1、 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）题 目： 语音信号的去噪处理 学 生： 学号： 学 院： 物理与电子科学学 院 专业： 电子信息科学与技术 入学时间： 年 月 日指导教师： 职称： 完成日期： 年 月 日语音信号的去噪处理摘要：伴随着计算机普及以及计算机技术的发展,数字信号与信息处理理论作为一门新兴学科在日常生活和科学研究变得越来越重要。信号采样和频谱分析是信号分析的重要内容,它是研究语音信号的基础。本次毕业设计详细介绍了信号采集和频谱搬移以及加噪声去噪声的相关知识,以及基于 mat lab 的低通 高通 带通滤波器的设计和实现。在本次设计中分3个大部分，设计低通滤波器以及滤除高频噪声
2、，设计高通滤波器以及滤除低频噪声，设计带通滤波器以及滤除通带上的噪声，每次设计有分3小节，先进行语音信号的提取以及时域和频域的分析，再对语音信号进行加噪处理，并对语音信号进行频域分析，设计滤波器滤除噪声，对比加噪前和加噪后语音信号的变化。在文章的最后，总结本次设计所遇到的问题及解决方案，附上 mat lab 程序。关键词: 滤波器设计;噪声; matlab;频谱搬移;频率调制Denoising processing of speech signalsAbstract: With the development of computer literacy and computer technolo
3、gy, digital signal processing and information theory as a new discipline has become increasingly important in daily life and scientific research. Signal sampling and analysis is an important part of the spectrum of the signal analysis, which is the basis of study of the speech signal. This paper des
4、cribes the move as well as signal acquisition and spectrum plus noise to noise-related knowledge, as well as the design and implementation mat lab-based high-pass, low-pass band-pass filter. In this design, carve three parts, the design of the low-pass filter and filter out high frequency noise, and
5、 a high-pass filter designed to filter out low frequency noise, band-pass filter design and noise filter passband, each design partakers of three sections, the first for the extraction and analysis of time-domain and frequency-domain speech signal, and then add noise to the speech signal processing,
6、 frequency domain analysis and voice signals, the former design filters out noise, contrast, noise and after the speech signal plus noise changes. In the last article, summed up this design problems encountered and solutions, attach mat lab procedures.Keywords : noise; filter design ;matlab ;spectru
7、m move ; fmI目录1 引言 .11.1 研究的背景 .11.2 研究的意义 .11.3 研究的目标 .12 系统的总体描述 .22.1 方案选择 .22.1.1 采集声音信号 .22.1.2 添加噪声信号 .32.1.3 选用合适的滤波器 .32.1.4 设计滤波器 .52.2 系统框图 .103 系统的软件设计 .113.1 开发环境 .113.2 开发工具介绍 .113.3 开发环境设置 .113.4 软件设计 .114 软件调试 .124.1 滤除高频噪声 .124.1.1 声音的提取 .124.1.2 声音的加噪 .124.1.3 噪声的去除 .134.2 滤除低频噪声 .1
8、54.2.1 声音的提取 .154.2.2 声音的加噪 .164.2.3 噪声的去除 .164.3 滤除语音信号噪声干扰 .184.3.1 声音的提取 .194.3.2 声音的加噪 .194.3.3 噪声的去除 .205 结束语 .22参考文献： .23致谢 .24附录： .25语音信号的去噪处理11 引言1.1 研究的背景信号分析与处理的理论和技术为新的学科因为随着计算机的普及和计算机技术而到广阔的发展和应用，越来越多的专家关注着信号分析与处理技术。人通过观察自然界以及对自然界信息的提取，通过对有价值的信息的分析和处理获得的信息，从而对自然进行改造。电子、通信、测量、自动控制、计算机系统的主
9、要任务是对信号的提取、加功和变换，以实现特定的功能转化。从广义上讲，自然，工程和社会科学，信号以其独特的形式无处不在。一个信号（signa ）或 f(t)函数（function）或序列（sequence） ，都可以代表的物理信号。并且在运动状态的变化，也可以通过信号来表示。信号的概念各个广泛的领域，其中以其特有各种形式表达各种特定的信息。古代的战场把击鼓作为前进或后退的命令信号，并且用烽火作为信号传达敌人进犯紧急情况 。在近现代，信号更在电，热，声，光，电等诸多方面1表现出其特有的重要性。信息通过信号表现，信号蕴含着信息的内容。在众多信号的表现形式中，电信号因为可以快熟传输还可以远距离传输并能
10、够十分方便地对其进行加工变换从而获得广泛应用。所以，科学研究和做工程项目中常常把非电信号通过传感器转换为电信号，通过对电信号的研究从而达到对非电信号的研究。在日常生活和科学研究中人们往往使用一些传统的高级语言来解决一些繁重的数学计算和数值分析，通常这都需要使用着需要很强的编程能力。此外，对于大多数的科学家和一些初学者，利用这些高级语言的分析和计算图形处理的可视化的计算结果，也不是一件容易的事情。matlab 恰是在这样的背景下产生的一种数学应用软件。1.2 研究的意义21 世纪，许多学校正在对传统的教学内容进行改革，电子类,通信类与测量类的某些专业，迫切需要较多的与信号相关的知识。信号分析与处
11、理，尤其是在频域信号分析与处理方面已经成为一个热门经常被用来讨论和分析。在技术和应用软件中，matlab 的出现给科学研究带来了方便已经得到广大科研人员的认可。 随着不断提高的释放， matlab 的功能也越来越强大，越来越广泛的应用，目前已被广泛应用于信号处理，图像处理，系统仿真，自动控制领域，小波分析和神经网络。1.3 研究的目标本次设计的总目标是做一个基于 matlab 的声音的除燥处理,利用 matlab 显语音信号的去噪处理2示声音信号的频谱， （1）再使用 modulate 函数产生搬移员噪声产生高频噪声，分别听取加噪声前和加噪声后区别，设计低通滤波器滤去高频信号，还原声音信号。
12、（2）同理使用 modulate 函数产生搬移员噪声产生低频噪声，分别听取加噪声前和加噪声后区别，设计高通滤波器滤去低频信号，还原声音信号。 （3）利用 rand 函数产生随机噪声，将噪声信号加入到整个通带里，设计带通滤波器，滤去高频和低频成份，还原声音信号。2 系统的总体描述2.1 方案选择本次设计分 3 个模块：（1）采集声音信号，并用 matlab 显示其信号图与频谱图。 （2）产生噪声信号并添加到原信号。(3)设计合适的滤波器，还原音乐信号，并画出其时域图与频域图，并与原始信号比较，且回放音乐信号。2.1.1 采集声音信号（1）本次设计采用的是一款网上下载的 一款名叫灵者录音机的软件，
13、打开软件，设置采样率为 22050，点击录制，录一段 10s 的声音片段，保存的 e 盘的根目录中，名字命名为 jinhuaibo。（2）语音信号的时频分析使用 MATLAB 函数库中的“wavread”命令来采集语音信号，并将其分配给一个矢量 。继而对其进行采样。以下是 wavread 函数几个的调用形式。1（1）y=wavread（file，N1,N2）：读取从 N1 到 N2 点的采样值并将得到的采样值放在向量 y 中。（2）y=wavread（file，N）：读取前 N 点的采样值并将得到的采样值放在向量 y 中。（3）y=wavread（file）：wav 文件读取指定的文件，则返回
14、值被放置在样品中的向量 y。（4）y,fs,nbits=wavread(file) ：将得到的采样值放在向量 y 中，其中 fs 表示采样频率（hz） ，nbits 表示采样位数。然后，利用 mat lab 画出语音信号的时域波形，再画出语音信号进行频波形。matlab 中用 FFT 计算 DFT 函数 fft,其使用方式如下：Xk=fft(xn,N)参数 xn 是被变换的时域序列向量，N 是 DFT 变换区间长度。在本次论文设计中，我们利用 fft 对语音信号进行快速傅里叶变换，就可语音信号的去噪处理3以得到信号的频谱特性。2.1.2 添加噪声信号以高频噪声为例，本次设计利用 matlab
15、中 modulate 函数的 fm 调制，将原来声音信号搬移到高频处，再将产生后的高频信号加入到原始信号。所谓调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或几个参数按2照调制信号规律而变化。在调制时，若载波频率随调制信号变化，称为频率调制（fm） 。所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随调制信号吗 m（t）成比例变化，即：）（）（ tmdtfK式中：Kf 为调频灵敏度（rad/(s.v)）这时相位偏移为代入上式的即可得到调频信号为：dtf)()(dmtAkwsfcfm)(os得到高频信号后，利用 matlab 中的函数把原声音信号和高频噪声信号加到一起。同理，使用 fm 频率调制将原来
16、的声音信号移到低频处，再将原声音信号和低频噪声信号相加。分别将高频和低频信号加到原信号。利用 sound 函数分别听取加噪声和没有加噪声信号的区别。2.1.3选用合适的滤波器根据信号的特点，选择合适的过滤器，一个给定的归一化性能的过滤器。通常，数字滤波器是由加法器、乘法器、和延时器组成，通常一般是用来对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以便来改变信号频谱 。因此，它本身是3一种硬件装配成的完成给定运算的专用数字计算机，所需的操作可以被编译成程序，以便通用计算机来执行。传统的数字滤波器具有灵活性特别高，精确度也很高等优点。伴随着数字技术的快速发展，数字化技术实现数字滤波器的功能收到越来越多的重
17、视，并的到人们广泛的使用和快速发展。(1)一般常用滤波器的性能指标滤波器性能通常使用系统频率特性 来表明，常常使用滤波器性)(jeH能参数主要有以下 3 个 ：51. 幅度平方函数语音信号的去噪处理42*()()() ()jjjjjjzeHeH该参数指标主要用来说明系统的幅频特性。2.相位函数 ()()Re()Im()(jj j jjeHH其中： )(ReI)(jjarctg该参数主要用来说明系统的相位特性。3.群延时 dej)()(定义为负相位角频率的导数，过滤器的平均延时的不同频率成分。当在通带内的群时延需要是恒定的，滤波器的相位响应特性曲线通常应该是线性的。(2)实际滤波器的频率特性 5
18、现实中的滤波器低通滤波器频率特性与理想的低通滤波器频率特性是不一样的，我们以低通滤波器的频率特性为例。1. 理想滤波器的特性：假设在滤波器输入信号为 ，并在信号中混入噪音 ，使该滤波器有)(tx)(tu不同的频率。假设滤波器的单位脉冲响应为 。则该理想滤波器输出为：)(th（1）()ytutKx对上式作傅里叶变换得：（2）()()()jYjXjHjUjjeX假设除去噪声信号，即 （3）()0jj并将（3）式代入（2）式整理后得： ()()jYjjKeX假定信号频率成分为： ，噪音频率成分为 。则完整的理想低cc通滤波器的滤波特性：语音信号的去噪处理5（4） |()()0j cKeYjHjX即
19、|()|0cHjargj则该系统的单位脉冲响应为：（5）sin()1()2cjjt cthtKedK理想低通滤波器的频率特性如上图 1-1 所示，单位脉冲响应的波形上如图1-2 所示。2. 实际滤波器特性工程技术上通常是用脉冲响应为有限长的、因果的、稳定的线性时不变系统或具有连续频率特性的线性时不变系统来逼近理想特性以实现低通滤波器。一般在一定的误差范围内设计实际低通滤波器。因此我们设计实际的低通滤波器特性如图 1-3 所示。其中截止频率c阻带起始频率s过渡带宽c在通带内幅度响应以 的误差接近于 1，即11()j cHe为阻带起始频率，在阻带内幅度响应以小于 的误差接近于零，即s 22()j
20、se为了成功的使用逼近法来实现理想的低通滤波器，我们需要提供一带宽为的不为零的过渡带。并在这个过渡带内，该滤波器的幅频响应需要平滑sc的从通带内下到阻带。102通带阻带过渡带图 1-3 实际滤波器特性cs()jHe()HjcK0图 1-1 理想低通滤波器频率特性h(t)t图 1-2 理性滤波器的单位脉冲响应()0语音信号的去噪处理63 常用的数字滤波器设计方法主要有以下 2 种：1. 使用模拟滤波器函数转换的方法；首先设计模拟滤波器 H(s)，再将模拟滤波器转化为数字滤波器 H(z)。2. 直接设计法：在 z 平面内，我们根据零、极点对系统特性的影响，从而来调整零极点位置然后得 H(z)。2.
21、1.4 设计滤波器（1）一般模拟滤波器幅频响应都使用“幅度平方函数” 表示 。2()A10(6) 2()()aasjAHj式中 是模拟滤波器的系统函数。s是该模拟滤波器稳态响应，通常又()aj被叫为滤波器的频率响应。 是该模()aHj拟滤波器的稳态振幅特性。（2）巴特沃斯低通滤波器：巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数定义为（7）221|()|NHjC式中 C 为常数，N 为 巴特沃斯低通滤波器阶数， 为归一化后低通截止频率。巴特沃斯低通滤波器的振幅频率特性如图 1-4 所示。假设归一化后巴特沃斯低通滤波器的归一化频率为 ，归一化传递函数为 ，其中 ，则由()Hpj（6）式和（7）式得： 2221
22、()()NpjHjC由于（8）221()()()a jsNcHsAj所以我们一般把巴特沃斯滤波器划分全极点滤波器。1、常用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；：阻带起始频率；sN=41 N=10N=21 p2 () Hj0.707图 1-4 巴特沃思低通滤波器特性1psps()Hj语音信号的去噪处理7：阻带衰减，单位：dB 。s图 1-5 巴特沃斯低通滤波器指标说明：（1）衰减是以分贝（dB）为单位；即 2210lg0lg1()NCHj（2）当 时 为通常意义上的截止频率。3dBp（3）在滤波器设计中常选用归一化的频率 ，即/C1,psp2、巴特沃斯低通滤波器设计实质我们根据设计指标 ， ， ， 确定归一化后巴特沃斯低通滤波器待ps定系数 C 和巴特沃斯低通滤波器的阶数 N；最后再确定巴特沃斯低通滤波器的传递函数 H(s)。（1）实际频率 归一化后得 ， ，然后根据已知的 ，1pspp，幅度平方函数 确定 C 和 N。s22|()|1NHj（2）求 C 和 N由 并带入 ， ， ， 得22()10lg0lg()jps21l0lgNppssC即 2210NpNspsC因为 ，所以1p210p由 两边取对数得：101022sspNsC
