现场录音中噪声去除.doc

报告里面可能还有一些细节错误 写的时候注意修改 还有需报告里面可能还有一些细节错误 写的时候注意修改 还有需 要补充的东西我在括号里标注了 自己补充 要补充的东西我在括号里标注了 自己补充 课程设计的名称是 课程设计的名称是 现场录音中噪声去除现场录音中噪声去除 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 I 目 录 一一 课程设计任务课程设计任务 1 1 1 设计目的设计目的 1 1 2 设计要求设计要求 1 二二 课程设计原理及设计方案课程设计原理及设计方案 1 2 1 语音信号的获取语音信号的获取 错误 未定义书签 2 2 语音信号的频谱分析语音信号的频谱分析 错误 未定义书签 2 4 污染信号的频谱分析污染信号的频谱分析 错误 未定义书签 2 5 设计数字滤波器设计数字滤波器 错误 未定义书签 2 5 1 FIR 滤波器 错误 未定义书签 错误 未定义书签 2 5 2 IIR 滤波器 错误 未定义书签 错误 未定义书签 2 6 对污染信号进行滤波对污染信号进行滤波 错误 未定义书签 三三 课程设计的步骤和结果课程设计的步骤和结果 6 3 1 音频信号的采集音频信号的采集 6 3 1 1 打开本地文件 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 2 2 录制音频信号 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 2 滤波器设计滤波器设计 7 3 2 1 设计 fir 滤波器 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 2 2 设计 iir 滤波器 7 3 2 3 四种滤波器的设计程序 四四 课程设计总结课程设计总结 9 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 II 五五 设计体会设计体会 10 六六 参考文献参考文献 11 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 1 一 课程设计任务 1 1 设计目的 本课程设计的目的为 1 1 巩固和加深学生对数字信号处理的基本概念 基本原理 基本分析方法的 理解 要求学生综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计 通过理论推导得出相应结论 2 2 培养学生根据设计题目的要求 综合利用数字信号处理技术的能力 提高 学生综合运用所学知识 解决实际工程技术问题的能力 要求利用 MATLAB 或 LabView 作为编程工具进行计算机实现 加深对所学知识的理解 建立概念 3 3 通过课程设计 培养学生查阅文献 资料 独立解决实际问题的能力 4 4 使学生基本掌握以下内容 a 学会 MATLAB 的使用 掌握其程序设计方法 b 掌握在 Windows 环境下语音信号采集的方法 c 掌握数字信号处理的基本概念 基本理论和基本方法 d 学会用 MATLAB 对信号进行分析和处理 1 2 设计要求 1 自己录制一段正常的声音文件 或者通过菜单选择的方式选择一段正常 声音文件 3 4 显示原始信号的频谱图 5 选择适当的方法对干扰进行去除 比较不同处理方法的效果 6 提高部分 选择实际受干扰信号 对信号进行频谱分析 确定干扰的频 率 根据干扰的特点采用不同的滤波器对信号进行处理 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 2 二 课程设计原理及设计方案 在现场直播节目的录制过程中 经常会由于现场录制工作人员的操作不当 会使MIC中串入交流干扰 从而造成语音信号的采集过程中的噪声干扰 语音 降噪是针对噪声问题的一种有效的处理技术 它的目的就是为了消除噪声的影 响 提高语音清晰度 改善语音的质量 上世纪六十年代起人们就对语音降噪 处理进行了一系列的研究 数字滤波器 快速傅立叶变换等成为语音信号处理 的理论基石 根据傅立叶变换的性质可知 交流 固频 噪声在频域上表现为 窄谱且是离散的 因此我们考虑用数字陷波器来滤除噪声 2 1 语音信号的获取 2 1 1 打开本地文件 在 matlab 平台下 利用 wavread 进行语音采集 得到语音的分辨率 采样 率以频率特性 2 1 2 录制音频 利用 wavrecord 录制一段语音 时间为 5s 左右 通过 wavread 函数读取波 形文件 得到语音的分辨率 采样率以及包含语音数据的一维数组 2 2 语音信号的频谱分析 画出语音信号的时域波形 利用函数 fft 对信号进行快速傅里叶变换 得 到信号的频谱特性 2 3 根据分析结果选择相应的滤波器 一共设计了 4 种滤波器分别是高通 低通 带通 带阻 根据语音信号 的频谱选择合适的滤波器滤波 2 4 设计数字滤波器 数字陷波陷波器是指当带阻滤波器的阻带变得很窄时候的一种特殊滤波 器 它能够滤除信号中特定的一个或几个干扰频率成分 而使得有用的频率成 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 3 分不受影响或衰减损伤最小化 因此在设计陷波滤波器时 陷波频率点应该与 干扰频率点接近并保证陷波频率点处的衰减值足够大以实现对干扰频率的干净 陷波和对有用频率成分的最大保护 数字滤波器从功能上分类 可分为低通 高通 带通 带阻滤波器 根据 数字滤波器单脉冲响应的时域特性可将数字滤波器分为两种 即 IIR 无限长脉 冲响应数字滤波器和 FIR 有限长脉冲响应数字滤波器 其中 FIR 具有突出的优 点是系统总是稳定的 非递归的 易于实现严格的线性相位 允许设计多通带 或多阻带 滤波器 因此 它在高保真的信号处理 如数字音频 图像处理 数据传输 生物医学等领域得到广泛应用 但与 IIR DF 相比 在满足同样的阻 带衰减的情况下需要较高的阶数 滤波器阶数越高将占用更多的计算机运行时 间 2 5 1 FIR 滤波器 FIR DF 的冲激响应 h k 是有限长的 M 阶 F IR DF 系统函数可表示为 设计方法主要有窗函数法 频率采样法和等波纹最佳逼近法等 FIR 窗函数法的思想是一般是先给定所要求的滤波器的频率响应 Hd ejw 要求设计一个 FIR 滤波器的频率响应 H ejw 来逼近 Hd ejw 设计是在时域 进行的 首先由傅立叶变换导出 hd n 因此 hd n 一定是无限长的序列 而 h n 是有限长的 即要用有限长的 h n 来逼近无限长的 hd n 最有效的方 法是截断 hd n 或者说用一个有限长的窗口函数 w n 来截取 hd n 即 h n hd n w n 因而窗函数的形状及长度的选择就很关键了 在 MATLAB 中常用的窗函数有矩形窗 Hanning 窗 Hamming 窗 Blackman 窗 Kaiser 窗等 2 5 2 IIR 滤波器 IIR 滤波器一般采用递归型的结构 传输函数为 根据设计理论 在 MATLAB 环境下设计 IIR 数字滤波器主要有四种方法 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 4 一是典型设计法 二是完全设计法 三是最优设计法 四是工具设计法 IIR 滤波器设计思想是 利用已有的模拟滤波器设计理论 首先根据设计 指标设计一个合适的模拟滤波器 然后再通过脉冲响应不变法或双线性变换法 完成从模拟到数字的变换 常用的模拟滤波器有巴特沃斯 Butterworth 滤波器 切比雪夫 Chebyshev 滤波器 椭圆 Ellipse 滤波器 贝塞尔 Bessel 滤波器等 这些滤波器各有特点 供不同设计要求选用 IIR 数字陷波器具有如下几个特点 1 IIR 数字陷波器冲激响应是无限长的 2 IIR 数字陷波器的系统函数在有限 Z 平面上存在极点 3 IIR 数字陷波器在结构上是递归的 这表示在结构上存在输出到输 入反馈 IIR 数字陷波器相对与 FIR 数字陷波器来说更容易实现 在相同条件下 设计 IIR 数字陷波器所需要的参数比设计 FIR 数字陷波器所需要的参数更少 而又由于完全设计法程序简单 我们在这里利用完全设计法设计 IIR 数字陷波 器 利用 IIR 数字陷波器将带噪信号中的固频噪声成分进行滤波处理 从而 达到语音降噪的目的 2 6 对污染信号进行滤波 比较滤波器的性能 然后对语音信号滤波 FIR 滤波器利用函数 filter 对信 号进行滤波 IIR 滤波器利用函数 filter 对信号进行滤波 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 5 三 课程设计的步骤和结果 3 1 音频信号的采集 3 1 1 打开本地文件 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 6 3 1 2 录制音频信号 3 2 滤波器设计 3 2 1 设计 fir 滤波器 错误 未定义书签 错误 未定义书签 设计步骤见课本 自己补充 3 2 2 设计 iir 滤波器 设计步骤见课本 自己补充 3 2 3 四种滤波器的设计程序 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 7 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 8 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 9 3 3 滤波器滤波 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 10 根据原始声音的频谱图 仅通过低通滤波器来达到滤波效果 3 4 处理结果 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 11 00 511 522 533 54 x 10 5 1 0 5 0 0 5 1 信 信 信 信 信 信 Y X 01234567 x 10 4 1000 0 1000 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 Y X 01234567 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 Y X 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 12 0123456789 0 5 0 0 5 信 信 信 信 信 信 信 信 X Y 05001000150020002500 0 500 1000 1500 2000 信 信 信 信 信 信 信 X Y 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 13 四 课程设计总结 本次课程设计要求我们根据设计题目的要求 综合运用数字信号处理的理 论知识进行频谱分析和滤波器设计 并通过理论推导得出相应结论 最终达到 巩固和加深我们对数字信号处理的基本概念 基本原理 基本分析方法的理解 提高运用所学知识 解决实际工程技术问题的能力的目的 在本次的课程设计中 我的课题名称是现场录音中语音信号的干扰去除 主要任务可分为二部分 语音采集 噪声滤除 语音采集部分采用了两种方法 录制音频 wavrecord 和使用本地文件 wavread 这部分的难点是采样频率的选择和读取 因为这同样关乎到以后程 序中的播放问题 噪声干扰部分本来是考虑出了固频交流噪声 要多加几种噪声 丰富程序 内容 噪声程序很简单 但是这直接导致了后来滤波器设计的难度 因为固频 交流噪声的滤除需要陷波滤波器 而高斯白噪声则需要带通滤波器 随机噪声 又需要具体问题具体分析 所以最后只考虑了最基本的交流信号 噪声滤除部分是本次课题的重点及难点 滤波器的实现由于 matlab 的强大 的函数功能 并不是很难 其中最令人头疼的是如何恰当的选取滤波器参数 从而实现滤波器的最佳设计 这其中 碰到诸多问题 陷波滤波器的中心频率 不等于噪声中心频率 查找后发现采样频率应该大于等于二倍的信号最高频率 而之前程序确实令它们两个相等 还有 w 和 f 之间的换算也势必需要注意的 最好是归一化一下 免得在加 pi 和减 pi 之间徘徊不定 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 14 五 设计体会 通过本次课程设计 本人不仅对 matlab 的使用有了更进一步的了解和掌握 而且对其强大的信号处理功能有了更深的认识 当然 对数字信号处理的设计 原理和方法也有了更深刻的体会和认识 巩固了所学知识 加强了对知识的理 解 由于课程设计是一个需要理论联系实际 把所学的理论基础借助相关软件 实现具体功能的过程 要求我们先构思再动手 且要查阅参考大量的文献资料 这整个过程都要求我们学习的积极性和主动性 在本次的课程设计中 我的课题名称是现场录音中语音信号的干扰去除 根据设计任务要求 查阅文献 资料 对噪声的去除有了初步的认识 并且了 解了各个工作原理 确定设计方向及对设计流程有了整体的认识 编程实现任 务 是设计的重点 编程几乎是边设计边发现问题边修改 整个设计过程就是 思路 查资料 编程 问题 查资料 新思路 编程 新问题的不断重复上映 总是会有 山重水复疑无路 柳暗花明又一村 的 感觉 同时也加强了同学们的团队协作意识 虽然是独立设计任务 但是相关的 问题讨论和资源共享也让我们对团队有了新的感触 总之 通过本次设计 不仅强调了理论学习的重要性 那是一切实践的基 础 更强调了理论联系实际的重要性 作为祖国未来的工程师 我们必须确保 自己学以致用的能力 哈尔滨工业大学 威海 课程设计报告 15 六 参考文献 1 万永革 数字信号处理的 MATLAB 实现 科学出版社 2007 667 718 2 邓利娜 语音降噪技术的研究与实现 电子科技大学 2011 04 01 硕士论 文 3 赵淑清 李绍斌 信号与系统 哈尔滨工业大学出版社 2007 9 71 95 4 付丽琴 桂志国 数字信号处理原理及实现 国防工业出版社 2004 228 265 哈尔