用数字滤波器滤除语音信号中噪声

语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第1页共57页数字滤波器的设计报告-----处理语音信号学院：理学院专业：电子信息工程班级：01姓名：学号：指导教师：语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第2页共57页一绪论1.1设计目的与要求(1)掌握数字信号处理的基本概念，基本理论和基本方法。(2)熟悉离散信号和系统的时域特性。(3)掌握序列快速傅里叶变换方法。(4)学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法。(5)掌握利用MATLAB对语音信号进行频谱分析。(6)掌握滤波器的网络结构。(7)掌握MATLAB设计IIR、FIR数字滤波器的方法和对信号进行滤波的方法。1.2设计内容1.2.1预习题部分(1)设计卷积运算的演示程序：可输入任意两个序列x1(n)、x2(n)，并指定x1(n)为自己的学号,本实验为x1(n)={2,0,0,8,8,4,2,5,0,1,1,0}。x2(n)的内容和长度自选。例如x2(n)={1,2.43,6.17,12.93,22.17,32.25,40.88,45.87,45.87,40.88,32.25,22.17,12.93,6.17,2.43,1.0000}。(2)编写程序演示采样定理（时域采样、频谱周期延拓），同时演示采样频率小于2fc时，产生的混叠效应：①对下面连续信号进行采样：学号，nnanAtutAetxata,2),()sin()(00，A为幅度因子，a为衰减因子，0为模拟角频率，其中n为学号(例如，王墨同学n=23)②要求输入采样频率fs（根据程序处理需要指定范围）后，在时域演示信号波语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第3页共57页形、采样脉冲及采样后信号；在频域演示不同采样频率下对应信号的频谱。1.2.2设计题部分(1)利用Windows下的录音机或其他软件，选择Windows系统的“叮······”（ding.wav），并对该信号进行采样；(2)语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；(3)产生噪声信号加到语音信号中，得到被污染的语音信号，并回放语音信号；(4)污染信号的频谱分析，画出被污染的语音信号时域波形和频谱；(5)根据有关的频谱特性，采用间接法设计IIR数字滤波器，并画出相应滤波器的幅频图（设计3个IIR滤波器）a.模拟滤波器类型：巴特沃思滤波器（低通、带通、高通）b．总体要求：MATLAB原程序+仿真波形+技术指标(6)根据有关的频谱特性，采用直接法设计FIR数字滤波器，并画出相应滤波器的幅频图（设计3个FIR滤波器）a.滤波器类型：Bartlett窗（低通、带通、高通）b．总体要求：MATLAB原程序+仿真波形+技术指标+窗函数(7)用自己设计的这些滤波器分别对被不同噪声污染的信号进行滤波；(8)分析得到信号的频谱，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；(9)回放语音信号。二课程设计基本原理2.1设计思路(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号(2)根据不同的滤波器选择不同的噪声信号加到语音信号中，得到被污染的语音信号。(3)分别设计巴特沃思滤波器（低通、带通、高通）以及Bartlett窗滤波器（低通、带通、高通）对被污染的语音信号滤波，滤掉相应的噪音信号，得到语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第4页共57页符合要求的语音信号。方案设计流程图如图2.1所示。（图为巴特沃思滤波器，Bartlett窗滤波器与巴特沃思类似）图2.1总体方案设计流程图（巴特沃思）2.2设计原理语音信号的频谱范围主要为800HZ左右，并且在5000HZ左右有一个小信号，因此，在设计低通滤波器时，应把噪声频谱设定在5000HZ以上，这样，通过低通滤波器，即可滤除噪声信号从而还原语音信号；在设计高通滤波器时，应把噪声设定在800HZ以内，以通过高通滤波器滤除低频的噪声信号，从而还原相对频率较高的语音信号；在设计带通滤波器时，可把噪声设计在低于800HZ或高于5000HZ的频谱上，已通过带通滤波器还原带通范围内的语音信号。2.2.1设计IIR数字滤波器的基本思想设计IIR数字滤波器的方法主要有基于冲激响应不变法的IIR数字滤波器设计，基于双线性Z变换法的IIR数字滤波器设计，数字高通、带通及带阻IIR语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第5页共57页滤波器设计，基于MATLAB函数直接设计IIR数字滤波器。本实验中采用双线性变换法变换的巴特沃思数字滤波器。2.2.1.1巴特沃思低通数字滤波器(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号（用如下语句调用[x,FS,bits]=wavread('D:\ding.wav')）。(2)给信号加一个大频率的噪声（取噪声频率远大于语音信号的最大频率），产生污染信号。(3)设计一个巴特沃思低通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为小于噪声信号频率。(4)将设计好的巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语音信号。2.2.1.2巴特沃思高通数字滤波器(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号（用如下语句调用[x,FS,bits]=wavread('D:\ding.wav')）。(2)给信号加一个小频率的噪声（取噪声频率远小于语音信号的最小频率），产生污染信号。(3)设计一个巴特沃思高通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为大于噪声信号频率。(4)将设计好的巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语音信号。2.2.1.3巴特沃思带通数字滤波器(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号（用如下语句调用[x,FS,bits]=wavread('D:\ding.wav')）。(2)给信号加一个小频率或大频率的噪声（取噪声频率远小于语音信号的最小频率或大于语音信号的最大频率），产生污染信号。本实验取小频率的噪声信号。(3)设计一个巴特沃思带通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为不包括噪声信号频率。(4)将设计好的巴特沃思带通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第6页共57页音信号。2.2.2设计FIR滤波器的基本思想FIR滤波器通常采用窗函数方法来设计。正确地选择窗函数可以提高设计数字滤波器的性能，或者在满足设计要求的情况下，减小FIR数字滤波器的阶次。常用的窗函数有以下几种：矩形窗(Rectangularwindow)、三角窗(Triangularwindow)、汉宁窗(Hanningwindow)、海明窗(Hammingwindow)、布拉克曼窗(Bartlettwindow)、切比雪夫窗(Chebyshevwindow)、巴特里特窗(Bartlettwindow)及凯塞窗(Kaiserwindow)。本实验中选用布拉克曼窗(Bartlettwindow)设计滤波器。2.2.1.1Bartlett窗低通滤波器(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号（用如下语句调用[x,FS,bits]=wavread('D:\ding.wav')）。(2)给信号加一个大频率的噪声（取噪声频率远大于语音信号的最大频率），产生污染信号。(3)设计一个Bartlett窗低通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为小于噪声信号频率。(4)将设计好的Bartlett窗低通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语音信号。2.2.1.2Bartlett窗高通滤波器(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号（用如下语句调用[x,FS,bits]=wavread('D:\ding.wav')）。(2)给信号加一个小频率的噪声（取噪声频率远小于语音信号的最小频率），产生污染信号。(3)设计一个Bartlett窗高通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为大于噪声信号频率。(4)将设计好的Bartlett窗高通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语音信号。2.2.1.3Bartlett窗带通滤波器(1)选择来自于D盘的“ding.wav”声音作为语音信号（用如下语句调用语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第7页共57页[x,FS,bits]=wavread('D:\ding.wav')）。(2)给信号加一个小频率或大频率的噪声（取噪声频率远小于语音信号的最小频率或大于语音信号的最大频率），产生污染信号。本实验取小频率的噪声信号。(3)设计一个Bartlett窗带通滤波器，通带范围包括语音信号，阻带频率设定为不包括噪声信号频率。(4)将设计好的Bartlett窗带通滤波器滤除被噪声污染后的语音信号。还原语音信号。3设计步骤和过程3.1设计步骤(1)语音信号的采集要求利用windows下的录音机（开始—程序—附件—娱乐—录音机，文件—属性—立即转换—8000Hz，8位，单声道）录制一段自己的话音，或者采用Windows自带的声音文件（默认为22050Hz），时间控制在几秒左右。然后在MATLAB软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用，要求理解采样频率、采样位数等概念。wavread函数调用格式：y=wavread(file)，读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中。[y,fs,nbits]=wavread(file)，采样值放在向量y中，fs表示采样频率（Hz），nbits表示采样位数。y=wavread(file,N)，读取前N点的采样值放在向量y中。y=wavread(file,[N1,N2])，读取从N1点到N2点的采样值放在向量y中。(2)语音信号的频谱分析要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音信号进行频谱分析，在MATLAB中，可以利用函数fft对信号进行快速付立叶变换，得到信号的频谱特性；从而加深对频谱特性的理解。(3)设计数字滤波器和画出频率响应语音信号的数字滤波处理——巴特沃思、bartlett窗滤波器设计第8页共57页根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标，例如：1）低通滤波器性能指标，fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100dB，Ap=1dB；2）高通滤波器性能指标，fc=2800Hz，fp=3000Hz，As=100dB，Ap=1dB；3）带通滤波器性能指标，fp1=1200Hz，fp2=3000Hz，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB。(4)回放语音信号在MATLAB中,函数sound可以对声音进行回放。其调用格式：sound(x,fs,bits);可以感觉滤波前后的声音有变化。这里可以通过两种方式进行信号采集，一是在自己电脑C:\WINDOWS\Media中有很多系统声音，我选择了自己电脑里的“WindowsXP叮当声”这个声音文件（.wav）。二用电脑自带录音软件(开始\所有程序\附件\娱乐\录音机)，或者使用其它专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件（如麦克风），为便于比较，需要在安静、干扰小的环境下录音。3.2设计详细过程3.2.1语音信号的采集与频谱分析将电脑D:\ding.wav这一声音文件导入MATLAB软件中，绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。MATLAB程序如下：clf;[x,FS,bits]=wavread('C:\WINDOWS\Media');x=x(:,1);figure(1);subplot(211);plot(x);%sound(x,FS,bits);title('语音信号时域波形图')y=fft(x,3260);f=(FS/1630)*[1:1630];subplot(212);plot(f(1:1630),abs(y(1:1630))