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1、精品学习资源MR YANG（电子信息工程系指导老师：余尤好）摘要： 语音信号滤波处理是讨论用数字信号处理技术和语音学学问对语音信号进行处理的新兴的学科，是目前进展最为快速的信息科学讨论领域的核心技术之一；通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最便利的交换信息形式；Matlab 语言是一种数据分析和处理功能特别强大的运算机应用软件，它可以将声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算才能处理数据，如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的出现等，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析供应了特别丰富的功能函数，利用这些功能函数可以快捷而又便利地完成语音信号的处理
2、和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便利；信号处理是Matlab 重要应用的领域之一；本设计通过录制一段语音，对其进行了时域分析，频谱分析 , 分析语音信号的特性；并应用 matlab 平台对语音信号进行加噪然后再除去噪声，进一步设计两种种滤波器即高通滤波器、带通滤波器，基于这两种滤波器设计原理，对含加噪的语音信号进行滤波处理；最终对比滤波前后的语音信号的时域和频域特性，回放含噪语音信号和去噪语音信号；论文从理论和实践上比较了不同数字滤波器的滤波成效；关键字： Matlab ；语音信号；信号处理；傅里叶变换；滤波器1 绪论1.1 课题讨论的背景通过语音传递倍息是人类最重要、最有效、最常用和最
3、便利的交换信息的形式；语言是人类持有的功能，声音是人类常用的工具，是相互传递信息的最主要的手段；因此，语音信号是人们构成思想疏通和感情沟通的最主要的途径；并且，由于语言和语音与人的智力活动亲密相关，与社会文化和进步紧密相连，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平；现在，人类已开头进入了信息化时代，用现代手段讨论语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、储备、猎取和应用语音信 息，这对于促进社会的进展具有特别重要的意义；让运算机能听懂人类的语言，是人类自运算机产生以来梦寐以求的想法；随着运算机越来越向便携化方向进展，随着运算环境的日趋复杂化，人们越来越迫切要求摆脱键盘的束缚而代之以语音输人这样便
4、于使用的、自然的、人性化的输人方式；作为高科鼓应用领域的讨论热点，语音信号采集与分析从理论的讨论到产品的开发已经走过了几十个春秋并且取得了长足的进步；它正在直接与办公、交通、金融、公安、商业、旅行等行业的语音询问与治理工业生产部门的语声掌握，电话、电信系统的自动拨号、帮助掌握与查询以及医疗卫生和福利事业的生活支援系统等各种实际应用领域相接轨，并且有望成为下一代操作系统和应用程序的用户界面；可 见，语音信号采集与分析的讨论将是一项极具市场价值和挑战性的工作；我们今日进行这一领域的讨论与开拓就是要让语音信号处理技术走人人们的日常生活当中，并不断朝更高目标而努力；语音信号采集与分析之所以能够那样长期
5、地、深深地吸引广大科学工作者去不断地对其进行讨论和探讨，除了它的有用性之外，另一个重要缘由是，它始终与当时信息科学中最活跃的前沿学科欢迎下载精品学习资源保持亲密的联系并且一起进展；语音信号采集与分析是以语音语言学和数字信号处理为基础而形成的一门涉及面很广的综合性学科，与心理、生理学、运算机科学、通信与信息科学以及模式识别和人工智能等学科都有着特别亲密的关系；对语音信号采集与分析的讨论始终是数字信号处理技术进展的重要推动力气；由于很多处理的新方法的提出，第一是在语音信号处理中获得胜利，然后再推广到其他领域；1.2 本文的主要工作及讨论步骤1.2.1 本文的主要工作本文简要介绍了语音信号采集与分析
6、的进展史以及语音信号的特点、采集与分析方法，并通过录制自己的一段声音，运用Matlab进行仿真分析，最终对于加在声音中的噪声进行滤波处理，比较滤波前后的变化以及介绍语音信号的特点与采集，仿真主要是验证奈奎斯特定理，对语音信号进行时域、频域上的分析，率谱，是对语音信号的综合和分析，包括语音信号的调制和滤波；1.2.2 论文的讨论步骤1. 理论依据依据设计要求分析系统功能，把握设计中所需理论（采样频率、采样位数的概念，采样定理； 时域信号的 FFT分析；数字滤波器设计原理和方法，各种不同类型滤波器的性能比较），阐明设计原理；2. 信号采集采集语音信号，并对其进行FFT频谱分析，画出信号的时域波形图
7、和频谱图；3构造受干扰信号并对其进行FFT频谱分析对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加噪信号进行回放，感觉加噪前后声音的变化，分析原 因，得出结论；并对其进行FFT 频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频谱，对所得结果进行分析，阐明缘由，得出结论；4数字滤波器设计依据待处理信号特点，设计合适数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性；5信号处理用所设计的滤波器对含噪语音信号进行滤波；对滤波后的语音信号进行FFT 频谱分析；画出处理过程中所得各种波形及频谱图；对语音信号进行回放，感觉滤波前后声音的变化；比较滤波前后语音信号的波形及频谱，对所 得 结 果 和 滤 波 器 性 能 进 行 频 谱
8、 分 析 ， 阐 明 原 因 ， 得 出 结 论 ；1.3 本文使用的软件 Matlab 介绍MATLAB 是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值运算的高级技术运算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和 Simulink两大部分 4 ；MATLAB在现实中应用很广泛，如今随处可见，在各个领域都是有广泛的使用；MATLAB是矩阵试验室（ Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple 并称为三大数学软件；它在数学类科技应用软件中在数值运算方面首屈一指；MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制欢迎下载精品学习资
9、源函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程运算、掌握设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域；MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式特别相像，故用MATLAB来解算问题要比用C， FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸取了像Maple 等软件的优点 , 使 MATLAB成为一个强大的数学软件；在新的版本中也加入了对C， FORTRAN， C+， JAVA 的支持；可以直接调用, 用户也可以将自己编写的有用程序导入到MATLAB函数库中便利自己以后调用，此外很多的MATL
10、AB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用；2 语音信号处理的设计原理2.1 语音信号的采集在 MA TLAB软件平台下，利用函数wavread（ ）对语音信号采集，并记录采样频率和采样点数；将语音信号转换成运算机能够运算的有限长序列；wavread 函数的调用格式如下：y=wavreadfile读取 file 所规定的 wav 文件，返回采样值放在向量y 中；y,fs=wavreadfile采样值放在向量 y 中， fs 表示采样频率（ Hz ）；2.2 用 FFT作谱分析欢迎下载精品学习资源FFT 即快速傅立叶变换，它是从DFT 运算中进展起来的，利用系数nkWN的对
11、称性和周期性削减运欢迎下载精品学习资源算量；长度为 N 的序列直接运算DFT 需要2N次复乘和N N1) 次复加，而用 FFT 进行运算一般需要欢迎下载精品学习资源2N log 2N 次复乘和N log2N 次复加，从而使 DFT的运算大大简化；欢迎下载精品学习资源用 FFT 对连续信号进行谱分析的步骤如下：欢迎下载精品学习资源LPFA/DDFTvk欢迎下载精品学习资源Sctx xt txnvn欢迎下载精品学习资源c cH a jwn欢迎下载精品学习资源图 3.1 连续信号谱分析过程引入前置低通滤波器LPF 是为了排除或削减时域连续信号转换成序列时可能显现的频谱混叠现象； wn 表示时域有限的
12、窗函数；2.3. 设计滤波器去除语音信号的噪声通过 wavread（）函数将语音信号读入，通过频率采样及fft 产生信号，并对之加噪，通过窗函数法设计滤波器滤掉该语音信号的噪声，对比滤波前后的语音波形和频谱；3 语音信号处理的基本学问3.1 语音的录入和打开欢迎下载精品学习资源在 MATLAB中， y,Fs,bit=wavreadnihao用于读取语音，采样值放在向量y 中， Fs表示采样频率Hz ， bit表示采样位数；soundx,Fs,bit； 用于对声音的回放；向量y就就代表了一个信号（也即一个复杂的“函数表达式”）也就是说可以像处理一个信号表达式一样处理这个声音信号；3.2 采样位数
13、和采样频率采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数；采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数， 采样频率越高声音的仍原就越真实越自然；3.3时域信号 FFT 分析3.3数字滤波器原理3.3.1数字滤波器概念如滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲激响应h n 也必定是离采样位数和采样率对于音频接口来说是最为重要的两个指标，也是挑选音频接口的两个重要标准；无论采样频率如何，理论上来说采样的位数打算了音频数据最大的力度范畴；每增加一个采样位数相当于力度范畴增加了6dB；采样位数越多就捕获到的信号越
14、精确；散的，这种滤波器称为数字滤波器（DF）；数字滤波器实质上是一种运算过程用来描述离散系统输入与输出关系的差分方程的运算或卷积运算；数字滤波器的实质是用一有限精度算法实现的离散时间线性时不变系统，以完成对信号进行滤波处理的过程；它是数字信号处理的一个重要分支，具有稳固性好、精度高、敏捷性强、体积小、质量轻等诸多优点；3.3.2数字滤波器分类数字滤波器依据不同的分类标准可以将滤波器分成不同的类别；（ 1）依据单位冲激响应hn 的时间特性分类无限冲激响应（ IIR ）数字滤波器有限冲激响应（ FIR）数字滤波器（ 2）依据实现方法和形式分类递归型数字滤波器 非递归型数字滤波器快速卷积型（ 3）依
15、据频率特性分类低通数字滤波器、高通数字滤波器、带通数字波器、带阻数字滤波器4 设计方案4.1 设计内容1） ） 利用 Windows 下的录音机录制一段自己的话音，时间在1s 内；然后在Matlab 软件平台下，利用 wavread 函数对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数；2） ） 画出语音信号的时域波形，对采样后的语音信号进行快速傅立叶变换，得到语音信号的频欢迎下载精品学习资源谱特性；对语音信号分别加入正弦噪声和白噪声，画出加噪信号的时域波形和频谱图；3） ） 依据对加噪语音信号谱分析的结果，确定滤除噪声所需滤波器的技术指标，设计合适的数字滤波器，并画出滤波器的频域响应；4） ） 用
16、所设计的滤波器对采集的信号进行滤波，在同一个窗口画出滤波前后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；利用soundx 回放语音信号，验证设计成效；4.2 设计步骤图 4.1语音信号的参数图从上图可以看出，语音信号的采样频率和采样点数分别为8000HZ 和 8bit ；2） 在 Matlab中使用 Wavread 函数，可得出信号的采样频率为8000，并且声音是单声道的；利用 Sound 函数可以清楚的听到命名为“nihao ”的语音；对语音信号进行快速傅立叶变换，得到语音信号的频谱特性；对语音信号分别加入正弦噪声和白噪声，再画出加噪信号的时域波形和频谱图，将语音信号的
17、时域和频域的波形图分别和正弦噪声及白噪声的图形画在同一张图中；加噪信号的程序如下；结果如图4.2 和 4.3 所示；G=fftg,n；1打开录音机，录制一段在1s 内的语音信号；更换语音采样频率为8000HZ，储存在电脑中；命名为“ nihao.wav ”；语音信号的相关参数如图4.1 所示；图 4.2语音信号和加正弦噪声后的时、频图形图 4.3语音信号和加高斯噪声后的时、频图3） 依据对加噪语音信号谱分析的结果，确定滤除噪声所需滤波器的技术指标，设计合适的数欢迎下载精品学习资源字滤波器，并画出滤波器的频域响应；画出的滤波器的频域响应如图4.4所示；图4.4滤波器的频域响应4 ）用所设计的滤波
18、器对采集的信号进行滤波，在同一个窗口画出滤波前后信号的时域波形和频谱，相应程序如下，利用soundx 回放语音信号，验证设计成效；滤波后的图形分别如图4.5和图 4.6所示；图4.5用高通滤波器滤波后的图形图4.6用带通滤波器滤波后的图形5 分析和体会本文对语音信号处理系统的设计作了具体的介绍，采纳一系列图像分析和处理技术，实现了语音信号的基本处理的功能，经过测试运行，本设计圆满的完成了对语音信号的读取与打开；较好的完成了对语音信号的频谱分析，通过fft变换，得出了语音信号的频谱图；在滤波这一块，欢迎下载精品学习资源课题主要是从数字滤波器入手来设计滤波器，基本实现了滤波，完成了各种滤波器的滤波
19、成效比较，与课题的要求特别相符；本文对语音信号处理系统的设计作了具体的介绍，采纳一系列图像分析和处理技术，实现了语音信号的基本处理的功能，经过测试运行，基本达到预期目的；本设计仍存在很多可以改进的地方以及存在的问题，主要有以下几个方面：（ 1）本程序仅能进行一般应用条件下的语音信号处理，功能比较单一，不能进行复杂的语音信号处理；2该程序由于编写简洁，操作界面较小，对较大物理内存的语音信号文件不能进行处理；（ 3）在设计过程中发觉自己对于编程，仍是存在很大的不足，本设计很多程序都是在查阅有关数字信号编程的书籍之下完成的，自己以后的学习的仍是很多；参考文献 :1 李勇、徐震， MATLAB帮助现代
20、工程数字信号处理，西安电子科技高校出版社.2 高西全、丁玉美，数字信号处理，西安电子科技高校出版社.3 周渊，王炳和，刘斌胜基于MATLAB的噪声信号采集和分析系统的设计M. 噪声掌握 20047 ：52-54 4 朱学芳，徐建平运算机语音信号处理与语音识别系统J 南京邮电学院学报， 1998，185 6 ： 113 115 杨崇林，李雪耀，孙羽强噪声背景下汉语语音端点检测和音节分割J 哈尔滨工程高校学报，1997 185 ：28326 张雄壮，陈量，杨吉斌现代语音处理技术及应用M 北京：机械工业出版社2003欢迎下载精品学习资源clear clc附 录%soundz,Fs,bit；%设%计%
21、巴%特沃斯高通滤波欢迎下载精品学习资源y,Fs,bit=wavread nihao.wav ；%soundy,Fs,bit；n=lengthy；Y=ffty,n；f=0:Fs/n:Fs*n-1/n；%加%正%弦%噪声T=1/Fs；t=0:T:n-1*T；noise=0.5*sin300*2*pi*t；z=y+noise；Z=fftz,n；器fp=600；%通带截止频率fs=400；%阻带截止频率rp=0.1；%通带最大衰减rs=40；%阻带最小衰减wp=2*fp/Fs；ws=2*fs/Fs；%运算数字滤波器设计指标N1,wc=buttordwp,ws,rp,rs；b,a=butterN1,wc
22、,high ；w=0:0.01*pi:pi；欢迎下载精品学习资源h1,w=freqzb,a,w； %运算高通滤波器频率响应h1=20*log10absh1；%用巴特沃斯高通滤波器滤除正弦噪声fp1=600； fp2=800； fs1=400；fs2=1000；rp=0.1；%通带最大衰减rs=40；%阻带最小衰减欢迎下载精品学习资源zl=filterb,a,z；%滤波wp=2*fp1/Fs,2*fp2/Fs；Nzl=lengthzl；%运算滤波后的ws=2*fs1/Fs,2*fs2/Fs；%运算数字长度滤波器设计指标欢迎下载精品学习资源Zl=fftzl,Nzl； %对滤除噪声后的信号进行 DF
23、T变换soundzl,Fs,bit； %回放滤波后的信号%加%高%斯白噪声 g=awgny,80； %给语音信号加上信噪比为80 的高斯白噪声%soundg,Fs,bit； % 回放加噪信号G=fftg,n；%对加噪后的语音信号进行FFT 变换%设%计%巴%特沃斯带通滤波器N2,wc=buttordwp,ws,rp,rs；b,a=butterN2,wc；w=0:0.01*pi:pi； h2,w=freqzb,a,w；h2=20*log10absh2；%用巴特沃斯带通滤波器滤除高斯白噪声gl=filterb,a,g；%soundgl,Fs,bit；Ngl=lengthgl；Gl=fftgl,Ng
24、l；欢迎下载精品学习资源%绘%图%部%分%欢迎下载精品学习资源figure1subplot2,2,1；plott,y； grid；title 原始语音信号时域波形 ；subplot2,2,2；plotabsY； grid；axis0,n/2,-20,250；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度/dB ；title 原始语音信号频谱特性 ；subplot2,2,3；plott,z； grid；title 加正弦噪声语音信号的时域波形 ；figure3subplot211 ； ；plotw,-absh1,axis0,1,-120,20b ；subplot2,2,4；plotabsZ； gri
25、d；axis0,n/2,-20,250；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度/dBtitle 加正弦噪声语音信号的频谱特性figure2subplot2,2,1；plott,y； grid；title 原始语音信号时域波形 ；subplot2,2,2；plotabsY； grid；axis0,n/2,-20,250；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度 /dB ；title 原始语音信号频谱特性 ；subplot2,2,3；plott,g；grid；title 加高斯白噪声语音信号的时域波形 ；subplot2,2,4；plotabsG；grid；axis0,n/2,-20,250
26、；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度 /dB ；title 加高斯白噪声语音信号的频谱特性 ；xlabelomega/pi ； ylabel 幅 度（dBtitle 巴特沃斯高通滤波器频域响应 subplot212plotw,-absh2,b ；axis0,2,-120,20xlabelomega/pi ； ylabel 幅 度（dB欢迎下载精品学习资源title 巴特沃斯带通滤波器频域响应 figure4subplot2,2,1；plott,z； grid；title 加正弦噪声语音信号的波形 ；subplot2,2,2；plotabsZ； grid；figure5subplot2,
27、2,1；plott,g；grid；title 加高斯白噪声语音信号的时域波形 ；subplot2,2,2；plotabsG；grid；axis0,n/2,-20,250；欢迎下载精品学习资源axis0,n/2,-20,250；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度 /dB ；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度axis0,n/2,-20,250；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度 title 加正弦噪声语音信号滤波后的频域形 ； ；title 加高斯白噪声语音信号的频谱特性axis0,n/2,-10,250； ；xlabelf/Hz ；ylabel 幅度 ；波title 加高斯白噪声语音信号滤波后的频域波形 ；title 加正弦噪声语音信号的频域波形 ； ；subplot2,2,3；subplot2,2,3；plott,zl；grid；plott,gl；grid；title 加正弦噪声语音信号滤波后的波形title 加高斯白噪声语音信号滤波后的波形 ； ；subplot2,2,4 plotabsZl；grid；subplot2,2,4 plotabsGl；grid；欢迎下载精品学习资源欢迎下载