3927.语音信号滤波去噪——使用脉冲响应不变法设计的巴特沃斯滤波器 dsp课程设计报告正文

语音信号滤波去噪使用脉冲响应不变法设计的巴特沃斯滤波器 摘 要 本课程设计主要运用麦克风采集一段语音信号，绘制波形并观察其频谱，给定相应技术指标，用脉冲响应不变法设计的一个满足指标的巴特沃斯IIR滤波器，对该语音信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析，根据结果和学过的理论得出合理的结论。 关键词 课程设计；滤波去噪；巴特沃斯滤波器；脉冲响应不变法；MATLAB1 引 言本课程设计主要利用麦克风采集一段8000Hz，8k的单声道语音信号，并绘制波形观察其频谱，再用MATLAB利用脉冲响应不变法设计一个巴特沃斯滤波器，将该语音信号进行滤波去噪处理。1.1 课程设计目的数字信号处理课程设计是在学生完成数字信号处理和MATLAB的结合后的基本实验以后开设的。本课程设计的目的是为了让学生综合数字信号处理和MATLAB并实现一个较为完整的小型滤波系统。这一点与验证性的基本实验有本质性的区别。开设课程设计环节的主要目的是通过系统设计、软件仿真、程序安排与调试、写实习报告等步骤，使学生初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平。1.2 课程设计的要求（1）滤波器指标必须符合工程设计。（2）设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告。2 设计原理用麦克风采集一段语音信号，绘制波形并观察其频谱，给定相应技术指标，用脉冲响应不变法设计的一个满足指标的巴特沃斯IIR滤波器，对该语音信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析。2.1 IIR滤波器2.2 巴特沃斯滤波器 2.3 脉冲响应不变法 3.设计步骤3.1设计流程图语音信号滤波去噪使用脉冲不变响应法设计的巴特沃斯滤波器的设计流程如图3.1所示：开始语音信号的采集（wavread函数），画时域图快速傅里叶变换，并且画频谱图设定滤波器性能指标，通带截止频率fb=1100，阻带截止频率fc=1200，通带波纹Ap=1，阻带波纹As=20脉冲响应不变法法设计巴特沃斯滤波器验证并进行频谱分析设计好的滤波器进行滤波处理比较滤波前后语音信号的波形及频谱回放语音信号结束图3.1 脉冲响应不变法巴特沃斯滤波器对语音信号去噪流程图3.2语言信号的采集利用PC 机上的录音软件进行采集。将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机。按下录音按钮,接着对话筒说话“大萝卜”,说完后停止录音,屏幕左侧将显示所录声音的长度。点击放音按钮,可以实现所录音的重现。以文件名“speech”保存入g : MATLAB work 中。可以看到,文件存储器的后缀默认为. wav ,这是WINDOWS 操作系统规定的声音文件存的标准。然后，通过文件中的属性，将此录音转换成8000Hz，8k的单声道语音信号。 图3.2 语音信号设置3.3语音信号的频谱分析利用MATLAB中的“wavread”命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再对其进行采样，记住采样频率和采样点数。y,fs,nbits=wavread(file) 功能说明：采样值放在向量y中，fs表示采样频率（hz），nbits表示采样位数。接下来，对语音信号speech.wav进行采样。其程序如下： y,fs,nbits=wavered (speech.wav); 然后，画出语音信号的时域波形，再对语音信号进行频谱分析。MATLAB提供了快速傅里叶变换算法FFT计算DFT的函数fft,其调用格式如下： Xk=fft(xn,N) 域序列向量，N是DFT变换区间长度，当N大于xn的长度时，fft函数自动在xn后面补零。，当N小于xn的长度时，fft函数计算xn的前N个元素，忽略其后面的元素。在本次设计中，我们利用fft对语音信号进行快速傅里叶变换，就可以得到信号的频谱特性。其程序如下：y,fs,nbits=wavread(44.wav);n=length(y);Y=fft(y,n);subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信号波形);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信号频谱); 图3.3 时域波形图3.4 频域幅度谱图3.5 频域幅度谱和相位谱3.4滤波器设计将数字滤波器的设计指标设为通带截止频率fb=1100HZ,阻带频率fc=1200HZ,通带波纹Ap=1dB，阻带波纹As=20dB,要求确定H(z)。设计步骤如下：（1）确定所需类型数字滤波器的技术指标。（2）将所需类型数字滤波器的边界频率转换成相应的模拟滤波器的边界频率，转换公式为=2/T tan(0.5)(3)将相应类型的模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标。（4）设计模拟低通滤波器。（5）通过频率变换将模拟低通转换成相应类型的过渡模拟滤波器。（6）采用双线性变换法将相应类型的过渡模拟滤波器转换成所需类型的数字滤波器。 程序：Fp=1200;%阻带截止频率Fs=1100;%通带截止频率Ft=8000;%采集频率As=20;%通带波纹Ap=1Ap=1;%阻带波纹As=20wp=2*pi*Fp/Ft;ws=2*pi*Fs/Ft;fp=2*Ft*tan(wp/2);fs=2*Ft*tan(ws/2);n,wn=buttord(wp,ws,Ap,As,s); %求低通滤波器的阶数和截止频率b,a=butter(n,wn,s); %求S域的频率响应的参数 num,den=bilinear(b,a,1); %双线性变换实现S域到Z域的变换 h,w=freqz(num,den); %根据参数求出频率响应 plot(w*fs/(2*pi),abs(h);grid;xlabel(频率Hz);ylabel(频率响应幅度);title(IIR低通滤波器);legend(用butter设计); 图3.6 利用脉冲响应不变法设计的数字巴特沃斯滤波器（w(单位：)）3.5 信号滤波信号图3.7 滤波前后的时域对比波形滤波前后频域频谱图3.8所示图3.8 滤波前后频域频谱图图3.9 滤波前后相位图3.5 结果分析 4.出现的问题及解决方法 在这次的课程设计中我们设计的滤波器对语音信号的滤噪处理或多或少会因为我们的疏忽或者实践能力不够还是会遇到问题的，当遇到问题时我们不但运用自己学到的知识还得到同学和老师的帮助将其解决，不断完善和修改。设计中出现的问题及解决方法如下：（1）设计的滤波器达不到要求，因为在采集语音信号时，录音机的音频格式应该是PCM 8000kHz，8位，单声道。（2）在运用Matlab设计滤波器时，当编辑完前面两条程序时无法放出声音，后来发现我们应当把采集的语音信号wav文件放到Matlab的work文件夹中。（3）还要在滤波器性能曲线的wc处画一根竖线，这样更方便看出结果，其中wc处线的确定还需计算出wb/pi的值。（4）所有的时间波形横坐标都要化为时间，滤波前后频谱的横坐标应是频率，这样在观察通带截止频率和阻带截止频率时更加精确，误差较小。5.结束语 参考文献1 张圣勤 MATLAB7.0实用教程 北京：机械工程出版社 2006年3月 2 维纳K英格尔 约翰G普罗克斯（著） 刘树棠（译） 数字信号处理（MATLAB版） 西安：西安交通大学出版社 2008年1月