不搭后語(yǔ)，解起數(shù)學(xué)題來(lái)步驟混亂，這些都是缺乏思維訓(xùn)練的結(jié)果，所以我們可以通過(guò)實(shí)踐來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、預(yù)測(cè)目標(biāo)等目的；同時(shí)也有利于與其他學(xué)科的整合，例如我們這次的課程設(shè)計(jì)就要運(yùn)用MATLAB軟件的幫助才能實(shí)現(xiàn)；最重要的有利于治學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)，在課程設(shè)計(jì)中，我們可能經(jīng)常犯很多小錯(cuò)誤，可能要通過(guò)好幾次的反復(fù)修改、調(diào)試才能成功，但這種現(xiàn)象會(huì)隨著學(xué)校的深入而慢慢改觀。這當(dāng)中就有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、一絲不茍的科學(xué)精神的培養(yǎng)，又有一個(gè)不怕失敗、百折不饒品格的鍛煉。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(kāi)設(shè)的。本課程設(shè)計(jì)的目的是為了

4、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(kāi)設(shè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要目的是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件仿真、程序安排與調(diào)試、寫(xiě)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(wèn)題和解決問(wèn)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(mǎn)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(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。1.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB是美國(guó)MathWorks公司生產(chǎn)的一個(gè)為科學(xué)和工程計(jì)算專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的交互式大型軟件，是一個(gè)

5、可以完成各種精確計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計(jì)算工具。它集圖示和精確計(jì)算于一身，在應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化工、機(jī)電工程、醫(yī)學(xué)、金融和其他需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它不僅是一個(gè)在各類(lèi)工程設(shè)計(jì)中便于使用的計(jì)算工具，而且也是一個(gè)在數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和工程計(jì)算等課程教學(xué)中的優(yōu)秀的數(shù)學(xué)工具，在世界各地的高和大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，適用于Windows、UNIX等多種系統(tǒng)平臺(tái)。MATLAB作為一種科學(xué)計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言之所以受歡迎，就是因?yàn)樗胸S富的函數(shù)資源和工具箱資源，編程人員可以根據(jù)自己的需要選擇函數(shù)，而無(wú)需再去編寫(xiě)大量繁瑣的程序代碼，從而減輕了編程人員的工作負(fù)擔(dān)，被稱(chēng)為第四代編程語(yǔ)言的MATLAB

6、最大的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔開(kāi)放的程序代碼和直觀實(shí)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境1。2 設(shè)計(jì)原理本課程設(shè)計(jì)需要錄制的一段頻率為8000Hz，8位的單聲道語(yǔ)音信號(hào)，并繪制波形觀察其頻譜，再對(duì)其進(jìn)行加噪處理，同樣要繪制加噪后的頻譜圖，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(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理。2.1 IIR濾波器IIR濾波器具有無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)，因此能夠與模擬濾波器相匹敵；一般來(lái)說(shuō)，所有的模擬濾波器都有無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)。因此，IIR濾波器設(shè)計(jì)的基本方法是利用復(fù)值映射將大家熟知的模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器。這一方法的優(yōu)勢(shì)在于各種模擬濾波器設(shè)計(jì)（AFD）表格和映射在文獻(xiàn)中普遍都能獲得。這種IIR濾波器設(shè)計(jì)

7、的基本方法存在兩種途徑：設(shè)計(jì)模擬低通濾波器途徑1：實(shí)行濾波器變換SZ實(shí)行頻帶變換 S S期望的IIR濾波器途徑2：設(shè)計(jì)模擬低通濾波器實(shí)行頻帶變換ZZ實(shí)行濾波器變換SZ 期望的IIR濾波器我們將研究途徑二的設(shè)計(jì)基本方法，在這種IIR濾波器設(shè)計(jì)方法將按下列步驟進(jìn)行：（1）設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。（2）研究并實(shí)行濾波器變換以得到數(shù)字低通濾波器。（3）研究并實(shí)行頻帶變換以便從數(shù)字低通濾波器得到其他數(shù)字濾波器2。2.2 巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是用上述IIR濾波器的性質(zhì)表征的：它的幅度響應(yīng)在通帶和阻帶都是平坦的。一個(gè)N階低通濾波器的幅度平方響應(yīng)給出為： （2-1）式中，N為整數(shù)，是濾波器的階，是截止頻率

8、。稱(chēng)為濾波器的階數(shù)，N越大，通帶和阻帶的近似性越好，過(guò)渡帶也越陡。幅度平方響應(yīng)的圖如下所示。圖2.1 幅度平方響應(yīng)圖從這張圖可看出下面幾個(gè)性質(zhì)：（1）=1，對(duì)全部N。（2），對(duì)全部N，這意味著在有3dB衰減。（3）是的單調(diào)下降的函數(shù)。（4）隨N向一個(gè)理想低通濾波器趨近。（5）在世最大平坦，因?yàn)樵谶@里所有階的導(dǎo)數(shù)存在且等于零。 為了確定系統(tǒng)函數(shù)現(xiàn)將得到（2-2）由（2-2）式分母多項(xiàng)式的根（或）的極點(diǎn)）給出為 （2-3）（2-3）式的解釋是：（1）2N個(gè)極點(diǎn)均勻分布在半徑為c的圓上，相隔 pi/N （2）N 為奇數(shù)時(shí)， pk= c ej2pik/N（3）N 為偶數(shù)時(shí)， pk= c ej(pi/2

9、N+kpi/N)（4）極點(diǎn)對(duì)虛軸(j)對(duì)稱(chēng)分布（5）極點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)落在虛軸上，且僅當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)才會(huì)落在實(shí)軸上（6）選取極點(diǎn)全部落在左半平面可得到因果穩(wěn)定的Ha(s)作為一個(gè)例子，三階和四階巴特沃斯濾波器的極點(diǎn)分布如圖所示：圖2.2巴特沃斯濾波器的極點(diǎn)圖通過(guò)選取在左半面的極點(diǎn)就能給出一個(gè)穩(wěn)定和因果的，并且能將寫(xiě)成：（2-4）2.3 脈沖響應(yīng)不變法脈沖響應(yīng)不變法是從濾波器的脈沖響應(yīng)出發(fā)，使數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)序h(n)模仿模擬濾波去的沖擊響應(yīng)ha(t)，使h(n)正好等于ha(t)的采樣值，即h(n)=ha(nT) （2-5）T為采樣周期。如以Ha(s)及H(z)分別表示ha(t)的拉式變換及h

10、(n)的z變換。變換前： （2-6）變換后： （2-7）由于z=是在單位圓上，s=j是在虛軸上，所以有下面從s平面到z平面的變換 z= （2-8） 系統(tǒng)函數(shù)H（z）和Ha（s）是經(jīng)過(guò)頻域混疊公式聯(lián)系的： （2-9） 在（2-8）式的映射關(guān)系下，復(fù)平面的變換如圖2.3 圖2.3脈沖響應(yīng)不變法中的復(fù)平面映射映射特征：（1）記 = Re(s): < 0, 映射到 |z|<1 (單位圓內(nèi))， = 0,映射到 |z|=1 (單位圓上)。 >0,映射到 |z|>1 (單位圓外)。（2）多個(gè) s 映射到一個(gè) z : 多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的映射，每個(gè)寬度為2/T 的全部半無(wú)限帶都映射到單位圓內(nèi)。

11、（3）因果穩(wěn)定的AF仍然映射為因果穩(wěn)定的DF。（4）如果濾波器不是真正帶限會(huì)產(chǎn)生混疊誤差(Aliasing )。3.設(shè)計(jì)步驟3.1設(shè)計(jì)流程圖語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器，設(shè)計(jì)流程圖如下3.1所示：開(kāi)始1、語(yǔ)音信號(hào)信號(hào)的采集（wavread函數(shù)），畫(huà)時(shí)域圖快速傅里葉變換，并且畫(huà)頻譜圖2、加入3000Hz的噪聲畫(huà)出加噪后頻譜圖3、設(shè)定濾波器性能指標(biāo)，通帶截止頻率fp=2600，阻帶截止頻率fs=2950，通帶波紋Rp=3，阻帶波紋As=16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4、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3

12、.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3.2語(yǔ)言信號(hào)的采集人工錄制一段為.wav的語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間在8-9s左右，要求為8000Hz，8位單聲道的音頻格式。然后在Matlab軟件平臺(tái)下，利用函數(shù)wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，函數(shù)為x,fs,bits=wavread('music.wav'),記住采樣頻率fs和采樣點(diǎn)數(shù)。所下載音樂(lè)的屬性設(shè)置如圖3.2：圖3.2 語(yǔ)音信號(hào)參數(shù)設(shè)置3.3語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析首先使用MATLAB分別畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，畫(huà)出原始信號(hào)的頻率幅度譜，然后再原始語(yǔ)音信號(hào)的基礎(chǔ)上加入單頻噪聲后，噪聲頻率

13、為fn=3000Hz,再所得到的音樂(lè)做時(shí)間幅度譜，同樣對(duì)它做傅里葉變換，得到此信號(hào)的頻率頻譜特性?？傻玫綀D形3.3和圖3.4。其中傅里葉變換表示為：X=abs(fft(x); Y=abs(fft(y)圖3.3原始信號(hào)與加噪后的程序運(yùn)行圖由上圖可知，單頻噪聲頻率fn=3000Hz，此數(shù)據(jù)是在對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率幅度譜得出，此語(yǔ)音信號(hào)的主頻帶在2000Hz內(nèi)，我們?nèi)?000Hz是為了達(dá)到更好的干擾效果。因此帶上耳塞后可以聽(tīng)到原始語(yǔ)音和加噪后的帶有尖銳單頻嘯叫聲的語(yǔ)音?？梢詮穆?tīng)覺(jué)上感知噪聲的存在，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)當(dāng)fn取2000Hz以?xún)?nèi)的頻率時(shí)，聽(tīng)到的干擾信號(hào)無(wú)明顯的尖銳單頻嘯叫聲。圖3.4原始信號(hào)與加噪后

14、的波形圖與頻譜圖 由圖我們可以看出，在加入噪聲后，原始語(yǔ)音信號(hào)和加噪后有不同的時(shí)間幅度譜和頻率幅度譜，證明噪聲對(duì)原始信號(hào)造成了影響。3.4 濾波器設(shè)計(jì)將數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)為通帶截止頻率fp=2600Hz,阻帶頻率fc=2950Hz,通帶波紋Rp=3dB，阻帶波紋As=16dB,要求確定H(z)。設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 選取T=1。（2） 利用設(shè)參數(shù)，Rp和設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器。（3） 利用部分分式將展開(kāi)。 （4） 現(xiàn)在將模擬極點(diǎn)pk變換為數(shù)字極點(diǎn)epkT，得到數(shù)字濾波器。并作化簡(jiǎn)得出作為z-1有理函數(shù)的H(z)。根據(jù)上述步驟，按要求我們用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)好了巴特沃斯濾波器。根據(jù)原理課設(shè)計(jì)濾波

15、器，可得到如下圖3.5： 3.5 利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的數(shù)字巴特沃斯低通濾波器程序運(yùn)行圖由圖可知，設(shè)置fn=3000Hz，即確定了通帶截止頻率為，fp=2600Hz，阻帶截止頻率為，fc=2950Hz，過(guò)渡帶寬為450Hz，時(shí)間T=1s，為過(guò)渡帶寬和時(shí)間T的值對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)十分重要。 cs,ds=afd_butt(OmegaP,OmegaS,Rp,As); * Butterworth Filter Order = 15 由此句可得出：濾波器為16階。 >> wp/pians = 0.6500 >> ws/pians = 0.7375 圖3.6 利用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)

16、的數(shù)字巴特沃斯濾波器 由濾波器幅度響應(yīng)圖可以看出，設(shè)計(jì)的通帶截止頻率wp/pi=0.6500,阻帶截止頻率ws/pi=0.7375，縱坐標(biāo)差不多剛好在As=16db處，所以設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)到要求。3.5 信號(hào)的濾波 前面已經(jīng)用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)好了我們要的巴特沃斯低通濾波器，接著就對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，看自己設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器有沒(méi)有對(duì)我們的加噪后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理。所以就用filter函數(shù)進(jìn)行濾波，即y_fil=filter(b,a,y);。我們將濾波前后的時(shí)域波形進(jìn)行比較，并對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，即Y_fil=abs(fft(y_fil);，目的是對(duì)比前后的頻域頻譜，具體分析設(shè)計(jì)的濾波器

17、是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，再將濾波后的信號(hào)與原始信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可看出濾波效果。如圖3.7是原始語(yǔ)音信號(hào)、加干擾后的信號(hào)和濾波后信號(hào)的時(shí)間幅度譜與頻率譜圖：圖3.7原始信號(hào)、加噪后信號(hào)和濾波后信號(hào)的波形圖和頻譜圖觀察分析圖3.7，由原始信號(hào)與加噪后的頻率幅度譜分析可看出在fn=3000Hz的頻率上，加了單頻噪聲，由于加入噪聲，對(duì)原始信號(hào)造成了干擾，在運(yùn)行sound(y,fs,bits);后，可以明顯聽(tīng)出有尖銳的單頻嘯叫聲，對(duì)加噪后的信號(hào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)行頻率幅度譜分析，可得出，設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器濾除了大部分的噪聲，運(yùn)行sound(y_fil,fs,bits);后，原來(lái)的尖銳聲微乎其微，由此證明了設(shè)

18、計(jì)的合理性。最后對(duì)原始和濾波后的頻率幅度譜進(jìn)行分析，濾波后的信號(hào)基本與原始信號(hào)無(wú)異，因此濾波成功。3.6 結(jié)果分析首先采集語(yǔ)音信號(hào)，再按照步驟用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器，得到圖3.4。并且由圖3.4可知，設(shè)計(jì)的通帶截止頻率wp/pi=0.6500，阻帶截止頻率ws/pi=0.7375，縱坐標(biāo)在As=16db之下，所以設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)到要求。我們觀察到圖3.7濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形對(duì)比圖，發(fā)現(xiàn)時(shí)域波形中的變化不明顯，可能是因?yàn)槲覀儾杉恼Z(yǔ)音信號(hào)噪聲不是很大，但是還是有濾去噪聲的；但是可以看到在頻域波形中，很明顯地反應(yīng)出設(shè)計(jì)的濾波器濾去了我們采集的語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲。所以，運(yùn)用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)

19、計(jì)的巴特沃斯濾波器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。帶上耳塞，運(yùn)行程序，第一段為原音，第二段為加噪后的音樂(lè)，第三段為濾波后的音樂(lè)，通過(guò)反復(fù)聽(tīng)這三段音樂(lè)，能夠聽(tīng)出第一段音樂(lè)和第二段音樂(lè)確有不同，能感覺(jué)到噪聲，第二段與第三段相對(duì)比，幾乎聽(tīng)不到噪聲，第一段與第三段相比，幾乎無(wú)差距。圖3.8，與相同濾波器（脈沖響應(yīng)不變法的巴特沃斯低通濾波器）不同音樂(lè)（人工語(yǔ)音），通過(guò)觀察自己的圖形與同學(xué)的設(shè)計(jì)結(jié)果圖，在交流中發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)绻O(shè)置相同的fn=3000Hz,我們?yōu)V波器階數(shù)相同，都為15階，但是我們的頻率幅度譜的幅度值有差異，但是濾波效果是相同的。圖3.8語(yǔ)音信號(hào)的脈沖響應(yīng)不變法巴特沃斯濾波去噪圖4 出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法 在這

20、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(wèn)題的，當(dāng)遇到問(wèn)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(wèn)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(yǔ)音信號(hào)時(shí)，錄音機(jī)的音頻格式應(yīng)該是PCM 8000Hz，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(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，如果要放在其他文件夾在調(diào)用此音樂(lè)時(shí)需標(biāo)明路徑，如： x,fs,bits=wavread('d:mus

21、ic.wav'); 則標(biāo)明名字為music的音樂(lè)信號(hào)時(shí)放在d盤(pán)。 （3）還要在濾波器性能曲線的wp、ws、Ap處畫(huà)一根豎線，這樣更方便看出結(jié)果，其中通帶截止頻率處線的值由wp/pi，阻帶截止頻率處的值為ws/pi。 （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。 （5）由于通帶截止頻率fp=fn-400和阻帶截止頻率fc=fn-50的值會(huì)影響濾波器的過(guò)渡帶寬，而過(guò)渡帶寬如果太小會(huì)造成濾波器無(wú)法達(dá)到指標(biāo)，所以適當(dāng)?shù)脑谝阎猣n的條件下，基本保證過(guò)度帶寬在0.1*pi附近。 （6）時(shí)間T也會(huì)影響濾波器的設(shè)計(jì)，開(kāi)

22、始時(shí)我設(shè)定T=1/fs，fs=8000Hz，此時(shí)采樣頻率過(guò)大，造成了音樂(lè)信號(hào)放大，經(jīng)改正將T設(shè)為1s，此時(shí)就達(dá)到了預(yù)知的效果。（7）wp=fp/fs*2*pi;ws=fc/fs*2*pi; OmegaP=wp/T; OmegaS=ws/T; 在用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，這些公式的錯(cuò)誤運(yùn)用也會(huì)對(duì)濾波器設(shè)計(jì)造成嚴(yán)重的影響。（8）對(duì)于設(shè)計(jì)的濾波器我們?nèi)绾螜z驗(yàn)其是否可用，我們要對(duì)濾波器的頻率幅度譜進(jìn)行分析，在ws/pi=0.7375與圖中曲線的交接處以下的值是否大于As=16db，如果大于，則此濾波器設(shè)計(jì)完成。 （9）在觀察中我們發(fā)現(xiàn)，時(shí)間幅度譜對(duì)于一些細(xì)節(jié)的變化并不明顯，因此我們可以從頻率幅

23、度譜著手分析。5 結(jié)束語(yǔ) 在這次的課程設(shè)計(jì)中，我們用一周的時(shí)間來(lái)做設(shè)計(jì)，其余時(shí)間是自己寫(xiě)與修改報(bào)告，在開(kāi)始前我們需要復(fù)習(xí)課本上濾波器設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，后來(lái)在設(shè)計(jì)中我們又發(fā)現(xiàn)了很多的問(wèn)題，比如，在課本學(xué)習(xí)過(guò)程中我們以為不太重要的環(huán)節(jié)在實(shí)現(xiàn)濾波器效果時(shí)，其實(shí)是很重要的，任何一個(gè)小小的錯(cuò)誤，比如一個(gè)參數(shù)設(shè)置的合理性都會(huì)造成無(wú)法設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)的濾波器。并且在這次DSP課程設(shè)計(jì)，不但鞏固了以前學(xué)的知識(shí)，還學(xué)習(xí)了新內(nèi)容，在實(shí)踐中收獲知識(shí)。原來(lái)濾去語(yǔ)音中的噪聲我們運(yùn)用自己學(xué)到的知識(shí)能做到，并更加鞏固了MATLAB軟件的使用。 MATLAB軟件的熟練使用是很重要的，整個(gè)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們都要用到它。當(dāng)然由于我

24、們的實(shí)踐能力有限，在過(guò)程中，我們需要老師的幫助，在老師的幫助下問(wèn)題就迎刃而解啦。 這次做的濾波器要濾去語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲，覺(jué)得很有意思，做了1次的課程設(shè)計(jì)了，我發(fā)現(xiàn)其實(shí)在這樣的課程設(shè)計(jì)中一些細(xì)微之處往往是決定成敗的關(guān)鍵。其實(shí)用MATLAB軟件做實(shí)驗(yàn)是要細(xì)心的，因?yàn)楹芏嗟恼Z(yǔ)法和常量變量的定義我們都要仔細(xì)，一個(gè)不小心看錯(cuò)了或者輸入不認(rèn)真是容易出錯(cuò)誤。在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，問(wèn)了很多同學(xué)也問(wèn)了老師，當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤原因時(shí)，很多次都是因?yàn)樽约旱牟患?xì)心造成。但經(jīng)過(guò)思考并仔細(xì)檢查，最后得以編譯成功。在做實(shí)驗(yàn)是一定要小心謹(jǐn)慎，也許一個(gè)小小的語(yǔ)法錯(cuò)誤和常量變量的定義的錯(cuò)誤就造成整個(gè)程序出現(xiàn)問(wèn)題，得不到所需的波形，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不

25、正確。實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)間的相互交流也是很重要的，比如，一個(gè)同學(xué)是跟我用相同音樂(lè)的，但是她課題為“語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的切比雪夫I型濾波器”我們只是濾波器不同，在結(jié)束后我們彼此交流了兩個(gè)不同濾波器的性能，明顯能夠看出切比雪夫I型濾波器濾波效果更好。在這樣的環(huán)境下，我們能夠收獲更多。這次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿?，有自己的努力，也有同學(xué)和老師的幫助，因此，在這里我要衷心地感謝他們的幫助，也感謝學(xué)校給我們的機(jī)會(huì)，讓我們能夠?qū)⒆约簩W(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中！參考文獻(xiàn)1 張圣勤MATLAB7.0實(shí)用教程M北京：機(jī)械工程出版社，2006 2 (美)維納K英格爾，（美）約翰G普羅克斯（著）劉樹(shù)棠（譯）.數(shù)字

26、信號(hào)處理（MATLAB版）M第2版西安：西安交通大學(xué)出版社，2008 3 程佩青數(shù)字信號(hào)處理教程M北京：清華大學(xué)出版社，2002 4 劉敏，魏玲Matlab通信仿真與應(yīng)用M北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20015 Sanjit K.Mitra，孫洪，余翔宇數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)M電子工業(yè)出版社，20056 陳懷琛數(shù)字信號(hào)處理教程MATLAB釋義與實(shí)現(xiàn)M電子工業(yè)出版社，20087 丁玉美, 高西全數(shù)字信號(hào)處理M西安：電子科技大學(xué)出版社，2010附錄1：語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪設(shè)計(jì)源程序清單% 程序名稱(chēng)：untitled.m% 程序功能：采用基于脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器對(duì)含噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處

27、理。% 程序作者：王雄杰/% 最后修改日期：2015-3-27x,fs,bits=wavread('d:music.wav');% 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個(gè)參數(shù)是每個(gè)樣本的值，fs是生成該波形文件時(shí)的采樣率，bits是波形文件每樣本的編碼位數(shù)。sound(x,fs,bits); % 按指定的采樣率和每樣本編碼位數(shù)回放N=length(x); % 計(jì)算信號(hào)x的長(zhǎng)度t=0:1/fs:(N-1)/fs;% 計(jì)算時(shí)間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率deltaf=fs/N; % 計(jì)算頻譜的譜線間隔f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計(jì)算頻譜頻率范圍X=abs(

28、fft(x); % 對(duì)原始信號(hào)和加噪信號(hào)進(jìn)行fft變換,取幅度譜X=X(1:N/2);% 截取前半部分subplot(2,2,1) ;plot(t,x) %畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)間幅度譜圖xlabel('時(shí)間（單位：s）');ylabel('幅度');title('原始語(yǔ)音信號(hào)')subplot(2,2,2) ;plot(f,X) %畫(huà)出原始信號(hào)的頻率幅度譜圖xlabel('頻率（單位：HZ）');ylabel('幅度譜');title('原始語(yǔ)音信號(hào)幅度譜圖')fn=3000;% 單頻噪聲頻率x=x

29、' y=x+0.02*sin(fn*2*pi*t); %在原始語(yǔ)音信號(hào)基礎(chǔ)上加單頻噪聲后的每個(gè)樣本的值Y=abs(fft(y);% 對(duì)原始信號(hào)和加噪信號(hào)進(jìn)行fft變換,取幅度譜Y=Y(1:N/2); %截取前半部分subplot(2,2,3) ;plot(t,y) %畫(huà)出加入單頻干擾后的的時(shí)間幅度譜圖axis(0 10 -1 1)% 橫坐標(biāo)從0到10 ，縱坐標(biāo)從-1到1xlabel('時(shí)間（單位：s）');ylabel('幅度');title('加入單頻干擾后的語(yǔ)音信號(hào)')subplot(2,2,4) ;plot(f,Y)%畫(huà)出加入單頻干

30、擾后的頻率幅度譜圖xlabel('頻率（單位：HZ）');ylabel('幅度譜');title('加入單頻干擾后的語(yǔ)音信號(hào)幅度譜圖')sound(y,fs,bits); % 可以明顯聽(tīng)出有尖銳的單頻嘯叫聲% 程序名稱(chēng)：filter.mfp=fn-400;fc=fn-50; %定義通帶和阻帶截止頻率T=1; %定義采樣間隔Rp=3;As=16; % 定義通帶波紋和阻帶衰減wp=fp/fs*2*pi;ws=fc/fs*2*pi; %計(jì)算對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率OmegaP=wp/T; OmegaS=ws/T; %截止頻率線性變換 cs,ds=afd_butt

31、(OmegaP,OmegaS,Rp,As); %計(jì)算濾波器階數(shù)和截止頻率和濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母系數(shù)b,a=imp_invr(cs,ds,T);% 脈沖響應(yīng)不變法得到數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母系數(shù)db,mag,pha,grd,w=freqz_m(b,a); %驗(yàn)證濾波器是否達(dá)到指定性能delta=1,zeros(1,99);ha=filter(b,a,delta);% 計(jì)算脈沖響應(yīng)Subplot(221);plot(w/pi,db) xlabel('w/pi');ylabel('db');title('濾波器幅度響應(yīng)圖')Subplot(222)

32、;plot(w/pi,mag)xlabel('w/pi');ylabel('幅度mag');title('濾波器幅度響應(yīng)圖')Subplot(223);plot(w/pi,pha)xlabel('w/pi');ylabel('相位pha');title('濾波器相位響應(yīng)圖')Subplot(224);plot(ha)xlabel('n');ylabel('h(n)');title('濾波器脈沖響應(yīng)圖')% 程序名稱(chēng)：voisenoisefilter.mx,fs,bits=wavread('d:music.wav');% 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個(gè)參數(shù)是每個(gè)樣本的值，fs是生成該波形文件時(shí)的采樣率，bits是波形文件每樣本的編碼位數(shù)。sound(x,fs,bits); % 按指定的采樣率和每樣本編碼位數(shù)回放N=length(x); % 計(jì)算信號(hào)x的長(zhǎng)度t=0:1/fs:(N-1)/fs;% 計(jì)算時(shí)間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率deltaf=fs/N; % 計(jì)算頻譜的譜線間隔f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計(jì)算頻譜頻率范圍X=abs(fft(x); % 對(duì)原始信號(hào)和加噪信號(hào)進(jìn)行fft變換,