基于MATLAB数字滤波器设计语音信号去噪.docx

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基于MATLAB数字滤波器设计语音信号去噪

摘要

在现代各种通信系统中，由于自然界中的各种各样的复杂噪声不免会掺杂在其中，数字信号处理这门经典学科恰好能够解决这个问题，其中最通用的方法就是利用滤波器来滤除这些杂波噪声,而数字滤波器是通过数值运算实现滤波，具有处理精度高、稳定、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滤波功能。

数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应（IIR）数字滤波器和有限长冲激响应（FIR）数字滤波器。

实现IIR滤波器的阶次较低，所用的存储单元较少，效率高，精度高，而且能够保留一些模拟滤波器的优良特性，因此应用很广。

本论文研究的主要内容就是基于Matlab软件仿真设计数字滤波器，将掺杂在语音信号中的噪音消除，在此将分析消除噪音前后语音信号的时域及频域特性，对比分析即可验证滤波前后特性差别。

同时本文还介绍了数字滤波器的设计方法并将IIR滤波器与FIR滤波器进行了分析比较更进一步的阐述了各数字滤波器的优缺点。

通过这次毕业设计，将会进一步理解语音信号原理分析及滤波处理，为更好的设计滤波器打好基础。

关键词：

Matlab；巴特沃斯；IIR数字滤波器

ABSTRACT

Inmoderncommunicationsystems,avarietyofcomplexnoisemaymixinthenatureofsounds.Theclassicdisciplinesofthedigitalsignalprocessingcansolvethisproblem,oneofthemostcommonmethodistouseafiltertofilterthoseclutternoise,andthedigitalfilterisrealizedthroughnumericalcomputation,digitalfiltersfilterwithhighprecision,stabilityandflexibility,don'texist,canrealizetheimpedancematchingsimulatingthespecialfiltercannotachievefilterfunction.Digitalfilteraccordingtoitsimpulseresponsefunctionandcharacteristicsofthetimecanbedividedintotwokinds,namelytheinfiniteimpulseresponse（IIR）digitalfilterandfiniteimpulseresponse（FIRdigitalfilters）.TheorderofrealizingIIRfilterisused,lowandhighefficiencylessstorageunit,highprecision,andcankeepsomesimulationcharacteristicsoffilter,soitiswidelyused.ThemainresearchcontentofthispaperisbasedonMatlabsoftwaresimulationtodesigndigitalfilter,inwhichtocancelthenoiseofthespeechsignal,thenitwilleliminatethenoiseandthespeechsignalsfromtimedomainandfrequencydomaincharacteristicsinthisanalysisbeforeandafter,andanalysisthedifferencestestthefilteringcharacteristics.AtthesametimethearticlealsointroducesthedesignmethodofdigitalfilterandIIRfilterandFIRfilterisanalyzedandcomparedfurtherexpoundstheadvantagesanddisadvantagesofthedigitalfilter.Throughthedesignofthisgraduationdesign,wewillunderstandtheprincipleofspeechsignalanalysisandfiltering,andlaythefoundationforthefilterdesign.

Keywords:

Matlab;Butterworth;IIRdigitalfilter

绪论

随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。

数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、抽样、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。

它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域都获得了极其广泛的应用。

具有精确、灵活、设备尺寸小、抗干扰强、速度快、造价低等优点。

数字滤波器是数字信号处理中及其重要的一部分。

所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系来使输入信号所含频率成分的相对比例发生变化或者去除一些频率部分的硬件或软件。

由于数字滤波信号形式与进行滤波的方法与模拟滤波的方法完全不同，同时数字滤波器具备有比模拟滤波器稳定、精度高、重量轻、体积小、不要求阻抗匹配、灵活以及可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移和噪声问题。

语音是人类获取知识和各种各样信息的重要手段和最初来源，人类离不开自然界中各种不同的语音，但在获取语音的过程中，将不可避免的会受到外界环境的干扰和影响，如各种机器的轰鸣声或者自然界太多的电磁噪声干扰等这些不可避免的有害噪声信号都会附加掺杂在语音信号中，获取的语音信号将不再是单纯的语音，掺杂的噪声不但降低了语音质量和语音的可懂度，严重时将导致不可预知的不良效果。

所以在信号处理过程中，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。

根据有用信号和噪音的不同特性，提取有用信号的过程称为滤波，实现滤波功能的系统称为滤波器。

在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器在语音处理、通信、图像处理、电视、雷达、声纳、生物医学信号处理等领域应用极为广泛。

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。

数字滤波器种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应（FIR，FiniteImpulseResponse）滤波器和无限冲激响应（IIR，InfiniteImpulseResponse）滤波器。

FIR滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，系统函数H（z）在处收敛，极点全部在z=0处（因果系统），因而只能用较高的阶数达到高的选择性。

FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR数字滤波器低，但是线性相位，就是不同频率分量的信号经过fir滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。

FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。

FIR滤波器因具有系统稳定，易实现相位控制，允许设计多通带（或多阻带）滤波器等优点收到人们的青睐。

IIR数字滤波器结构上是递归型结构，即在结构上存在反馈环路。

IIR数字滤波器的运算结构一般由乘以系数、相加、和延时等基本的运算组成，这些可以组合成正准型、直接型、并联型、级联型形式的四种结构，都含有反馈回路。

由于运算中的舍入处理，使误差不断积累，有时会产生微弱的寄生振荡。

同时，IIR数字滤波器可以借助成熟的模拟滤波器的成果来设计，如契比雪夫、椭圆滤波器和巴特沃斯滤波器等，同时具有现成的图表或设计数据可以查找，在设计IIR数字滤波器时，一般根据性能指标先写出模拟滤波器的公式，然后经过一定的转换，把模拟滤波器的公式变换成数字滤波器的公式。

滤波器的设计可以通过软件或设计专用的硬件两种方式来实现。

随着MATLAB软件及信号处理工具箱的不断完善，MATLAB很快成为应用学科等领域不可或缺的基础软件。

它可以快速有效地实现数字滤波器的设计、分析和仿真，极大地减轻了工作量,有利于滤波器设计的最优化。

一、设计基本原理

（一）MATLAB软件设计平台简介

MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司研发的商业软件，用于数据可视化、算法开发、数值计算数据分析以及数值计算的交互式环境和高级技术计算语言中，其中主要包含Simulink和MATLAB两大部分。

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对可视化、交互式程序设计以及科学计算的高科技计算环境。

它将矩阵计算、科学数据、可视化、非线性动态系统的建模和仿真以及数值分析等一系列强大功能集成在一个简单方便使用的可视窗口中，为工程设计、科学研究以及那些必须从事有效数值计算的一系列科学领域提供了全方面的解决办法，并在极大程度上舍弃了C、Fortran等传统非交互式程序设计语言的编辑模式，从而体现了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称三大数学软件。

MATLAB可以进行绘制函数和数据、矩阵运算、连接其他编程语言的程序、创建用户界面、实现算法等，主要应用于控制设计、工程计算、图像处理、信号处理与通讯、金融建模设计与分析、信号检测等领域。

同时利用附加的工具箱来扩展MATLAB环境，其中专用的MATLAB函数集可以解决一些应用领域特定类型内无法解决的问题。

MATLAB的主要特点如下：

（1）程序的可移植性良好应用于其他程序。

（2）程序限制宽泛，程序设计自由。

有大量已经系统定义的函数可直接应用，并且能够用户自定义函数。

（3）语言简洁，使用灵活方便，库函数相当丰富。

（4）源程序向大众开放。

用户可灵活的对源文件进行修改以及加入自己的设计语音构成新的工具箱。

（5）最后MATLAB的一个重要特点是功能强大的工具箱。

MATLAB包含两个重要的部分：

核心部分和各种可选的工具箱。

（二）语音信号处理程序流程图

本课题设计主要是录取一段原始语音信号，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加。

分别设计巴特沃思滤波器（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，得到符合要求的语音信号。

并且分析对比前后时域和频域波形。

程序流程图如下图1所示。

用宏乐录音棚录制一段格式为.wav的语音

用wavread读取语音信号，并进行采样，建立数据文件，对语音信号进行频谱分析，绘出时域和频域图

在语音信号中加入噪声，对加噪语音信号进行频谱分析绘出时域和频域图

设计巴特沃思滤波器（低通、带通、高通），并对加噪语音信号进行滤波处理，分析滤波前后信号时域和频域特征

开始

结束

图1程序流程图

（三）语音信号的采样理论依据

1．采样