【正文】 ...................................................................................................................... 30 致謝 .............................................................................................................................. 31 1 第一章 緒論 語音信號(hào)濾波處理的簡(jiǎn)介 語音信號(hào)的基本組成單位是 “ 音素 ” 。 因?yàn)?元音都是濁音 ，所以 元音在音節(jié)中占 據(jù)著 主要的部分。數(shù)字信號(hào)處理的研究?jī)?nèi)容主要是語音信號(hào)和圖像信號(hào)，而研究語音信號(hào)對(duì)于現(xiàn)代語音通信有著積極的意義。其實(shí)語音信號(hào)的實(shí)質(zhì)就是時(shí)域信號(hào)，所以使用時(shí)域分析是最早也是最廣泛的一種分析方法。第三，獲得語音信號(hào)的重要參數(shù)。本文介紹的是語音信號(hào)的傅里葉分析法。數(shù)字信號(hào)處理主要是對(duì)語音信號(hào)和圖像信號(hào)的研究，其中，語音信號(hào)的研究可以分為從時(shí)域和頻 域這兩個(gè)方面來進(jìn)行。 數(shù)字濾波是數(shù) 字信號(hào)處理理論的一部分。但可惜的是直到 60年代中期，人們才是開始慢慢形成關(guān)于數(shù)字濾波器的一套完整的理論，在這一時(shí)期，通過不同形式的數(shù)字濾波結(jié)構(gòu)（有的以最小運(yùn)算誤差為特點(diǎn)，有的以最 快運(yùn)算速度為特點(diǎn)，而有的則囊括以上兩者）。 早期的數(shù)字濾波器盡管在聲納、語音、地震 和 醫(yī)學(xué) 和 的信號(hào)處理中曾經(jīng) 起過非常大的 作用， 但是出于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)主機(jī)的價(jià)格比較昂貴，在一定程度上阻礙了個(gè)別專門用途 數(shù)字濾波器的發(fā)展 。 在 MATLAB 環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、輸入輸出、圖形繪制、文件管理等各項(xiàng)操作 。 MATLAB 語言 是一種對(duì)數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的據(jù)算計(jì)應(yīng)用軟件，它 可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、時(shí)域和頻域分析、傅立葉變換、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，信號(hào)處理是 MATLAB 的最 重 要的應(yīng)用 領(lǐng)域之一。由于 MATLAB 是用 C 語言編寫的，所以 MATLAB 提供了和 C 語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用 MATLAB 的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。 的圖形功能強(qiáng)大。 MATLAB 包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。 4 第二章 介紹了 語 音信號(hào)的采集和頻譜分析的方法和原理。 5 第二章 語音信號(hào)的頻譜分析 快速傅里葉算法 的原理 DFT 是信號(hào)分析與處理中的一種重要變換。 DFT的運(yùn)算效率 在這種算法的基礎(chǔ)上可以 提高 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)， 這 為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于各種信號(hào)的實(shí)時(shí)處理創(chuàng)造了良好的條件， 極大的 推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展 。每一級(jí)的 N/2 個(gè)蝶形單元可以分成若干組，每一組具有相同 的結(jié)構(gòu)，相同的 因子分布，第 m級(jí)的組數(shù)為： N/2M+1 N=16=24， 分 4 級(jí)。 下面就介紹 DIFFFT 算法。而 X(k)卻有 N 個(gè)點(diǎn)，即 0,1, , 1kN??,故用上式計(jì)算得到的只是 ()Xk的前一半結(jié)果，要用 1()Xk, 2()Xk來表達(dá)全部的 ()Xk值，還必須應(yīng)用系數(shù)的周期性，即 rkNNN WW 2/)2k(r 2/ ?? 這樣可得到 ）（）（）（ ）（ k)r(xrxk2 1120rrk 2/1120rk22/11 XWWNX NNN NrN ???? ??????? （ ） 同理可得 )k(k222 XNX ?? ）（ （ ） 前兩式說明了后半部分 k 值（ 1k2/ ??? NN ）所對(duì) 應(yīng)的 1()Xk， 2()Xk分別等于前半部分 k 值（ 12/k0 ??? N ）所對(duì)應(yīng)的 1()Xk， 2()Xk。兩個(gè) /2N 點(diǎn) DFT 共需 222 ( / 2) / 2NN??次復(fù)數(shù)乘法和 ( / 2 1)NN ? 次復(fù)數(shù)加法。 既然這樣分解是有效的，由于 MN 2? ，因而 /2N 仍是偶數(shù)， 所以 可以 再一次 把每個(gè) /2N 點(diǎn)子序列再其奇偶部分分解為兩個(gè) /4N 點(diǎn)的子序列。n ??奇 數(shù) 時(shí) ， 令 n=2r 得到： 。 1()Xk， 2()Xk這兩個(gè) /2N 點(diǎn)的DFT按照式 N 點(diǎn) DFT中的前半部 分 0,1 / 2 1kN??再應(yīng)用系數(shù) W 的周期性，求出用 1()Xk， 2()Xk表達(dá)的后半部的 ( / 2)X k N? 值。 上面頻域中前 /后半部分表示式可以用蝶形信號(hào)流圖表示。采樣位數(shù)和采樣頻率對(duì)于音頻接口來說事最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是 11 選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于采樣率來說你可以想象它類似于一個(gè)照相機(jī)， 到 441000 次。)。 sound(x1,Fs,bits)。頻譜分析主要分析信號(hào)是由哪些頻率的正弦信號(hào)疊加得到的，以及這些正弦信號(hào)的振幅。C:\代碼 \39。 %取 y的長(zhǎng)度，也就是總采樣點(diǎn)數(shù) t=1/Fs。 %畫出音樂信號(hào)時(shí)域波形圖 xlabel(39?；?1 到 1 之間的幅值（ v） 39。) %標(biāo)題 N=length(x1) %計(jì)算音頻信號(hào)的長(zhǎng)度 figure(2)。 %畫出原始語音信號(hào)的頻譜圖 title(39。 sound(x1,Fs,bits)。 %產(chǎn)生等長(zhǎng)度的隨機(jī)噪聲信號(hào) (這里的噪聲的大小取決于隨機(jī)函數(shù)的幅度倍數(shù)） x1_z=noise。 % 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率 figure(2) subplot(2,1,1)。)。幅值 A39。加噪語音信號(hào)頻譜圖 39。)。 %%%%%%%%%%%%%%提取 4000hz 以后的噪音信號(hào) %%%%%%%%%%%%%%%% wp1=2*pi*3800/Fs。 N1=ceil(*pi/Bt)。high39。 ftemp=[N/2:N/21].*Fs/N。)。 title(39。模擬濾波器 由 電阻，電容，電感 等 原器件構(gòu)成； 而數(shù)字濾波器則可由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)或軟件實(shí)現(xiàn) 。 數(shù)字濾波器按單位取樣響應(yīng)時(shí)域特性可分為 :IIR(Infinite Impulse Response) 濾波器 (即無限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器 )FIR(Finite Impulse Response)濾波器 (即有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器 )。所以數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)顯得非常重要。尤其在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮等方面取得)(jaΩHΩΩΩΩ低通帶通 帶阻高通)(jaΩH)(jaΩH)(jaΩH0 00c 16 非常大的成就。則 ()hn 有以下面的特性： 10,0),1()( ??????? mnnmhnh ? 稱之為對(duì)稱脈沖響應(yīng)；或者 10,2/),1()( ????????? mnnmhnh ?? 稱之為 反對(duì)稱脈沖響應(yīng)。 4型線性相位 FIR 濾波器 : / 2,m???? 為偶數(shù) , )(nh 以點(diǎn) ( /2) 1m ? 與點(diǎn) ( /2)m 之間的中心反對(duì)稱 。 IIR 濾波器運(yùn) 算結(jié)構(gòu) 一般 通常由相加、延時(shí) 和 乘以系數(shù)等基本運(yùn)算組成， 即 可以 構(gòu) 成級(jí)聯(lián)型、直接型、并聯(lián)型、正準(zhǔn)型四種結(jié)構(gòu)形式， 它們 都 是 具有反饋回路 這一結(jié)構(gòu) 。 (4) IIR 數(shù)字濾波器 是非線性的，所以其 相位特性不好控制， 當(dāng) 對(duì)相位要求較高時(shí)， 則 需 要添 加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。一般在設(shè)計(jì)濾波器之前，濾波器的技術(shù)指標(biāo)是要根據(jù)具體的工程應(yīng)用確定的。一旦窗函數(shù) 類型確定以后，可以根據(jù)過度帶寬小于給定指標(biāo)確定所擬用的窗函數(shù)的窗口長(zhǎng)度 N， 假設(shè)待設(shè)計(jì)的濾波器的過渡帶寬為 Δω，它與 窗口長(zhǎng)度 N的大小近似成反比，所以只要窗函數(shù)類型確定后，那么它的計(jì)算公式也就確定了。在一般情況下， hd（ n） 是不能用封閉公式表示的，需要采用數(shù)值方法表示；從 w=0 到 w=2π 采樣 N 點(diǎn)，采用離散傅里葉反變換 （ IDFT） 即可求出。實(shí)際中設(shè)計(jì) FIR 數(shù)字濾波器往往要求是線性相位的，因此要求 )(nw 滿足線性相位的條件，即要求 w(n)滿足： w(n)=w(N1n) （ 2） 所以，窗函數(shù)不僅有截短的作用，而且能夠起到平滑的作用，在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。)。 Bt=ws1wp1。 19 figure(1)。)。 wp1=2*pi*3800/Fs。 N1=ceil(*pi/Bt)。high39。 title(39。wp2=2*pi*4410/fs。 wc=[(wp1+ws1)/2/pi,(wp2+ws2)/2/pi]。 figure(9)。)。 o－ 1 1Z 平面jI m [ z ]R e [ z ]?? / Tj?1?1－ ?? / TS1平面S 平面j?? o o 圖 雙線性變換的映射關(guān)系 為了將 S平面的整個(gè)虛軸 jΩ 壓縮到 S1平面 jΩ 1軸上的 π /T到π /T段上，可以通過以下的正切變換實(shí)現(xiàn) ????????? 2tan2 1TT () 式中 ,T仍是采樣間隔。 其次，將 s=σ+jΩ代入式（ 212），得 ???????jTjTz??22 （ ） 因此 222222???????? ????????? ????TTz （ ） 由此看出，當(dāng) σ 0 時(shí)， |z|1；當(dāng) σ 0 時(shí)， |z|1。 用雙線性變換法設(shè)計(jì) 巴特沃斯 低通 濾波器的程序如下 : [x1,Fs,bits]=wavread(39。 23 ws=2*4000/Fs。s39。)。 freqz(b,a,1000,Fs)。C:\代碼 \39。 ws1=2*pi*4000/Fs。 Window=boxcar(N1+1)。 ftemp=[N/2:N/21].*Fs/N。)。)。其信號(hào)進(jìn)過高通濾波器程序： [x1,Fs,bits]=wavread(39。 25 圖 經(jīng)過低通濾波器的信號(hào)頻譜 wp1=2*pi*3800/Fs。 N1=ceil(*pi/Bt)。high39。 plot(ftemp,fftshift(abs(fft(z1))))。 sound(z1,Fs)。% 如圖 所示 圖 經(jīng)過高通濾波器的信號(hào)頻譜 26 將信號(hào)通過 下面的帶 通濾波器后，其播放的聲音讓人聽不出有音樂的感覺了。 N=length(x1)。ws2=2*pi*4600/Fs。 Window=boxcar(N3)。 ftemp=[N/2:N/21].*Fs/N。)。)。)。 As=10。 [B,A]=butter(n,wc,39。 [Nd,wdc]=buttord(wp,ws,Rp,As)。 ftemp=[N/2:N/21].*Fs/N。信號(hào)經(jīng)過低通濾波器（頻域） 39。這樣，我們的加噪語音信號(hào)的濾波處理就實(shí)現(xiàn)了。 Bt=ws1wp1。 z2 = filter(b1,1, ifft(z1))。 title(39。 sound(z2,Fs,bits)。%將加噪后的音樂信號(hào)保存在噪音信號(hào)濾波中 如 圖所示 圖 29 第五章 總結(jié) 課題總結(jié) 本課題通過研究語音信號(hào)的濾波實(shí)現(xiàn)與分析充分的說明了 MATLAB 軟件在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中的作用。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)的過程中也遇到了很多困難，比如數(shù)字濾波器參數(shù)的設(shè)定和噪音信號(hào)構(gòu)建的疑問。 由于數(shù)字濾波器的概念 和原理 抽象 以及 數(shù)值計(jì)算又比較繁瑣，所以借助好的計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)是數(shù)字濾波器研究領(lǐng)域 必然的 一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。相信隨著 MATLAB 軟件在信息技術(shù)中的不斷推廣和使用，將會(huì)使科技工程人員從各類煩瑣的計(jì)算工作中解脫出來，有時(shí)間思考和研究更加重要的問題，這必將為科技的進(jìn)步起到巨大的推動(dòng)作用 。讓我明白處事必須懷著一絲不茍的態(tài)度和認(rèn)真刻苦的精神，并且要做到迎難而上。從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個(gè)過程中，我得到了許多朋友、同學(xué)和老師的熱情幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！ 繪制濾波后的信 號(hào)時(shí)域波形和頻譜