【文章內(nèi)容簡介】 的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)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(jī)， 意味著音頻流進(jìn)入計算機(jī)時計算機(jī)每秒會對其拍照達(dá) 441000次。顯然采樣率越高，計算機(jī)攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。 采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)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7始信號中的信息，一般實際應(yīng)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(dǎo)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(qiáng)度) 語音信號的采集利用 PC 機(jī)上的聲卡和 WINDOWS 操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機(jī)的語音輸入插口上,啟動錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“語音信號處理”,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點擊放音按鈕,可以實現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“Orisound ”保存入 c :\ MATLAB \ work 中?？梢钥吹?文件存儲器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是 WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。 程序流程圖開始用 wavread 讀取語音信號，并進(jìn)行采樣，建立數(shù)據(jù)文件，并用 plot 畫出數(shù)據(jù)文件時域波形圖和頻譜圖利用 MATLAB 中的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其進(jìn)行頻譜分析?；胤耪Z音信號得出所設(shè)計濾波器在語音處理中的優(yōu)劣并設(shè)計一個信號處理系統(tǒng)界面。結(jié)束運用數(shù)字信號處理理論設(shè)計 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器， 并對被噪聲污染的語音信號進(jìn)行濾波，分析濾波后信號的時域和頻域特征。8圖 21 程序流程圖 語音信號的時頻分析在 MATLAB 軟件平臺下，利用 wavread 函數(shù)對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)，Wavread 函數(shù)調(diào)用格式y(tǒng)=wavread（ file）% 讀取 file 所規(guī)定的 wav 文件，返回采樣值放在向量 y 中。[y,fs,bits]=wavread(file) %采樣值放在向量 y 中，fs 表示采樣頻率（hz ） ，bits表示采樣位數(shù)。y=wavread（ file，N）% 讀取前 N 點的采樣值放在向量 y 中。y=wavread（ file，[N1,N2]）%讀取從 N1 到 N2 點的采樣值放在向量 y 中。對語音信號 進(jìn)行采樣其程序如下：[y,fs,nbits]=wavread (‘OriSound’)。 %把語音信號加載入 MATLAB 仿真軟件平臺中畫出語音信號的時域波形，再對語音信號進(jìn)行頻譜分析。MATLAB 提供了快速傅里葉變換算法 FFT 計算 DFT 的函數(shù) fft,其調(diào)用格式如下：Xk=fft(xn,N) （式 21）參數(shù) xn 為被變換的時域序列向量，N 是 DFT 變換區(qū)間長度，當(dāng) N 大于 xn 的長度時，fft 函數(shù)自動在 xn 后面補(bǔ)零。 ，當(dāng) N 小于 xn 的長度時，fft 函數(shù)計算 xn的前 N 個元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計中，我們利用 fft 對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。程序如下：[y,fs,nbits]=wavread(‘OriSound’)。 %語音信號的采集sound(y,fs,nbits)。 %語音信號的播放9n=length(y) 。 Y=fft(y,n)。 %快速傅里葉變換figure。subplot(2,1,1)。plot(y)。title(‘原始信號波形’,’fontweight’,’bold’)。axis([ 78000 80000 1 1])。grid。subplot(2,1,2)。plot(abs(Y))。title(‘原始信號頻譜’,’fontweight’,’bold’)。axis([ 0 150000 0 4000])。grid。程序結(jié)果如下圖： 8x 104101 低低低低低低0 5 10 15x 10401000202230004000 低低低低低低 圖 22 原始信號采集波形圖10 語音信號加噪與頻譜分析在 MATLAB 中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，我們可以直接應(yīng)用兩個函數(shù) ：一個是 WGN，另一個是 AWGN。WGN 用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN 則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。也可直接用 randn 函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。在本次設(shè)計中，我們是利用 MATLAB 中的隨機(jī)函數(shù) (rand 或 randn)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析。Randn 函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：Randn(n) 和 Randn（m,n）,前者產(chǎn)生 nn 服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生 mn 的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randn（ m,n）函數(shù)。語音信號添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：[y,fs,nbits]=wavread(39。OriSound39。)。sound(y,fs,nbits)。 n = length (y) 。 Noise=*randn(n,2)。s=y+Noise。sound(s)。figure。subplot(2,1,1)。plot(s)。title(39。加噪語音信號的時域波形39。,39。fontweight39。,39。bold39。)。axis([ 78000 80000 1 1])。grid。S=fft(s)。 subplot(2,1,2)。plot(abs(S))。title(39。加噪語音信號的頻域波形39。,39。fontweight39。,39。bold39。)。axis([ 0 150000 0 4000])。grid。11 8x 104101 低低低低低低低低低低低0 5 10 15x 10401000202230004000 低低低低低低低低低低低 圖 23 信號加噪時域波形圖與頻譜圖 本章小結(jié) 本章介紹了語音信號的采集，信號加白噪聲，加噪后的時域與頻域分析。123 設(shè)計數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器設(shè)計的基本思路數(shù)字濾波器的實現(xiàn)有兩個關(guān)鍵步驟：一個從數(shù)字域到模擬域間的變換，這個變換實現(xiàn)了數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)到模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，同樣也實現(xiàn)了模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)到數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的轉(zhuǎn)換；另一個是從模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)到滿足該指標(biāo)的模擬濾波器的設(shè)計。 模擬濾波器概述用模擬—數(shù)字變換法設(shè)計 IIR 數(shù)字濾波器，首先必須設(shè)計一個模擬濾波器，它有許多不同的類型，主要有以下兩種類型：①巴特沃思（Botterworth 簡寫 BW）濾波器。BW 濾波器是根據(jù)幅頻特性在通帶內(nèi)具有最拼圖特性而定義的濾波器，對一個 N 階低通濾波器來說，所謂最平坦特性就是模擬函數(shù)的前（2N1）階導(dǎo)數(shù)在 處都為零。BW 濾波器的另一個0??特性是在通帶和阻帶內(nèi)的幅頻特性始終是頻率的單調(diào)下降函數(shù)，且其模擬函數(shù)隨階次 N 的增大而更接近于理想低通濾波器。②切比雪夫（Chbyshev 簡寫為 CB）濾波器。CB 低通濾波器的模擬函數(shù)由切比雪夫多項式定義，且在通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)是波動的，在阻帶則單調(diào)變化。 IIR 數(shù)字濾波器概述IIR(Infinite 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 ”。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(rèn)為具有無限的脈沖響應(yīng)。IIR 濾波器有以下幾個特點：（ 1） 封 閉 函 數(shù) ：IIR 數(shù)字濾波器的系 統(tǒng) 函 數(shù) 可以寫成封閉函數(shù)的形式。 （2）I IR 數(shù) 字 濾 波 器 采 用 遞 歸 型 結(jié) 構(gòu) ：IIR 數(shù)字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 濾波器運算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運算組成，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13反饋回路。由于運算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會產(chǎn)生微弱的寄 生振 蕩 。 （3）借 助 成 熟 的 模 擬 濾 波 器 的 成 果 ：IIR 數(shù)字濾波器在設(shè)計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)計數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計工作量比較小，對計算工具的要求不高。在設(shè)計一個IIR 數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，再通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。（ 4） 需 加 相 位 校 準(zhǔn) 網(wǎng) 絡(luò) ：I IR 數(shù) 字 濾 波 器 的 相 位 特 性 不 好 控 制 ， 對 相 位 要 求較 高 時 ， 需 加 相 位 校 準(zhǔn) 網(wǎng) 絡(luò) 。 FIR 數(shù)字濾波器概述FIR 數(shù)字濾波器（ finite impulse response filter）又名“ 有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器”，這類濾波器對于脈沖輸入信號的響應(yīng)最終趨向于 0，因此而得名。有限脈沖響應(yīng)濾波器（FIR filter）的優(yōu)點：（1） 脈沖響應(yīng)（ impulse response）為有限長：造成當(dāng)輸入數(shù)位訊號為有限長的時候，輸出數(shù)位訊號也為有限長。（2） 比無限脈沖響應(yīng)濾波器（IIR filter）較容易最佳化（optimize ）。（3） 線性相位（ linear phase）：造成 h(n),是偶對稱（even）或奇對稱（odd）且有限長。（4）一定是穩(wěn)定的（stable）：因為 Z 轉(zhuǎn)換（Z transform）后所有的極點（pole）都在單位圓內(nèi) FIR 數(shù)字濾波器和 IIR 數(shù)字濾波器比較 不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設(shè)計都包括三個步驟：(1) 按照實際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。(2) 用一個因果、穩(wěn)定的離散線性時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求可以用 IIR 系統(tǒng)函數(shù)，也可以用 FIR 系統(tǒng)函數(shù)去逼近。(3) 利用有限精度算法實現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長選擇等。但 IIR 濾波器和 FIR 濾波器的設(shè)計方法完全不同。 IIR 濾波器設(shè)計方法有14間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計進(jìn)行的。其設(shè)計步驟是：先設(shè)計過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù) H（s） ，然后將 H（s ）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z)。FIR 濾波器比鞥采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對于線性相位濾波器，經(jīng)常采用FIR 濾波器。 低通，高通及帶通濾波器低通濾波器：對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的 hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acoustic barriers） 、圖像模糊處理等等，這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)（moving average)所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。高通濾波器：去掉信號中不必要的低頻成分，去掉低頻干擾的濾 波 器 。在電力系統(tǒng)中，諧 波 補(bǔ)償時用高通濾波器濾除某次及其以上的各次諧波。高通濾波器是指車載功放中能夠讓中、高頻信號通過而不讓低頻信號通過的電路，其作用是濾去音頻信號中的低音成分，增強(qiáng)中音和高音成分以驅(qū)動揚 聲 器 的中音和高音單元。此外高通濾波器常常和低 通 濾 波 器 成對出現(xiàn)，不論哪一種，都是為了把一定的聲音頻率送到應(yīng)該去的單元。帶 通 濾 波 器 ： 能 通 過 某 一 頻 率 范 圍 內(nèi) 的 頻 率 分 量 、 但 將 其 他 范 圍 的 頻率 分 量 衰 減 到 極 低 水 平 的 濾 波 器 ， 與 帶 阻 濾 波 器 的 概 念 相 對 。 一 個 模 擬 帶通 濾 波 器 的 例 子 是 電 阻 電 感 電 容 電 路 (RLC circuit)。 這 些 濾 波 器 也 可 以 用低 通 濾 波 器 同 高 通 濾 波 器 組 合 來 產(chǎn) 生 。 設(shè)計 FIR 濾波器如前所述，IIR 濾波器和 FIR 濾波器的設(shè)計方法有很大的區(qū)別。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計 FIR 濾波器的步驟。如下：15（1）根據(jù)對阻帶衰減及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)類型（矩形窗、三角窗、漢寧窗、哈明窗、凱塞窗等） ，并估計窗口長度 N。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。（2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。（3）計算 h(n).。（4）加窗得到設(shè)計結(jié)果。 設(shè)計 IIR 濾波器無論是數(shù)字濾波器還是模擬濾波器，他們技術(shù)指標(biāo)的建立都是以所謂的“固有衰減”參數(shù)為參照。以數(shù)字濾波器為例，固有衰減參數(shù)（關(guān)于之旅分量歸一化）定義為