課程設(shè)計--語音信號濾波去噪使用bohman窗設(shè)計的頻率采樣型fir濾波器

1、<p><b>　　語音信號濾波去噪</b></p><p>　　——使用BOHMAN窗設(shè)計的頻率采樣型FIR濾波器</p><p>　　學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師：</p><p>　　摘 要 本課程設(shè)計主要內(nèi)容是，利用窗口設(shè)計法設(shè)計頻率采樣型FIR濾波器并對加噪語音信號進(jìn)行濾波去噪處理。仿真平臺為MATLAB7.0，開發(fā)工具是M語

2、言編程。在課程設(shè)計中，首先利用Windows下的錄音機(jī)工具錄制一段格式為.wav的語音信號，然后在MATLAB中對語音信號進(jìn)行加噪，并繪制原始語音信號和加噪語音信號的時域和頻域波形，進(jìn)行頻譜分析以確定所加噪聲頻率，再利用Bohman窗設(shè)計FIR濾波器，并檢測是否達(dá)到指標(biāo)，最后使用濾波器對信號進(jìn)行濾波去噪處理，并通過對比原始信號，加噪信號，濾波去噪信號的時域和頻域波形，或回放語音信號，檢測是否設(shè)計成功。通過程序調(diào)試及完善，本課程設(shè)計濾波后

3、的語音信號與原始語音信號基本一致，即設(shè)計的濾波器能夠從含噪信號中濾除單頻噪聲，還原原始信號，達(dá)到了設(shè)計目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞 課程設(shè)計；濾波去噪；FIR濾波器；BOHMAN窗；MATLAB</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　本課程設(shè)計主要解決在含噪情況下如何對語音信號進(jìn)行濾波去噪處理。設(shè)計采用B

4、OHMAN窗設(shè)計的頻率采樣型FIR濾波器對一段含噪語音信號進(jìn)行濾波去噪處理。數(shù)字濾波器是一種用來過濾時間離散信號的數(shù)字系統(tǒng)，它是通過對抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數(shù)字信號處理的目的是對真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號進(jìn)行測量或?yàn)V波。隨著現(xiàn)代通信的數(shù)字化，數(shù)字濾波器變得更加重要。數(shù)字濾波器的種類很多，但總的來說可以分成兩大類，一類是經(jīng)典濾波器，另一類可稱為現(xiàn)代濾波器。從濾波特性方面考慮，數(shù)字

5、濾波器可分為數(shù)字高通、數(shù)字低通、數(shù)字帶通和數(shù)字帯阻等濾波器。從實(shí)現(xiàn)方法上考慮，將濾波器分成兩種，一種稱為無限脈沖響應(yīng)濾波器，簡稱IIR濾波器，另一種為FIR濾波器。設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的方法有窗口設(shè)計法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。[1]</p><p>　　1.1 課程設(shè)計目的</p><p>　　數(shù)字信號處理課程設(shè)計是數(shù)字信號處理課程的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是通信工程一次較全面的工程師能

6、力訓(xùn)練。</p><p>　　(1)通過課程設(shè)計，加深對數(shù)字信號處理理論方面的認(rèn)識；</p><p>　　(2)熟悉MALTAB工具軟件的運(yùn)用，學(xué)會用計算機(jī)采集語音信號，以及對語音信號進(jìn)行時域和頻域的分析；</p><p>　　(3)掌握數(shù)字信號處理中FIR濾波器的設(shè)計方法和步驟；</p><p>　　(4)掌握使用MATLAB對信號分析和處

7、理的方法；</p><p>　　(5)提高實(shí)際運(yùn)用、綜合運(yùn)用能力以及分析問題、解決問題能力；培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)和辯證思維能力。</p><p>　　1.2 課程設(shè)計的要求</p><p>　　(1)濾波器指標(biāo)必須符合工程實(shí)際。</p><p>　　(2)設(shè)計完后應(yīng)檢查其頻率響應(yīng)曲線是否滿足指標(biāo)。</

8、p><p>　　(3)處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。</p><p>　　(4)獨(dú)立完成課程設(shè)計并按要求編寫課程設(shè)計報告書。</p><p><b>　　1.3 設(shè)計平臺</b></p><p>　　本課程設(shè)計使用的設(shè)計平臺為MATLAB7.0。</p><p>　　MATLAB是美國M

9、athWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)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(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。M

10、ATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用其他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(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了

11、對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組A</p><p><b>　　2 設(shè)計原理</b></p><p>　　2.1 FIR濾波器</p><p>　　FIR(Finite Impulse Response)濾波器：有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在

12、保證任意幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　FIR濾波器相對于IIR濾波器具有易實(shí)現(xiàn)線性相位，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，允許設(shè)計多通帶（或多阻帶）濾波器的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)IR濾波器主要有4種結(jié)構(gòu)，直接型，級聯(lián)型，線性相位型，頻率采樣型，與IIR結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)是相對簡單的。FIR系統(tǒng)濾波器

13、的缺點(diǎn)在于它的性能不如同樣階數(shù)的IIR濾波器，不過由于數(shù)字計算硬件的飛速發(fā)展，這一點(diǎn)已經(jīng)不成為問題。再加上引入計算機(jī)輔助設(shè)計，F(xiàn)IR濾波器的設(shè)計也得到極大的簡化。[3] FIR濾波器的設(shè)計方法有多種，如窗口設(shè)計法，頻率采樣法，最優(yōu)等波紋設(shè)計法等。隨著MATLAB軟件尤其是MATLAB的信號處理箱工具的不斷完善，不僅數(shù)字濾波器的計算機(jī)輔助設(shè)計有了可能，而且還可以使設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化。</p><p>　　有限長單位沖激

14、響應(yīng)（FIR）濾波器有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1) 系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h (n)在有限個n值處不為零</p><p>　　(2) 系統(tǒng)函數(shù)H(z)在|z|>0處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)）</p><p>　　(3) 結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，但有些結(jié)構(gòu)中（例如頻率抽樣結(jié)構(gòu)）也包含有反饋的遞歸部分。</p>

15、<p>　　設(shè)FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)h (n)為一個N點(diǎn)序列，0 ≤ n ≤N —1，則濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為</p><p>　　H(z)=∑h(n)*z-n (2-1)

16、 </p><p>　　就是說，它有（N—1）階極點(diǎn)在z = 0處，有（N—1）個零點(diǎn)位于有限z平面的任何位置。</p><p>　　FIR濾波器的設(shè)計分三步完成：</p><p>　　(1)技術(shù)要求：在設(shè)計濾波器之前，必須要有某些技術(shù)要求。這些技術(shù)要求是由用途決定的。</p><p>　　(2)近似：一旦技術(shù)要求確定之后，就要用

17、已學(xué)過的各種概念和數(shù)學(xué)提供一種濾波器的表述，它接近于所給出的一組技術(shù)要求。這一步是屬于濾波器設(shè)計的范疇。</p><p>　　(3)實(shí)現(xiàn)：上面一步的結(jié)果是一個濾波器的表述，它可能是一個差分方程的形式，或者是某一系統(tǒng)函數(shù)H(z)，或者是某一脈沖響應(yīng)h(n)。依據(jù)這個表述要用硬件實(shí)現(xiàn)這個濾波器，或者在一臺計算機(jī)上通過軟件實(shí)現(xiàn)。[4]</p><p><b>　　2.2 窗口設(shè)計法&l

18、t;/b></p><p>　　窗口設(shè)計的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器（這種濾波器總是有一個非因果，無限長的脈沖響應(yīng)），然后將它的脈沖響應(yīng)截斷（或加窗）以得到一個線性相位和因果的FIR濾波器。因此，這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種恰當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)和一種適合的理想濾波器?，F(xiàn)在用Hd(ejw)代表一理想頻率選擇性濾波器，它在整個通帶內(nèi)有單位幅度增益和線性相位特性，而阻帶內(nèi)具有零響應(yīng)。</p>

19、;<p>　　一理想帶寬為wc<π的LPF由下式給出為</p><p>　　1e-jw , |w|≤wc</p><p>　　Hd(ejw)= (2-2)</p><p>　　0 , wc<|w|≤ π </p><p>　

20、　其中wc 也稱為截止頻率，α稱為樣本延遲（注意，根據(jù)DTFT性質(zhì)，e-jαw意味者在正n方向的位移或延遲）。這個濾波器的脈沖響應(yīng)具有無限長，對Hd(ejw)做傅里葉變換獲得理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)hd(n)。注意hd(n)是關(guān)于α對稱的，這一點(diǎn)對線性相位FIR濾波器來說是有用的。</p><p>　　為了從hd(n)得到一個FIR濾波器必須在hd(n)兩邊將它截斷。為了得到一個長度為M的因果且線性相位FIR濾波

21、器h(n)，就必須有</p><p>　　hd(n) , 0≤n≤M-1</p><p>　　h(n)= 和α= (2-3)</p><p>　　0 , 其余n </p><p>　　這種運(yùn)算稱為“加窗”。一般來說，h(n)可當(dāng)作是由hd(n)和某一窗函

22、數(shù)w(n)相乘而得到的。</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　在0≤n≤M-1內(nèi)關(guān)于α的某個對稱函數(shù)</p><p>　　w(n)= (2-4)</p><p><b>　　0 </b

23、></p><p>　　根據(jù)如何定義上面的w(n)，可以得到不同的窗函數(shù)設(shè)計。[5]</p><p>　　用窗口設(shè)計法設(shè)計FIR濾波器的主要設(shè)計步驟為：</p><p>　　(1)對Hd(ejw)做傅里葉變換獲得理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)hd(n)。</p><p>　　hd(n)=

24、(2-5)</p><p>　　(2)由性能指標(biāo)確定窗函數(shù)w(n)和窗口長度N。</p><p>　　(3)求得實(shí)際濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)。 </p><p>　　h(n)=hd(n)w(n) (2-6)</p><p>　　窗口設(shè)計法的基本思想：對于給定的濾波器技術(shù)要求，選

25、擇濾波器長度M和具有最窄主瓣寬度和盡可能最小的旁瓣衰減的某個窗函數(shù)w(n)。窗函數(shù)頻譜中的主瓣寬度較窄，獲得的過渡帶較陡；旁瓣衰減越大，阻帶的衰減越快。</p><p>　　表2-1 常見窗函數(shù)性能小結(jié)</p><p>　　過渡帶寬Δw </p><p>　　窗函數(shù)名

26、 最小阻帶衰減</p><p>　　近似值 準(zhǔn)確值 </p><p>　　矩形 21dB</p><p>　　Bartlett 25dB</p><

27、p>　　Hanning 44dB</p><p>　　Hamming 53dB</p><p>　　Blackman 74dB</p><p&g

28、t;　　2.3 BOHMAN窗</p><p>　　本課程設(shè)采用BOHMAN窗，通過查閱資料和實(shí)際調(diào)試，BOHMAN窗的過渡帶寬定為，最小阻帶衰減為51.5dB。</p><p>　　當(dāng)運(yùn)用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時間片段進(jìn)行分析。做法是從信號中截取一個時間片段，然后用觀察的信號時間片段進(jìn)行周期延拓處理，得到虛擬的無限長的信號，然后就

29、可以對信號進(jìn)行傅里葉變換、相關(guān)分析等數(shù)學(xué)處理。無線長的信號被截斷以后，其頻譜發(fā)生了畸變，原來集中在f(0)處的能量被分散到兩個較寬的頻帶中去了（這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏）。[6]</p><p>　　Bohman窗對應(yīng)的Bohmanwin函數(shù)定義源程序如下：</p><p>　　function w = bohmanwin(n)</p><p>　　error(n

30、argchk(1,1,nargin));</p><p>　　[n,w,trivialwin] = check_order(n);</p><p>　　if trivialwin, return, end;</p><p>　　q = abs(linspace(-1,1,n));</p><p>　　w = [ 0; ((1-q(2:end-

31、1)).*cos(pi*q(2:end-1))+(1/pi)*sin(pi*q(2:end-1)))'; 0];</p><p>　　當(dāng)n=64時，Bohman窗如圖2-1所示。

32、 </p><p>　　圖2-1 Bohwin窗</p><p><b>　　3 設(shè)計步驟</b></p><p&g

33、t;<b>　　3.1 設(shè)計流程圖</b></p><p>　　語音信號濾波去噪——使用BOHMAN窗設(shè)計的頻率采樣型FIR濾波器的設(shè)計流程圖如圖3-1所示。</p><p><b>　　開始</b></p><p>　　錄制一段格式為.wav的語音信號</p><p>　　利用函數(shù)wavread對

34、語音信號進(jìn)行采樣</p><p><b>　　對語音信號進(jìn)行加噪</b></p><p>　　繪制加噪前后語音信號的時域和頻域波形</p><p>　　使用BOHMAN窗設(shè)計FIR濾波器</p><p>　　繪制濾波器的頻率響應(yīng)</p><p>　　用濾波器對信號進(jìn)行濾波</p>&

35、lt;p>　　比較原始語音信號和濾波前后語音信號的波形及頻譜</p><p><b>　　回放語音信號</b></p><p>　　計算頻率采樣型FIR濾波器系數(shù)</p><p>　　繪制頻率采樣型FIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖并填好系數(shù)</p><p><b>　　結(jié)束</b></p>

36、<p>　　圖3-1 設(shè)計流程圖</p><p>　　3.2 錄制語音信號</p><p>　　通過點(diǎn)擊開始/程序/附件/娛樂/錄音機(jī)，打開Windows下的錄音機(jī)工具，如圖3.2所示，然后錄制語音信號“大家好，我是***”，時間在2-3 s左右。點(diǎn)擊文件/另存為，將文件名命名為yuyin.wav，并保存。然后在Matlab軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣，記

37、住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。采集完成后在信號中加入一個頻率為9000Hz的單頻噪聲。</p><p><b>　　圖3-2 錄音機(jī)</b></p><p>　　為了使后面濾波器的設(shè)計更精確，可對語音信號進(jìn)行一些調(diào)整。</p><p>　　首先通過錄音機(jī)打開語音信號，點(diǎn)擊文件/屬性，如圖3-3所示。再點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入聲音選定窗口，并將屬性改為22.050k

38、Hz，如圖3-4所示，點(diǎn)擊確定并保存調(diào)整后的語音信號。</p><p><b>　　圖3-3 聲音屬性</b></p><p><b>　　圖3-4 聲音選定</b></p><p><b>　　對應(yīng)程序如下：</b></p><p>　　>> [x,fs,bits

39、]=wavread('F:\yuyin.wav'); % 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個參數(shù)是每個樣本的值，fs是生成該波形文件時的采樣率，bits是波形文件每樣本的編碼位數(shù)。</p><p>　　>> sound(x,fs,bits); % 按指定的采樣率和每樣本編碼位數(shù)回放</p><p>　　>> N=length(x);

40、 % 計算信號x的長度</p><p>　　>> fn=9000; % 單頻噪聲頻率，此參數(shù)可改</p><p>　　>> t=0:1/fs:(N-1)/fs; % 計算時間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率</p><p>　　>> x=x(:,1)'; % 將雙聲道轉(zhuǎn)為單聲道</p><p>

41、;　　>> y=x+0.1*sin(fn*2*pi*t); % 加噪聲</p><p>　　>> sound(y,fs,bits); % 應(yīng)該可以明顯聽出有尖銳的單頻嘯叫聲</p><p>　　>> fs % 輸出采樣頻率</p><p>　　輸出fs=22050Hz大于被采樣信號頻率的兩倍，采樣之后的數(shù)字信號完整

42、地保留了原始信號中的信息。</p><p>　　然后對語音號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性。</p><p><b>　　對應(yīng)程序如下：</b></p><p>　　>>X=abs(fft(x)); Y=abs(fft(y)); % 對原始信號和加噪信號進(jìn)行fft變換,取幅度譜</p><p>

43、　　>>X=X(1:N/2); Y=Y(1:N/2); % 截取前半部分</p><p>　　>>deltaf=fs/N; % 計算頻譜的譜線間隔</p><p>　　>>f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計算頻譜頻率范圍</p><p>　　最后畫出加噪前后語音信號的時域

44、和頻域波形，便于分析設(shè)計濾波器。如圖3-3所示。</p><p>　　通過圖3-5，可以明顯觀察到，在時域波形圖中，加噪后的語音信號明顯被噪聲遮蓋了許多，在頻域圖中，在頻率為9000Hz處，有一個尖脈沖，也就是噪聲。</p><p>　　圖3-5 加噪前后語音信號的時域和頻域波形</p><p><b>　　3.3 濾波器設(shè)計</b></

45、p><p>　　本課程設(shè)計利用BOHMAN窗實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的設(shè)計。由于加入的單頻噪聲頻率fn為9000Hz，根據(jù)加噪前后語言信號的幅度譜圖分析可知，語言信號的有效帶寬0Hz—5000Hz左右，所以可設(shè)計一低通濾波器來濾除噪聲。由于BOHMAN窗的過渡帶寬定為，能提供的最小阻帶衰減為51.5dB。所以阻帶衰減As設(shè)置為一個適當(dāng)小于51.5dB的參數(shù)。通帶波紋Rp設(shè)置為1dB。</p><p>

46、　　設(shè)置的低通濾波器的性能指標(biāo)如下：</p><p>　　fp=4000Hz， fo=8800Hz， Rp=1dB， As=45dB</p><p>　　其中fp為通帶截止頻率，fo為阻帶截止頻率， Rp為通帶波紋，As為阻帶衰減。確定好濾波器的參數(shù)后，先計算出濾波器的階數(shù)M，然后調(diào)用自編ideal_lp函數(shù)計算理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)hd，再調(diào)用bohmanwin(M)函數(shù)產(chǎn)生M階的BO

47、HMAN窗，并計算出實(shí)際濾波器脈沖響應(yīng)，最后調(diào)用自編freqz_m函數(shù)計算出濾波器的頻率特性。最后計算出真正的阻帶衰減As，和真正的通帶波紋Rp，檢測設(shè)計的濾波器是否符合要求。</p><p>　　得出的M =24，Rp =0.0276，As = 49。所以濾波器的長度M=24，真正的通帶波紋Rp是0.0276dB，小于設(shè)置的指標(biāo)1dB，真正的阻帶衰減As是49dB，大于設(shè)置的指標(biāo)45dB,小于最小阻帶衰減51.

48、5dB。所以設(shè)計的低通濾波器滿足要求。</p><p>　　最后畫出該低通濾波器的頻譜特性圖。如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6濾波器的頻譜圖</p><p>　　濾波器設(shè)計過程對應(yīng)的程序如下：</p><p>　　>> Rp=1;As=45;fs=22050; fp=4000;fo=8800; % 低通濾波器設(shè)計指

49、標(biāo)</p><p>　　>> wp=fp/fs*2*pi;ws=fo/fs*2*pi;tr_width=ws-wp; % 將Hz為單位的模擬頻率換算為rad為單位的數(shù)字頻率</p><p>　　>> M=ceil(10*pi/tr_width)+1 % 計算BOHMAN窗設(shè)計該濾波器時需要的階數(shù)</p><p>　　>> n=

50、[0:1:M-1]; % 定義時間范圍</p><p>　　>> wc=(ws+wp)/2;</p><p>　　>> hd=ideal_lp(wc,M); % 調(diào)用自編函數(shù)計算理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)</p><p>　　>> w_bohmanwin=(bohmanwin(M))'; % 產(chǎn)生M階的BOHMAN窗&

51、lt;/p><p>　　>> h=hd.*w_bohmanwin; % 計算實(shí)際濾波器脈沖響應(yīng)</p><p>　　>> [db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(h,[1]); % 調(diào)用自編函數(shù)計算濾波器的頻率特性</p><p>　　>> delta_w=2*pi/1000;</p><p&g

52、t;　　>> Rp=-(min(db(1:1:wp/delta_w+1))) % 真正的通帶波紋</p><p>　　>> As=-round(max(db(ws/delta_w+1:1:501))) % 真正的阻帶衰減</p><p>　　3.4 信號濾波處理</p><p>　　將設(shè)計好的FIR低通濾波器濾波器對信號進(jìn)行濾波去噪處理。

53、</p><p><b>　　對應(yīng)程序如下：</b></p><p>　　>> y_fil=filter(h,1,y);% 用設(shè)計好的濾波器對y進(jìn)行濾波</p><p>　　>> Y_fil=fft(y_fil);Y_fil=Y_fil(1:N/2); % 計算頻譜取前一半</p><p><

54、;b>　　3.5 結(jié)果分析</b></p><p>　　為了分析濾波器是否設(shè)計成功，首先用MATLAB繪制出原始信號，加噪信號，濾波去噪信號的時域波形和頻譜，如圖3-7所示。通過觀察和分析圖像，濾波后的語音信號時域波形與原始語音信號時域波形基本一致，位于幅度譜9000Hz處的單頻噪聲被濾除，與原始語音信號幅度譜基本一致。</p><p>　　圖3-7 原始信號，加噪信號，

55、濾波去噪信號的時域波形和頻譜</p><p>　　然后通過回放原始語音信號，加噪語音信號，去噪語音信號，對比發(fā)現(xiàn)去噪語音信號與原始語音信號基本一致，即濾波器濾除了噪聲的干擾。</p><p><b>　　對應(yīng)程序如下：</b></p><p>　　>> sound(x,fs,bits); % 播放原始語音信號</p>

56、<p>　　>> sound(y,fs,bits); % 播放加噪語音信號</p><p>　　>> sound (y_fil,fs,bits); % 播放去噪語音信號</p><p>　　通過對比分析可得出結(jié)論，本課程設(shè)計濾波后的語音信號與原始語音信號基本一致，即設(shè)計的濾波器能夠從含噪信號中濾除單頻噪聲，還原了原始信號，達(dá)到了設(shè)計目的。<

57、/p><p>　　3.6 繪制濾波器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　本課程設(shè)計為頻率采樣型FIR濾波器，先求出濾波器的系數(shù)，</p><p><b>　　對應(yīng)語句如下：</b></p><p>　　>> [C,B,A]=dir2fs(h) % 計算濾波器系數(shù)</p><p>　　得出濾波器的

58、系數(shù)為：</p><p><b>　　C =</b></p><p><b>　　1.9987</b></p><p><b>　　1.9987</b></p><p><b>　　1.9965</b></p><p><b&

59、gt;　　1.9947</b></p><p><b>　　1.9577</b></p><p><b>　　1.6597</b></p><p><b>　　0.9734</b></p><p><b>　　0.3059</b></p&

60、gt;<p><b>　　0.0344</b></p><p><b>　　0.0046</b></p><p><b>　　0.0021</b></p><p><b>　　0.9996</b></p><p><b>　　0.0

61、000</b></p><p><b>　　B =</b></p><p>　　-0.9914 0.9914</p><p>　　0.9659 -0.9659</p><p>　　-0.9239 0.9239</p><p>　　0.8660 -0.8660<

62、/p><p>　　-0.7934 0.7934</p><p>　　0.7071 -0.7071</p><p>　　-0.6088 0.6088</p><p>　　0.5000 -0.5000</p><p>　　-0.3827 0.3827</p><p>　　0.2

63、588 -0.2588</p><p>　　-0.1305 0.1305</p><p><b>　　A =</b></p><p>　　1.0000 -1.9319 1.0000</p><p>　　1.0000 -1.7321 1.0000</p><p>　　1

64、.0000 -1.4142 1.0000</p><p>　　1.0000 -1.0000 1.0000</p><p>　　1.0000 -0.5176 1.0000</p><p>　　1.0000 -0.0000 1.0000</p><p>　　1.0000 0.5176 1.000

65、0</p><p>　　1.0000 1.0000 1.0000</p><p>　　1.0000 1.4142 1.0000</p><p>　　1.0000 1.7321 1.0000</p><p>　　1.0000 1.9319 1.0000</p><p>　　

66、1.0000 -1.0000 0</p><p>　　1.0000 1.0000 0</p><p>　　繪制的頻率采樣型FIR濾波器如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 頻率采樣型FIR濾波器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4 出現(xiàn)的問題及解決方法</p><p>　　

67、最開始遇到的問題主要是對理論知識不夠熟悉。</p><p>　　由于數(shù)字信號處理是上個學(xué)期學(xué)習(xí)的課程，所以理論知識對我來說已經(jīng)有點(diǎn)陌生了，最開始拿到課程設(shè)計題目時不知道從哪下手，在復(fù)習(xí)并掌握了FIR濾波器，窗口設(shè)計法相關(guān)的知識點(diǎn)后，我對本課程設(shè)計有了一定了理解。</p><p>　　對語音信號加噪時遇到的問題：</p><p>　　開始我將單頻噪聲fn設(shè)置為2000

68、Hz，繪制出加噪前后語音信號的時域和頻域波形后，發(fā)現(xiàn)語言信號的有效帶寬從0Hz—5000Hz左右噪聲處于語音信號的有效頻帶范圍內(nèi)，要濾除噪聲就要設(shè)置一個帶阻濾波器，帶阻濾波器相對于低通濾波器來說較為復(fù)雜，經(jīng)過多次調(diào)試后，將fn設(shè)置為9000Hz，所以本課程設(shè)計中濾波器設(shè)置為低通濾波器。</p><p>　　由于坐標(biāo)設(shè)置不適當(dāng)，最初顯示的加噪前后語音信號的時域和頻域波形對比不是很明顯，對坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整后，通過對比加噪

69、前后的頻域圖，可以明顯觀察到在頻率為9000Hz處，有一個尖脈沖，也就是噪聲。</p><p>　　設(shè)計濾波器時遇到的問題：</p><p>　　由于本課程設(shè)計采用的是BOHMAN窗，教材中并沒有介紹，所以在設(shè)計時對我BOHMAN窗的性能并不了解，課程設(shè)計提供的資料中，BOHMAN窗的過渡帶寬為，最小阻帶衰減為51.5dB。但是運(yùn)行程序后得出的真正的通帶波紋Rp和真正的阻帶衰減As是總是不

70、達(dá)標(biāo)，濾波器不符合設(shè)計要求，老師建議將過渡帶寬增大，經(jīng)過多次調(diào)試后，最終將過渡帶寬定為，設(shè)計的低通濾波器也達(dá)到了指標(biāo)。</p><p>　　最初得到的BOHMAN窗的階數(shù)M為456，由于要畫出濾波器的結(jié)構(gòu)圖，所以階數(shù)過高。老師建議增大濾波器的過渡帶寬，或者對錄制的語音信號的屬性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。最后將語音信號的屬性調(diào)整為22.050kHz。運(yùn)行程序后最終BOHMAN窗的階數(shù)M減小為24。</p>&l

71、t;p>　　為了盡量減少BOHMAM窗的階數(shù)，減小M的值，低通濾波器的過渡帶寬參數(shù)設(shè)置的過大，加噪語音信號通過低通濾波器后不能將噪聲完全濾除，經(jīng)過多次調(diào)試后將參數(shù)設(shè)置為了合適的值，能完全濾除噪聲。</p><p>　　繪制頻率采樣型FIR濾波器時遇到的問題：</p><p>　　雖然M值調(diào)至為了較小的值，但是對于繪制濾波器的結(jié)構(gòu)圖來說還是較大，而且我對word繪圖比較陌生，所以繪制濾

72、波器時花費(fèi)了較長的時間。</p><p><b>　　程序中存在的問題：</b></p><p>　　程序中有一些警告存在，多次修改調(diào)試程序還是沒有解決，最后尋求了老師的幫助，老師解釋到如果不影響整個程序的運(yùn)行和濾波器的設(shè)計效果可以不多做考慮。</p><p>　　編寫報告時出現(xiàn)的問題：</p><p>　　寫報告時，主

73、要是沒有認(rèn)真檢查，存在較多的格式問題，報告內(nèi)容也不夠完善，經(jīng)過老師的檢查后，查出了較多的漏洞，對報告進(jìn)行修正后，報告的內(nèi)容變的更為充實(shí)和準(zhǔn)確。</p><p><b>　　5 結(jié)束語</b></p><p>　　兩周的課程設(shè)計說長不長說短不短，如果好好利用，我們不僅可以鞏固學(xué)過的知識，也能拓寬自己的視野，提升自己的能力。從一開始的無從下手，到最后的自我提升，無可否認(rèn)，

74、這是對我們自身能力的重新認(rèn)識和提升挑戰(zhàn)。</p><p>　　數(shù)字信號處理是通信、電子、信息領(lǐng)域中最重要的專業(yè)課之一，數(shù)字信號處理對于我們通信工程的學(xué)生來說是一門很重要的科目，不僅僅因?yàn)樗w了通信工程的許多理論知識，是考研的科目，而且其實(shí)踐性很強(qiáng)。</p><p>　　數(shù)字信號處理的目的是對真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號進(jìn)行測量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這

75、通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。數(shù)字信號處理的核心算法是離散傅里葉變換(DFT)，是DFT使信號在數(shù)字域和頻域都實(shí)現(xiàn)了離散化，從而可以用通用計算機(jī)處

76、理離散信號。而使數(shù)字信號處理從理論走向?qū)嵱玫氖强焖俑道锶~變換(FFT)，F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量，使實(shí)時的數(shù)字信號處理成為可能、極大促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。</p><p>　　數(shù)字信號處理課程設(shè)計也讓我受益匪淺，通過此次課程設(shè)計，讓我更深入的了解了語音信號濾波去噪，窗口設(shè)計法設(shè)置FIR濾波器的相關(guān)知識，注意到很多以前沒有注意到的細(xì)節(jié)，學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。從一個小模塊設(shè)計到具有一定功能的

77、完整模塊設(shè)計，從單個小問題的判斷調(diào)試到整體化模塊的分析思維，本次課程設(shè)計不但使我對數(shù)字信號處理了解得更透徹，也使我認(rèn)識到理論當(dāng)與實(shí)際相聯(lián)系時才能使它的指導(dǎo)性充分地體現(xiàn)出來。</p><p>　　當(dāng)然，在設(shè)計過程中或多或少的遇到了一些問題，但在老師和同學(xué)的幫助下找出了原因所在。更培養(yǎng)了我利用自己的知識解決問題的能力。讓我意識到將理論與實(shí)際結(jié)合起來的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起

78、來，從理論中得出結(jié)論，才能將知識為我所用，從而運(yùn)用到實(shí)際生活中，提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。這次課程設(shè)計也我意識到遇到問題不要一味的依賴于老師，還可以通過上網(wǎng)，去圖書館查找資料解決問題，這樣不僅提高了自己解決問題的能力，也更容易掌握知識。</p><p>　　俗話說柴多火焰高，如果只憑自己的知識，我會浪費(fèi)許多的時間和精力，可是滴水成海，在同學(xué)和老師的幫助下，我不僅把學(xué)到的知識運(yùn)用的課程設(shè)計中，還體會到

79、設(shè)計成功后帶來的成就感。在本次課程設(shè)計中，特別感謝各位老師在本次課程設(shè)計中對我的細(xì)心指導(dǎo)，讓我順利完成了課程設(shè)計。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 高西全，丁玉美，闊永紅．?dāng)?shù)字信號處理——原理、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[2] 張圣勤．MATLAB7.0實(shí)用教材．北

80、京：機(jī)械工程出版社，2008</p><p>　　[3] 綠波杰能．FIR濾波器．百度文庫：http://baike.baidu.com/view/2908166.htm，2013-2-27</p><p>　　[4] 張立材, 王民．?dāng)?shù)字信號處理．北京：人民郵電出版社，2008</p><p>　　[5] 維納·K·英格爾，約翰·G&

81、#183;普羅克斯．劉樹棠．?dāng)?shù)字信號處理(MATLAB版)．西安：西安交通大學(xué)出版社，2008</p><p>　　[6] 趙紅怡．?dāng)?shù)字信號處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002</p><p>　　附錄：語音信號濾波去噪設(shè)計源程序清單　</p><p>　　% 程序名稱：voicenoisefilter.m</p>&l

82、t;p>　　% 程序功能：采用基于BOHMAN窗的窗口設(shè)計法，設(shè)計FIR濾波器對含噪語音進(jìn)行濾波去噪處理。</p><p><b>　　% 程序作者：王羚</b></p><p>　　% 最后修改日期：2013-3-5</p><p>　　%（1）對原始語音信號加噪</p><p>　　[x,fs,bits]=wa

83、vread('F:\yuyin.wav'); % 輸入?yún)?shù)為文件的全路徑和文件名，輸出的第一個參數(shù)是每個樣本的值，fs是生成該波形文件時的采樣率，bits是波形文件每樣本的編碼位數(shù)。</p><p>　　sound(x,fs,bits); % 按指定的采樣率和每樣本編碼位數(shù)回放</p><p>　　N=length(x); % 計算信號x的長度</p>

84、<p>　　fn=9000; % 單頻噪聲頻率，此參數(shù)可改</p><p>　　t=0:1/fs:(N-1)/fs; % 計算時間范圍，樣本數(shù)除以采樣頻率</p><p>　　x=x(:,1)'; % 將雙聲道轉(zhuǎn)為單聲道</p><p>　　y=x+0.1*sin(fn*2*pi*t); % 加噪聲</p>&l

85、t;p>　　sound(y,fs,bits); % 應(yīng)該可以明顯聽出有尖銳的單頻嘯叫聲</p><p>　　fs % 輸出采樣頻率</p><p>　　%（2）畫出加噪前后語音信號的時域和頻域波形</p><p>　　X=abs(fft(x)); Y=abs(fft(y)); % 對原始信號和加噪信號進(jìn)行fft變換,取幅度譜</p>

86、<p>　　X=X(1:N/2); Y=Y(1:N/2); % 截取前半部分</p><p>　　deltaf=fs/N; % 計算頻譜的譜線間隔</p><p>　　f=0:deltaf:fs/2-deltaf; % 計算頻譜頻率范圍</p><p>　　magX=abs(X);magY=abs(Y);<

87、/p><p>　　subplot(2,2,1);plot(t,x);grid</p><p>　　xlabel('時間（單位： s）');ylabel('幅度');title('原始語音信號')</p><p>　　subplot(2,2,2);plot(f,magX);grid</p><p>　

88、　xlabel('頻率（單位： Hz）');ylabel('幅度譜');title('語音信號幅度譜圖')</p><p>　　subplot(2,2,3);plot(t,y);grid</p><p>　　xlabel('時間（單位： s）');ylabel('幅度');title('加入單頻干擾后的

89、語音信號')</p><p>　　subplot(2,2,4);plot(f,magY);grid</p><p>　　xlabel('頻率（單位： Hz）');ylabel('幅度譜');title('加入干擾后的語音信號幅度譜圖')</p><p>　　% （3）設(shè)置低通濾波器</p><

90、;p>　　Rp=1;As=45;fs=22050; fp=4000;fo=8800; % 低通濾波器設(shè)計指標(biāo)</p><p>　　wp=fp/fs*2*pi;ws=fo/fs*2*pi;tr_width=ws-wp; % 將Hz為單位的模擬頻率換算為rad為單位的數(shù)字頻率</p><p>　　M=ceil(10*pi/tr_width)+1 % 計算BOHMAN窗設(shè)計該濾波器時

91、需要的階數(shù)</p><p>　　n=[0:1:M-1]; % 定義時間范圍</p><p>　　wc=(ws+wp)/2;</p><p>　　hd=ideal_lp(wc,M); % 調(diào)用自編函數(shù)計算理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)</p><p>　　w_bohmanwin=(bohmanwin(M))'; % 產(chǎn)生M階的BOHMA

92、N窗</p><p>　　h=hd.*w_bohmanwin; % 計算實(shí)際濾波器脈沖響應(yīng)</p><p>　　[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(h,[1]); % 調(diào)用自編函數(shù)計算濾波器的頻率特性</p><p>　　delta_w=2*pi/1000;</p><p>　　Rp=-(min(db(1:1:wp/de

93、lta_w+1))) % 真正的通帶波紋</p><p>　　As=-round(max(db(ws/delta_w+1:1:501))) % 真正的阻帶衰減</p><p>　　%（4）畫出濾波器的頻譜特性圖</p><p>　　subplot(2,2,1);plot(w/pi,db);grid on;</p><p>　　xlabel

94、('w/pi');ylabel('dB');title('濾波器幅度響應(yīng)圖')</p><p>　　subplot(2,2,2);plot(w/pi,mag);grid on;</p><p>　　xlabel('w/pi');ylabel('幅度mag');title('濾波器幅度響應(yīng)圖')&

95、lt;/p><p>　　subplot(2,2,3);plot(w/pi,pha);grid on;</p><p>　　xlabel('w/pi');ylabel('相位mag');title('濾波器相位響應(yīng)圖')</p><p>　　subplot(2,2,4);plot(n,hd);grid on;</p&g

96、t;<p>　　xlabel('n');ylabel('h(n)');title('濾波器脈沖響應(yīng)圖')</p><p>　　%（5）用濾波器濾波器對信號進(jìn)行濾波去噪處理。</p><p>　　y_fil=filter(h,1,y);% 用設(shè)計好的濾波器對y進(jìn)行濾波</p><p>　　Y_fil=fft

97、(y_fil);Y_fil=Y_fil(1:N/2); % 計算頻譜取前一半</p><p>　　%（6）畫出原始信號，加噪信號，濾波去噪信號的時域波形和頻譜</p><p>　　subplot(3,2,1);plot(t,x); grid on</p><p>　　xlabel('時間t(單位: s)');ylabel('幅度');

98、title('原始語音信號時域波形');</p><p>　　subplot(3,2,2);plot( f,X); grid on</p><p>　　xlabel('頻率f(單位: Hz)');ylabel('幅度');title('原始語音信號幅度譜'); </p><p>　　subplot(3,

99、2,3);plot(t,y); grid on</p><p>　　xlabel('時間t(單位: s)');ylabel('幅度');title('加干擾語音信號時域波形');</p><p>　　subplot(3,2,4);plot(f,Y); grid on</p><p>　　xlabel('頻率f(

100、單位: Hz)');ylabel('幅度');title('加干擾語音信號幅度譜'); </p><p>　　subplot(3,2,5);plot(t,y_fil);grid on</p><p>　　xlabel('時間t(單位: s)');ylabel('幅度');title('濾波后語音信號時域波形&#

101、39;); </p><p>　　subplot(3,2,6);plot(abs(f),abs(Y_fil));grid on</p><p>　　xlabel('頻率f(單位: Hz)');ylabel('幅度');title('濾波后語音信號幅度譜'); </p><p>　　%（7）回放原始語音信號，加噪前后語音

102、信號</p><p>　　sound(x,fs,bits); % 播放原始語音信號</p><p>　　sound(y,fs,bits); % 播放加噪語音信號</p><p>　　sound (y_fil,fs,bits); % 播放去噪語音信號</p><p>　　%（8）計算濾波器系數(shù)</p><p>