【文章內容簡介】 內對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。 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指標，也是選擇音頻接口的兩個重要標準。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， 意味著音頻流進入計算機時計算機每秒會對其拍照達 441000 次。顯然采樣率越高，計算機攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。 采樣定理 在進行模擬 /數(shù)字信號的轉換過程中，當采樣頻率 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始信號中的信息，一般實際應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)就推導出在理想 低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式 : 7 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 是電平強度 ) 語音信號的采集 利用 PC 機上的聲卡和 WINDOWS 操作系統(tǒng)可以進行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機的語音輸入插口上 ,啟動錄音機。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為 . wav ,這是 WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標準。 程序流程圖 圖 21程序流程圖 開始 用 wavread 讀取語音信號，并進行采樣，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，并對其進行頻譜分析。 回放語音 信號 得出所設計濾波器在語音處理中的優(yōu)劣并 設計一個信號處理系統(tǒng)界面。 結束 運用數(shù)字信號處理理論設計 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器， 并對被噪聲污染的語音信號進行濾波，分析濾波后信號的時域和頻域特征。 8 語音信號的時頻分析 在 MATLAB 軟件平臺下，利用 wavread 函數(shù)對語音信號進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)， Wavread 函數(shù)調用格式 y=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 N 大于 xn 的長度時， fft 函數(shù)自動在 xn 后面補零。，當 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。 在本次設計中，我們利用 fft 對語音信號進行快速傅里葉變換，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 n=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?)。 9 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。 程序結果如下圖： 7 . 8 7 . 8 2 7 . 8 4 7 . 8 6 7 . 8 8 7 . 9 7 . 9 2 7 . 9 4 7 . 9 6 7 . 9 8 8x 1 041 0 . 500 . 51原始信號波形0 5 10 15x 1 0401000202130004000原始信號頻譜 圖 22 原始信號采集波形圖 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 。 在本次設計中，我們是利用 MATLAB 中的隨機函數(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)有兩種基本調用格式： Randn(n)和 Randn（ m,n） ,前者產(chǎn)生 n n 服從標準高斯 分布的隨 10 機數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生 m n 的隨機數(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 7 . 8 7 . 8 2 7 . 8 4 7 . 8 6 7 . 8 8 7 . 9 7 . 9 2 7 . 9 4 7 . 9 6 7 . 9 8 8x 1 041 0 . 500 . 51加噪語音信號的時域波形0 5 10 15x 1 0401000202130004000加噪語音信號的頻域波形 圖 23 信號加噪 時域波形圖與頻譜 圖 本章小結 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。 12 3 設計數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器設計的基本思路 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)有兩個關鍵步驟：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)字濾波器技術指標到模擬濾波器技術指標的轉換，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)的轉換；另一個是從模擬濾波器技術指標到滿足該指標的模擬濾波器的設計。 模擬濾波器概述 用模 擬 — 數(shù)字變換法設計 IIR數(shù)字濾波器，首先必須設計一個模擬濾波器，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） 階導數(shù)在 0?? 處都為零。 BW濾波器的另一個特性是在通帶和阻帶內的幅頻特性始終是頻率的單調下降函數(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，且在通帶內的幅頻響應是波動的，在阻帶則 單調變化 。 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，一般認為具有無限的脈沖響應 。 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） IIR 數(shù)字濾波器采用遞歸 型結構 ： IIR 數(shù)字濾波器采用遞歸型結構，即結構上帶有反饋環(huán)路。 IIR 濾波器運算結構通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運算組成，可以組合成直接型、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結構形式，都具有反 13 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)成的設計數(shù)據(jù)或圖表可查，其設計工作量比較小，對計算工具的要求不高。在設計一個 IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標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換成數(shù)字濾波器的公式。 （ 4） 需加相位校準網(wǎng)絡 ： IIR 數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對相位要求較高時，需加相位校準網(wǎng)絡。 FIR 數(shù)字濾波器概述 FIR 數(shù)字濾波器（ finite impulse response filter） 又名 “有 限脈沖響應數(shù)字濾波器 ”， 這類濾波器對于脈沖輸入信號的響應最終趨向于 0，因此而得名。 有限脈沖響應濾波器（ FIR filter）的優(yōu)點： （ 1） 脈沖響應（ impulse response）為有限長：造成當輸入數(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 轉換（ Z transform）后所有的極點（ pole）都在單位圓內 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 濾波器的設計都包括三個步驟： (1) 按照實際任務的要求，確定濾波器的性能指標。 (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。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)，包括結構選擇、字長選擇等。 但 IIR 濾波器和 FIR 濾波器的設計 方法完全不同。 IIR 濾波器設計方法有間 14 接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設計進行的。其設計步驟是：先設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。當使用在音頻應用時，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域如金融領域中移動平均數(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，增強中音和高音成分以驅動 揚聲器 的中音和