【正文】 6 附錄 ............................................................... 38 附錄（ I） 設計 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器 ............................................................................................. 38 附錄（ II）比較濾波前后語音信號的波形及頻譜 ............................................................................. 46 1 1．緒論 數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備，以數(shù)值計算的方法對 信號進行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達到提取信息和便于應用的目的。具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等優(yōu)點。隨著信息時代和數(shù)字技術的發(fā)展，受到人們越來越多的重視。數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù) 其實現(xiàn)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)或者其沖激響應函數(shù)的時域特性，可分為兩種，即有限沖激響應 ( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無限沖激響應 ( IIR， Infinite Impulse Response)濾波器。 FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于 IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過 fir濾波器后他們的時間差不變， 這是很好的性質(zhì)。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實現(xiàn)相位控制，允許設計多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點收到人們的青睞。 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、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。 2 濾波器的設計可以通過軟件或設計專用的硬件兩種方式來實現(xiàn)。它可以快速有效地實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設計、分析和仿真，極大地減輕了工作量 ,有利于濾波器設計的最優(yōu)化 [1]。 在信號傳輸過程中，由于實驗條件或各種其他主觀或客觀條件的原因，語音處理系統(tǒng)都不可避免地要受到各種噪聲的干擾。 MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。 其強大的數(shù)據(jù)處理能力可以極大程度上削弱噪聲影響，還原出真實的語音信號（相符度在 90%以上） [2]。本次畢業(yè)設計中，我們就用它作為編程工具和輔助工具進行設計。在機械方面， 3 機械件碰撞帶來的噪聲會縮短器件壽命，在電子方面，電器件在噪聲的影響下可能會失靈。此次 研究，他通過比較加噪前后，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。其實，這正是干擾所造成的。 大連理工大學 2021 級碩士蔣瑞艷也曾經(jīng)做過一個振動，噪聲處理系統(tǒng)， 它是 WINDOWS 界面下的振動、噪聲信號處理系統(tǒng)，它在專用模擬輸入硬件（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）支持下，可以完成振動、噪聲信號的數(shù) 據(jù)采集以及功率譜、倒譜、譜陣和傳遞函數(shù)分析等功能。它可以廣泛應用于實驗室、生產(chǎn)現(xiàn)場和教學中做振動、噪聲的測試和分析，可以代替專用信號處理機的工作。軟件界面的設計以滿足大多數(shù)用戶為主，力求直觀通俗，通過菜單驅(qū)動完成各個功能 [4]。利用另外一個工具 Compiler 使編制的 MATLAB 程序能夠獨立運行從而提高了運行速度 。最后給出了系統(tǒng)在內(nèi)燃機噪聲診斷方面的應用實例 [5]。試驗結(jié)果表明 ,在選擇了合適的小波基和閾值的情況下 ,利用小波變換的方法對艦船輻射噪聲進行消噪處理可以取得良好的效果 [6]。 本課題的研究內(nèi)容 課題基于 MATLAB 有噪音語音信號處理的設計與實現(xiàn)，綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識對加噪聲語音信號進行時域、頻域分析和濾波。在設計實現(xiàn)的過程中，使用窗函數(shù)法來設計 FIR 數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設計 IIR 數(shù)字濾波器，并利用 MATLAB 作為輔助工具完成設計中的計算與圖形的繪制。 5 Matlab 簡單介紹 MATLAB 是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks公 司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、 Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語 言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點 ,使 MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。可以直接調(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領域內(nèi)特定類型的問題。采樣頻率越高，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。這就是說采樣頻率是衡量 聲卡采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標準。采樣頻率是指錄音設備在一秒鐘內(nèi)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。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。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。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。 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。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。以文件名“ Orisound”保存入 c :\ MATLAB \ work中。 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。 結(jié)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。 [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， [N1,N2]） %讀取從 N1 到 N2 點的采樣值放在向量 y 中。 %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。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。 程序如下： [y,fs,nbits]=wavread(?OriSound?)。 %語音信號的播放 n=length(y) 。 %快速傅里葉變換 figure。 plot(y)。 9 axis([ 78000 80000 1 1])。 subplot(2,1,2)。 title(?原始信號頻譜 ?,?fontweight?,?bold?)。 grid。 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。 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。在這里，我們選用 Randn（ m,n）函數(shù)。OriSound39。 sound(y,fs,nbits)。 Noise=*randn(n,2)。 sound(s)。 subplot(2,1,1)。 title(39。,39。,39。)。 grid。 subplot(2,1,2)。 title(39。,39。,39。)。 grid。 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(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指標到滿足該指標的模擬濾波器的設計。 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） 階導數(shù)在 0?? 處都為零。 ② 切比雪夫（ Chbyshev 簡寫為 CB） 濾波器。 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 ”。 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。 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、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反 13 饋回路。 （ 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。 （ 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。 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。 （ 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。 (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。 (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。 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。 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。 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。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。 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 。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(qū)動 揚聲器 的中音和高音單元。 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。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 。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設計 FIR 濾波器的步驟。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。 （ 2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應函數(shù)。 （ 4）加窗得到設計結(jié)果。以數(shù)字濾波器為例，固有衰減參數(shù)（關于之旅分量歸一化）定義為 A(w)=20lg|H(ejw)|20lg|H（ ej0） | （式 31） 目前 IIR 數(shù)字濾波器設計的最通用的方法是借助于模擬濾波器的設計方法。 IIR 數(shù)字濾波器的設計步驟是： ① 按一定規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術指標轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術指標； ② 根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術指標設計模擬低通濾波器 ??Gs； ③ 再按一定規(guī)則將 G(s)轉(zhuǎn)換成 H(z)。 雙線性 變換法和窗函數(shù)法 對于數(shù)字高通、帶通濾波器的設計，通用方法為雙線性變換法。具體設計步驟如