【正文】 ，真正與數(shù)字信號有關(guān)的命令函數(shù)卻并不多。這個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軟件 ——MATLAB 軟件。在數(shù)字信號 處理的課程學(xué)習(xí)過程中，我們過多的是理論學(xué)習(xí)，幾乎沒有進(jìn)行實踐方面的運用。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。再將該向量看作一個普通的信號，對其進(jìn)行 FFT 變換實現(xiàn)頻譜分析，再依據(jù)實際情況對它進(jìn)行濾波。 [N1 N2]表示讀取從 N1 點到 N2 點的值（若只有一個 N的點則表示讀取前 N點的采樣值）。 [N1 N2])。 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。 IIR低通濾波器程序 見附錄 3； 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 IIR低通濾波器圖像：（圖 3— 3） 圖 33 IIR 低通濾波器 IIR 濾波器高通程序 IIR 濾波器高通圖像： （圖 34） 圖 34 IIR 高通濾波器 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第四章 去噪 及仿真的研究 語音文件在 MATLAB 平臺上的錄入與打開 單擊自己的電腦開始程序，選擇所有程序，接著選擇附件，再選擇娛樂，最后選擇錄音。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 IIR 濾波器時都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計濾波器時只需要代入相應(yīng)的實現(xiàn)函數(shù)即可。 （ 4）用雙線性變換法，模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)。 （ 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)。為了克服之一缺點，可以采用雙線性變換法 。 （ 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。 （ 4）設(shè)計模擬低通濾波器。具體設(shè)計步驟如下： （ 1）確定所需類型數(shù)字濾波器的 技術(shù)指標(biāo)。 FIR低通濾波器程序 見附錄 1 FIR低通濾波器圖像：（圖 3— 1） 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 3— 1 FIR 低通濾波器 FIR 高通濾波程序見附錄 2 FIR 高通濾波圖像： （圖 32） 圖 32 FIR 高通濾波器 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計及實現(xiàn) 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 對于數(shù)字高通、帶通濾波器的設(shè)計，通用方法為雙線性變換法。 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)計函數(shù)。 （ 4）加窗得到設(shè)計結(jié)果。 （ 2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。 面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計 FIR濾波器的步驟。通常我們就是根據(jù)此阻帶衰減去選擇一個合適的窗函數(shù)。但是加窗后對此采樣序列的頻域也產(chǎn)生了影響：此時的頻域便不在是一個理想的矩形窗，而是成了一個有過渡帶，阻帶有波動的低通濾波器。就是傳說中的加窗。故我們需要對此采樣函數(shù)進(jìn)行截斷處理。根據(jù)傅里葉變換我們可以知道，此函數(shù)在時域上是一個采樣函數(shù)。 FIR 濾波器的設(shè)計比較簡單，就是要設(shè)計一個數(shù)字濾波器去逼近一個理想的低通濾波器。這也就說明，要增加 DSP 的計算量。這也就說明， IIR 濾波器具有相位不線性，不容易設(shè)計的缺點。有限說明其脈沖響應(yīng)是有限的。下面就分別論述一下 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和基本步驟。如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。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。 貝塞爾響應(yīng) ， 除了會改變依賴于頻率的輸入信號的 幅度 外，濾波器還會為其引入了一個 延遲 。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 點為 3dB，最終逼近 20ndB/decade 的 衰減率 ，其中 n 為濾波器的 階數(shù) 。 簡而言之， 濾波，本質(zhì)上 是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。 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。最合于實用的 m 值為 。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。所謂截止 頻率，亦即與濾波器有尖銳 諧振 的頻率。XC=K2 (31) 故 L 型濾波器又稱為 K 常數(shù)濾波器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為 L 型及 π 型兩種。所有各型的濾波器，都是集合 L 型單節(jié)濾波器而成。整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。 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。在 MATLAB 下設(shè)計不同類型 IIR濾波器均有與之對應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。 除了系數(shù)存在量化誤差，數(shù)字濾波器運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（論文） 9 設(shè)計，以防止產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出振蕩。為了獲得最優(yōu)的濾波器系數(shù)，采用以下步驟進(jìn)行量化。 獲得最優(yōu) IIR 數(shù)字濾波器系數(shù) ： 為了設(shè)計出可用 FPGA 實現(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，即用一個固定的字長加以表示。 首先計算整體傳遞函數(shù)的零極點； 選取具有最大幅度的極點以及距離它最近的零點，使用它們組成一個二階基本節(jié)的傳遞函數(shù)； 對于剩下的極點和零點采用與相類似的步驟，直至形成所有的二階基本節(jié)。 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟 由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此如何將濾波器的每一個極點和零點相組合，從而使得數(shù)字濾波器輸出所含的噪聲最小是個十分關(guān)鍵的問題。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計 利用 MATALAB 工具箱 分析 工具 (FDATool)可以很方便地設(shè)計出符合應(yīng)用要求的未經(jīng)量化的 IIR 數(shù)字濾波器。 (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 ” 。 這種結(jié)構(gòu)的每一節(jié)控制一對零點，因而再需要控制傳輸零點時，可以采用它。若 N 為偶數(shù)，則 N— 1 為奇數(shù)，故系數(shù) B2K 中有一個為零，這是因為，這時有奇數(shù)個根，其中復(fù)數(shù)根成共軛對必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個實根。將轉(zhuǎn)置定理用于可得到的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)。 設(shè) FIR 濾波器的單位沖激響應(yīng) h (n)為一個 N 點序列， 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）階極點在 z = 0 處，有（ N— 1）個零點位于有限 z平面的任何位置。 FPGA有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合于數(shù)字信號處理任務(wù)，相對于串行運算為主導(dǎo)的通用 DSP 芯片來說，其并行性和可擴(kuò)展性更好，利用 FPGA乘累加的快速算法，可以設(shè)計出高速的 FIR 數(shù)字濾波器。下面著重講解本論文采用的兩種方法。最后通過大量的仿真實驗，驗證了所研究的幾種改進(jìn)算法都能有效地提高增強效果。對基于短時能量和短時過零率雙門限法語音激活檢測的噪聲估計算法做了研究及 仿真，同時還研究了一種基于最小子帶能量的噪聲估計方法。譜相減語音增強算法的核心是噪聲檢測和譜減規(guī)則。 （ 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。到成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 目前為止，已經(jīng)比較成熟的去噪方法比較典型的有切比雪夫去噪法、雙線性變換去噪法 、窗函數(shù)去噪法、譜相減去噪法、巴特沃茲去噪法等有名的去噪方法。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(jìn)入計算機時計算機每秒會對其拍照達(dá) 441000 次。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)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系， 根據(jù)采樣定理 ，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。 通俗的講采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少 個聲音樣本，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)。 采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作采樣時間，它是采樣之間的時間間隔。 對于時間上受限制的連續(xù)信號 f(t)（即當(dāng) │ t│ T 時 ,f(t)=0,這里T=T2T1 是信號的持續(xù)時間），若其頻譜為 F（ ω ） ,則可在頻域上用一系列離散的采樣值 （ 21） 采樣值來表示 ,只要這些采樣點的頻率間隔 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （ 22） 。圖為模擬信號和采樣樣本的示意圖。 這是時域采樣定理的一種表述方式。Δ t)，f(t1177。 其大概流程框圖可如下表示： （圖 11） 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 圖 11 論文設(shè)計的流程 語音信號采集 效果顯示、對比 語音信號錄入 語音信號變換 信號加噪 語音信號濾波 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2 章 語音信號去噪方法 的研究 去噪的原理 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。 5. 利用 MATLAB編程加入一段 隨機噪音信號，設(shè)計 FIR和 IIR濾波器去噪，并分別繪制頻譜圖、回放語音信號。 3. 繪制頻譜圖并回放原始語音信號。 本課題的研究基本步驟如下： 1. 語音信號的錄制。 我所做的工作就是在 軟件上編寫一個處理語音信號的程序，能對語音信號進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行各種處理，達(dá)到簡單語音信號處理的目的。 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。隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，語音信號處理取得了重大的進(jìn)展：進(jìn)入 70年代之后，提出了用于語音信號的信息壓縮和特征提取的線性預(yù)測技術(shù)（ LPC），并已成為語音信號處理最強有力的工具，廣泛應(yīng)用于語音 信號的分析、合成及各個應(yīng)用領(lǐng)域，以及用于輸入語音與參考樣本之間， 時間匹配的動態(tài)規(guī)劃方法； 80年代初一種 新的基于聚類分析的高效數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) — 矢量量化（ VQ）成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 應(yīng)用于語音信號處理中；而用隱馬爾可夫模型（ HMM）描述語音信號過程的產(chǎn)生是 80 年代語音信號處理技術(shù)的重大發(fā)展，目前 HMM 已構(gòu)成了現(xiàn)代語音識別研究的重要基石。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。它是一新興的信 息科學(xué)，同時又是綜合多個學(xué)科領(lǐng)域的一門交叉科學(xué)。離散時間信號 ——序列 ——可以用圖形來表示 。那么 什么是語音？語音 是 人類 特有的功能，也是人類 獲取外界信息的重要工具，也是人與人交流必不可少的重要手段。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。 在設(shè)計過程中，運用了 MATLAB 對整個設(shè)計中的圖形的繪制和一些數(shù)據(jù)的計算以及仿真。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)行計算機實現(xiàn)比價已驗證推導(dǎo)出來的結(jié)論。而MATLAB 軟件工具箱提供了對各種數(shù)字濾波器的設(shè)計。成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 在 Matlab 平臺上實現(xiàn)對語音信號的去噪研究和仿真 作者姓名： 王青天 專業(yè)班級： 電子 1 班 指導(dǎo)教師：鐘曉玲 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