数字信号处理课程设计报告--基于MATLAB的语音去噪处理

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1、第 1 页数字信号处理课程设计报告基于 MATLAB 的语音去噪处理专 业： 通信工程 班 级： 通信 1101 班 组 次： 第 7 组 姓名及学号： 胡政权（2011013825） 姓名及学号： 潘 爽（2011013836） 第 2 页组 员 承 担 任 务胡政权负责程序的编写，并检验程序是否错误，利用课余时间去图书馆或上网查阅课题相关资料，深入理解课题含义及设计要求，注意材料收集与整理，对课程设计要求进行最后审核。潘爽负责课程设计实验 MATLAB 仿真对实验结果进行分析，上网查阅材料对实验发表自己看法同时对实验要求进行扩展。对论文进行抒写，排版使实验课程设计更加完善。指导教师评价意见

2、第 3 页基于 MATLAB 的语音去噪处理1、设计目的（1）巩固所学的数字信号处理理论知识， 理解信号的采集、处理、加噪、去噪过程；（2）综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（3）学习资料的收集与整理，学会撰写课程设计报告。2、设计任务（1）语音信号的录制。（2）在 MATLAB 平台上读入语音信号。（3）绘制频谱图并回放原始语音信号。（4）利用 MATLAB 编程加入一段正弦波噪音，设计滤波器去噪。（5）利用 MATLAB 编程加入一段随机噪音信号，设计 FIR 和 IIR 滤波器去噪，并分别绘制频谱图、回放语音信号。（6）通过仿真后的图像以及对语音信号的回放，对比两种去噪

3、方式的优缺点。其大概流程框图可如下表示：（图 2-1）图 2-1 课程设计的流程第 4 页3、设计原理3.1 去噪原理3.1.1 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 510 倍；采样定理又称奈奎斯特定理。1924 年奈奎斯特(Nyquist)就推导出在理想低通信道的最高大码元传输速率的公式: 理想低通信道的最高大码元传输速率=2W*log2 N (其中 W 是理想低通信道的带宽,N 是电平强度)为

4、什么把采样频率设为 8kHz?在数字通信中，根据采样定理, 最小采样频率为语音信号最高频率的 2 倍频 带 为 F 的 连 续 信 号 f(t)可 用 一 系 列 离 散 的 采 样 值 f(t1),f(t1 t)，f(t12 t)， .来 表 示 ,只要这些采样点的时间间隔 t 1/2F， 便 可 根 据 各 采 样 值 完 全恢 复 原 来 的 信 号 f(t)。 这 是 时 域 采 样 定 理 的 一 种 表 述 方 式 。 时 域 采 样 定 理 的 另 一 种 表 述 方 式 是 ： 当 时 间 信 号 函 数 f(t)的 最 高 频 率 分 量 为 fM 时 ,f(t)的 值 可

5、由 一 系 列 采 样 间 隔 小 于 或 等 于 1/2fM 的 采 样 值 来 确 定 ,即 采 样 点 的 重 复 频 率f 2fM。 图 为 模 拟 信 号 和 采 样 样 本 的 示 意 图 。 时 域 采 样 定 理 是 采 样 误 差 理 论 、 随 机 变 量 采 样 理 论 和 多 变 量 采 样 理 论 的 基 础 。 对于 时 间 上 受 限 制 的 连 续 信 号 f(t)（ 即 当 t T 时 ,f(t)=0,这 里 T=T2-T1 是 信 号 的 持续 时 间 ） ， 若 其 频 谱 为 F（ ） ,则 可 在 频 域 上 用 一 系 列 离 散 的 采 样 值 （

6、 2-1）采 样 值 来 表 示 ,只 要 这 些 采 样 点 的 频 率 间 隔 （ 2-2）3.1.2 采样频率采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。通俗的讲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 只 能 用 于 周 期 性 采 样 的 采 样 器 ， 对 于 非 周 期 性 采 样 的 采 样 器 没 有 规 则 限 制 。采 样 频 率 的 常 用 的 表 示 符 号 是

7、 fs。 通 俗 的 讲 采 样 频 率 是 指 计 算 机 每 秒 钟 采 集 多 少 个第 5 页声 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 采 样 定 理 ，只 有 采 样 频 率 高 于 声 音 信 号 最

8、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 。 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

9、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 . 4、设计过程4.1 语音文件在 MATLAB 平台上的录入与打开单击自己的电脑开始程序，选择所有程序，接着选择附件，再选择娱乐，最后选择录音。自己录入“毕

10、业设计”语音信号，然后保存在 MATLAB 文件夹里面，命名为“wangqingtian.wav”。利用 MATLAB 中的 wavread 命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。y,fs,bits=wavread( N1 N2);用于读取语音，采样值放在向量 y 中，fs 表示采样频率(Hz)，bits 表示采样位数。N1 N2表示读取从 N1 点到 N2 点的值（若只有一个 N 的点则表示读取前 N 点的采样值）。4.2 原始语音信号频谱分析及仿真利用 MATLAB 中的 wavread 命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再将该向量看作一个普通的信号，对其进行 FF

11、T 变换实现频谱分析，再依据实际情况对它进行滤波。对于波形图与频谱图（包括滤波前后的对比图）都可以用 MATLAB 画出。我们还可以通过 sound 命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。选择设计此方案，是对数字信号处理的一次实践。在数字信号处理的课程学习过程中，我们过多的是理论学习，几乎没有进行实践方面的运用。这个课题正好是对数字语音处理的一次有利实践，而且语音处理也可以说是信号处理在实际应用中很大众化的一方面。这个方案用到的软件也是在数字信号处理中非常通用的一个软件MATLAB 软件。所第 6 页以这个课题的设计过程也是一次数字信号处理在 MATLAB 中应用的学习过程。

12、课题用到了较多的 MATLAB 语句，而由于课题研究范围所限，真正与数字信号有关的命令函数却并不多。sound(x,fs,bits); 用于对声音的回放。向量 y 则就代表了一个信号（也即一个复杂的“函数表达式” ）也就是说可以像处理一个信号表达式一样处理这个声音信号。FFT 的 MATLAB 实现：在 MATLAB 的信号处理工具箱中函数 FFT 和 IFFT 用于快速傅立叶变换和逆变换。下面介绍这些函数。函数 FFT 用于序列快速傅立叶变换。函数的一种调用格式为 y=fft(x)其中，x 是序列，y 是序列的 FFT，x 可以为一向量或矩阵，若 x 为一向量，y 是 x 的FFT。且和 x

13、 相同长度。若 x 为一矩阵，则 y 是对矩阵的每一列向量进行 FFT。如果 x 长度是 2 的幂次方，函数 fft 执行高速基2FFT 算法；否则 fft 执行一种混合基的离散傅立叶变换算法，计算速度较慢。函数 FFT 的另一种调用格式为 y=fft(x,N)式中，x，y 意义同前，N 为正整数。函数执行 N 点的 FFT。若 x 为向量且长度小于N，则函数将 x 补零至长度 N。若向量 x 的长度大于 N，则函数截短 x 使之长度为 N。若x 为矩阵，按相同方法对 x 进行处理。经函数 fft 求得的序列 y 一般是复序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB 提供求复数的幅值和相位函数：a

14、bs ，angle ，这些函数一般和 FFT 同时使用。函数 abs(x)用于计算复向量 x 的幅值，函数 angle(x)用于计算复向量的相角，介于 和 之间，以弧度表示。函数 unwrap(p)用于展开弧度相位角 p ,当相位角绝对变化超过 时，函数把它扩展至 。用 MATLAB 工具箱函数 fft 进行频谱分析时需注意：（1）函数 fft 返回值 y 的数据结构对称性一般而言，对于 N 点的 x(n)序列的 FFT 是 N 点的复数序列，其点 n=N/2+1 对应Nyquist 频率，作频谱分析时仅取序列 X(k)的前一半，即前 N/2 点即可。X(k)的后一半序列和前一半序列时对称的。

15、（2）频率计算第 7 页若 N 点序列 x(n)(n=0,1,N-1)是在采样频率 下获得的。它的 FFT 也是 N 点序列，即 X(k)(k=0,1,2,N-1)，则第 k 点所对应实际频率值为 f=k*f /N.（3）作 FFT 分析时，幅值大小与 FFT 选择点数有关，但不影响分析结果。下面的一段程序是语音信号在 MATLAB 中的最简单表现，它实现了语音的读入打开，以及绘出了语音信号的波形频谱图。x,fs,bits=wavread(C:UsersAdministratorDesktop数字信号处理课程设计1.wav);sound(x,fs,bits);X=fft(x,4096);mag

16、X=abs(X);angX=angle(X);subplot(221);plot(x);title(原始信号波形);subplot(222);plot(X); title(原始语音信号采样后的频谱图 )subplot(223);plot(magX);title(原始信号幅值);subplot(224);plot(angX);title(原始信号相位);程序运行可以听到声音，得到的图形为：（第 8 页图 41 原始语音波形、幅值、相位以及采样后频谱图4.3 加噪语音信号频谱分析及仿真(1)正弦波信号加入原始语音信号前面已经介绍了 MATLAB 软件相关知识，那么我们怎么在没没 ATLAB 平台上实现对一段原始语音信号加入一个正弦波信号呢？下面一段程序实现了在原始语音信号加入正弦波信号。程序见附录 5 分析此段程序可知，此程序是先对原始语音信号做时域波形分析