【正文】 器 結(jié)構(gòu)上主要是 非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)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。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器在語(yǔ)音處理、通信、圖像處理、電視、雷達(dá)、聲納、 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。由于數(shù)字濾波信號(hào)形式 與進(jìn)行 濾波 的 方法與模擬濾波 的 方法 完全 不同， 同時(shí) 數(shù)字濾波器具 備有 比模擬濾波器穩(wěn)定、精度高、重量輕、體積小、不要求阻抗匹配 、 靈活以及可以避免模擬濾波器所無(wú)法克服的電壓漂移和噪聲問(wèn)題。它在語(yǔ)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。t exist, can realize the impedance matching simulating the special filter cannot achieve filter function. Digital filter according to its impulse response function and characteristics of the time can be divided into two kinds, namely the infinite impulse response (IIR) digital filter and finite impulse response (FIR digital filters). The order of realizing IIR filter is used, low and high efficiency less storage unit, high precision, and can keep some simulation characteristics of filter, so it is widely used. The main research content of this paper is based on Matlab software simulation to design digital filter, in which to cancel the noise of the speech signal, then it will eliminate the noise and the speech signals from time domain and frequency domain characteristics in this analysis before and after, and analysis the differences test the filtering characteristics. At the same time the article also introduces the design method of digital filter and IIR filter and FIR filter is analyzed and pared further expounds the advantages and disadvantages of the digital filter. Through the design of this graduation design, we will understand the principle of speech signal analysis and filtering, and lay the foundation for the filter design. Keywords: Matlab。 本論文 研究的主要內(nèi)容就是基于 Matlab 軟件仿真設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器 ， 將摻雜在語(yǔ)音信號(hào)中的噪音消除，在此將分析消除噪音前后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域及頻域特性，對(duì)比分析即可驗(yàn)證濾波前后特性差別。 保密類別 ______ 編 號(hào) ________ 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于 MATLAB 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) —— 語(yǔ)音信號(hào)去噪 院 (系 )別 傳媒技術(shù)系 專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 09通信 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 華鳴 中國(guó)傳媒大學(xué)南廣學(xué)院 20xx年 4 月 9 日 I 摘 要 在 現(xiàn)代各種通信系統(tǒng)中，由于自然界 中的各種各樣的復(fù)雜噪聲不免會(huì)摻雜在其中，數(shù)字信號(hào)處理 這門經(jīng)典學(xué)科恰好能夠解決這個(gè)問(wèn)題 ， 其中最通用的方法就是利用 濾波器 來(lái)濾除這些雜波噪聲 , 而數(shù)字濾波器是通過(guò)數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波，具有處理 精度高、穩(wěn)定、靈活、不存在阻抗匹配問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特 殊濾波功能。 同時(shí)本文還介紹了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法并將IIR 濾波器與 FIR 濾波器進(jìn)行了分析比較更進(jìn)一步的闡述了各數(shù)字濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)。 Butterworth。具有精確、靈活、設(shè)備尺寸小、抗干擾強(qiáng)、速度快 、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。 語(yǔ)音是人類獲取知識(shí)和各種各樣信息的重要手段和最初來(lái)源，人類離不開自然界中各種不同的語(yǔ)音，但在獲取語(yǔ)音的過(guò)程中，將不 可避免的會(huì)受到外界環(huán)境的干擾和影響，如各種機(jī)器的轟鳴聲或者自然界太多的電磁噪聲干擾等這些不可避免的有害噪聲信號(hào)都會(huì)附加摻雜在語(yǔ)音信號(hào)中， 獲取的語(yǔ)音信號(hào)將不再是單純的語(yǔ)音，摻雜的噪聲不但降低了語(yǔ)音質(zhì)量和語(yǔ)音的可懂度，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致不可預(yù)知的不良效果。 隨著信息時(shí)代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。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(hào)經(jīng)過(guò) fir 濾波器后他們的時(shí)間差不變，這是很好的性質(zhì)。 IIR數(shù)字 濾波器的 運(yùn)算結(jié)構(gòu) 一般 由乘以系數(shù) 、 相加、和延時(shí)等基本 的 運(yùn)算組成， 這些 可以組合成正準(zhǔn)型、直接型、并聯(lián)型 、 級(jí)聯(lián)型 形式的 四種結(jié)構(gòu)，都 含有 反饋回路。隨著 MATLAB 軟件及信號(hào)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。它將矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)、可視化、非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真以及數(shù)值分析等一系列強(qiáng)大功能集成在一個(gè)簡(jiǎn)單方便使用的可視窗口中，為工程設(shè)計(jì)、科學(xué)研究以及那些必須從事有效數(shù)值計(jì)算的一系列科學(xué)領(lǐng)域提供了全方面的解決辦法，并在極大程度上舍棄了 C、 Fortran 等傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式，從而體現(xiàn)了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB 的主要特點(diǎn) 如下： (1) 程序的可移植性 良好應(yīng)用于其他程序。 (4) 源程序 向大眾開放 。 （二）語(yǔ)音信號(hào)處理程序流程圖 本 課題 設(shè)計(jì)主要是 錄取 一段 原始 語(yǔ)音信號(hào) ， 根據(jù)不同的濾波器選擇不同的噪聲信號(hào)加到語(yǔ)音信號(hào)中，得到被污染的語(yǔ)音信號(hào) 加 。 圖 1 程序流程圖 （三）語(yǔ)音信號(hào)的采樣理論依據(jù) 1． 采樣頻率 采樣頻率是計(jì)算機(jī)每秒鐘采集 的 聲音樣本 數(shù) ，是描述聲音文件的音調(diào) 和 音質(zhì)， 是用宏樂(lè)錄音棚錄制一段格式為 .wav 的語(yǔ)音 用 wavread 讀取語(yǔ)音信號(hào)，并進(jìn)行采樣，建立數(shù)據(jù)文件，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，繪出時(shí)域和頻域圖 在語(yǔ)音信號(hào)中加入噪聲，對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析繪出時(shí)域和頻域圖 設(shè)計(jì)巴特沃思濾波器（低通、帶通、高通），并對(duì)加噪語(yǔ)音信 號(hào)進(jìn)行濾波處理，分析濾波前后信號(hào)時(shí)域和頻域特征 開始 結(jié)束 中國(guó)傳媒大學(xué)南廣學(xué)院本科畢業(yè)論文 4 用來(lái) 衡量聲卡 和 聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 2． 采樣位數(shù) 采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來(lái)衡量聲音波動(dòng)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(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。 （五）設(shè)計(jì) IIR數(shù)字濾波器 的基本思想 設(shè)計(jì) IIR數(shù)字濾波器的方法主要有基于沖激響應(yīng)不變法的 IIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，基于雙線性 Z變換法的 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，數(shù)字高通、帶通及帶阻 IIR 濾波器設(shè)計(jì)，基于 MATLAB 函數(shù)直接設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器。 (3)設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃思低通濾波器，通帶范圍包括語(yǔ)音信號(hào)，阻帶頻率設(shè)定為小于噪聲信號(hào)頻率。 (3)設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃思高通濾波器，通帶范圍包括語(yǔ)音信號(hào)，阻帶頻率設(shè)定為大于噪聲信號(hào)頻率。 (2)給信號(hào)加一個(gè)小頻率或大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)小于語(yǔ)音信號(hào)的 最小頻率或大于語(yǔ)音信號(hào)的最大頻率），產(chǎn)生污染信號(hào)。還原語(yǔ)音信號(hào)。然后利用 MATLAB 軟件中的 wavread 函數(shù)對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣。 y=wavread(file,[N1,N2])，讀取從 N1 點(diǎn)到 N2 點(diǎn)的采樣值 放在向量 y 中。 [x,Fs,bits]=wavread(39。 figure(1)。 %回放語(yǔ)音 title(39。 subplot(2,1,2)。)。其 主要 程序如下： fs=8000。 t=(0:length(x1)1)/8000。 %噪聲為 3kHz的余弦信號(hào) x2=x1+d。time(s)39。)。Hz39。)。Hz39。)。 （ 2） 設(shè)計(jì)巴特沃思低通濾波器， MATLAB 程序如下。Fs=8000。 ws=2*pi*fs/Fs。 [N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,39。s39。 [h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*8000)。)。ylabel(39。 圖 6 巴特沃思低通濾波器圖 2．巴特沃思高通濾波器 從 附錄中圖形 對(duì)比可以看出，加噪后的語(yǔ)音信號(hào)表現(xiàn)在頻譜圖上在 50Hz 的位置多出一個(gè)高頻脈沖成分。fs=100。 wp=2*pi*fp/Fs。 wap=2*tan(wp/2)。)。s39。 [h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*8000)。)。ylabel(39。 圖 7 巴特沃斯高通濾波器 3．巴特沃思帶通濾波器 從 附錄中圖形 對(duì)比可以看出，加噪后的語(yǔ)音信號(hào)表現(xiàn)在頻譜圖上在 50Hz 的位置多出一個(gè)高頻脈沖成分。fs=[100,3000]。 wp=2*pi*fp/Fs。 wap=2*tan(wp/2)。)。 中國(guó)傳媒大學(xué)南廣學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 [Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1)。 title(39。頻率（ HZ） 39。)。 三、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) （一） 數(shù)字濾波器 基本 概念 數(shù)字濾波器 就 是 指 通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分的 一種數(shù)字濾波形式， 輸入 、 輸出 都 為數(shù)字信號(hào)。 不同的運(yùn)算處理方法決定了濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不同 。 圖 9 IIR 濾波器的直接型結(jié)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：延遲線減少一半， 變?yōu)?N 個(gè)，可節(jié)省寄存器或存 儲(chǔ)單元； 缺點(diǎn)： 改變某個(gè) ak 將影響所有極點(diǎn)，易出現(xiàn)不穩(wěn)定或極大誤差 改變某個(gè) bk 影響所有零點(diǎn) 運(yùn)算的累積誤差較大 (2)IIR 濾波器的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖 10所示。 圖 11 IIR 濾波器的并聯(lián)型結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：將 H(z)分解為一階及二階系統(tǒng)的并聯(lián) (部分分式展開 )，每級(jí)子系統(tǒng)都用典范型實(shí)現(xiàn)。 圖 13 FIR 濾波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的每一節(jié)對(duì)應(yīng)控制一對(duì)零點(diǎn)，所以當(dāng)在需要控制傳輸零點(diǎn)時(shí)可以采用這種結(jié)構(gòu)。 （三）濾波器的性能指標(biāo) 我們?cè)谶M(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定其性能指標(biāo)。 與模擬濾波器類似，數(shù)字濾波器按頻率 特性劃分為低通、高通、帶通、帶阻、全通等類型，由于數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)是周期性的，周期為 2π 。 從 的幅度函數(shù) H(ω )的起伏 狀況可以看出 加窗 函數(shù) 后，理想矩形的頻率響應(yīng) 受到了 影響 。 頻率抽樣法則是從頻域出發(fā)，把給定的理想頻率響應(yīng) 加以等間隔抽樣得到 ，然后以此 作為實(shí)際 FIR 濾波器的頻率特性的抽樣值 H(k)，即 2( ) ( ) |jwddH k H e kN???? (310) 知道 H(k)后，由 DFT 定義可唯一確