【正文】 . 24 創(chuàng)建 GUI 界面 .................................................................................................................................. 24 創(chuàng)建開關(guān)按鈕 ................................................................................................................................... 25 保存和修改 fig 文件 ......................................................................................................................... 26 編寫 M 文件 ...................................................................................................................................... 28 本章小結(jié) ............................................................................................................................................ 33 總結(jié) ............................................................... 34 致謝 ............................................................... 35 參考文獻(xiàn) ........................................................... 36 附錄 ............................................................... 38 附錄（ I） 設(shè)計(jì) FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器 ............................................................................................. 38 附錄（ II）比較濾波前后語音信號的波形及頻譜 ............................................................................. 46 1 1．緒論 數(shù)字信號處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對 信號進(jìn)行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的。它在語音、雷達(dá)、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)字濾波器 , 是數(shù)字信號處理中及其重要的一部分。隨著信息時(shí)代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，受到人們越來越多的重視。數(shù)字濾波器可以通過數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活不存在阻抗匹配問題，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù) 其實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即有限沖激響應(yīng) ( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無限沖激響應(yīng) ( IIR， Infinite Impulse Response)濾波器。 FIR濾波器 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 ， 系統(tǒng)函數(shù) H (z)在處收斂，極點(diǎn)全部在 z = 0處（因果系統(tǒng)） ，因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。 FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于 IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過 fir濾波器后他們的時(shí)間差不變， 這是很好的性質(zhì)。 FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對數(shù)字信號的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對實(shí)時(shí)的信號處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。 IIR濾波器 采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。 IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。 同時(shí)， IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和 橢圓濾波器 等， 有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查 ， 在設(shè)計(jì)一個 IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。 2 濾波器的設(shè)計(jì)可以通過軟件或設(shè)計(jì)專用的硬件兩種方式來實(shí)現(xiàn)。隨著MATLAB 軟件及信號處理工具箱的不斷完善， MATLAB 很快成為應(yīng)用學(xué)科等領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)軟件。它可以快速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、分析和仿真，極大地減輕了工作量 ,有利于濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化 [1]。 研究的目的和意義 語音信號的采集與分析技術(shù)是一門涉及面很廣的交叉科學(xué)，它的應(yīng)用和發(fā)展與語音學(xué)、聲音測量學(xué)、電子測量技術(shù)以及數(shù)字信號處理等學(xué)科緊密聯(lián)系，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。 在信號傳輸過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件或各種其他主觀或客觀條件的原因，語音處理系統(tǒng)都不可避免地要受到各種噪聲的干擾。噪聲不但降低了語音質(zhì)量和語音的可懂度，而且還將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的急劇惡化，嚴(yán)重時(shí)使整個系統(tǒng)無法正常工作。 MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大 功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以極大程度上削弱噪聲影響，還原出真實(shí)的語音信號（相符度在 90%以上） [2]。 國內(nèi)同行研究現(xiàn)狀 MATLAB 是 Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，是 MathWorks 推出的一套高性能可視化軟件，它集數(shù)值分析，矩陣運(yùn)算，函數(shù) 生成，信號處理，圖像處理，建模與仿真等諸多功能于一體，為使用者提供一個高效的編程工具。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們就用它作為編程工具和輔助工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。 噪聲污染位于聯(lián)合國四大公認(rèn)污染之一，無論是尖銳的火車汽笛聲，還是我們?nèi)舛牪坏降某暡?，次聲波都有可能給人們生活帶來極大不便。在機(jī)械方面， 3 機(jī)械件碰撞帶來的噪聲會縮短器件壽命，在電子方面，電器件在噪聲的影響下可能會失靈。 華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)工程研究中心（武漢）劉智老師曾經(jīng)就機(jī)械噪聲給人們身心帶來的傷害進(jìn)行過一次計(jì)算機(jī)仿真，同時(shí)用 MATLAB 進(jìn)行了信號處理。此次 研究，他通過比較加噪前后，語音的頻譜和語音回放，能明顯的感覺到加入噪聲后回放的聲音與原始的語音信號有很大的不同 ,前者隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語音信號的頻譜圖中可以看出含噪聲的語音信號頻譜 ,在整個頻域范圍內(nèi)分是布均勻。其實(shí)，這正是干擾所造成的。通過濾波前后的對比，得出低通濾波后效果最好，高通濾波后的效果最差的結(jié)果 [3]。 大連理工大學(xué) 2021 級碩士蔣瑞艷也曾經(jīng)做過一個振動，噪聲處理系統(tǒng)， 它是 WINDOWS 界面下的振動、噪聲信號處理系統(tǒng)，它在專用模擬輸入硬件（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）支持下，可以完成振動、噪聲信號的數(shù) 據(jù)采集以及功率譜、倒譜、譜陣和傳遞函數(shù)分析等功能。能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成各種對應(yīng)的圖形，并具備 ZOOM 功能。它可以廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)現(xiàn)場和教學(xué)中做振動、噪聲的測試和分析，可以代替專用信號處理機(jī)的工作。 本系統(tǒng)軟件采用先進(jìn)的 C++ Builder 語言編制，在 WINDOWS 系統(tǒng)下運(yùn)行。軟件界面的設(shè)計(jì)以滿足大多數(shù)用戶為主，力求直觀通俗，通過菜單驅(qū)動完成各個功能 [4]。 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院就 “基于 MATLAB 的噪聲信號采集與分析系統(tǒng)研究 ”做過研究報(bào)告，他們利用 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱 (DAQ)和信號 處理工具箱開發(fā)了一套聲音信號采集分析系統(tǒng) ,該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高精度的實(shí)時(shí)采集 ,還能將聲音信號資料導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。利用另外一個工具 Compiler 使編制的 MATLAB 程序能夠獨(dú)立運(yùn)行從而提高了運(yùn)行速度 。配備了友好的圖形用戶界面 (GUI),方便用戶操作。最后給出了系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)噪聲診斷方面的應(yīng)用實(shí)例 [5]。 在機(jī)械方面，西北工業(yè)大學(xué)航海工程學(xué)院就 “基于 MATLAB 的艦船輻射噪聲信號小波消噪處理 ” 做過研究報(bào)告 ,他們針對艦船輻射噪聲信號的特點(diǎn)提出了小波消噪的方法 ,對小波消噪理論作了簡要的闡述 ,并 設(shè)計(jì)了一種消噪方案 ,最后利 4 用 MATLAB,在計(jì)算機(jī)上選用不同的小波基和閾值進(jìn)行了實(shí)船信號的消噪處理試驗(yàn) ,并對結(jié)果進(jìn)行了簡單的分析比較。試驗(yàn)結(jié)果表明 ,在選擇了合適的小波基和閾值的情況下 ,利用小波變換的方法對艦船輻射噪聲進(jìn)行消噪處理可以取得良好的效果 [6]。 由此可見， MATLAB 給噪聲處理帶來了極大 “福音 ”。 本課題的研究內(nèi)容 課題基于 MATLAB 有噪音語音信號處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號處理的理論知識對加噪聲語音信號進(jìn)行時(shí)域、頻域分析和濾波。通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程中，使用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì) FIR 數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器，并利用 MATLAB 作為輔助工具完成設(shè)計(jì)中的計(jì)算與圖形的繪制。通過對對所設(shè)計(jì)濾波器的仿真和頻率特性分析，可知利用 MATLAB信號處理工具箱可以有效快捷地設(shè)計(jì) FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器。 5 Matlab 簡單介紹 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks公 司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。 MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語 言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++ ， JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 6 語音信號的采樣理論依據(jù) 采樣頻率 采樣頻率是指計(jì)算機(jī)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(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)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)。 采樣位數(shù) 采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘