【正文】 摘要 語音信號在數(shù)字信號處理中占有極其重要的地位 ，因此選擇通過對語音信號的研究來鞏固和掌握數(shù)字信號處理的基本能力十分具有代表性。通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)的結(jié)論，再通過利用 MATLAB 作為編程工具來進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比價(jià)已驗(yàn)證推導(dǎo)出來的結(jié)論。隨著社會文化的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類開始進(jìn)入了信息化時(shí)代，用現(xiàn)代手段研究語音處理技術(shù)，使人們能更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲、和獲取語音信息，這對于促進(jìn)社會的發(fā)展具有十分重要的意義，因此，語音信號處理正越來越受到 人們的關(guān)注和廣泛的研究。離散時(shí)間信號 ——序列 ——可以用圖形來表示 。所以研究 語音 信號無論是在科學(xué)領(lǐng)域上還是日常生活中都有其廣泛而重要的意義。 研究 的內(nèi)容 本論文主要介紹的是的語音信號的簡單處理。 本課題的研究基本步驟如下： 1. 語音信號的錄制。 5. 利用 MATLAB編程加入一段 隨機(jī)噪音信號，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。Δ t)，f(t1177。圖為模擬信號和采樣樣本的示意圖。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)。 采樣位數(shù)和采樣率對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)。對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)每秒會對其拍照達(dá) 441000 次。 （ 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。對基于短時(shí)能量和短時(shí)過零率雙門限法語音激活檢測的噪聲估計(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。下面著重講解本論文采用的兩種方法。 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。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)?，這時(shí)有奇數(shù)個(gè)根，其中復(fù)數(shù)根成共軛對必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個(gè)實(shí)根。 (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 ” 。 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)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(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。 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。 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(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。 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。所有各型的濾波器，都是集合 L 型單節(jié)濾波器而成。XC=K2 (31) 故 L 型濾波器又稱為 K 常數(shù)濾波器。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。 m 常數(shù)濾波器對截止頻率的衰減度，決定于共振臂的有效 Q 值之大小。該響應(yīng)非常平坦，非常接近 DC 信號，然后慢慢衰減至截止 頻率 點(diǎn)為 3dB，最終逼近 20ndB/decade 的 衰減率 ，其中 n 為濾波器的 階數(shù) 。就像巴特沃斯響應(yīng)利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣，貝塞爾響應(yīng)最小化了通帶的相位非線性。下面就分別論述一下 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理和基本步驟。這也就說明， IIR 濾波器具有相位不線性，不容易設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)比較簡單，就是要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器去逼近一個(gè)理想的低通濾波器。故我們需要對此采樣函數(shù)進(jìn)行截?cái)嗵幚?。但是加窗后對此采樣序列的頻域也產(chǎn)生了影響：此時(shí)的頻域便不在是一個(gè)理想的矩形窗，而是成了一個(gè)有過渡帶，阻帶有波動(dòng)的低通濾波器。 面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) FIR濾波器的步驟。 （ 2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。 MATLAB 信號處理工具箱函數(shù) cheblap,cheblord和 cheeby1 是切比雪夫 I 型濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)。具體設(shè)計(jì)步驟如下： （ 1）確定所需類型數(shù)字濾波器的 技術(shù)指標(biāo)。 （ 6）采用雙線性變換法將相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。 （ 2）將數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。我們用到的是 cheeby1 函數(shù)，其調(diào) 用格式如下： [B,A]=cheby1(N,Rp,wpo,’ ftypr’ ) [B,A]=cheby1(N,Rp,wpo,’ ftypr’ ,’ s’ ) 函數(shù) butter,cheby1 和 ellip 設(shè)計(jì) IIR 濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可。 利用 MATLAB 中的 wavread 命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。 [N1 N2]表示讀取從 N1 點(diǎn)到 N2 點(diǎn)的值（若只有一個(gè) N的點(diǎn)則表示讀取前 N點(diǎn)的采樣值）。我們還可以通過 sound 命令來對語音信號進(jìn)行回放，以便在聽覺上來感受聲音的變化。這個(gè)方案用到的軟件也是在數(shù)字信號處理中非常通用的一個(gè)軟件 ——MATLAB 軟件。 用于對聲音的回放。 函數(shù) FFT 用于序列快速傅立葉變換。 如果 x 長度是 2 的冪次方，函數(shù) fft 執(zhí)行高速基－ 2FFT 算法；否則 fft 執(zhí)行一 種混合基的離散傅立葉變換算法，計(jì)算速度較慢。若向量 x 的長度大于 N，則函數(shù)截短 x使之長度為 N。 函數(shù) abs(x)用于計(jì)算復(fù)向量 x 的幅值，函數(shù) angle(x)用于計(jì)算復(fù) 向量的相角，介于 和 之間，以弧度表示。 （ 2） 頻率計(jì)算 若 N點(diǎn)序列 x(n)(n=0,1,…,N 1)是在采樣頻率 下獲得的 ?！?。 angX=angle(X)。原始信號波形 39。 title(39。原始信號幅值 39。title(39。 程序見附錄 5 分析此段程序可知，此程序是先對原始語音信號做時(shí)域波形分析和頻譜分析，然后再對加噪的語音信號做時(shí)域波形分析和頻譜分析。 sound(y,fs) 由于在 MATLAB中，如要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號的相加減 ，那么兩個(gè)信號的長度和維成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 度都要一樣才能相加減。計(jì)算出對應(yīng)點(diǎn)的頻率，然后繪制出原始語音信號的時(shí)域波形和頻譜圖。 用法： Y = randn(n) 返回一個(gè) n*n 的隨機(jī)項(xiàng)的矩陣。 Y = randn(size(A)) 返回一個(gè)和 A 有同樣維數(shù)大小的隨機(jī)數(shù)組。 再通過對原始語音信號的回放效果與加噪后的語音信號回放的效果的對比，人耳可以明顯辨別出兩種語音信號不一樣了，加噪后的語音信號在聽覺上比原始語音信號要渾濁很多，而且還有吱吱嘎嘎的混雜音。函數(shù) fftfilt 用的是重疊相加法實(shí)現(xiàn)線性卷積的計(jì)算。加噪后的語音信號的時(shí)域波形比原始語音信號要模糊得多，頻譜圖則是在頻率 5000Hz 以后出現(xiàn)了明顯的變化。濾波后，語音信號較加噪后的信號有了明顯的改善，基本可以聽清楚了，而且雜音也沒有那么強(qiáng)烈，但是聲音依然沒有原始語音信號那么清晰脆耳。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時(shí)會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。 （ 3） IIR 幅頻特性精度很高，不是 線性相位 的，可以應(yīng)用于對相位信息不敏感的音頻信號上； （ 4）與 FIR 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)。 （ 7） IIR 濾波器有噪聲反饋，而且噪聲較大， FIR 濾波器噪聲較小。也就是說，課題更多的還是體現(xiàn)了數(shù)字信號處理技術(shù)。通過 MATLAB 里幾個(gè)命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實(shí)際語音與數(shù)字信號的理論之間搭了一座橋。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。由此可見，語音信號主要分布在 低頻段 ，而噪聲主要分布在高頻段。感謝我的 輔導(dǎo)員段 老師，謝謝他在這四年中為我們?nèi)嗨龅囊磺?，他不求回報(bào)，無私奉獻(xiàn)的精神很讓我感動(dòng)，再次向 她 表示由衷的感謝。 Fp=1000。 rp=1。 fpts=[wp ws]。%kaiserord 求階數(shù)截止頻率 b21=fir1(n21,wn21,Kaiser(n21+1,beta))。FIR 低通濾波器 39。 Fs=3500。 rs=50。 mag=[0 1]。high39。 title(39。 附錄 3 Ft=8000。 ws=2*pi*Fs/Ft。s39。)。 title(39。用 butter 設(shè)計(jì) 39。 Fp=4000。 wp=1。)。 %求 S 域的頻率響應(yīng)的參數(shù) [num,den]=lp2hp(b13,a13,wn13)。 title(39。)。 sound(y,fs) n=length(y) y_p=fft(y,n)。 title(39。時(shí)間軸 39。 plot(f,abs(y_p(1:n/2)))。 xlabel(39。頻率幅值 39。 sound(y_z,fs) L=length(y_z)。 plot(y_z)。 xlabel(39。) subplot(2,1,2)。)。 ylabel(39。39。 figure(1) subplot(2,1,1)。)。幅值 A39。原始語音信號采樣后的頻譜圖 39。)。 L=length(y) noise=*randn(L,2)。 f=fs*(0:n/21)/n。加噪語音信號時(shí)域波形 39。) ylabel(39。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 title(39。頻率 Hz39。)。 sound(y,fs) n=length(y) y_p=fft(y,n)。 title(39。時(shí)間軸 39。 plot(f,abs(y_p(1:n/2)))。 xlabel(39。頻率幅值 39。 sound(y_z,fs) n=length(y)。 plot(y_z)。 xlabel(39。) subplot(2,1,2)。)。 ylabel(39。 Fp=1000。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 rp=1。 fpts=[wp ws]。 b21=fir1(n21,wn21,Kaiser(n21+1,beta))。FIR低通濾波器 39。 figure(4)。濾波前信號的頻譜 39。 title(39。plot(y_z)。plot(x)。 Fp=1000。 fp=2*Ft*tan(wp/2)。)。 %求 S 域的頻率響應(yīng)的參數(shù) [num11,den11]=bilinear(b11,a11,)。用 butter 設(shè)計(jì) 39。39。 %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲 s=y+noise。 m11=fft(z11)。)。 grid。)。 grid。濾波前信號的波形 39。 plot(z11)。 。濾波后的信號波形 39。 grid。 plot(s)。濾波后信號的頻譜 39。 plot(abs(m11),39。濾波前信號的頻譜 39。 plot(abs(S),39。 %傅里葉變換 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 z11=filter(num11,den11,s)。 n = length (y) 。 grid。 %根據(jù)參數(shù)求出頻率響應(yīng) plot(w*8000*,abs(h))。s39。 [n11,wn11]=buttord(wp,ws,1,50,39。 wp=2*pi*Fp/Ft。濾波后信號的時(shí)域波形 39。濾波前信號的時(shí)域波形 39。)。 subplot(2,2,2)。plot(f,abs(y_zp(1:n/2)))。