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1、摘摘 要要用 MATLAB 对于语音信号进行分析和处理，采集语音信号后，在 MATLAB 软件平台进行频谱分析；并对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号。本次设计介绍了基于 MATLAB 的对语音信号的采集，处理及滤波器的设计，并使之实现的过程。关键词：MATLAB;语音信号；滤波器；加噪；除噪目目 录录摘要摘要 .1 1 设计原理设计原理 .1 1.1 理论原理 .1 1.1.1采样频率 .1 1.1.2 采样位数 .1 1.1.3 采样定理 .1 1.1.4 时域信号的 FFT 分析.2 1.1.5 数字信号的滤波器原理和方法 .
2、2 1.1.6 各种不同类型滤波器的性能比较 .3 1.1.7 离散傅立叶变换 .3 2 信号采信号采集集及读取及读取 .4 3 构造受干扰信号并对其进行构造受干扰信号并对其进行 FFT 频谱分析频谱分析.6 4 数字滤波器设计数字滤波器设计 .8 4.1 用窗函数法设计 IIR 带通滤波器.8 4.2 用窗函数法设计 FIR 低通滤波器.10 5 信号处理信号处理 .12 5.1 IIR 带通滤波.12 5.2 FIR 低通滤波.14 6 心得体会心得体会 .16 7 参考文献参考文献： .16郑州轻工业学院 MATLAB 课程设计说明书11 设计原理设计原理1.1 理论原理理论原理1.1.
3、11.1.1 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。 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。1.1.2 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。1.1.3 采样定理采样定
4、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(fs.max=2fmax)，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 。1.1.4 时域信号的时域信号的 FFT 分析分析信号的频谱分析就是计算信号的傅立叶变换。连续信号与系统的傅立叶 分析显然不便于用计算机进行计算，使其应用受到限制。而FFT 是一种时 域和频域均离散化的变换，适合数值运算，成为用计算机分析离散信号和系 统的有力工具。对连续信号和系统，可以通过时域采样，应用DFT 进行近 似
5、谱分析。1.1.5 数字信号的滤波器原理和方法数字信号的滤波器原理和方法IIR 数字滤波器系统函数：H(z)=（1.1） Nkk kMjrzaz10j1b其中 H(z)称为 N 阶 IIR 数字滤波器系统函数。 IIR 滤波器设计方法有间接和直接法，间接法是借助于模拟滤波器的设计方法进行的。其步骤是：先 设计过度模拟滤波器得到系统函数 Ha(s)，然后将 Ha（s）按某种方法转换 成数字滤波器的系统函数 H(z)。利用有限脉冲响应 (FIR)设计滤波器。有限脉冲响应滤波器在保证幅度 特性满足技术要求的同时，很容易做到有严格的线性相位特性。用N 表示 FIR 滤波器单位脉冲响应 h(n)的长度，
6、其系统函数 H（z）为（1.2）10)()(NnnznhzHH（z）是 z-1的 N-1 次多项式，它在 z 平面上有 N-1 个零点，在原点 z=0 处有一个 N-1 重极点。因此， H(z)永远稳定。稳定和线性相位是 FIR 滤波器最突出的优点。1.1.6 各种不同类型滤波器的性能比较各种不同类型滤波器的性能比较巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性；切比雪夫滤波器的幅频特性 在通带或阻带有波纹特性，可以提高选择性；贝塞尔滤波器通带内有较好的 线性相位特性；椭圆滤波器的选择性相对前三种是最好的，但通带和阻带内 均呈现等波纹幅频特性，线性特性的非线性稍重。IIR 数字滤波器最大的优点是给定一组
7、指标时，它的阶数要比相同组的 FIR 滤波器低得多。 IIR 数字滤波器的设计方法是利用模拟滤波器成熟的理 论及设计图进行的，因而保留了一些典型模拟滤波器优良的幅度特性。但设 计中只考虑了幅度特性，没考虑相位特性，所设计的滤波器一般是某种确定 的非线性相位特性。为了得到线性相位特性，对IIR 滤波器必须另外增加郑州轻工业学院 MATLAB 课程设计说明书3相位校正网络。 FIR 滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做 到有严格的线性相位特性。稳定和线性相位是FIR 滤波器最突出的优点。1.1.7 离散傅立叶变换离散傅立叶变换1.310)()()(Nnkn NWnxnxDFTkX其中,
8、N 为 DFT 变换的区间长度。NjeW22 信号采集及读取信号采集及读取用录音工具录一段自己的声音，转化为wav 格式的文件，然后保存到 MATLAB 的文件夹下的 work 文件夹中。在 MATLAB 软件平台下，利用 wavread 函数对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。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(1.wav)；把语音信号进行载 MATLAB 仿真软件 平台中，采样值放在向量 y 中，fs 表示采样频率（hz），nbits 表示采样位数
9、。sound（y,fs,nbits）；回放语音信号 N=length(y)；求出语音信号的长度 Y=fft(y,N)；傅立叶变换调用函数 y 为被变换的时域系列向量，N 是 DFT 变换区间长度，当 N 大于 y 的长度时，fft 函数自动在 y 后面补零，函数返回 y 的 N 点 DFT 变换结果向量 Y。当 N 小于 y 的长度时，fft 函数计算 y 的前面 N 个元素构成的 N 点 DFT，忽 略 y 后面的元素。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 中利用 fft 对新号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性。subplot(2,1,1);plo
10、t(y);title(原始信号波形);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信号频谱)；程序如下：程序如下：y,fs,nbits=wavread(1.wav);sound(y,fs,nbits);N=length(y);Y=fft(y,N);subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信号波形);xlabel(时间);ylabel(幅度);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信号频谱);xlabel(时间);ylabel(幅度);程序结果如下图：程序结果如下图：郑州轻工业学院 MATLAB 课程设计说明书5程序
11、如下：程序如下：y,fs,nbits=wavread (1.wav);N = length (y) ; %求出语音信号的长度noise=0.2*randn(N,1); %随机函数产生噪声Si=y+noise; %语音信号加入噪声 sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title(加噪语音信号的时域波形);xlabel(时间);ylabel(幅度);S=fft(Si); %傅里叶变换subplot(2,1,2);plot(abs(S); title(加噪语音信号的频域波形); xlabel(时间);ylabel(幅度);程序结果如下图：程序结果如下图：3 构造受干扰信号并对其进行构造受干扰信号并对其进行 FFT 频谱分析频谱分析4 数字滤波器设计数字滤波器设计4.1 用窗函数法设计用窗函数法设计 IIR 带通滤波器带通滤波器程序如下：程序如下：郑州轻工业学院 MATLAB 课程设计说明书7wp=0.2*pi; ws=0.3*pi; %性能指标wdelta=ws-wp; %过渡带宽度M=ceil(3.32*pi/wdelta); %滤波器长度，朝正无穷方向舍入N=2*M+1; %窗口长度w
