基于MATLAB语音信号处理去噪毕业设计含源文件

I在 Matlab 平台上实现对语音信号的去噪研究和仿真摘要语音信号在数字信号处理中占有极其重要的地位，因此选择通过对语音信号的研究来巩固和掌握数字信号处理的基本能力十分具有代表性。对数字信号处理离不开滤波器，因此滤波器的设计在信号处理中占有极其重要的地位。而MATLAB 软件工具箱提供了对各种数字滤波器的设计。本论文 “在 MATLAB平台上实现对语音信号的去噪研究与仿真”综合运用了数字信号处理的各种基本知识，进而对不带噪语音信号进行谱分析以及带噪语音信号进行谱分析和滤波处理。通过理论推导得出相应的结论，再通过利用 MATLAB 作为编程工具来进行计算机实现比价已验证推导出来的结论。在设计过程中，通过设计 FIR数字滤波器和 IIR 数字滤波器来完成滤波处理。在设计过程中，运用了MATLAB 对整个设计中的图形的绘制和一些数据的计算以及仿真。关键字 滤波器；MATLAB；仿真；滤波IISpeech signle denoising and simulation in MATLAB platformABSTRACTDigital signal processing can not be separated from the filter, the filter design occupies an extremely important role in signal processing. The MATLAB software toolbox provides a variety of digital filter design. The subject of the use of basic knowledge of digital signal processing, speech signal and the noisy speech signal specctral snalysis and filtering,By the theoretical derivation of the corresponding conclusions, then to the computer through the use of MATLAB as a programming tool To achieve parity to verify the conclusions derived. In the design process, using the windoow function design FIR digital filter,IIR digital filter using cut design than Chebyshev, Butterworth and bilinear variation method. In the design process,the use of computer and simulation of MATLAB the entire design, graphics rendering,and some date.Key words filter；MATLAB；simulation；filteringIII目录摘要 .IABSTRACT.II第 1 章 前言 .11.1 研究的意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 研究的内容 .2第 2 章 语音信号去噪方法的研究 .42.2 去噪的原理 .42.2.1 采样定理 .42.2.2 采样频率 .52.2 去噪的方法 .5FIR 滤 波 器 基 本 结 构 ： .7IIR 数 字 滤 波 器 的 设 计 .8第 3 章 滤波器的设计及实现 .103.1 数字滤波器设计的基本原理 .103.3 IIR 数字滤波器的设计及实现 .13第四章 去噪及仿真的研究 .164.1 语音文件在 MATLAB 平台上的录入与打开 .164.2 原始语音信号频谱分析及仿真 .164.3 加噪语音信号频谱分析及仿真 .20(1)正弦波信号加入原始语音信号 .204.4 去噪及仿真 .244.5 结合去噪后的频谱图对比两种方式滤波的优缺点 .25总结 .27致谢 .28参考文献 .291第 1 章 前言1.1 研究的意义语 音 是 语 言 的 声 学 表 现 ， 是 人 类 交 流 信 息 最 自 然 、 最 有 效 、 最 方 便 的手 段 。 随 着 社 会 文 化 的 进 步 和 科 学 技 术 的 发 展 ， 人 类 开 始 进 入 了 信 息 化 时代 ， 用 现 代 手 段 研 究 语 音 处 理 技 术 ， 使 人 们 能 更 加 有 效 地 产 生 、 传 输 、 存储 、 和 获 取 语 音 信 息 ， 这 对 于 促 进 社 会 的 发 展 具 有 十 分 重 要 的 意 义 ， 因 此 ，语 音 信 号 处 理 正 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 和 广 泛 的 研 究 。语 音 信 号 是 信 息 技 术 处 理 中 最 重 要 的 一 门 科 学 ， 是 人 类 社 会 几 步 的 标志 。 那 么 什 么 是 语 音 ？ 语 音 是 人 类 特 有 的 功 能 ， 也 是 人 类 获 取 外 界 信 息 的重 要 工 具 ， 也 是 人 与 人 交 流 必 不 可 少 的 重 要 手 段 。 那 么 什 么 又 是 信 号 ？ 那信 号 是 什 么 呢 ？ 信 号 是 传 递 信 息 的 函 数 。 离 散 时 间 信 号 序 列 可 以用 图 形 来 表 示 。语音信号处理是一门用研究数字信号处理研究信号的科学。它是一新兴的信息科学，同时又是综合多个学科领域的一门交叉科学。语音在我们的日常生活中随时可见，也随处可见，语音很大程度上可以影响我们的生活。所以研究语音信号无论是在科学领域上还是日常生活中都有其广泛而重要的意义。1.2 国内外研究现状20 世纪 60 年代中期形成的一系列数字信号处理的理论和算法，如数字滤波器、快速傅立叶变换（FFT）等是语音信号数字处理的理论和技术基础。随着信息科学技术的飞速发展，语音信号处理取得了重大的进展：进入 70年代之后，提出了用于语音信号的信息压缩和特征提取的线性预测技术（LPC） ，并已成为语音信号处理最强有力的工具，广泛应用于语音信号的分析、合成及各个应用领域，以及用于输入语音与参考样本之间，时间匹配的动态规划方法；80 年代初一种新的基于聚类分析的高效数据压缩技术矢量2量化（VQ）应用于语音信号处理中；而用隐马尔可夫模型（HMM）描述语音信号过程的产生是 80 年代语音信号处理技术的重大发展，目前 HMM 已构成了现代语音识别研究的重要基石。近年来人工神经网络(ANN)的研究取得了迅速发展，语音信号处理的各项课题是促进其发展的重要动力之一，他的各项成果也体现在语音信号处理的各项技术之中。1.3 研究的内容本论文主要介绍的是的语音信号的简单处理。本论文针对以上问题，运用数字信号学基本原理实现语音信号的处理，在 matlab7.0 环境下综合运用信号提取，幅频变换以及傅里叶变换、滤波等技术来进行语音信号处理。我所做的工作就是在 matlab7.0 软件上编写一个处理语音信号的程序，能对语音信号进行采集，并对其进行各种处理，达到简单语音信号处理的目的。对语音信号的研究，本论文采用了设计两种滤波器的基本研究方法来达到研究语音信号去噪的目的，最终结合图像以及对语音信号的回放，通过对比，得出结论。本课题的研究基本步骤如下：1. 语音信号的录制。2. 在 MATLAB 平台上读入语音信号。3. 绘制频谱图并回放原始语音信号。4. 利用 MATLAB 编程加入一段正弦波噪音，设计滤波器去噪。5. 利用 MATLAB 编程加入一段随机噪音信号，设计 FIR 和 IIR 滤波器去噪，并分别绘制频谱图、回放语音信号。6 通过仿真后的图像以及对语音信号的回放，对比两种去噪方式的优缺点。其大概流程框图可如下表示：（图 1-1）3语音信号采集效果显示、对比语音信号录入 语音信号变换 信号加噪 语音信号滤波图 1-1 论文设计的流程4第 2 章 语音信号去噪方法的研究2.2 去噪的原理2.2.1 采样定理在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率 fs.max 大于信号中，最高频率 fmax 的 2 倍时，即： fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 510 倍；采样定理又称奈奎斯特定理。 1924 年奈奎斯特(Nyquist)就推导出在理想低通信道的最高大码元传输速率的公式: 理想低通信道的最高大码元传输速率=2W*log2 N (其中 W 是理想低通信道的带宽,N 是电平强度 )为什么把采样频率设为 8kHz?在数字通信中，根据采样定理, 最小采样频率为语音信号最高频率的 2 倍频 带 为 F 的 连 续 信 号 f(t)可 用 一 系 列 离 散 的 采 样 值 f(t1),f(t1 t)，f(t12 t)， .来 表 示 ,只要这些采样点的时间间隔 t 1/2F， 便 可 根 据 各 采样 值 完 全 恢 复 原 来 的 信 号 f(t)。 这 是 时 域 采 样 定 理 的 一 种 表 述 方 式 。 时 域 采 样 定 理 的 另 一 种 表 述 方 式 是 ： 当 时 间 信 号 函 数 f(t)的 最 高 频 率 分 量 为fM 时 ,f(t)的 值 可 由 一 系 列 采 样 间 隔 小 于 或 等 于 1/2fM 的 采 样 值 来 确 定 ,即 采样 点 的 重 复 频 率 f 2fM。 图 为 模 拟 信 号 和 采 样 样 本 的 示 意 图 。 时 域 采 样 定 理 是 采 样 误 差 理 论 、 随 机 变 量 采 样 理 论 和 多 变 量 采 样 理 论 的基 础 。 对 于 时 间 上 受 限 制 的 连 续 信 号 f(t)（ 即 当 t T 时 ,f(t)=0,这 里T=T2-T1 是 信 号 的 持 续 时 间 ） ， 若 其 频 谱 为 F（ ） ,则 可 在 频 域 上 用 一 系 列离 散 的 采 样 值 （ 2-1）采 样 值 来 表 示 ,只 要 这 些 采 样 点 的 频 率 间 隔 5（ 2-2）。2.2.2 采样频率采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音调，衡量声卡、声音文件的质量标准。采 样 频 率 只 能 用 于 周 期 性 采 样 的 采 样 器 ， 对 于 非 周 期 性 采 样 的 采 样 器 没 有 规则 限 制 。 采 样 频 率 的 常 用 的 表 示 符 号 是 fs。 通 俗 的 讲 采 样 频 率 是 指 计 算机 每 秒 钟 采 集 多 少 个 声 音 样 本 ， 是 描 述 声 音 文 件 的 音 质 、 音 调 ， 衡 量 声 卡 、声 音 文 件 的 质 量 标 准 。 采 样 频 率 越 高 ， 即 采 样 的 间 隔 时 间 越 短 ， 则 在 单 位 时间 内 计 算 机 得 到 的 声 音 样 本 数 据 就 越 多 ， 对 声 音 波 形 的 表 示 也 越 精 确 。 采 样频 率 与 声 音 频 率 之 间 有 一 定 的 关 系 ， 根 据 采 样 定 理 ， 只 有 采 样 频 率 高 于 声 音信 号 最 高 频 率 的 两 倍 时 ， 才 能 把 数 字 信 号 表 示 的 声 音 还 原 成 为 原 来 的 声 音 。这 就 是 说 采 样 频 率 是 衡 量 声 卡 采 集 、 记 录 和 还 原 声 音 文 件 的 质 量 标 准 。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 选 择音 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 决 定了 音 频 数 据 最 大 的 力 度 范 围 。 每 增 加 一 个 采 样 位 数 相 当 于 力 度 范 围 增 加 了6dB。 采 样 位 数 越 多 则 捕 捉 到 的 信 号 越 精 确 。 对 于 采 样 率 来 说 你 可 以 想 象 它类 似 于 一 个 照 相 机 ， 44.1kHz 意 味 着 音 频 流 进 入 计 算 机 时 计 算 机 每 秒 会 对 其拍 照 达 441000 次 。 显 然 采 样 率 越 高 ， 计 算 机 摄 取 的 图 片 越 多 ， 对 于 原 始 音频 的 还 原 也 越 加 精 确2.2 去噪的方法数字信号处理技术经过几十年的发展，在国内外已经取得了很大的成绩。6到目前为止，已经比较成熟的去噪方法比较典型的有切比雪夫去噪法、双线性变换去噪法、窗函数去噪法、谱相减去噪法、巴特沃兹去噪法等有名的去噪方法。下面分别对上述去噪方法中比较有代表性的谱相减去噪法和 FIR 以及 IIR滤波法做一个简单的介绍。（1）谱相减算法去噪法在我们的日常交流和语音通信系统中，加性宽带噪声严重影响了语音质量和可懂度。从带噪语音中提取原始语音信号的方法很多，在单信道条件下，谱相减算法以其运算量小、原理简单、易于实现并且有不错的增强效果而得到了广泛的应用。谱相减语音增强算法的核心是噪声检测和谱减规则。在分析了语音增强算法理论的基础上，本文首先研究了语音激活检测算法。对基于短时能量和短时过零率双门限法语音激活检测的噪声估计算法做了研究及仿真，同时还研究了一种基于最小子带能量的噪声估计方法。然后，通过分析经典谱减法的原理及其一般改进形式，研究了一种基于噪声残差的谱相减改进算法和一种可以不以噪声是零均值的高斯分布为前提的谱减法改进算法。最后通过大量的仿真实验，验证了所研究的几种改进算法都能有效地提高增强效果。 由于谱相减算法去噪比较复杂，我们在这里就不多做讨论，并且本论文也不采用此种方法。下面着重讲解本论文采用的两种方法。（2）FIR 滤波法FIR 工作原理：在进入 FIR 滤波器前，首先要将信号通过 A/D 器件进行模数转换，使之成为 8bit 的数字信号，一般可用速度较高的逐次逼进式 A/D 转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计 FIR 滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换，因此由 FPGA构成的 FIR 滤波器的输出须外接 D/A 模块。FPGA 有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用 DSP 芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用 FPGA 乘累加的快速算法，可以设计出高速的 FIR 数字滤波器。FIR 的 特 点 ：有 限 长 单 位 冲 激 响 应 （ FIR） 滤 波 器 有 以 下 特 点 ： A 位 冲 激 响 应 h (n)在 有 限 个 n 值 处 不 为 零 7B 系 统 函 数 0 处 收 敛 ， 极 点 全 部 在 z = 0 处C 结 构 上 主 要 是 非 递 归 结 构 ， 没 有 输 出 到 输 入 的 反 馈 ， 但 有 些 结 构 中 （ 例 如频 率 抽 样 结 构 ） 也 包 含 有 反 馈 的 递 归 部 分 。 设 FIR 滤 波 器 的 单 位 冲 激 响 应 h (n)为 一 个 N 点 序 列 ， 0 n N 1， 则 滤 波器 的 系 统 函 数 为 H(z)=h(n)*z-n （ 2-3）就 是 说 ， 它 有 （ N1） 阶 极 点 在 z = 0 处 ， 有 （ N1） 个 零 点 位 于 有 限z 平 面 的 任 何 位 置 。FIR 滤 波 器 基 本 结 构 ：FIR 滤波器有以下几种基本结构： 横 截 型式 的 系