【正文】 對語音信號的研究，本 論文 采用了 設計兩種濾波器的基本研究方法來達到研究語音信號 去噪 的目的 ，最終結(jié)合圖像以及對語音信號的回放，通過對比，得出結(jié)論。 本課題的研究基本步驟如下： 1. 語音信號的錄制。 2. 在 MATLAB 平臺上讀入語音信號。 3. 繪制頻譜圖并回放原始語音信號。 4. 利用 MATLAB 編程加入一段 正弦波噪音 ，設計濾波器 去噪。 5. 利用 MATLAB編程加入一段 隨機噪音信號，設計 FIR和 IIR濾波器去噪，并分別繪制頻譜圖、回放語音信號。 6 通過仿真后的圖像以及對語音信號的回放，對比兩種去噪方式的優(yōu)缺點。 其大概流程框圖可如下表示： （圖 11） 成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 3 圖 11 論文設計的流程 語音信號采集 效果顯示、對比 語音信號錄入 語音信號變換 信號加噪 語音信號濾波 成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 4 第 2 章 語音信號去噪方法 的研究 去噪的原理 采樣定理 在進行模擬 /數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當采樣頻率 大于信號中，最高頻率 fmax 的 2 倍時，即： =2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的 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是電平強度 )為什么把采樣頻率設為 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最高頻率的 2倍 頻帶為 F 的連續(xù)信號 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 ,只要這些采樣點的時間間隔 Δ t≤1/2 F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復原來的信號 f(t)。 這是時域采樣定理的一種表述方式。 時域采樣定理的另一種表述方式是：當時間信號函數(shù) f(t)的最高頻率分量為fM 時 ,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 ,即采樣點的重復頻率 f≥2 fM。圖為模擬信號和采樣樣本的示意圖。 時域采樣定理是采樣誤差理論、隨機變量采樣理論和多變量采樣理論的基礎 。 對于時間上受限制的連續(xù)信號 f(t)（即當 │ t│ T 時 ,f(t)=0,這里T=T2T1 是信號的持續(xù)時間），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 ,只要這些采樣點的頻率間隔 成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（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)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(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間，它是采樣之間的時間間隔。通俗的講采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少個聲音樣本，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)量標準。 采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對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是 fs。 通俗的講采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少 個聲音樣本，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)量標準。采樣頻率越高，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對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系， 根據(jù)采樣定理 ，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號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)量標準。 采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標，也是選擇音頻接口的兩個重要標準。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。每增加一個采樣位數(shù)相當于力度范圍增加了 6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機， 意味著音頻流進入計算機時計算機每秒會對其拍照達 441000 次。顯然采樣率越高，計算機攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確 去噪的方法 數(shù)字信號處理技術經(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 2020 屆本科畢業(yè)設計（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的方法很多，在單信道條件下，譜相減算法以其運算量小、原理簡單、易于實現(xiàn)并且有不錯的增強效果而得到了廣泛的應用。譜相減語音增強算法的核心是噪聲檢測和譜減規(guī)則。在分析了語音增強算法理論的基礎上，本文首先研究了語音激活檢測算法。對基于短時能量和短時過零率雙門限法語音激活檢測的噪聲估計算法做了研究及 仿真，同時還研究了一種基于最小子帶能量的噪聲估計方法。然后，通過分析經(jīng)典譜減法的原理及其一般改進形式，研究了一種基于噪聲殘差的譜相減改進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算法。最后通過大量的仿真實驗，驗證了所研究的幾種改進算法都能有效地提高增強效果。 由于譜相減算法去噪比較復雜，我們在這里就不多做討論，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： 在進入 FIR 濾波器前，首先要將信號通過 A/D 器件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使之成為 8bit 的數(shù) 字信號，一般可用速度較高的逐次逼進式 A/D 轉(zhuǎn)換器，不論采用乘累加方法還是分布式算法設計 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)字信號處理任務，相對于串行運算為主導的通用 DSP 芯片來說，其并行性和可擴展性更好，利用 FPGA乘累加的快速算法，可以設計出高速的 FIR 數(shù)字濾波器。 FIR 的特點 ： 有限長單位沖激響應（ FIR）濾波器有以下特點： A 位沖激響 應 h (n)在有限個 n 值處不為零 B 系統(tǒng)函數(shù) 0 處收斂，極點全部在 z = 0 處 成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（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 FIR 濾波器的單位沖激響應 h (n)為一個 N 點序列， 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）階極點在 z = 0 處，有（ N— 1）個零點位于有限 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 中有一個為零，這是因為，這時有奇數(shù)個根，其中復數(shù)根成共軛對必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個實根。畫出 N 為奇數(shù)時， FIR 濾波器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每一個二階因子用圖 411 的橫型結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)的每一節(jié)控制一對零點，因而再需要控制傳輸零點時，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，一般認為具有無限的脈沖響應。 成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 8 IIR 數(shù)字濾波器的設計 利用 MATALAB 工具箱 分析 工具 (FDATool)可以很方便地設計出符合應用要求的未經(jīng)量化的 IIR 數(shù)字濾波器。需要將 MATLAB 設計出的 IIR 數(shù)字濾波器進一步分解和量化，從而獲得可用 FPGA 實現(xiàn)的濾波器系數(shù)。 IIR 數(shù)字濾波器的設計步驟 由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此如何將濾波器的每一個極點和零點相組合，從而使得數(shù)字濾波器輸出所含的噪聲最小是個十分關鍵的問題。為了產(chǎn)生最優(yōu)的量化后的 IIR 數(shù)字濾波器，采用如下步驟進行設計。 首先計算整體傳遞函數(shù)的零極點； 選取具有最大幅度的極點以及距離它最近的零點，使用它們組成一個二階基本節(jié)的傳遞函數(shù)； 對于剩下的極點和零點采用與相類似的步驟，直至形成所有的二階基本節(jié)。 通過上面三步法進行的設計可以保證 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) ： 為了設計出可用 FPGA 實現(xiàn)的數(shù)字濾波器，需要對上一步分解獲得的二階基本節(jié)的濾波器系數(shù)進行量化，即用一個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，由此會導致濾波器的頻率響應出現(xiàn)偏差，嚴重時會使 IIR 濾波器的極點移到單位圓之外，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)，采用以下步驟進行量化。 A 計算 每個系數(shù)的 絕對值； B 查找出每個系數(shù)絕對值中的最大值； C 計算比此絕對值大的最小整數(shù)； D 對 的結(jié)果取反獲得負整數(shù)； E 計算需要表示此整數(shù)的最小位數(shù)； F 計算用于表示系數(shù)值分數(shù)部分的余下位數(shù)。 除了系數(shù)存在量化誤差，數(shù)字濾波器運算過程中有限字長效應也會造成誤差，因此對濾波器中乘法器、加法器及寄存器的數(shù)據(jù)寬度要也進行合理的成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 9 設計，以防止產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出振蕩。 與 FIR 數(shù)字濾波器的設計不同， IIR 濾波器設計時的階數(shù)不是由設計者指定，而是根據(jù)設計者輸入的各個濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、 阻帶衰減等），由軟件設計出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在 MATLAB 下設計不同類型 IIR濾波器均有與之對應的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。 成都理工大學 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 10 第 3章 濾波器的設計及實現(xiàn) 數(shù)字濾波器設計的基本原理 濾波器是一種 對信號 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 盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。 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 電 容 器和一個 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)式濾波器由一個串聯(lián)臂及一個并聯(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，對任一頻率為一常數(shù)，其關系為 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 范圍 選擇性強），而同時對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)濾波器之間的關系，均由 m常數(shù)決定，此常數(shù)介于 0～ 1 之間。當 m 接近零值時，截止頻率的尖銳度增高 ， 但對于截止頻的 倍頻 之衰減率將隨著而減小。最合于實用的 m 值為 。至于那一頻率需被截