【正文】 對(duì)語音信號(hào)的研究，本 論文 采用了 設(shè)計(jì)兩種濾波器的基本研究方法來達(dá)到研究語音信號(hào) 去噪 的目的 ，最終結(jié)合圖像以及對(duì)語音信號(hào)的回放，通過對(duì)比，得出結(jié)論。 本課題的研究基本步驟如下： 1. 語音信號(hào)的錄制。 2. 在 MATLAB 平臺(tái)上讀入語音信號(hào)。 3. 繪制頻譜圖并回放原始語音信號(hào)。 4. 利用 MATLAB 編程加入一段 正弦波噪音 ，設(shè)計(jì)濾波器 去噪。 5. 利用 MATLAB編程加入一段 隨機(jī)噪音信號(hào)，設(shè)計(jì) FIR和 IIR濾波器去噪，并分別繪制頻譜圖、回放語音信號(hào)。 6 通過仿真后的圖像以及對(duì)語音信號(hào)的回放，對(duì)比兩種去噪方式的優(yōu)缺點(diǎn)。 其大概流程框圖可如下表示： （圖 11） 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖 11 論文設(shè)計(jì)的流程 語音信號(hào)采集 效果顯示、對(duì)比 語音信號(hào)錄入 語音信號(hào)變換 信號(hào)加噪 語音信號(hào)濾波 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 語音信號(hào)去噪方法 的研究 去噪的原理 采樣定理 在進(jìn)行模擬 /數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率 大于信號(hào)中，最高頻率 fmax 的 2 倍時(shí)，即： =2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的 5～ 10 倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。 1924 年奈奎斯特 (Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式 : 理想低通信道的最高大碼元傳輸速率=2W*log2 N (其中 W是理想低通信道的帶寬 ,N是電平強(qiáng)度 )為什么把采樣頻率設(shè)為 8kHz?在數(shù)字通信中，根據(jù)采樣定理 , 最小采樣頻率為語音信號(hào)最高頻率的 2倍 頻帶為 F 的連續(xù)信號(hào) f(t)可用一系列離散的采 樣值 f(t1),f(t1177。Δ t)，f(t1177。2Δ t)， ...來表示 ,只要這些采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔 Δ t≤1/2 F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復(fù)原來的信號(hào) f(t)。 這是時(shí)域采樣定理的一種表述方式。 時(shí)域采樣定理的另一種表述方式是：當(dāng)時(shí)間信號(hào)函數(shù) f(t)的最高頻率分量為fM 時(shí) ,f(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于 1/2fM 的采樣值來確定 ,即采樣點(diǎn)的重復(fù)頻率 f≥2 fM。圖為模擬信號(hào)和采樣樣本的示意圖。 時(shí)域采樣定理是采樣誤差理論、隨機(jī)變量采樣理論和多變量采樣理論的基礎(chǔ) 。 對(duì)于時(shí)間上受限制的連續(xù)信號(hào) f(t)（即當(dāng) │ t│ T 時(shí) ,f(t)=0,這里T=T2T1 是信號(hào)的持續(xù)時(shí)間），若其頻譜為 F（ ω ） ,則可在頻域上用一系列離散的采樣值 （ 21） 采樣值來表示 ,只要這些采樣點(diǎn)的頻率間隔 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ 22） 。 采樣頻率 采樣頻率，也稱為采樣速度或者采樣率，定義了每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，它用赫茲（ Hz）來表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作采樣時(shí)間，它是采樣之間的時(shí)間間隔。通俗的講采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)聲音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對(duì)于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。 采樣頻率的常用的表示符號(hào)是 fs。 通俗的講采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少 個(gè)聲音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率越高，即采樣的間隔時(shí)間越短，則在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對(duì)聲音波形的表示也越精確。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系， 根據(jù)采樣定理 ，只有采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音還原成為原來的聲音。這就是說采樣頻率是衡量聲卡采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 采樣位數(shù)和采樣率對(duì)于音頻接口來說是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻 數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個(gè)采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了 6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號(hào)越精確。對(duì)于采樣率來說你可以想象它類似于一個(gè)照相機(jī)， 意味著音頻流進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)每秒會(huì)對(duì)其拍照達(dá) 441000 次。顯然采樣率越高，計(jì)算機(jī)攝取的圖片越多，對(duì)于原始音頻的還原也越加精確 去噪的方法 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在國內(nèi)外已經(jīng)取得了很大的成績。到成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 目前為止，已經(jīng)比較成熟的去噪方法比較典型的有切比雪夫去噪法、雙線性變換去噪法 、窗函數(shù)去噪法、譜相減去噪法、巴特沃茲去噪法等有名的去噪方法。 下面分別對(duì)上述去噪方法 中比較有代表性的譜相減去噪法和 FIR以及 IIR濾波法 做一個(gè)簡單的介紹。 （ 1）譜相減算法去噪法 在我們的日常交流和語音通信系統(tǒng)中，加性寬帶噪聲嚴(yán)重影響了語音質(zhì)量和可懂度。從帶噪語音中提取原始語音信號(hào)的方法很多，在單信道條件下，譜相減算法以其運(yùn)算量小、原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)并且有不錯(cuò)的增強(qiáng)效果而得到了廣泛的應(yīng)用。譜相減語音增強(qiáng)算法的核心是噪聲檢測(cè)和譜減規(guī)則。在分析了語音增強(qiáng)算法理論的基礎(chǔ)上，本文首先研究了語音激活檢測(cè)算法。對(duì)基于短時(shí)能量和短時(shí)過零率雙門限法語音激活檢測(cè)的噪聲估計(jì)算法做了研究及 仿真，同時(shí)還研究了一種基于最小子帶能量的噪聲估計(jì)方法。然后，通過分析經(jīng)典譜減法的原理及其一般改進(jìn)形式，研究了一種基于噪聲殘差的譜相減改進(jìn)算法和一種可以不以噪聲是零均值的高斯分布為前提的譜減法改進(jìn)算法。最后通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所研究的幾種改進(jìn)算法都能有效地提高增強(qiáng)效果。 由于譜相減算法去噪比較復(fù)雜，我們?cè)谶@里就不多做討論，并且本論文也不采用此種方法。下面著重講解本論文采用的兩種方法。 （ 2） FIR 濾波法 FIR 工作原理： 在進(jìn)入 FIR 濾波器前，首先要將信號(hào)通過 A/D 器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使之成為 8bit 的數(shù) 字信號(hào)，一般可用速度較高的逐次逼進(jìn)式 A/D 轉(zhuǎn)換器，不論采用乘累加方法還是分布式算法設(shè)計(jì) FIR 濾波器，濾波器輸出的數(shù)據(jù)都是一串序列，要使它能直觀地反應(yīng)出來，還需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此 由 FPGA 構(gòu)成的FIR濾波器的輸出須外接 D/A 模塊。 FPGA有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合于數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，相對(duì)于串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用 DSP 芯片來說，其并行性和可擴(kuò)展性更好，利用 FPGA乘累加的快速算法，可以設(shè)計(jì)出高速的 FIR 數(shù)字濾波器。 FIR 的特點(diǎn) ： 有限長單位沖激響應(yīng)（ FIR）濾波器有以下特點(diǎn)： A 位沖激響 應(yīng) h (n)在有限個(gè) n 值處不為零 B 系統(tǒng)函數(shù) 0 處收斂，極點(diǎn)全部在 z = 0 處 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 C 結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，但有些結(jié)構(gòu)中（例如頻率抽樣結(jié)構(gòu)）也包含有反饋的遞歸部分。 設(shè) FIR 濾波器的單位沖激響應(yīng) h (n)為一個(gè) N 點(diǎn)序列， 0 ≤ n ≤N — 1，則濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 H(z)=∑h(n)*z^n （ 23） 就是說，它有（ N— 1）階極點(diǎn)在 z = 0 處，有（ N— 1）個(gè)零點(diǎn)位于有限 z平面的任何位置。 FIR 濾波器基本結(jié)構(gòu)： FIR 濾波器有以下幾種基本結(jié)構(gòu)： 橫截型 式的系統(tǒng)的差分方程表 達(dá)式為 y(n)=∑h(m)x(nm) ( 24） 很明顯，這就是線性移不變系統(tǒng)的卷積和公式，也是 x (n)的延時(shí)鏈的橫向結(jié)構(gòu)，稱為橫截型結(jié)構(gòu)或卷積型結(jié)構(gòu)，也可稱為直接型結(jié)構(gòu)。將轉(zhuǎn)置定理用于可得到的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)。 FIR 濾波器的橫截型結(jié)構(gòu) 級(jí)聯(lián)型 其中 [N/2]表示取 N/2 的整數(shù)部分。若 N 為偶數(shù)，則 N— 1 為奇數(shù)，故系數(shù) B2K 中有一個(gè)為零，這是因?yàn)椋@時(shí)有奇數(shù)個(gè)根，其中復(fù)數(shù)根成共軛對(duì)必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個(gè)實(shí)根。畫出 N 為奇數(shù)時(shí)， FIR 濾波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)二階因子用圖 411 的橫型結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)的每一節(jié)控制一對(duì)零點(diǎn)，因而再需要控制傳輸零點(diǎn)時(shí)，可以采用它。但是這種結(jié)構(gòu)所需要的系數(shù) B2k（ I = 0， 1， 2， k， = 1， 2，．．．， [N/2]）比卷積型的系數(shù) h (n)要多，因而所需的乘法次數(shù)也比卷積型的要多。 (3)IIR 濾波器去噪法 IIRnfinite Impulse Response)數(shù)字濾波器，又名 “ 無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器 ” ，或 “ 遞歸濾波器 ” 。遞歸濾波器，也就是 IIR數(shù)字濾波器，顧名思義，具有反饋，一般認(rèn)為具有無限的脈沖響應(yīng)。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 利用 MATALAB 工具箱 分析 工具 (FDATool)可以很方便地設(shè)計(jì)出符合應(yīng)用要求的未經(jīng)量化的 IIR 數(shù)字濾波器。需要將 MATLAB 設(shè)計(jì)出的 IIR 數(shù)字濾波器進(jìn)一步分解和量化，從而獲得可用 FPGA 實(shí)現(xiàn)的濾波器系數(shù)。 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟 由于采用了級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此如何將濾波器的每一個(gè)極點(diǎn)和零點(diǎn)相組合，從而使得數(shù)字濾波器輸出所含的噪聲最小是個(gè)十分關(guān)鍵的問題。為了產(chǎn)生最優(yōu)的量化后的 IIR 數(shù)字濾波器，采用如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。 首先計(jì)算整體傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)； 選取具有最大幅度的極點(diǎn)以及距離它最近的零點(diǎn)，使用它們組成一個(gè)二階基本節(jié)的傳遞函數(shù)； 對(duì)于剩下的極點(diǎn)和零點(diǎn)采用與相類似的步驟，直至形成所有的二階基本節(jié)。 通過上面三步法進(jìn)行的設(shè)計(jì)可以保證 IIR數(shù)字濾波器中 N位乘法器產(chǎn)生的量化舍入誤差最小。 獲得最優(yōu) IIR 數(shù)字濾波器系數(shù) ： 為了設(shè)計(jì)出可用 FPGA 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器，需要對(duì)上一步分解獲得的二階基本節(jié)的濾波器系數(shù)進(jìn)行量化，即用一個(gè)固定的字長加以表示。量化過程中由于存在不同程度的量化誤差，由此會(huì)導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使 IIR 濾波器的極點(diǎn)移到單位圓之外，系統(tǒng)因而失去穩(wěn)定性。為了獲得最優(yōu)的濾波器系數(shù)，采用以下步驟進(jìn)行量化。 A 計(jì)算 每個(gè)系數(shù)的 絕對(duì)值； B 查找出每個(gè)系數(shù)絕對(duì)值中的最大值； C 計(jì)算比此絕對(duì)值大的最小整數(shù)； D 對(duì) 的結(jié)果取反獲得負(fù)整數(shù)； E 計(jì)算需要表示此整數(shù)的最小位數(shù)； F 計(jì)算用于表示系數(shù)值分?jǐn)?shù)部分的余下位數(shù)。 除了系數(shù)存在量化誤差，數(shù)字濾波器運(yùn)算過程中有限字長效應(yīng)也會(huì)造成誤差，因此對(duì)濾波器中乘法器、加法器及寄存器的數(shù)據(jù)寬度要也進(jìn)行合理的成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 設(shè)計(jì)，以防止產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出振蕩。 與 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)不同， IIR 濾波器設(shè)計(jì)時(shí)的階數(shù)不是由設(shè)計(jì)者指定，而是根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的各個(gè)濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、 阻帶衰減等），由軟件設(shè)計(jì)出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在 MATLAB 下設(shè)計(jì)不同類型 IIR濾波器均有與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3章 濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本原理 濾波器是一種 對(duì)信號(hào) 有處理作用的器件或 電路 。 濾波器分為有源濾波和無源濾波 ，它的 主要作用是：讓 有用信號(hào) 盡可能無衰減的通過，對(duì)無用信號(hào)盡可能大的衰減。 濾波器是由 電感器 和 電容器 構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流 電流 分開。整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個(gè) 電 容 器和一個(gè) 電感 器構(gòu)成，稱為 L 型濾波。所有各型的濾波器，都是集合 L 型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個(gè)串聯(lián)臂及一個(gè)并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為 L 型及 π 型兩種。就 L 型單節(jié)濾波器而言，其電感抗 XL 與電容抗 XC，對(duì)任一頻率為一常數(shù)，其關(guān)系為 XLXC=K2 (31) 故 L 型濾波器又稱為 K 常數(shù)濾波器。倘若一濾波器的構(gòu)成部分，較 K 常數(shù)型具有較尖銳的 截止頻率 （即對(duì) 范圍 選擇性強(qiáng)），而同時(shí)對(duì)此截止頻率以外的其他頻率只有較小的衰減率者，稱為 m 常數(shù)濾波器。所謂截止 頻率，亦即與濾波器有尖銳 諧振 的頻率。通帶與帶阻濾波器都是 m 常數(shù)濾波器， m 為截止頻率與被衰減的其他頻率之衰減比的 函數(shù) 。每一 m 常數(shù)濾波器的 阻抗 與 K常數(shù)濾波器之間的關(guān)系，均由 m常數(shù)決定，此常數(shù)介于 0～ 1 之間。當(dāng) m 接近零值時(shí)，截止頻率的尖銳度增高 ， 但對(duì)于截止頻的 倍頻 之衰減率將隨著而減小。最合于實(shí)用的 m 值為 。至于那一頻率需被截