基于matlab的语音信号数字滤波器的的设计和实现论文

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1、 1基于基于 MATLAB 的语音信号数字滤波器的设计和实现的语音信号数字滤波器的设计和实现引引 言言随着信息时代和数字世界的到来，信号处理正向着数字化、软件化方向发 展，数字信号处理已经成为当今一门极其重要的学科和技术，并且在通信、语 音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得 到了广泛的应用。数字滤波器是数字信号处理的重要基础，在对信号的滤波、 检测及参数的估计等信号应用中，数字滤波器是使用最为广泛的一种线性系统。 在数字信号处理中，数字滤波器占有极其重要的地位，它具有精度高、可靠性 好、灵活性大等特点。现代数字滤波器可以用软件或硬件两种方式来实现。软 件方式实现

2、的优点是可以通过滤波器参数的改变去调整滤波器的性能。 人耳可闻的音频带宽为 20Hz20KHz，而语音信号的带宽是不较窄的。试 验证明，语音信号只要有 500Hz3KHz 的带宽就能够保持语音的清晰度。我们 只需要设计带宽为 500Hz3KHz 的语音信号滤波器用于语音信号通路中，抑制 了不需要的可闻音频信号，如低频噪声（交流感应噪声，电唱机唱盘噪声等） ， 高频噪声（磁带噪声，无线电接收机中的啸叫声等） 。或者只抑制低频和高频噪 声其中的一种。从而改善语音信号的信噪比，提高语音清晰度。2第第 1 章章 绪绪 论论1.1 研究现状研究现状 在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在

3、所有的电子部 件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品 的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器，次年导致了美国第一个 多路复用系统的出现。20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。自 60 年代起由于 计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且 朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体 积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向。导致 RC 有源滤 波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展， 到 70 年

4、代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80 年 代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90 年 代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤 波器本身的研究仍在不断进行。 1965 年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。70 年代初期，有源滤波器发展引人注目，1978 年单片 RC 有源滤波器问世，为滤 波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限 制了 RC 有源滤波器的频率范围，一般工作频率为 20kHz 左右，经过补偿后， 工作频率也限制在 100kHz 以内。1974 年产生

5、了更高频的 RC 有源滤波器，使 工作频率可达 GB/4（GB 为运放增益与带宽之积）。由于 R 的存在，给集成工 艺造成困难，于是又出现了有源 C 滤波器：就是滤波器由 C 和运放组成。这样 容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源 C 滤波器的性能只取决 于电容之比，与电容绝对值无关。但它有一个主要问题：由于各支路元件均为 电容，所以运放没有直流反馈通道，使稳定性成为难题。1982 年由 Geiger、Allen 和 Ngo 提出用连续的开关电阻（SR）去替代有源 RC 滤波器中的 电阻 R，就构成了 SRC 滤波器，它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和 复杂的相位时钟，使这种

6、滤波器发展前途不大。 20 世纪 80 年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集 成（LSI）。使用最多的滤波器成为“拦路虎”，RC 有源滤波器不能实现 LSI，无 源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。50 年代曾有人 提出 SCF 的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。1972 年， 美国一个叫 Fried 的科学家发表了用开关和电容模拟电阻 R，说 SCF 的性能只 取决于电容之比，与电容绝对值无关，这样才引起人们的重视。1979 年一些发 达国家单片 SCF 已成为商品（属于高度保密技术）。现在 SC 技术已趋成熟。 SCF 采用 MOS

7、 工艺加以实现，被公认为 80 年代网络理论与集成工艺的一个重 大突破。当前 MOS 电容值一般为几皮法至 100pF 之内，它具有（10100） 10-6/V 的电压系数与（10100）10-6/的温度系数，这两个系数几乎接近 理想的境界。SCF 具有下列一些优点：SCF 可以大规模集成；SCF 精度高，因3为其性能取决于电容之比，而 MOS 电容之比的误差小于千分之一；功能多， 几乎所有电子部件和功能均可以由 SC 技术来实现；比数字滤波器简单，因为 不需要 A/D、D/A 转换；功能小，可以做到小于 10mW。 我国广泛使用滤波器是 50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤 波。

8、经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际 发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我 国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。 在我国，1978 年有的导师和在校研究生开始进行这项研究工作，真正引起 人们重视是 1980 年以后。1983 年清华大学已制成单片 SCF，成都工程学院与 工厂联合，也研制成单片 SCF。现在关键是用 MOS 工艺实现 SCF 及推广应用 问题，由于用户还不了解它，在我国 SCF 的应用还没有普及。 我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。 从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓

9、慢，尚未大量生产和应用。 从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC 滤波器占 50%； 晶体滤波器占 20%；机械滤波器占 15%；陶瓷和声表面滤波器各占 1%；其余 各类滤波器共占 13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集 成，滤波器集成化仍然是个重要课题。1.2 发展趋势发展趋势 随着科技的发展，近些年又出现了很多新型数字滤波器（DF），在这里， 对一些新型 DF 做一些简单介绍。 （1）自适应 DF ：最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、 多变量的复杂控制系统，都属于现代控制理论研究的课题。自适应 DF 具有很 强的自学习、自跟踪功能。它在雷

10、达和声纳的波束形成、缓变噪声干扰的抑制、 噪声信号的处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获得 了广泛的应用，促进了现代控制理论的发展。 自适应 DF 有如下一些简单算法：WLMS 算法、MLMS 算法、TDO 算 法、差值 LMS 算法和 CLMS 算法。 （2）复数 DF ：在输入信号为窄带信号处理系统中，常采用复数 DF 技术。 为了降低采样率而又保存信号所包含的全部信息，可利用正交双路检波法，取 出窄带信号的复包络，然后通过 A/D 变换，将复包络转化为复数序列进行处理， 这个信号处理系统即为复数 DF。它具有许多功能：MTI 雷达中抑制具有卜勒 频移的杂波干扰；数字通

11、信网与模拟通信网之间多路 TDM/FDM 信号变换复 接 （3）多维 DF ：在图像处理、地震、石油勘探的数据处理中都用到多维 DF（常用是二维 DF），多维 DF 的设计，往往将一维 DF 优化设计直接推广到 多维 DF 中去。对于模糊和随机噪声干扰的二维图像的处理，多维 DF 也能发挥 很好的作用。 此外，还有波 DF，它便于实现大规模集成，便于无源和有源滤 波网络的数字模拟。因此，正受到人们的重视和加以研究。 对于 DF 有待研究的课题有：系数灵敏度、舍入噪声和极限环、多维逆归 滤波器的稳定性、各种硬件和软件实现 DF 的研究等等。总之，DF 在数字信号4处理技术中占有极为重要的地位，对

12、于它的研究、生产和应用等工作均是很有 意义的。 为适应各种需要，出现了一批新型滤波器，这里介绍几种已得到广泛应用 的新型滤波器。 （1）电控编程 CCD 横向滤波器（FPCCDTF） ：电荷耦合器（CCD）固 定加权的横向滤波器（TF）在信号处理中，其性能和造价均可与数字滤波器和 各种信号处理部件媲美。这种滤波器主要用于自适应滤波；P-N 序列和 Chirp 波形的匹配滤波；通用化的频域滤波器及相关积运算；语音信号和相位均衡； 相阵系统的波束合成和电视信号的重影消除等均有应用。当然，更多的应用有 待进一步开拓。总之，FPCCDTF 是最有希望的发展方向。 （2）晶体滤波器 ：它是适应单边带技术

13、而发展起来的。在 20 世纪 70 年 代，集成晶体滤波器的产生，使它的发展产生一个飞跃。近十年来，晶体滤波 器致力于下面一些研究：实现最佳设计，除具有优良的选择外，还具有良好的 时域响应；寻求新型材料；扩展工作频率；改造工艺，使其向集成化发展。它 广泛应用于多路复用系统中作为载波滤波器，在收发信中，单边带通信机中作 为选频滤波器，在频谱分析仪和声纳装置中作为中频滤波器。 （3）声表面滤波器 ：它是理想的超高频器件。它的幅频特性和相位特性 可以分别控制，以达到要求，而且它还有体积小，长时间稳定性好和工艺简单 等特点。通常应用于：电视广播发射机中作为残留边带滤波器；在彩色电视接 收机中调谐系统的

14、表面梳形滤波器。此外，在国防卫星通信系统中已广泛采用。 声表面滤波器是电子学和声学相结合的产物，而且可以集成，所以，它在所有 无源滤波器中最有发展前途的。 随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多， 并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远， 为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。 5第第 2 章章MATLAB 概述概述2.1 MATLAB 的诞生与发展的诞生与发展 MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值

15、计 算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部 分。 20 世纪 70 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任 Cleve Moler 为了减 轻学生编程的负担，用 FORTRAN 编写了最早的 MATLAB。1984 年由 Little、Moler、Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推 向市场。到 20 世纪 90 年代，MATLAB 已成为国际控制界的标准计算软件。 其版本更新如表 2-1 所示。 表 2-1 MATLAB 版本更新表版本建造编号发布时间MATLAB 1.01984 MATAL

16、B 21986MATLAB 31987MATLAB 3.51990MATLAB 41992MATLAB 4.2cR7 1994MATLAB 5.0R81996MATLAB 5.1R91997MATLAB 5.1.1R9.1 1997MATLAB 5.2R10 1998MATLAB 5.2.1R10.11998MATLAB 5.3R111999MATLAB 5.3.1R11.11999MATLAB 6.0R122000MATLAB 6.1R12.12001MATLAB 6.5R132002MATLAB 6.5.1R13SP12003MATLAB 6.5.2R13SP220036MATLAB 7R142004MATLAB 7.0.1R14SP12004MATLAB 7.0.4 R14SP22005MATLAB 7.1 R14SP32005MATLAB 7.2R2006a2006MATLAB 7.3 R2006b2006MATLAB 7.4R2007a2007MATLAB