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语音信号处理.doc

语音信号处理

liang艳染
2017-10-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《语音信号处理doc》,可适用于工程科技领域

语音信号处理学校代码:学号:题目:语音信号去噪方法研究学生姓名:胡日勤巴特尔学院:信息工程系别:电子信息工程专业:电子信息工程班级:电子指导教师:高志奇讲师二〇一二年六月内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘要本毕业设计是对给定的wav格式的语音信号进行加噪然后去噪用滤波器进行去噪处理我用的滤波器主要有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器首先我对上述滤波器的特性进行研究然后对加噪声的语音信号来确定滤波器的各种参数的设定还用FFT对加噪前后及滤波前后的信号进行频谱分析最后用MATLAB信号处理工具向提供的函数设计出滤波器的模型并对滤波效果进行分析。关键词:语音去噪、低通滤波器、MATLAB内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractThisgraduationprojectisgivenwavformatvoicesignalplusnoiseandthendenoisingfilter,thefilterIuseButterworthfilter,Chebyshevfilter,andthenIIusedavarietyoffiltercharacteristicsofthestudy,andthenthevoicesignalplusnoisetodeterminethevariousparametersofthefilterset,butalsobeforeandafteraddingnoiseandfilteringthesignalbeforeandaftertheFFTspectrumanalysis,andfinallyusingMATLABsignalprocessingtoolstoprovideafunctiontodesignthemodelandthefilteringeffectofthefilterforanalysisKeywords:Speechdenoising,lowpassfilter,MATLAB内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目录引言第一章滤波器的原理及各章工作安排滤波器原理语音信号的频谱分析第二章滤波器分类滤波器分类从选频作用对滤波器分类从“最佳逼近”特性分类第三章巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯低通滤波器简介巴特沃斯低通滤波器的设计原理第四章切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器简介切比雪夫滤波器设计原理第五章MATLAB的仿真及分析MATLAB的介绍MATLAB工具箱函数巴特沃斯低通滤波器的滤波效果分析切比雪夫低通滤波器的滤波效果分析结论参考文献附录谢辞内蒙古工业大学本科毕业设计说明书引言凡是有能力进行信号处理的装置都可以成为滤波器。滤波器在如今的电信设备和各类控制系统应用范围比交广技术最为复杂各种滤波器的好坏直接影响滤波器的优劣。自年代算机技术、集成工艺和材料工业的发展让滤波器发展上了新的台阶并且朝着底功能、高精度、体积小、多功能、稳定可靠和廉价方向努力其中体积小、多功能、高精度、稳定发展成为年代后的主攻方向。是以数字滤波器为主的各种滤波器迅速发展到年代后期数字滤波器的单片集成已被研制出来得到应用。年代致力于各类新型滤波器的研究努力提高性能并广泛应用范围。年代至现在主要致力于各种滤波器应用及各类产品的开发研制。当然对数字滤波器的研究仍在不断进行中。滤波器主要分为两大类经典滤波器和数字滤波器。从滤波特性上看经典滤波器大致分为低通、高通、带通、带阻等。本文主要对低通滤波器进行研究。语音通信过程中不可避免的会受到来自环境、传输媒介引入噪声、通信设备内部噪声、甚至其他讲话者的干扰。而语音增强就是从带噪语音信号中提取尽可能纯净的原始语音改善语音质量提高语音的清晰度和可懂度。在实际应用中的语音信号都是非稳定的特别是对某些“严格的非稳定”的语音段传统方法模糊了语音的细节特征。而滤波器具有滤掉噪声部分的功能是通过幅频特性本次设计中我用的是低通滤波器使用低通滤波器滤波特性滤掉语音信号中的高频部分而这里最佳逼近法选择的滤波器有巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫低通滤波器等。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第一章滤波器的原理及各章工作安排滤波器原理从广义上讲任何对某些频率(相对于其他频率来说)进行修正的系统称为滤波器。严格地讲对输入信号通过一定的处理得到输出信号这个处理通常是提取信号中某频率范围内的信号成分把这种处理的过程称为滤波。实现滤波处理的运算电路或设备称为滤波器。在许多科学技术领域中广泛应用线性滤波和频谱分析对信号进行加工处理模拟滤波是处理连续信号数字滤波则是处理离散信号而后者是在前者的基础上发展起来的。我们知道无源或有源模拟滤波器是分立元件构成的线性网络他们的性能可以用线性微分方程来描述而数字滤波器是个离散线性系统要用差分方程来描述并以离散变换方法来分析。这些方程组可以用专用的或通用的数字计算机进行数字运算来实现。因此数字滤波器的滤波过程是一个计算过程它将输入信号的序列数字按照预定的要求转换成输出数列。模拟滤波器是对模拟信号实行线性滤波的一种线性时不变系统如图h(t)所示。在时域内它的动态特性可以用系统的单位冲激函数的响应axt来描述也就是该滤波系统在任何时刻对输入单位冲激信号=δ(t)的a输出响应yt,ht。这个函数从时域上反映了该滤波系统的传输特性。对aaxtyt于任意输入信号系统的输出可以卷积表示:aa,yt,h,,xt,,d,aaa,,,,x,,ht,,d,=aa,,,上式表明在对线性滤波器系统进行时域分析时采用了叠加原理先将任意输入信号波形分成不同时间的窄脉冲之和再分别求出各个脉冲通过滤波器之后的响应并进行线性叠加从而得到总的输出信号。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书ytaxta模拟滤波器h(t),H(s)xsaaysa图模拟滤波器原理HS在频域分析时线性滤波器的转移函数等于系统的单位冲激函数ah(t)的响应的拉普拉斯变换:a,st,,,Hhedt,,at,,,,,很明显当s=jω上式就是傅里叶变换的表达式它反映了滤波器的传输特性对各种频率的响应也就是滤波器的频率响应函数Hj,它决定着axtyt滤波特性。当滤波器输入信号与输出信号的拉普拉斯变换得aaYs,Hs,Xsaaa这表明两信号卷积的变换等于各自变换的乘积。在频谱关系上一个输入信号的频谱Xj,经过滤波器的作用后被变换成Hj,Xj,的频aaa谱。因此根据不同的滤波要求来选定Hj,就可以得到不同类型的模axt拟滤波器。还可以看出滤波器的滤波过程就是完成信号与它的单位冲aht激函数响应之间的数学卷积运算过程。a然后对数字滤波器原理来研究在数字滤波中我们主要讨论离散时间序列。如图所示。设输入序列为xn离散或数字滤波器对单位抽样序列,n的响应为hn。因,n在时域离散信号和系统中所起的作用相当于单位冲激函数在时域连续信号和系统中所起的作用。xn数字滤波器ynxzhn,H(z)yz图数字滤波器原理yn数字滤波器的序列将是这两个序列的离散卷积即,yn,hkxn,k,k,,同样两个序列卷积的z变换等于个自z变换的乘积即内蒙古工业大学本科毕业设计说明书Yz,HzXzj,T用代入上式其中T为抽样周期则得到z,ej,Tj,Tj,TYe,HeXej,Tj,T式中和分别为数字滤波器输入序列和输出序列的频谱而YeXej,Tj,T为单位抽样序列响应的频谱。由此可见输入序列的频谱hnHeXej,Tj,Tj,T经过滤波后变为按照的特点和我们处理信号的目HeXeXej,Tj,Tj,T使的滤波后的符合我们的要求。的选取适当的HeXeHe如利用模拟电路直接对模拟信号进行处理则构成模拟滤波器它是一个连续时间系统。如果利用离散时间系统对数字信号(时间离散、幅度量化的信号)进行滤波则构成数字滤波器。数字滤波器的差分方程表示为:NMy(n),by(n,i)ax(n,k),,,,kkik系统函数表示:Mk,az,kYz()k,Hz(),,NXz()i,,bz,ii,j,数字滤波器的特性通常用其频率响应函数H(e)来描述j,j,包括幅度特性和相位特性arg(H(e))。H(e)按信号通过系统时的特性(主要是幅频特性)来分类:可以有低通、高通、带通和带阻四种基本类型。()低通数字滤波器:图所示j,,,,,H(e),jc,,H(e),,,,,,,c,jω|H(e)ω)|πππωπcωcπffffcssfffcss图低通数字滤波器的频谱内蒙古工业大学本科毕业设计说明书()高通数字滤波器:图所示j,,,,,(),,He,jc,(),He,,,,,c,jω|H(e)ω)|ππωπωπc图高通数字滤波器的频谱c()带通数字滤波器:图所示j,,,,,(),,He,j,(),He,,,,,,,,,,||,,,jω|H(e)|ωωωπωπππ图带通数字滤波器的频谱()带阻数字滤波器:图所示j,,,,,,,,,,,H(e),||,j,,H(e),,,,,,,,ωj|H(e)|ωωππππωω图带阻数字滤波器的频谱其他较复杂的特性可以由基本滤波器组合。语音信号的频谱分析语音信号的增强不但与语音信号数字处理有关而且涉及到人的听觉感知和语音学范畴。再者噪声的来源众多因应用场合而异他们的特性内蒙古工业大学本科毕业设计说明书也各不相同。所以必须针对不同噪声采用不同的语音增强对策。目前某些语音增强算法在实际应用中证明是有效的他们大体上可分为四类:噪声对小法、谐波增强法、基于参数估计的语音再合成法和语音短时谱估计的增强法。本次设计中我根据所学过的课程内容用滤波器去增强语音信号。语音增强的主要目标是从带噪语音信号中提取尽可能纯净的语音。然而干扰经常是随机的从带噪语音信号中提取纯净的语音信号时几乎不可能的。在这种情况下语音增强的目的主要有两个:一是改进语音质量消除背景噪音使听着乐于接受不感觉疲劳这是一种主观度量二是提高语音的可懂度这是一种客观度量。这两个目的往往不能兼得。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第二章滤波器分类滤波器分类从选频作用对滤波器分类()低通滤波器在f范围内幅频特性几乎呈水平发展低于f的频率不衰减通过高于f的频率几乎不能通过。图低通滤波器()高通滤波器从f幅频特性几乎呈水平发展。高于f的频率几乎不衰减通过低于f的频率几乎不能通过。图高通滤波器()带通滤波器在ff之间时代通滤波器的同频带高于f低于与f的频率段几乎不衰减通过其他成分几乎不能通过。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图带通滤波器()带阻滤波器频率ff之间是带阻滤波器的阻带高于f低于f的频率几乎不不能通过其余频率几乎不刷了间通过。图带阻滤波器低通滤波器和高通滤波器是组成滤波器的最基本的两种形式剩下的滤波器都能演变分解成这两种滤波器如:低通滤波器同高通滤波器进行串联可以成为带通滤波器低通滤波器同高通滤波器并连成为带阻滤波器。但是本次设计中我用到的是低通滤波器。从“最佳逼近”特性分类()巴特沃斯滤波器从频谱特性提出要求而不考虑相频特性。因为巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度的特性它的频谱如下:内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图巴特沃斯滤波器的频响特性()切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器有两种:切比雪夫I型滤波器在通带内的振幅特性是等波纹的在阻带内是单调下降的。切比雪夫II型滤波器在通带内振幅特性是单调下降的在阻带内等波纹的。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第三章巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯低通滤波器简介巴特沃斯低通滤波器是电子滤波器的一种特点是同频带内频率响应特性曲线最大限度平坦没有起伏而在阻频带内逐渐下降为零。这种滤波器最先有英国工程师斯替芬•巴特沃斯在年发表在《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的可以构成低通、高通、带通和带阻四种组态是目前最为流行的一种滤波器经过离散化可以作为数字滤波器较模拟滤波器具有高精度、稳定、灵活、不要求阻抗匹配等众多优点因而再自动控制、语音、图像、通信、雷达等众多领域得到了广泛应用是一种最大平坦幅度相应的滤波器。巴特沃斯低通滤波器的设计原理巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数定义为()Hj,,|()|NC,,其中C为一常数参数N为滤波器阶数为归一化低通截止频率,。,,,,p式中N为整数是滤波器的阶次。巴特沃斯低通滤波器在通带内具()Hj,有最大平坦的振幅特性这就是说NN=,,阶低通滤波器在处幅度平方函数的前N阶导数等于零在阻带内的N=N=逼近是单调变化的。巴特沃斯低通滤波器的振幅特性如图所示。,,p滤波器的特性完全由其阶数N决定。当N增加时滤波器的特性曲线变图巴特沃斯低通滤波器的振幅特得更陡峭这时虽然由()式决定性了在,,,处的幅度函数总是衰减dB但是它们将在通带的更大范围内接吧p近于在阻带内更迅速的接近于零因而振幅特性更接近于理想的矩形频率特性。滤波器的振幅特性对参数N的依赖关系如图所示。,设归一化巴特沃斯低通滤波器的归一化频率为归一化传递函数为内蒙古工业大学本科毕业设计说明书其中则()式和()式得:Hp()pj,,Hj,,()pNN,,,Cp()j由于(HsHsA,,,,()()()aa,,,jssN()j,cHj(),)所以巴特沃斯滤波器属于全极点滤波器。,p设计巴特沃斯低通滤波器指标,:通带截止频率p,:通带衰减单位:dB,ps,:阻带起始频率s,,ps,,:阻带衰减单位:dB。s图巴特沃斯低通滤波器指标说明:()衰减在这里以分贝(dB)为单位即N,,,,ClglgHj(),,,dB()当时,,,为通常意义上的截止频率。pC()在滤波器设计中常选用归一化的频率,,,,即C,,ps,,,,,,ps,,pp,,,,根据设计指标要求确定归一化巴特沃斯低通滤波器幅ppss度平方函数中的待定系数C及滤波器的阶数N然后再根据幅度平方函数确定巴特沃斯低通滤波器的传递函数H(s)。,,ps,,()将实际频率归一化得再根据已知的,,,,,psp,,pp,Hj,,|()|sN幅度平方函数确定C和N。C,()求C和N内蒙古工业大学本科毕业设计说明书N由并带入得,,,,,,,,,C()lglgppssHj(),N,lgC,,,pp,,Nlg,C,,,ss,即,Np,C,,,,p,N,s,,,C,,s因为所以,,p,pC,,,,ss,,N由两边取对数得:,,,s,pC,,slga,N,其中a,,plg,s,这样可以求出C和N。,p注意:当时即C=此时巴特沃斯滤波,,dBC,,,,,p器只剩下一个参数N。()确定巴特沃斯滤波器的传递函数H(p)。由于HpHpGj()()(),,,,,pNNp,,,p()Nj()jNN由解得极点为:(),,pkN,j,NpekN,,,,,,k内蒙古工业大学本科毕业设计说明书将p左半平面的极点赋予即Hp()()Hp,pppppp,,,NkN,j,NpekN,,,,,,其中k为了便于设计工程上已将当时各阶巴特沃斯低通滤波器系统,,p函数设计成表格供查阅该表如表所示。在表中的函数被称为归一化巴特沃斯原型低通滤波器系统函数。表归一化巴特沃斯模拟低通滤波器系统函数表阶次归一化系统函数sssssssssssssss,,()去掉归一化影响上面设计中采用归一化的频率即而实际p,中截止频率为所以要进行如下的变量代换:p,s,pjj,,,,,ppHsHp()(),即s,p,p内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第四章切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器简介切比雪夫滤波器在通带或阻带上频率频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器”在阻带内波动的为“II型切比雪夫滤波器”切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快但频率响应幅度的特性不如巴特沃斯滤波器平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间误差最小但是在同频带内存在幅度波动。切比雪夫I型滤波器的设计切比雪夫归一化滤波器的幅度平方函数为AHj,,,,()()()c,,N为小于的正数表示通带内振幅波动的程度。越大波动也越大。,,,,,,,,,为对截止频率的归一化频率为截止频率也是滤波器的ppp通带带宽(注:切比雪夫滤波器的通带带宽并不一定是dB带宽)。是Cx()NN阶切比雪夫多项式定义为,,cos()Ncosxx,,,()Cx(),,N,chNchxx(),,,切比雪夫滤波器设计原理巴特沃斯滤波器频带特性曲线无论在通带内还是阻带内都是频率的单调函数。因此当通带的边界处满足指标要求时通带内肯定会有裕量。所以更有效的设计方法应该是将精确度均匀的分布在整个通带或阻带内或者同时分布在两者之内。这样就可用较低阶数的系统满足要求。这可通过选择具有等波纹特性的逼近函数来达到。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书Hj(),Hj(),N为奇数N为偶数,,,,,,,,ps,,ppsp图图切比雪夫I型滤波器的振幅特性Hj(),Hj(),N为奇数N为偶数,,,,s,,,ppp,,,ps(a)图(b)图切比雪夫II型滤波器的振幅特性切比雪夫滤波器的振幅特性就具有这种等波纹特性。它有两种类型:振幅特性在通带内是等波纹的在阻带内是单调的称为切比雪夫I型滤波器振幅特性在通带内是单调的在阻带内是等波纹的称为切比雪夫II型滤波器。采用何种形式的切比雪夫滤波器取决于实际用途。上面的图分别画出了N为奇数、偶数时的切比雪夫I、II型滤波器的频率特性。由()式可知要确定切比雪夫滤波器的幅度平方函数需要确定,,,三个参数:及N。下面研究如何确定这三个参数具体步骤如下:c,()将实际频率归一化得,,ps,,,,,sp,,pp,,,再根据已知的Hj,,|()|ps幅度平方函数确定和N。C(),,N,()确定和N。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书定义通带波纹(即通带衰减)(以分贝为单位)为:,,(),,,,,,C()lglg()NHj(),代入,,,得,ppsslg(),,C,,,Npp,,lg(),C,,,,Nss,即,p,,,C(),,Np,,,,s,,chNch()C(),,,,,,sNS,因为,,所以C(),pN,p,,,,,ss,,,chNcha,(),,,s,p,,,cha()则,N,,ch()s,s,其中a,,p,,chxxx()ln,,,这样可以求出,和N其中。N,在已知,、、的情况下就可以根据幅度平方函数求出滤波器的p零点和极点从而确定滤波器的系统函数。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书表归一化切比雪夫原型滤波器分母多项式设计系数aaaaan波纹()db,,,,,db波纹(),,,,,,,,,,db波纹(),,为了设计方便工程上已将截止频率的切比雪夫低通滤波器的系p内蒙古工业大学本科毕业设计说明书统函数设计为表格供设计时查阅。归一化原型切比雪夫低通滤波器的系统函数如()式所示设计表格如表所示。d()(),HpNN,aapapappN,再次强调表是归一化的结果对于具体的,其系统函数,,pc可由()式得到。Hs()a()HsHp()(),Sp,,p综上所述设计切比雪夫低通滤波器的基本步骤如下:,,ps()计算归一化频率。,,,,,sp,,pp,p,()根据通带波纹(通带衰减)db按照式计算,,,,p,cha(),,()根据阻带起始频率阻带衰减和。按照其中,,Nss,,ch()s,s,式计算滤波器的阶数Na,,p,()根据滤波器阶数N查表得归一化原型切比雪夫滤波器系统函数d根据的低频特性求出待定系数注:当N为偶数时Hp()Hp(),当N为奇数时。H()H(),,,()去掉归一化影响根据截止频率按照式计算HsHp()(),Spp,,p切比雪夫滤波器的系统函数Hs()内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第五章MATLAB的仿真及分析MATLAB的介绍MATLAB软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MATrixLABoratory(短阵实验室)的缩写。它的第版(DoS版本)发行于年经过余年的不断改进现今已推出它的WindoMNT版本(版)。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境该系统的基本数据结构是矩阵在生成矩陈对象时不要求作明确的维数说明。与利用c语言或FoRTRAN语言作数值计算的程序设计相比利用MATLAB可以节省大量的编程时间。在美国的一些大学里MATLAB正在成为对数值线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。在工程技术界MATLAB也被用来解决一些实际课题和数学模型问题。典型的应用包括数值计算、算法预设计与验证以及一些特殊的短阵计算应用如自动控制理论、统计、数字信号处理(时间序列分拆)等。MATLAB系统最初是由CIeveMoler用FORTRAN语盲设计的有关短阵的算法来自LINPACK和EIsPACK课题的研究成果现在的MATLAB程序是MathWorks公司用C语言开发的第一版由steveBangert主持开发编译解释程序SteveKleiman完成图形功能的设计JohnLittle和CleveMoler主持开发了各类数学分分析的子模块撰写用户指南和大部分的M文件。自从第版发行以来已有众多的科技工作者加入到MATLAB的开发队伍中并为形成今天约MATLAB系统做出了巨大的贡献。MATLAB以商品形式出现后仅短短几年就以其良好的开放性和运行的可靠性使原先控制领域里的封闭式软件包(如英国的UMIST瑞典的LUND和SIMNON德国的KEDDC)纷纷淘汰而改以MATLAB为平台加以重建。在时间进入世纪九十年代的时候MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。到九十年代初期在国际上几个数学类科技应用软件中内蒙古工业大学本科毕业设计说明书MATLAB在数值计算方面独占鳌头而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。MathWorks公司于年推出MATLAB版本x版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时出现了以下几个重要变化:()推出了SIMULINK。这是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素从而大大提高了人们对非线性、随机动态系统的认知能力。()开发了与外部进行直接数据交换的组件打通了MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。()推出了符号计算工具包。年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权以Maple为“引擎”开发了SymbolicMathToolbox。MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论促成了两种计算的互补发展新时代。()构作了Notebook。MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word运用DDE和OLE实现了MATLAB与Word的无缝连接从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。MTALAB系统由五个主要部分组成下面分别加以介绍。()MATALB语言体系MATLAB是高层次的矩阵,数组语言(具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模端程完成算法设计和算法实验的基本任务也可以进行大规模编程开发复杂的应用程序。()MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称(包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法以及开发、调试、管理M文件的各种工具。()图形句相系统这是MATLAB图形系统的基础包括完成D和D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令以及开发GUI应用程序的各种工具。()MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称(包内蒙古工业大学本科毕业设计说明书括各种初等函数的算法也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。()MATLAB应用程序接口(API)这是MATLAB为用户提供的一个函数库使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)读写MAT文件的功能。可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外MATLAB还具有根强的功能扩展能力与它的主系统一起可以配备各种各样的工具箱以完成一些特定的任务。用户可以根据自己的工作任务开发自己的工具箱。在欧美大学里诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。在那里MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。在国际学术界MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上(尤其是信息科学刊物)都可以看到MATLAB的应用。在设计研究单位和工业部门MATLAB被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。如美国NationalInstruments公司信号测量、分析软件LabVIEWCadence公司信号和通信分析设计软件SPW等或者直接建筑在MATLAB之上或者以MATLAB为主要支撑。又如HP公司的VXI硬件TM公司的DSPGage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。MATLAB工具箱函数工具箱为滤波器设计和谱分析提供了丰富的支MATLAB信号处理工具箱提供函数主要用于处理信号与系统问题并可对数持通过信号处理工具箱的有关函数可以直接设计数字滤波器也可以建立模拟原型并离散化。在这章里将主要介绍采样函数、信号生成、滤波器的设计和随机信号功率谱分析。本次设计中主要用的是滤波器设计工具函数所以别的函数工具就不多介绍了就重点介绍我用到的三个滤波器的工具函数它们是巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫I型低通滤波器、切比雪夫II型低通滤波器等。首先介绍MATLAB工具设计巴特沃斯低通滤波器matlab信号处理工具箱函数buttapbuttord和butter是巴特沃斯滤波器设计函数。其中有五种调用格式。()Z,P,K=buttap(N)内蒙古工业大学本科毕业设计说明书该格式用于计算N阶巴特沃斯归一化(dB截止频率Ωc=)模拟低通原型滤波器系数函数的零、极点和增益因子。返回长度为N的列向量Z和P,分别给出N个零点和极点的位置K表示滤波器增益。()N,wc=buttord(wpwsRpAs)该格式用于计算巴特沃斯数字滤波器的阶数N和dB截止频率wc。调用参数wp和ws分别为数字滤波器的通带边界频率和阻带边界频率的归一化值要求wp,ws,表示数字滤波率Π。Rp和As分别为通带最大衰减和阻带最小衰减。当wswp时为高通滤波器当wp和ws为二元矢量时为带通或带阻滤波器这时wc也是二元向量。N和wc作为butter函数的调用参数。()N,wc=buttord(wpwsrpAsˊsˊ)该格式用于计算巴特沃斯低通滤波器的阶数N和dB截止频率wc。Wp、ws和wc是实际摩尼教频率相同。()B,A=butter(N,wcˊftypeˊ)计算N阶巴特沃斯低通滤波器系统函数分子和分母多项式的系数向量B和A。调用参数N和wc分别为巴特沃斯数字滤波器的阶数和dB截止频率的归一化值。()B,A=butter(N,wcˊftypeˊˊsˊ)计算巴特沃斯模拟滤波器系统函数分子和分母多项式的系数向量B和A。调用参数N和wc分别为巴特沃斯模拟滤波器的阶数和dB截止频率。然后介绍MATLAB工具设计切比雪夫滤波器MATLAB的信号处理工具箱函数cheblap,cheblord和chebly是切比雪夫I型滤波器设计函数。其调用格式如下:()z,p,k=cheblap(N,Rp)()N,wpo=cheblord(wp,ws,Rp,As)()N,wpo=cheblord(wp,ws,Rp,As,ˊsˊ)()B,A=chebly(N,Rp,wpo,ˊftypeˊ)()B,A=chebly(N,Rp,wpo,ˊftypeˊ,ˊsˊ)切比雪夫I型滤波器设计函数与巴特沃斯滤波器设计函数比较只有两个点不同。调用参数wpo是切比雪夫I型滤波器的通带截止频率而不是dB截止频率。其它参数含义与巴特沃斯滤波器设计函数中的参数相同。系数向量B和A与数字和模拟滤波器系统函数的关系下列两式决定内蒙古工业大学本科毕业设计说明书,,,,()NNBzBBzBNzBNZ()()()()()Hz(),,式(),,,,()NNAzAAzANzANz()()()()()NN,BsBsBsBNsBN()()()()()Hs(),,式()aNN,AsAsAsANsAN()()()()()MATLAB信号处理工具箱函数cheb,chebord和cheby是切比雪夫II型滤波器设计函数。其调用格式如下:()z,p,G=chebap(N,Rs)该格式用于计算N阶切比雪夫II型归一化(阻带截止频率)模拟低通,,s滤波器系统函数为零、极点和增益因子。返回长度为N的列向量z和p分别给出N个零点和极点的位置。G表示滤波器增益。Rs是阻带最小衰减(dB)。()N,wso=chebord(wp,ws,Rp,As)该格式用于计算切比雪夫II型数字滤波器的阶数N和阻带截止频率wso。调用参数wp和ws分别为数字滤波器的通带边界频率和阻带边界频率的归一化值。,,,,要求wpwp表示数字频率(对应模拟频率Fs)Rp和As分别,,,为通带最大衰减和阻带最小衰减(dB)。wp时为高通滤波器当wp和ws为二元矢量时为通带或阻带滤波器这时wso也是二元向量。N和wpo作为cheby的调用参数。()N,wpo=chebord(wp,ws,Rp,As,ˊsˊ)该格式用于计算切比雪夫II型模拟滤波器的阶数N和阻带截止频率wso。Wp、ws和wso是实际的模拟角频率(rads)。其他参数与格式()相同。()B,A=cheby(N,Rs,wso,ˊftypeˊ)该格式用于计算N阶切比雪夫II型数字滤波器系统函数的分子和分母多项式系数向量B和A。调用参数N和wso分别为切比雪夫II型数字滤波器的阶数和阻带截止频率的归一化值(关于,归一化)一般调用函数chebord计算N和wso。()B,A=cheby(Z,Rs,wso,ˊftypeˊ,ˊsˊ)向量B和A。调用参数N和wso分别为N阶切比雪夫II型模拟滤波器的阶数和阻带截止频率。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书巴特沃斯低通滤波器的滤波效果分析图原始信号的波形图图原始音乐信号的频谱图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图加噪音乐信号的波形图图加噪音乐信号的频谱图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图去噪音乐信号的波形图图去噪音乐信号的频谱图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书结果分析:我们先采集语音信号但我用的是给定好的音乐信号用MATLAB去分析它的波形图和频谱图然后加余弦信号生成含高频噪声的音乐信号加噪声后音乐信号的波形图和频谱图所示然后用巴特沃斯低通滤波器去滤波噪声音乐信号的波形图和频谱图所示。我观察到图和图滤波前后的语音信号的波形图发现时域波形变化不大这可能是我用音乐信号的噪声不大但还是有滤去噪声的从图和图滤波前后的频谱图很明显的看出设计的巴特沃斯滤波器滤掉了语音信号的高频噪声。所以我设计的巴特沃斯低通滤波器达到了要求。切比雪夫低通滤波器的滤波效果分析图原始信号的波形图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图原始音乐信号的频谱图图加噪音乐信号的波形图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图加噪音乐信号的频谱图图去噪音乐信号的波形图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书图去噪音乐信号的频谱图结果分析:我们先采集语音信号但我用的是给定好的音乐信号用MATLAB去分析它的波形图和频谱图然后加余弦信号生成含高频噪声的音乐信号加噪声后音乐信号的波形图和频谱图所示然后用切比雪夫I型低通滤波器去滤波噪声音乐信号的波形图和频谱图所示。我观察到图和图滤波前后的语音信号的波形图发现时域波形变化不大这可能是我用音乐信号的噪声不大但还是有滤去噪声的从图和图滤波前后的频谱图很明显的看出设计的切比雪夫低通滤波器滤掉了语音信号的高频噪声。所以我设计的切比雪夫低通滤波器达到了要求。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书结论本文主要采用低通滤波器的滤波原理为基础达到加噪语音信号的滤波处理主要用的滤波器是巴特沃斯低通滤波器和切比雪夫低通滤波器跟MATLAB工具函数进行结合对两个滤波器的滤波效果进行分析。分析的依据是对语音信号进行波形图分析和频谱图分析主要是通过频谱图进行分析。重点是根据给定的语音信号和加噪语音信号来确定设计的低通滤波器的参数进行设定。频谱图形来确定最终的最佳滤波状态。由于本人的能力有限有可能设定滤波参数的原因还未能达到滤波效果所以一些参数今后进一步完善。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书参考文献王蔚MATLAB环境下的数字滤波器设计及其应用苏州大学硕士学位论文王一帆广义切比雪夫滤波器设计电子科技大学硕士学位论文语音信号处理技术研究山东大学硕士学位论文王京辉卓露语音增强算法的研究与处理湖北工业大学硕士学位轮段万新抗噪声语音识别系统研究与实现成都理工大学高希全、丁玉美:《数字信号处理》第三版西安科技大学出版社陈怀琛、吴大正、高西全:《MATLAB及在电子信息课程中的应用》北京:电子工业出版社第三版黄同等基于MATLAB的巴特沃斯数字滤波器设计延安大学学报(自然科学版)唐向宏、岳恒立、郑雪峰:《MATLAB及在电子信息类课程中的应用》北京电子工业出版社冯燕媛影响铁路GSMR系统的干扰分析铁路从通信信号工程技术年第期汪健基于空域滤波的用语音分离研究西南交通大学硕士论文熊民权谱衰减法语音增强研究湘潭大学硕士论文林遂芳噪声环境下语音识别方法的研究西安理工大学赵力《语音信号处理》第三版北京:机械工业出版社胡航《语音信号处理》第四版哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社HuhangSpeechsignalprocessingHaerbinindustrialuniversitypublishingcompany,ZhuDabin,HuangTianxi,YaoYonggangDesignandconstructionofthecurrentconveyorbasedcurrentmodelowpassfilterJWuhanUniversityJournalofNaturalSciences,ZHONGXiaomingLIGuohuiSchoolofCommunicationandInformationEngineeringShanghaiUniversityShanghai内蒙古工业大学本科毕业设计说明书附录用巴特沃斯低通滤波器滤波的程序:clcclearclearallclct=Fs=采样频率ts=Fs采样间隔df=频率分辨率m,fs,bits=wavread('E:cmyheartwav')读取音乐信号len=size(m,)U=fft(m)原始音乐信号的频谱figure()plot(m)原始音乐信号的波形图title('原始音乐信号的波形图')xlabel('时间s')figure()plot(abs(fftshift(U)))原始音乐信号的频谱图title('原始音乐信号的频谱图')xlabel('频率Hz')生成包含高频噪声音乐信号t=:ts:tnoise=*cos(*pi*t)内蒙古工业大学本科毕业设计说明书fori=:lenhz(i)=m(i)noise(i)endwavwrite(hz,Fs,'zwav')生成加噪后音乐信号Z=fft(hz)加噪音乐信号的频谱figure()plot(hz)加噪音乐信号的波形图title('加噪音乐信号的波形图')xlabel('时间s')figure()plot(abs(fftshift(Z)))加噪音乐信号的频谱图title('加噪音乐信号的频谱图')xlabel('频率Hz')用巴特沃斯低通滤波器实现滤波Wp=*piWs=*piRp=As=R=^(Rp)A=^(As)b,a=afdbutt(Wp,Ws,Rp,As)ha,x,t=impulse(b,a)qz=*(^)*conv(ha,hz)内蒙古工业大学本科毕业设计说明书wavwrite(qz,Fs,'zwav')生成去噪后音乐信号Q=fft(qz)去噪音乐信号的频谱figure()plot(qz)去噪音乐信号的波形图title('去噪音乐信号的波形图')xlabel('时间s')figure()plot(abs(fftshift(Q)))去噪音乐信号的频谱图title('去噪音乐信号的频谱图')xlabel('频率Hz')用切比雪夫I型系统滤波器滤波的程序:clcclearclearallclct=Fs=采样频率ts=Fs采样间隔df=频率分辨率m,fs,bits=wavread('E:cmyheartwav')读取音乐信号len=size(m,)U=fft(m)原始音乐信号的频谱figure()plot(m)原始音乐信号的波形图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书title('原始音乐信号的波形图')xlabel('时间s')figure()plot(abs(fftshift(U)))原始音乐信号的频谱图title('原始音乐信号的频谱图')xlabel('频率Hz')生成包含高频噪声音乐信号t=:ts:tnoise=*cos(*pi*t)fori=:lenhz(i)=m(i)noise(i)endwavwrite(hz,Fs,'zwav')生成加噪后音乐信号Z=fft(hz)加噪音乐信号的频谱figure()plot(hz)加噪音乐信号的波形图title('加噪音乐信号的波形图')xlabel('时间s')figure()plot(abs(fftshift(Z)))加噪音乐信号的频谱图title('加噪音乐信号的频谱图')xlabel('频率Hz')内蒙古工业大学本科毕业设计说明书用切比雪夫型低通滤波器实现滤波Wp=*piWs=*piRp=As=R=^(Rp)A=^(As)b,a=afdcheb(Wp,Ws,Rp,As)ha,x,t=impulse(b,a)qz=**conv(ha,hz)wavwrite(qz,Fs,'zwav')生成去噪后音乐信号Q=fft(qz)去噪音乐信号的频谱figure()plot(qz)去噪音乐信号的波形图title('去噪音乐信号的波形图')xlabel('时间s')figure()plot(abs(fftshift(Q)))去噪音乐信号的频谱图title('去噪音乐信号的频谱图')xlabel('频率Hz')内蒙古工业大学本科毕业设计说明书谢辞这次设计是在导师高志奇老师的悉心指导下完成的。在整个毕业设计过程中无论是选题还是研究、实验直到论文的最后完成其中每一点成绩的取得都离不开高志奇老师的关怀和指导。高老师不仅在学习上对我耐心指导、严格要求而且在生活上也给我很多关心、理解和帮助。他平易近人的生活作风、渊博的学识以及严谨的治学态度都是我学习的榜样。在此致以真诚的感谢。同时还要感谢电子系的全体老师、同学是他们创造了良好的工作和学习氛围在论文工作过程中给予了我极大的支持。特别感谢一直关爱和支持着我的父母、亲友他们的无私奉献是我永远难以报答的。最后向所有关心和帮助过我的人表示谢意。谨向曾经支持、关心、鼓励和帮助过我的老师、同学、亲人和朋友们致以最真诚的谢意。

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