IIR滤波器语音去噪处理

课程设计(论文)题目基于IIR数字滤波器的有噪语音信号的处理课程设计（论文）任务书学院：电气工程学院题目：基于IIR数字滤波器的有噪语音信号的处理起止时间：2016年10月25日至16年11月20日学生姓名：专业班级：指导教师：教研室主任：院长：2016年11月20日论文(设计)内容及要求：一、课程设计（论文）原始依据在信号传输过程中，由于实验条件或各种其他主观或客观条件的原因，不可避免的会引进一些噪声信号，因此‘除噪’成了研究信号传输过程中必不可少的一环。基于MATLAB的有噪语音信号处理，通过MATLAB强大的数据运算能力，可以极大程度上消弱噪声影响，还原出真实的语音信号。二、课程设计（论文）主要内容课程设计内容如下：1.绪论2.基于滤波器的语音信号的处理2.1语音信号的采样理论依据2.1.1采样频率2.1.2采样位数2.1.3采样定理2.2语音信号的采集3.滤波器的设计3.1数字滤波器概述3.2模拟滤波器概述3.3IIR滤波器概述3.4IIR滤波器设计3.5用滤波器对加噪语音信号进行滤波4.仿真及结果分析4.1语音信号的时频分析4.2加噪后的语音信号及其频谱分析4.3验证所设计的滤波器4.4比较滤波前后语音信号的波形及频谱4.5IIR滤波器处理结果的分析5.课题结论6.参考文献7.谢辞8.附录附录1：IIR数字滤波器的主要程序附录2：比较滤波前后语音信号的波形及频谱三、课程设计（论文）基本要求（1）技术要求：编制Matlab程序，完成以下功能，产生系统输入信号；根据系统差分方程求解单位脉冲响应序列；根据输入信号求解输出响应；用实验方法检查系统是否稳定；绘制相关信号的波形。（2）工作要求：简述离散系统时域分析和判断系统稳定性方法；完成所给设计实验，并对结果进行分析和解释；打印程序清单和要求画出的信号波形；写出本次课程设计的收获和体会；列出参考文献。四、课程设计（论文）进度安排课程设计进度（时间）安排如下：1.2016年10月25日—2016年10月31日理解课程设计题目的设计要求，查阅相关资料；2.2016年11月1日—2016年11月8日完成各部分程序代码及系统调试；3.2016年11月9日—2016年12月11日完成课程设计初稿；4.2016年11月12日—2016年11月24日完成完整的课程设计报告；5.2016年11月20日上交课程设计作品并答辩。五、主要参考文献[1].高西全，丁玉美．数字信号处理[M].北京：西安电子科技大学出版社，2008[2].刘泉，阙大顺．数字信号处理原理与实现[M]．北京：电子工业出版社，2005[3].张磊，毕靖，郭莲英．MATLAB实用教程[M]．北京：人民邮电出版社，2008[4].张威．MATLAB基础与编程入门[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2006[5].周利清，苏菲．数字信号处理基础[M]．北京：北京邮电大学出版社，2005指导老师：（签名）年月日南华大学电气工程学院课程设计i摘要：滤波器设计在数字信号处理中占有极其重要的地位，IIR滤波器是滤波器设计的重要组成部分。课题基于MATLAB有噪音语音信号处理的设计与实现，综合运用数字信号处理的理论知识对加噪声语音信号进行时域，频域分析和滤波。通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现。在设计实现的过程中，用巴特沃斯、切比雪夫和双线性变法设计IIR数字滤波器，并利用MATLAB作为辅助工具完成设计中的计算与图形的绘制。通过对对所设计滤波器的仿真和频率特性分析，可知利用MATLAB信号处理工具处理工具箱可以有效快捷地设计IIR数字滤波器，结果的各项性能指标均达到指定要求。关键词：MATLAB；IIR滤波器；有噪音语音信号南华大学电气工程学院课程设计iiAbstract:filterdesignplaysanimportantroleindigitalsignalprocessing,IIRfilterisanimportantpartofthefilterdesign.ResearchbasedonMATLABdesignandimplementationofthenoiseprocessingofspeechsignal,thetheoryofknowledgeoftheintegrateduseofdigitalsignalprocessingintimedomainofspeechsignalplusnoise,frequencydomainanalysisandfiltering.ThroughtheoreticalderivationcorrespondingconclusionusingMATLABasaprogrammingtoolforcomputerimplementation.Inthedesignprocess,withButterworth,ChebyshevandbilinearmethodofIIRdigitalfilterdesign,anduseMATLABasatoolCompletethedrawingcalculationandgraphicdesign.Throughthesimulationandfrequencycharacteristicanalysisonthedesignoffilter,MATLABsignalprocessingtoolsprocessingtoolboxcaneffectivelyandquicklydesignIIRdigitalfilterbasedontheresultsoftheperformanceindicatorstomeetthespecifiedrequirements.Keywords:MATLAB;IIRfilter;noisyspeechsignal南华大学电气工程学院课程设计iii目录1.绪论..............................................12.基于滤波器的语音信号的处理........................12.1语音信号的采样理论依据.............................12.1.1采样频率...............................................12.1.2采样位数...............................................22.1.3采样定理...............................................22.2语音信号的采集.....................................23.滤波器的设计......................................23.1数字滤波器概述.....................................23.2模拟滤波器概述.....................................33.3IIR滤波器概述......................................33.4IIR滤波器设计......................................43.5用滤波器对加噪语音信号进行滤波.....................64.仿真及结果分析....................................64.1语音信号的时频分析.................................64.2加噪后的语音信号及其频谱分析.......................84.3验证所设计的滤波器.................................94.4比较滤波前后语音信号的波形及频谱..................114.5IIR滤波器处理结果的分析...........................135.课题结论.........................................146.参考文献.........................................167.谢辞.............................................17南华大学电气工程学院课程设计iv8.附录.............................................18附录1：IIR数字滤波器的主要程序.......................18附录2：比较滤波前后语音信号的波形及频谱..............19南华大学电气工程学院课程设计第1页共27页1.绪论数字滤波器，是数字信号处理中及其重要的一部分。随着信息时代和数字技术的发展，受到人们越来越多的重视。数字滤波器可以通过数值运算实现滤波，所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。IIR滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。同时，IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。本设计研究的主要内容中是先进行语音信号的采集，然后对语音信号进行频谱分析，再利用IIR两种滤波器对语音信号进行过滤和频谱分析，画出滤波之后的频谱图与时域波形，并对信号滤波前后进行分析比较，分析信号的变化，得出滤波性能。2.基于滤波器的语音信号的处理选择一个语音信号作为分析的对象，或录制一段语音信号，对其进行频谱分析；利用MATLAB中的随机函数产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，并对其进行频谱分析；设计IIR数字滤波器，并对被噪声污染的语音信号进行滤波，分析滤波后信号的时域和频域特征，最后回放语音信号。2.1语音信号的采样理论依据2.1.1采样频率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，根据奎斯特理论，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。南华大学电气工程学院课程设计第2页共27页2.1.2采样位数采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然。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。2.1.3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5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。1924年奈奎斯特(Nyquis