Matlab台实现语音信号噪研究仿真
摘
语音信号数字信号处理中占极重位选择通语音信号研究巩固掌握数字信号处理基力十分具代表性数字信号处理离开滤波器滤波器设计信号处理中占极重位MATLAB软件工具箱提供种数字滤波器设计文MATLAB台实现语音信号噪研究仿真综合运数字信号处理种基知识进带噪语音信号进行谱分析带噪语音信号进行谱分析滤波处理通理推导出相应结通利MATLAB作编程工具进行计算机实现价已验证推导出结设计程中通设计FIR数字滤波器IIR数字滤波器完成滤波处理设计程中运MATLAB整设计中图形绘制数计算仿真
关键字 滤波器MATLAB仿真滤波
Speech signle denoising and simulation in MATLAB platform
ABSTRACT
Digital signal processing can not be separated from the filter the filter design occupies an extremely important role in signal processing The MATLAB software toolbox provides a variety of digital filter design The subject of the use of basic knowledge of digital signal processing speech signal and the noisy speech signal specctral snalysis and filteringBy the theoretical derivation of the corresponding conclusions then to the computer through the use of MATLAB as a programming tool
To achieve parity to verify the conclusions derived In the design process using the windoow function design FIR digital filterIIR digital filter using cut design than Chebyshev Butterworth and bilinear variation method In the design processthe use of computer and simulation of MATLAB the entire design graphics renderingand some date
Key words filterMATLABsimulationfiltering
目录
摘 I
ABSTRACT II
第1章 前言 1
11 研究意义 1
12 国外研究现状 1
13 研究容 2
第2章 语音信号噪方法研究 4
22 噪原理 4
221 采样定理 4
222 采样频率 5
22 噪方法 5
FIR滤波器基结构： 7
IIR数字滤波器设计 8
第3章 滤波器设计实现 10
31数字滤波器设计基原理 10
33 IIR数字滤波器设计实现 13
第四章 噪仿真研究 16
41 语音文件MATLAB台录入开 16
42 原始语音信号频谱分析仿真 16
43 加噪语音信号频谱分析仿真 20
(1)正弦波信号加入原始语音信号 20
44 噪仿真 24
45 结合噪频谱图两种方式滤波优缺点 25
总结 27
致谢 28
参考文献 29
第1章 前言
11 研究意义
语音语言声学表现类交流信息然效方便手段着社会文化进步科学技术发展类开始进入信息化时代现代手段研究语音处理技术更加效产生传输存储获取语音信息促进社会发展具十分重意义语音信号处理正越越受关注广泛研究
语音信号信息技术处理中重门科学类社会步标志什语音？语音类特功类获取外界信息重工具交流必少重手段什信号？信号什呢？信号传递信息函数离散时间信号——序列——图形表示
语音信号处理门研究数字信号处理研究信号科学新兴信
息科学时综合学科领域门交叉科学语音日常生
活中时见处见语音程度影响生活研究语音信号科学领域日常生活中广泛重意义
12 国外研究现状
20世纪60年代中期形成系列数字信号处理理算法数字滤波器快速傅立叶变换（FFT）等语音信号数字处理理技术基础着信息科学技术飞速发展语音信号处理取重进展：进入70年代提出语音信号信息压缩特征提取线性预测技术（LPC）已成语音信号处理强力工具广泛应语音信号分析合成应领域输入语音参考样间时间匹配动态规划方法80年代初种新基聚类分析高效数压缩技术—矢量量化（VQ）应语音信号处理中隐马尔夫模型（HMM）描述语音信号程产生80年代语音信号处理技术重发展目前HMM已构成现代语音识研究重
基石年工神网络(ANN)研究取迅速发展语音信号处理项课题促进发展重动力项成果体现语音信号处理项技术中
13 研究容
文介绍语音信号简单处理文针问题运数字信号学基原理实现语音信号处理matlab70环境综合运信号提取幅频变换傅里叶变换滤波等技术进行语音信号处理做工作matlab70软件编写处理语音信号程序语音信号进行采集进行种处理达简单语音信号处理目
语音信号研究文采设计两种滤波器基研究方法达研究语音信号噪目终结合图语音信号回放通出结
课题研究基步骤：
1 语音信号录制
2 MATLAB台读入语音信号
3 绘制频谱图回放原始语音信号
4 利MATLAB编程加入段正弦波噪音设计滤波器噪
5 利MATLAB编程加入段机噪音信号设计FIRIIR滤波器噪分绘制频谱图回放语音信号
6 通仿真图语音信号回放两种噪方式优缺点
概流程框图表示：（图11）
语音信号采集
效果显示
语音信号录入
语音信号变换
信号加噪
语音信号滤波
图11 文设计流程
第2章 语音信号噪方法研究
22 噪原理
221 采样定理
进行模拟数字信号转换程中采样频率fsmax信号中高频率fmax2倍时：fsmax>2fmax采样数字信号完整保留原始信号中信息般实际应中保证采样频率信号高频率5～10倍采样定理称奈奎斯特定理 1924年奈奎斯特(Nyquist)推导出理想低通信道高码元传输速率公式 理想低通信道高码元传输速率2W*log2 N (中W理想低通信道带宽N电强度)什采样频率设8kHz数字通信中根采样定理 采样频率语音信号高频率2倍
频带F连续信号 f(t)系列离散采样值f(t1)f(t1±Δt)f(t1±2Δt)表示采样点时间间隔Δt≤12F便根采样值完全恢复原信号f(t) 时域采样定理种表述方式
时域采样定理种表述方式：时间信号函数f(t)高频率分量fM时f(t)值系列采样间隔等12fM采样值确定采样点重复频率f≥2fM图模拟信号采样样示意图
时域采样定理采样误差理机变量采样理变量采样理基础时间受限制连续信号f(t)（│t│>T时f(t)0里TT2T1信号持续时间）频谱F（ω）频域系列离散采样值
（21）
采样值表示采样点频率间隔
（22）
222 采样频率
采样频率称采样速度者采样率定义秒连续信号中提取组成离散信号采样数赫兹（Hz）表示采样频率倒数采样周期者作采样时间采样间时间间隔通俗讲采样频率指计算机秒钟采集少声音样描述声音文件音质音调衡量声卡声音文件质量标准
采样频率周期性采样采样器非周期性采样采样器没规限制 采样频率常表示符号 fs 通俗讲采样频率指计算机秒钟采集少声音样描述声音文件音质音调衡量声卡声音文件质量标准采样频率越高采样间隔时间越短单位时间计算机声音样数越声音波形表示越精确采样频率声音频率间定关系根采样定理采样频率高声音信号高频率两倍时数字信号表示声音原成原声音说采样频率衡量声卡采集记录原声音文件质量标准
采样位数采样率音频接口说重两指标选择音频接口两重标准采样频率理说采样位数决定音频数力度范围增加采样位数相力度范围增加6dB采样位数越捕捉信号越精确采样率说想象类似相机441kHz意味着音频流进入计算机时计算机秒会拍达441000次显然采样率越高计算机摄取图片越原始音频原越加精确
22 噪方法
数字信号处理技术十年发展国外已取成绩目前止已较成熟噪方法较典型切雪夫噪法双线性变换噪法窗函数噪法谱相减噪法巴特沃兹噪法等名噪方法面分述噪方法中较代表性谱相减噪法FIRIIR滤波法做简单介绍
（1）谱相减算法噪法
日常交流语音通信系统中加性宽带噪声严重影响语音质量懂度带噪语音中提取原始语音信号方法单信道条件谱相减算法运算量原理简单易实现错增强效果广泛应谱相减语音增强算法核心噪声检测谱减规分析语音增强算法理基础文首先研究语音激活检测算法基短时量短时零率双门限法语音激活检测噪声估计算法做研究仿真时研究种基子带量噪声估计方法然通分析典谱减法原理般改进形式研究种基噪声残差谱相减改进算法种噪声零均值高斯分布前提谱减法改进算法通量仿真实验验证研究种改进算法效提高增强效果
谱相减算法噪较复杂里做讨文采种方法面着重讲解文采两种方法
（2）FIR滤波法
FIR工作原理：进入FIR滤波器前首先信号通AD器件进行模数转换成8bit数字信号般速度较高逐次逼进式AD转换器采累加方法分布式算法设计FIR滤波器滤波器输出数串序列直观反应出需数模转换FPGA构成FIR滤波器输出须外接DA模块FPGA着规整部逻辑阵列丰富连线资源特适合数字信号处理务相串行运算导通DSP芯片说行性扩展性更利FPGA累加快速算法设计出高速FIR数字滤波器
FIR特点：
限长单位激响应（FIR）滤波器特点：
A位激响应h (n)限n值处零
B系统函数0处收敛极点全部z 0处
C结构非递结构没输出输入反馈结构中（例频率抽样结构）包含反馈递部分
设FIR滤波器单位激响应h (n)N点序列0 ≤ n ≤N —1滤波器系统函数
H(z)∑h(n)*z^n （23）
说（N—1）阶极点z 0处（N—1）零点位限z面位置
FIR滤波器基结构：
FIR滤波器种基结构：
横截型
式系统差分方程表达式
y(n)∑h(m)x(nm) ( 24）
明显线性移变系统卷积公式x (n)延时链横结构称横截型结构卷积型结构称直接型结构转置定理转置直接型结构
FIR滤波器横截型结构
级联型
中[N2]表示取N2整数部分N偶数N—1奇数系数B2K中零时奇数根中复数根成轭必偶数必然奇数实根画出N奇数时FIR滤波器级联结构中二阶子图411横型结构
种结构节控制零点需控制传输零点时采种结构需系数B2k（I 012k 12．．．[N2]）卷积型系数h (n)需法次数卷积型
(3)IIR滤波器噪法
IIRnfinite Impulse Response)数字滤波器名限脉响应数字滤波器递滤波器递滤波器IIR数字滤波器顾名思义具反馈般认具限脉响应
IIR数字滤波器设计
利 MATALAB工具箱分析工具(FDATool)方便设计出符合应求未量化IIR数字滤波器需MATLAB设计出IIR数字滤波器进步分解量化获FPGA实现滤波器系数
IIR数字滤波器设计步骤
采级联结构滤波器极点零点相组合数字滤波器输出含噪声十分关键问题产生优量化IIR数字滤波器采步骤进行设计
首先计算整体传递函数零极点
选取具幅度极点距离零点组成二阶基节传递函数
剩极点零点采相类似步骤直形成二阶基节
通面三步法进行设计保证IIR数字滤波器中N位法器产生量化舍入误差
获优IIR数字滤波器系数：
设计出FPGA实现数字滤波器需步分解获二阶基节滤波器系数进行量化固定字长加表示量化程中存程度量化误差会导致滤波器频率响应出现偏差严重时会IIR滤波器极点移单位圆外系统失稳定性获优滤波器系数采步骤进行量化
A计算系数 绝值
B查找出系数绝值中值
C计算绝值整数
D323结果取反获负整数
E计算需表示整数位数
F计算表示系数值分数部分余位数
系数存量化误差数字滤波器运算程中限字长效应会造成误差滤波器中法器加法器寄存器数宽度进行合理设计防止产生极限环现象溢出振荡
FIR数字滤波器设计IIR滤波器设计时阶数设计者指定根设计者输入滤波器参数（截止频率通带滤纹阻带衰减等）软件设计出满足参数低滤波器阶数MATLAB设计类型IIR滤波器均应函数阶数选择
第3章 滤波器设计实现
31数字滤波器设计基原理
滤波器种信号处理作器件电路
滤波器分源滤波源滤波作：信号衰减通信号衰减
滤波器电感器电容器构成网路混合交直流电流分开整流器中助网路滤净脉动直流中涟波获较纯净直流输出基滤波器电容器电感器构成称L型滤波型滤波器集合L型单节滤波器成基单节式滤波器串联臂联臂组成串联臂电感器联臂电容器电源声频电路中滤波器通者
L型π型两种L型单节滤波器言电感抗XL电容抗XC频率常数关系
XL·XCK2 (31)
L型滤波器称K常数滤波器滤波器构成部分较K常数型具较尖锐截止频率（范围选择性强）时截止频率外频率较衰减率者称m常数滤波器谓截止频率滤波器尖锐谐振频率通带带阻滤波器m常数滤波器m截止频率衰减频率衰减函数m常数滤波器阻抗K常数滤波器间关系均m常数决定常数介0～1间m接零值时截止频率尖锐度增高截止频倍频衰减率着减合实m值06频率需截止调节振臂决定m常数滤波器截止频率衰减度决定振臂效Q值达K常数m常数滤波器组成级联电路获尖锐滤波作良频率衰减
简言滤波质噪声畸变污染信号中提取原始信号携带信息程
滤波器分类：
巴特沃斯响应（坦响应）巴特沃斯响应够化滤波器通带坦度该响应非常坦非常接DC信号然慢慢衰减截止频率点3dB终逼20ndBdecade衰减率中n滤波器阶数巴特沃斯滤波器特适低频应维护增益坦性说非常重
贝塞尔响应会改变赖频率输入信号幅度外滤波器会引入延迟延迟基频率相移产生非正弦信号失真巴特沃斯响应利通带化幅度坦度样贝塞尔响应化通带相位非线性
切贝雪夫响应应中重素滤波器截断必信号速度果接受通带具纹波巴特沃斯滤波器更快速衰减
课题采样FIRIIR数字滤波器加噪语音信号进行滤波面分述FIRIIR数字滤波器设计原理基步骤
32 FIR数字滤波器设计实现
FIR：限脉响应滤波器限说明脉响应限IIR相具线性相位容易设计优点说明IIR滤波器具相位线性容易设计缺点方面IIR拥FIR具缺点设计样参数滤波器FIRIIR需更参数说明增加DSP计算量DSP需更计算时间DSP实时性影响FIR滤波器设计较简单设计数字滤波器逼理想低通滤波器通常理想低通滤波器频域矩形窗根傅里叶变换知道函数时域采样函数通常函数表达式：
sa（n）＝sin（n∩）n（32）
采样序列限计算机法进行计算需采样函数进行截断处理加窗函数传说中加窗时域采样序列窗函数限时域采样序列截成限序列值加窗采样序列频域产生影响：时频域便理想矩形窗成渡带阻带波动低通滤波器通常根加窗函数采样信号加窗频域低通滤波器阻带衰减通常根阻带衰减选择合适窗函数矩形窗汉宁窗汉明窗BLACKMAN窗凯撒窗等
面着重介绍窗函数法设计FIR滤波器步骤：
（1）根阻带衰减渡带指标求选择串窗数类型（矩形窗三角窗汉宁窗哈明窗凯塞窗等）估计窗口长度N先阻带衰减选择窗函数类型原保证阻带衰减满足求情况量选择瓣窗函数
（2）构造希逼频率响应函数
（3）计算h(n)
（4）加窗设计结果
接根语音信号特点出关滤波器技术指标：
低通滤波器性指标：
fp1000Hzfc1200HzAs50db Ap1dB
高通滤波器性指标：
fp3500Hzfc4000HzAs50dBAp1dB
Matlab中利函数fir1设计FIR滤波器利Matlab中函数freqz画出步步器频率响应
MATLAB信号处理工具箱函数cheblapcheblordcheeby1切雪夫I型滤波器设计函数cheeby1函数调格式：
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’)
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’’s’)
面出设计FIR数字滤波器程序图
FIR低通滤波器程序见附录1
FIR低通滤波器图：（图3—1）
图3—1 FIR低通滤波器
FIR高通滤波程序见附录2
FIR高通滤波图：（图32）
图32 FIR高通滤波器
33 IIR数字滤波器设计实现
数字高通带通滤波器设计通方法双线性变换法助模拟滤波器频率转换设计需类型渡模拟滤波器双线性变换转换策划需数字滤波器具体设计步骤：
（1）确定需类型数字滤波器技术指标
（2）需类型数字滤波器边界频率转换成相应模拟滤波器边界频率转换公式Ω2T tan(05ω) （31）
(3)相应类型模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标
（4）设计模拟低通滤波器
（5）通频率变换模拟低通转换成相应类型渡模拟滤波器
（6）采双线性变换法相应类型渡模拟滤波器转换成需类型数字滤波器
知道脉响应变法缺点会产生频谱混叠现象数字滤波器频响偏离模拟滤波器频响特性克服缺点采双线性变换法
面总结利模拟滤波器设计IIR数字低通滤波器步骤：
（1）确定数字低通滤波器技术指标：通带边界频率通带衰减阻带截止频率阻带衰减
（2）数字低通滤波器技术指标转换成相应模拟低通滤波器技术指标
（3）模拟低通滤波器技术指标设计渡模拟低通滤波器
（4）双线性变换法模拟滤波器系统函数转换成数字低通滤波器系统函数
MATLAB信号处理工具箱函数cheblapcheblordcheeby1切雪夫I型滤波器设计函数cheeby1函数调格式：
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’)
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’’s’)
函数buttercheby1ellip设计IIR滤波器时默认双线性变换法设计滤波器时需代入相应实现函数面出IIR数字滤波器程序
IIR低通滤波器程序见附录3
IIR低通滤波器图：（图3—3）
图33 IIR低通滤波器
IIR滤波器高通程序
IIR滤波器高通图：（图34）
图34 IIR高通滤波器
第四章 噪仿真研究
41 语音文件MATLAB台录入开
单击电脑开始程序选择程序接着选择附件选择娱乐选择录音录入毕业设计语音信号然保存MATLAB文件夹里面命名wangqingtianwav
利MATLAB中wavread命令读入（采集）语音信号赋值某量
[yfsbits]wavread(' [N1 N2])读取语音采样值放量y中fs表示采样频率(Hz)bits表示采样位数[N1 N2]表示读取N1点N2点值（N点表示读取前N点采样值）
42 原始语音信号频谱分析仿真
利MATLAB中wavread命令读入（采集）语音信号赋值某量该量作普通信号进行FFT变换实现频谱分析实际情况进行滤波波形图频谱图（包括滤波前图） MATLAB画出通sound命令语音信号进行回放便听觉感受声音变化选择设计方案数字信号处理次实践数字信号处理课程学程中
理学没进行实践方面运课题正数字语音处理次利实践语音处理说信号处理实际应中众化方面方案软件数字信号处理中非常通软件——MATLAB软件课题设计程次数字信号处理MATLAB中应学程课题较MATLAB语句课题研究范围限真正数字信号关命令函数sound(xfsbits) 声音回放量y代表信号（复杂函数表达式）说处理信号表达式样处理声音信号
FFTMATLAB实现：
MATLAB信号处理工具箱中函数FFTIFFT快速傅立叶变换逆变换面介绍函数
函数FFT序列快速傅立叶变换
函数种调格式 yfft(x)
中x序列y序列FFTx量矩阵x量yxFFTx相长度x矩阵y矩阵列量进行FFT
果x长度2幂次方函数fft执行高速基－2FFT算法否fft执行种混合基离散傅立叶变换算法计算速度较慢
函数FFT种调格式yfft(xN)
式中xy意义前N正整数函数执行N点FFTx量长度N函数x补零长度N量x长度N函数截短x长度Nx 矩阵相方法x进行处理
函数fft求序列y般复序列通常求幅值相位MATLAB提供求复数幅值相位函数：absangle函数般 FFT时
函数abs(x)计算复量x幅值函数angle(x)计算复量相角介 间弧度表示函数unwrap(p)展开弧度相位角p 相位角绝变化超 时函数扩展
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数结构称性
般言N点x(n)序列FFTN点复数序列点nN2+1应Nyquist频率作频谱分析时仅取序列X(k)前半前N2点X(k)半序列前半序列时称
（2）频率计算
N点序列x(n)(n01…N1)采样频率 获FFTN点序列X(k)(k012…N1)第k点应实际频率值fk*f N
（3）作FFT分析时幅值FFT选择点数关影响分析结果
面段程序语音信号MATLAB中简单表现实现语音读入开绘出语音信号波形频谱图
[xfsbits]wavread('wangqingtianwav’)
sound(xfsbits)
Xfft(x4096)
magXabs(X)
angXangle(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')
程序运行听声音图形：（图41图42图43图44）
图41 原始信号波形
图42 原始语音信号采样频谱图
图43 原始信号幅值
图44 原始信号相位
43 加噪语音信号频谱分析仿真
(1)正弦波信号加入原始语音信号
前面已介绍MATLAB软件相关知识NATLAB台实现段原始语音信号加入正弦波信号呢？
面段程序实现原始语音信号加入正弦波信号程序见附录5
分析段程序知程序先原始语音信号做时域波形分析频谱分析然加噪语音信号做时域波形分析频谱分析
首先通MATLAB中调回放语音信号命令实现原始语音信号调回放程序：
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
MATLAB中实现两信号相加减两信号长度维度样相加减程序中：nlength(y) 计算信号长度选取变换点数然傅里叶变换频域：y_pfft(yn)通函数 ffs*(0n21)n计算出应点频率然绘制出原始语音信号时域波形频谱图图形：（图4—5）
图4—5 原始语音信号采样时域波形频谱图
段程序中函数noise频率3000Hz正弦波信号噪音语句y_zy+noise实现两信号相加然绘制加噪语音信号时域波形频谱图回放加噪语音信号加噪时域波形频谱图：（图4—6）
图46 加噪语音信号时域波形频谱图
示通加噪前加噪语音信号图语音信号回放耳感知知道加入正弦波信号频谱图时域波形没什明显变化耳听声音没什变化
（2）机噪音信号加入原始语音信号
matlab函数randn：产生正态分布机数矩阵函数
产生均值0方差 σ^2 1标准差σ 1正态分布机数矩阵函数
法：
Y randn(n)
返回n*n机项矩阵果n数量返回错误信息
Y randn(mn) Y randn([m n])
返回m*n机项矩阵
Y randn(mnp) Y randn([m n p])
产生机数组
Y randn(size(A))
返回A样维数机数组
randn
返回次变化数量
面段程序实现利randn函数段机噪音信号加入原始语音信号信号处理程：见附录6
语句 Llength(y) noise01*randn(L2) y_zy+noisesound(y_zfs)
加噪语音信号时域波形频谱图（图4—7）
图47 加噪语音信号时域波形频谱图
通两张图片明显加噪语音信号时域波形原始语音信号浑浊许时间轴明显出0—05S幅值增通原始语音信号频谱图加噪语音信号频谱图出频率5000Hz频率幅值发生明显增加
通原始语音信号回放效果加噪语音信号回放效果耳明显辨出两种语音信号样加噪语音信号听觉原始语音信号浑浊吱吱嘎嘎混杂音
44 噪仿真
（1）FIR滤波器法噪
通节中加噪语音信号原始语音信号频谱图知道噪音部分Hz5000部分设计低通滤波器进行滤波处理接设计FIR低通滤波器节中加噪语音信号进行滤波处理
设计FIR数字低通滤波器加噪语音信号进行滤波时Matlab中FIR滤波器利函数fftfilt信号进行滤波函数fftfilt重叠相加法实现线性卷积计算调格式：yfftfilter(hxM)中h系统单位击响应量x输入序列量y系统输出序列量M户选择输入序列分段长度缺省时默认输入量重长度M512
设计FIR数字低通滤波器加噪语音信号滤波程序：见附录7
图：（图4—8）
图48 FIR滤波前滤波波形频谱
分析：四图明显直观出原始语音信号加噪语音信号时域波形频谱图区加噪语音信号时域波形原始语音信号模糊频谱图频率5000Hz出现明显变化
通滤波前信号波形频谱图明显出滤波波形开始变清晰点接原始信号波形图滤波信号频谱图5000Hz开始逐
渐接原始语音信号频谱图
语音信号回放耳明显辨出加噪语音信号较浑浊明显嘎吱嘎吱杂音里面滤波语音信号较加噪信号明显改善基听清楚杂音没强烈声音然没原始语音信号清晰脆耳
（2）IIR滤波器法噪
样设计IIR低通滤波器加噪语音信号进行部处理程序见附录8
面图形：（图49）
图49 IIR滤波前滤波波形频谱
45 结合噪频谱图两种方式滤波优缺点
IIR数字滤波器采递型结构结构带反馈环路IIR滤波器运算结构通常延时系数相加等基运算组成组合成直接型正准型级联型联型四种结构形式具反馈回路运算中舍入处理误差断累积时会产生微弱寄生振荡
（1）IIR数字滤波器相位特性控制相位求较高时需加相位校准网络FIR滤波器求较低
（2）IIR滤波器运算误差出现极限环振荡FIR相运算误差较会出现极限环振荡
（3）IIR幅频特性精度高线性相位应相位信息敏感音频信号
（4）FIR滤波器设计IIR滤波器设计时阶数设计者指定根设计者输入滤波器参数（截止频率通带滤纹阻带衰减等）软件设计出满足参数低滤波器阶数MATLAB设计类型IIR滤波器均应函数阶数选择
（5）IIR单位响应限脉序列FIR单位响应限
（6）FIR幅频特性精度较iir低线性相位频率分量信号FIR滤波器时间差变性质
（7）IIR滤波器噪声反馈噪声较FIR滤波器噪声较
FIR幅频特性精度较iir低线性相位频率分量信号FIR滤波器时间差变性质
总结
语音信号处理语音学数字信号处理技术相结合交叉学科课题里讨语音学语音做种特殊信号种复杂量说课题更体现数字信号处理技术
课题中心课题MATLAB台实现语音信号噪研究仿真希数字信号处理技术应某实际领域里指语音加噪处理作存储计算机中语音信号身离散化量需离散量提取出进行处理程实现处理数字信号强力工具MATLAB通MATLAB里命令函数调轻易实际语音数字信号理间搭座桥
课题特色语音信号作量语音数字化完全利数字信号处理知识解决语音加噪处理问题般信号做频谱分析样语音信号做频谱分析较容易数字滤波器语音进行滤波处理通较加噪前语音频谱语音回放明显感觉加入噪声回放声音原始语音信号前者较尖锐干扰啸声含噪语音信号频谱图中出含噪声语音信号频谱整频域范围分布均匀实正干扰造成通滤波前低通滤波效果高通滤波效果差见语音信号分布低频段噪声分布高频段
致谢
文撰写程中特感谢导师老师指导督促时感谢谅解包容没老师帮助没天篇文求学历程艰苦快乐感谢辅导员段老师谢谢四年中全班做切求回报私奉献精神感动次表示衷感谢四年学期中结识位生活学挚友生笔财富表示衷心感谢
文参考量文献资料学术界前辈致敬
参考文献
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附录 1
Ft8000
Fp1000
Fs1200
wp2*FpFt
ws2*FsFt
rp1
rs50
p110^(rp20) 通带阻带波纹
s10^(rs20)
fpts[wp ws]
mag[1 0]
dev[p s]
[n21wn21betaftype]kaiserord(fptsmagdev)kaiserord求阶数截止频率
b21fir1(n21wn21Kaiser(n21+1beta)) fir1设计滤波器
[hw]freqz(b211) 频率响应
plot(wpiabs(h))
title('FIR低通滤波器')
附录2
Ft8001
Fp4000
Fs3500
wp2*FpFt
ws2*FsFt
rp1
rs50
p110^(rp20) 通带阻带波纹
s10^(rs20)
fpts[ws wp]
mag[0 1]
dev[p s]
[n23wn23betaftype]kaiserord(fptsmagdev)
b23fir1(n23wn23'high'Kaiser(n23+1beta)) fir1设计滤波器
[hw]freqz(b231) 频率响应
plot(w*12000*05piabs(h))
title('FIR高通滤波器')
axis([3000 6000 0 12])
附录3
Ft8000
Fp1000
Fs1200
wp2*pi*FpFt
ws2*pi*FsFt
fp2*Ft*tan(wp2)
fs2*Fs*tan(wp2)
[n11wn11]buttord(wpws150's') 求低通滤波器阶数截止频率
[b11a11]butter(n11wn11's') 求S域频率响应参数
[num11den11]bilinear(b11a1105) 双线性变换实现S域Z域变换
[hw]freqz(num11den11) 根参数求出频率响应
plot(w*8000*05piabs(h))
title('IIR低通滤波器')
legend('butter设计')
grid
附录4
Ft8000
Fp4000
Fs3500
wp1tan(pi*FpFt) 高通低通滤波器参数转换
ws1tan(pi*FsFt)
wp1
wswp1*wpws1
[n13wn13]cheb1ord(wpws150's') 求模拟低通滤波器阶数截止频
[b13a13]cheby1(n131wn13's') 求S域频率响应参数
[numden]lp2hp(b13a13wn13) S域低通参数转高通
[num13den13]bilinear(numden05) 利双线性变换实现S域Z域转
[hw]freqz(num13den13)
plot(w*21000*05piabs(h))
title('IIR高通滤波器')
legend(cheby1设计')
附录5
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
nlength(y)
y_pfft(yn)
ffs*(0n21)n
figure(1)
subplot(211)
plot(y)
title('原始语音信号采样时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值 A')
subplot(212)
plot(fabs(y_p(1n2)))
title('原始语音信号采样频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
noise1*sin(2*pi*3000*n)
y_zy+noise
sound(y_zfs)
Llength(y_z)
y_zpfft(y_zL)
ffs*(0L21)L
figure(2)
subplot(211)
plot(y_z)
title('加噪语音信号时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值 A')
subplot(212)
plot(fabs(y_zp(1L2)))
title('加噪语音信号频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
附录6
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
nlength(y)
y_pfft(yn)
ffs*(0n21)n
figure(1)
subplot(211)
plot(y)
title('原始语音信号采样时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_p(1n2)))
title('原始语音信号采样频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
Llength(y)
noise01*randn(L2)
y_zy+noise
sound(y_zfs)
nlength(y)
y_zpfft(y_zn)
ffs*(0n21)n
figure(2)
subplot(211)
plot(y_z)
title('加噪语音信号时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_zp(1n2)))
title('加噪语音信号频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
附录7
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
nlength(y)
y_pfft(yn)
ffs*(0n21)n
figure(1)
subplot(211)
plot(y)
title('原始语音信号采样时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_p(1n2)))
title('原始语音信号采样频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
Llength(y)
noise01*randn(L2)
y_zy+noise
sound(y_zfs)
nlength(y)
y_zpfft(y_zn)
ffs*(0n21)n
figure(2)
subplot(211)
plot(y_z)
title('加噪语音信号时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_zp(1n2)))
title('加噪语音信号频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
Ft5000
Fp1000
Fs1200
wp2*FpFt
ws2*FsFt
rp1
rs50
p110^(rp20)
s10^(rs20)
fpts[wp ws]
mag[1 0]
dev[p s]
[n21wn21betaftype]kaiserord(fptsmagdev)
b21fir1(n21wn21Kaiser(n21+1beta))
[hw]freqz(b211)
plot(wpiabs(h))
title('FIR低通滤波器')
xfftfilt(b21y_z)
Xfft(xn)
figure(4)
subplot(221)plot(fabs(y_zp(1n2)))
title('滤波前信号频谱')
subplot(222)plot(fabs(X(1n2)))
title('滤波信号频谱')
subplot(223)plot(y_z)
title('滤波前信号时域波形')
subplot(224)plot(x)
title('滤波信号时域波形')
sound(xfsbits)
附录8
Ft8000
Fp1000
Fs1200
wp2*pi*FpFt
ws2*pi*FsFt
fp2*Ft*tan(wp2)
fs2*Fs*tan(wp2)
[n11wn11]buttord(wpws150's') 求低通滤波器阶数截止频率
[b11a11]butter(n11wn11's') 求S域频率响应参数
[num11den11]bilinear(b11a1105) 双线性变换实现S域Z域变换
[hw]freqz(num11den11) 根参数求出频率响应
plot(w*8000*05piabs(h))
legend('butter设计')
grid
[yfsnbits]wavread ('BYSJwav')
n length (y) 求出语音信号长度
noise001*randn(n2) 机函数产生噪声
sy+noise 语音信号加入噪声
Sfft(s) 傅里叶变换
z11filter(num11den11s)
sound(z11)
m11fft(z11) 求滤波信号
subplot(221)
plot(abs(S)'g')
title('滤波前信号频谱')
grid
subplot(222)
plot(abs(m11)'r')
title('滤波信号频谱')
grid
subplot(223)
plot(s)
title('滤波前信号波形')
grid
subplot(224)
plot(z11)
title('滤波信号波形')
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摘
语音信号数字信号处理中占极重位选择通语音信号研究巩固掌握数字信号处理基力十分具代表性数字信号处理离开滤波器滤波器设计信号处理中占极重位MATLAB软件工具箱提供种数字滤波器设计文MATLAB台实现语音信号噪研究仿真综合运数字信号处理种基知识进带噪语音信号进行谱分析带噪语音信号进行谱分析滤波处理通理推导出相应结通利MATLAB作编程工具进行计算机实现价已验证推导出结设计程中通设计FIR数字滤波器IIR数字滤波器完成滤波处理设计程中运MATLAB整设计中图形绘制数计算仿真
关键字 滤波器MATLAB仿真滤波
Speech signle denoising and simulation in MATLAB platform
ABSTRACT
Digital signal processing can not be separated from the filter the filter design occupies an extremely important role in signal processing The MATLAB software toolbox provides a variety of digital filter design The subject of the use of basic knowledge of digital signal processing speech signal and the noisy speech signal specctral snalysis and filteringBy the theoretical derivation of the corresponding conclusions then to the computer through the use of MATLAB as a programming tool
To achieve parity to verify the conclusions derived In the design process using the windoow function design FIR digital filterIIR digital filter using cut design than Chebyshev Butterworth and bilinear variation method In the design processthe use of computer and simulation of MATLAB the entire design graphics renderingand some date
Key words filterMATLABsimulationfiltering
目录
摘 I
ABSTRACT II
第1章 前言 1
11 研究意义 1
12 国外研究现状 1
13 研究容 2
第2章 语音信号噪方法研究 4
22 噪原理 4
221 采样定理 4
222 采样频率 5
22 噪方法 5
FIR滤波器基结构： 7
IIR数字滤波器设计 8
第3章 滤波器设计实现 10
31数字滤波器设计基原理 10
33 IIR数字滤波器设计实现 13
第四章 噪仿真研究 16
41 语音文件MATLAB台录入开 16
42 原始语音信号频谱分析仿真 16
43 加噪语音信号频谱分析仿真 20
(1)正弦波信号加入原始语音信号 20
44 噪仿真 24
45 结合噪频谱图两种方式滤波优缺点 25
总结 27
致谢 28
参考文献 29
第1章 前言
11 研究意义
语音语言声学表现类交流信息然效方便手段着社会文化进步科学技术发展类开始进入信息化时代现代手段研究语音处理技术更加效产生传输存储获取语音信息促进社会发展具十分重意义语音信号处理正越越受关注广泛研究
语音信号信息技术处理中重门科学类社会步标志什语音？语音类特功类获取外界信息重工具交流必少重手段什信号？信号什呢？信号传递信息函数离散时间信号——序列——图形表示
语音信号处理门研究数字信号处理研究信号科学新兴信
息科学时综合学科领域门交叉科学语音日常生
活中时见处见语音程度影响生活研究语音信号科学领域日常生活中广泛重意义
12 国外研究现状
20世纪60年代中期形成系列数字信号处理理算法数字滤波器快速傅立叶变换（FFT）等语音信号数字处理理技术基础着信息科学技术飞速发展语音信号处理取重进展：进入70年代提出语音信号信息压缩特征提取线性预测技术（LPC）已成语音信号处理强力工具广泛应语音信号分析合成应领域输入语音参考样间时间匹配动态规划方法80年代初种新基聚类分析高效数压缩技术—矢量量化（VQ）应语音信号处理中隐马尔夫模型（HMM）描述语音信号程产生80年代语音信号处理技术重发展目前HMM已构成现代语音识研究重
基石年工神网络(ANN)研究取迅速发展语音信号处理项课题促进发展重动力项成果体现语音信号处理项技术中
13 研究容
文介绍语音信号简单处理文针问题运数字信号学基原理实现语音信号处理matlab70环境综合运信号提取幅频变换傅里叶变换滤波等技术进行语音信号处理做工作matlab70软件编写处理语音信号程序语音信号进行采集进行种处理达简单语音信号处理目
语音信号研究文采设计两种滤波器基研究方法达研究语音信号噪目终结合图语音信号回放通出结
课题研究基步骤：
1 语音信号录制
2 MATLAB台读入语音信号
3 绘制频谱图回放原始语音信号
4 利MATLAB编程加入段正弦波噪音设计滤波器噪
5 利MATLAB编程加入段机噪音信号设计FIRIIR滤波器噪分绘制频谱图回放语音信号
6 通仿真图语音信号回放两种噪方式优缺点
概流程框图表示：（图11）
语音信号采集
效果显示
语音信号录入
语音信号变换
信号加噪
语音信号滤波
图11 文设计流程
第2章 语音信号噪方法研究
22 噪原理
221 采样定理
进行模拟数字信号转换程中采样频率fsmax信号中高频率fmax2倍时：fsmax>2fmax采样数字信号完整保留原始信号中信息般实际应中保证采样频率信号高频率5～10倍采样定理称奈奎斯特定理 1924年奈奎斯特(Nyquist)推导出理想低通信道高码元传输速率公式 理想低通信道高码元传输速率2W*log2 N (中W理想低通信道带宽N电强度)什采样频率设8kHz数字通信中根采样定理 采样频率语音信号高频率2倍
频带F连续信号 f(t)系列离散采样值f(t1)f(t1±Δt)f(t1±2Δt)表示采样点时间间隔Δt≤12F便根采样值完全恢复原信号f(t) 时域采样定理种表述方式
时域采样定理种表述方式：时间信号函数f(t)高频率分量fM时f(t)值系列采样间隔等12fM采样值确定采样点重复频率f≥2fM图模拟信号采样样示意图
时域采样定理采样误差理机变量采样理变量采样理基础时间受限制连续信号f(t)（│t│>T时f(t)0里TT2T1信号持续时间）频谱F（ω）频域系列离散采样值
（21）
采样值表示采样点频率间隔
（22）
222 采样频率
采样频率称采样速度者采样率定义秒连续信号中提取组成离散信号采样数赫兹（Hz）表示采样频率倒数采样周期者作采样时间采样间时间间隔通俗讲采样频率指计算机秒钟采集少声音样描述声音文件音质音调衡量声卡声音文件质量标准
采样频率周期性采样采样器非周期性采样采样器没规限制 采样频率常表示符号 fs 通俗讲采样频率指计算机秒钟采集少声音样描述声音文件音质音调衡量声卡声音文件质量标准采样频率越高采样间隔时间越短单位时间计算机声音样数越声音波形表示越精确采样频率声音频率间定关系根采样定理采样频率高声音信号高频率两倍时数字信号表示声音原成原声音说采样频率衡量声卡采集记录原声音文件质量标准
采样位数采样率音频接口说重两指标选择音频接口两重标准采样频率理说采样位数决定音频数力度范围增加采样位数相力度范围增加6dB采样位数越捕捉信号越精确采样率说想象类似相机441kHz意味着音频流进入计算机时计算机秒会拍达441000次显然采样率越高计算机摄取图片越原始音频原越加精确
22 噪方法
数字信号处理技术十年发展国外已取成绩目前止已较成熟噪方法较典型切雪夫噪法双线性变换噪法窗函数噪法谱相减噪法巴特沃兹噪法等名噪方法面分述噪方法中较代表性谱相减噪法FIRIIR滤波法做简单介绍
（1）谱相减算法噪法
日常交流语音通信系统中加性宽带噪声严重影响语音质量懂度带噪语音中提取原始语音信号方法单信道条件谱相减算法运算量原理简单易实现错增强效果广泛应谱相减语音增强算法核心噪声检测谱减规分析语音增强算法理基础文首先研究语音激活检测算法基短时量短时零率双门限法语音激活检测噪声估计算法做研究仿真时研究种基子带量噪声估计方法然通分析典谱减法原理般改进形式研究种基噪声残差谱相减改进算法种噪声零均值高斯分布前提谱减法改进算法通量仿真实验验证研究种改进算法效提高增强效果
谱相减算法噪较复杂里做讨文采种方法面着重讲解文采两种方法
（2）FIR滤波法
FIR工作原理：进入FIR滤波器前首先信号通AD器件进行模数转换成8bit数字信号般速度较高逐次逼进式AD转换器采累加方法分布式算法设计FIR滤波器滤波器输出数串序列直观反应出需数模转换FPGA构成FIR滤波器输出须外接DA模块FPGA着规整部逻辑阵列丰富连线资源特适合数字信号处理务相串行运算导通DSP芯片说行性扩展性更利FPGA累加快速算法设计出高速FIR数字滤波器
FIR特点：
限长单位激响应（FIR）滤波器特点：
A位激响应h (n)限n值处零
B系统函数0处收敛极点全部z 0处
C结构非递结构没输出输入反馈结构中（例频率抽样结构）包含反馈递部分
设FIR滤波器单位激响应h (n)N点序列0 ≤ n ≤N —1滤波器系统函数
H(z)∑h(n)*z^n （23）
说（N—1）阶极点z 0处（N—1）零点位限z面位置
FIR滤波器基结构：
FIR滤波器种基结构：
横截型
式系统差分方程表达式
y(n)∑h(m)x(nm) ( 24）
明显线性移变系统卷积公式x (n)延时链横结构称横截型结构卷积型结构称直接型结构转置定理转置直接型结构
FIR滤波器横截型结构
级联型
中[N2]表示取N2整数部分N偶数N—1奇数系数B2K中零时奇数根中复数根成轭必偶数必然奇数实根画出N奇数时FIR滤波器级联结构中二阶子图411横型结构
种结构节控制零点需控制传输零点时采种结构需系数B2k（I 012k 12．．．[N2]）卷积型系数h (n)需法次数卷积型
(3)IIR滤波器噪法
IIRnfinite Impulse Response)数字滤波器名限脉响应数字滤波器递滤波器递滤波器IIR数字滤波器顾名思义具反馈般认具限脉响应
IIR数字滤波器设计
利 MATALAB工具箱分析工具(FDATool)方便设计出符合应求未量化IIR数字滤波器需MATLAB设计出IIR数字滤波器进步分解量化获FPGA实现滤波器系数
IIR数字滤波器设计步骤
采级联结构滤波器极点零点相组合数字滤波器输出含噪声十分关键问题产生优量化IIR数字滤波器采步骤进行设计
首先计算整体传递函数零极点
选取具幅度极点距离零点组成二阶基节传递函数
剩极点零点采相类似步骤直形成二阶基节
通面三步法进行设计保证IIR数字滤波器中N位法器产生量化舍入误差
获优IIR数字滤波器系数：
设计出FPGA实现数字滤波器需步分解获二阶基节滤波器系数进行量化固定字长加表示量化程中存程度量化误差会导致滤波器频率响应出现偏差严重时会IIR滤波器极点移单位圆外系统失稳定性获优滤波器系数采步骤进行量化
A计算系数 绝值
B查找出系数绝值中值
C计算绝值整数
D323结果取反获负整数
E计算需表示整数位数
F计算表示系数值分数部分余位数
系数存量化误差数字滤波器运算程中限字长效应会造成误差滤波器中法器加法器寄存器数宽度进行合理设计防止产生极限环现象溢出振荡
FIR数字滤波器设计IIR滤波器设计时阶数设计者指定根设计者输入滤波器参数（截止频率通带滤纹阻带衰减等）软件设计出满足参数低滤波器阶数MATLAB设计类型IIR滤波器均应函数阶数选择
第3章 滤波器设计实现
31数字滤波器设计基原理
滤波器种信号处理作器件电路
滤波器分源滤波源滤波作：信号衰减通信号衰减
滤波器电感器电容器构成网路混合交直流电流分开整流器中助网路滤净脉动直流中涟波获较纯净直流输出基滤波器电容器电感器构成称L型滤波型滤波器集合L型单节滤波器成基单节式滤波器串联臂联臂组成串联臂电感器联臂电容器电源声频电路中滤波器通者
L型π型两种L型单节滤波器言电感抗XL电容抗XC频率常数关系
XL·XCK2 (31)
L型滤波器称K常数滤波器滤波器构成部分较K常数型具较尖锐截止频率（范围选择性强）时截止频率外频率较衰减率者称m常数滤波器谓截止频率滤波器尖锐谐振频率通带带阻滤波器m常数滤波器m截止频率衰减频率衰减函数m常数滤波器阻抗K常数滤波器间关系均m常数决定常数介0～1间m接零值时截止频率尖锐度增高截止频倍频衰减率着减合实m值06频率需截止调节振臂决定m常数滤波器截止频率衰减度决定振臂效Q值达K常数m常数滤波器组成级联电路获尖锐滤波作良频率衰减
简言滤波质噪声畸变污染信号中提取原始信号携带信息程
滤波器分类：
巴特沃斯响应（坦响应）巴特沃斯响应够化滤波器通带坦度该响应非常坦非常接DC信号然慢慢衰减截止频率点3dB终逼20ndBdecade衰减率中n滤波器阶数巴特沃斯滤波器特适低频应维护增益坦性说非常重
贝塞尔响应会改变赖频率输入信号幅度外滤波器会引入延迟延迟基频率相移产生非正弦信号失真巴特沃斯响应利通带化幅度坦度样贝塞尔响应化通带相位非线性
切贝雪夫响应应中重素滤波器截断必信号速度果接受通带具纹波巴特沃斯滤波器更快速衰减
课题采样FIRIIR数字滤波器加噪语音信号进行滤波面分述FIRIIR数字滤波器设计原理基步骤
32 FIR数字滤波器设计实现
FIR：限脉响应滤波器限说明脉响应限IIR相具线性相位容易设计优点说明IIR滤波器具相位线性容易设计缺点方面IIR拥FIR具缺点设计样参数滤波器FIRIIR需更参数说明增加DSP计算量DSP需更计算时间DSP实时性影响FIR滤波器设计较简单设计数字滤波器逼理想低通滤波器通常理想低通滤波器频域矩形窗根傅里叶变换知道函数时域采样函数通常函数表达式：
sa（n）＝sin（n∩）n（32）
采样序列限计算机法进行计算需采样函数进行截断处理加窗函数传说中加窗时域采样序列窗函数限时域采样序列截成限序列值加窗采样序列频域产生影响：时频域便理想矩形窗成渡带阻带波动低通滤波器通常根加窗函数采样信号加窗频域低通滤波器阻带衰减通常根阻带衰减选择合适窗函数矩形窗汉宁窗汉明窗BLACKMAN窗凯撒窗等
面着重介绍窗函数法设计FIR滤波器步骤：
（1）根阻带衰减渡带指标求选择串窗数类型（矩形窗三角窗汉宁窗哈明窗凯塞窗等）估计窗口长度N先阻带衰减选择窗函数类型原保证阻带衰减满足求情况量选择瓣窗函数
（2）构造希逼频率响应函数
（3）计算h(n)
（4）加窗设计结果
接根语音信号特点出关滤波器技术指标：
低通滤波器性指标：
fp1000Hzfc1200HzAs50db Ap1dB
高通滤波器性指标：
fp3500Hzfc4000HzAs50dBAp1dB
Matlab中利函数fir1设计FIR滤波器利Matlab中函数freqz画出步步器频率响应
MATLAB信号处理工具箱函数cheblapcheblordcheeby1切雪夫I型滤波器设计函数cheeby1函数调格式：
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’)
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’’s’)
面出设计FIR数字滤波器程序图
FIR低通滤波器程序见附录1
FIR低通滤波器图：（图3—1）
图3—1 FIR低通滤波器
FIR高通滤波程序见附录2
FIR高通滤波图：（图32）
图32 FIR高通滤波器
33 IIR数字滤波器设计实现
数字高通带通滤波器设计通方法双线性变换法助模拟滤波器频率转换设计需类型渡模拟滤波器双线性变换转换策划需数字滤波器具体设计步骤：
（1）确定需类型数字滤波器技术指标
（2）需类型数字滤波器边界频率转换成相应模拟滤波器边界频率转换公式Ω2T tan(05ω) （31）
(3)相应类型模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标
（4）设计模拟低通滤波器
（5）通频率变换模拟低通转换成相应类型渡模拟滤波器
（6）采双线性变换法相应类型渡模拟滤波器转换成需类型数字滤波器
知道脉响应变法缺点会产生频谱混叠现象数字滤波器频响偏离模拟滤波器频响特性克服缺点采双线性变换法
面总结利模拟滤波器设计IIR数字低通滤波器步骤：
（1）确定数字低通滤波器技术指标：通带边界频率通带衰减阻带截止频率阻带衰减
（2）数字低通滤波器技术指标转换成相应模拟低通滤波器技术指标
（3）模拟低通滤波器技术指标设计渡模拟低通滤波器
（4）双线性变换法模拟滤波器系统函数转换成数字低通滤波器系统函数
MATLAB信号处理工具箱函数cheblapcheblordcheeby1切雪夫I型滤波器设计函数cheeby1函数调格式：
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’)
[BA]cheby1(NRpwpo’ftypr’’s’)
函数buttercheby1ellip设计IIR滤波器时默认双线性变换法设计滤波器时需代入相应实现函数面出IIR数字滤波器程序
IIR低通滤波器程序见附录3
IIR低通滤波器图：（图3—3）
图33 IIR低通滤波器
IIR滤波器高通程序
IIR滤波器高通图：（图34）
图34 IIR高通滤波器
第四章 噪仿真研究
41 语音文件MATLAB台录入开
单击电脑开始程序选择程序接着选择附件选择娱乐选择录音录入毕业设计语音信号然保存MATLAB文件夹里面命名wangqingtianwav
利MATLAB中wavread命令读入（采集）语音信号赋值某量
[yfsbits]wavread(' [N1 N2])读取语音采样值放量y中fs表示采样频率(Hz)bits表示采样位数[N1 N2]表示读取N1点N2点值（N点表示读取前N点采样值）
42 原始语音信号频谱分析仿真
利MATLAB中wavread命令读入（采集）语音信号赋值某量该量作普通信号进行FFT变换实现频谱分析实际情况进行滤波波形图频谱图（包括滤波前图） MATLAB画出通sound命令语音信号进行回放便听觉感受声音变化选择设计方案数字信号处理次实践数字信号处理课程学程中
理学没进行实践方面运课题正数字语音处理次利实践语音处理说信号处理实际应中众化方面方案软件数字信号处理中非常通软件——MATLAB软件课题设计程次数字信号处理MATLAB中应学程课题较MATLAB语句课题研究范围限真正数字信号关命令函数sound(xfsbits) 声音回放量y代表信号（复杂函数表达式）说处理信号表达式样处理声音信号
FFTMATLAB实现：
MATLAB信号处理工具箱中函数FFTIFFT快速傅立叶变换逆变换面介绍函数
函数FFT序列快速傅立叶变换
函数种调格式 yfft(x)
中x序列y序列FFTx量矩阵x量yxFFTx相长度x矩阵y矩阵列量进行FFT
果x长度2幂次方函数fft执行高速基－2FFT算法否fft执行种混合基离散傅立叶变换算法计算速度较慢
函数FFT种调格式yfft(xN)
式中xy意义前N正整数函数执行N点FFTx量长度N函数x补零长度N量x长度N函数截短x长度Nx 矩阵相方法x进行处理
函数fft求序列y般复序列通常求幅值相位MATLAB提供求复数幅值相位函数：absangle函数般 FFT时
函数abs(x)计算复量x幅值函数angle(x)计算复量相角介 间弧度表示函数unwrap(p)展开弧度相位角p 相位角绝变化超 时函数扩展
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数结构称性
般言N点x(n)序列FFTN点复数序列点nN2+1应Nyquist频率作频谱分析时仅取序列X(k)前半前N2点X(k)半序列前半序列时称
（2）频率计算
N点序列x(n)(n01…N1)采样频率 获FFTN点序列X(k)(k012…N1)第k点应实际频率值fk*f N
（3）作FFT分析时幅值FFT选择点数关影响分析结果
面段程序语音信号MATLAB中简单表现实现语音读入开绘出语音信号波形频谱图
[xfsbits]wavread('wangqingtianwav’)
sound(xfsbits)
Xfft(x4096)
magXabs(X)
angXangle(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')
程序运行听声音图形：（图41图42图43图44）
图41 原始信号波形
图42 原始语音信号采样频谱图
图43 原始信号幅值
图44 原始信号相位
43 加噪语音信号频谱分析仿真
(1)正弦波信号加入原始语音信号
前面已介绍MATLAB软件相关知识NATLAB台实现段原始语音信号加入正弦波信号呢？
面段程序实现原始语音信号加入正弦波信号程序见附录5
分析段程序知程序先原始语音信号做时域波形分析频谱分析然加噪语音信号做时域波形分析频谱分析
首先通MATLAB中调回放语音信号命令实现原始语音信号调回放程序：
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
MATLAB中实现两信号相加减两信号长度维度样相加减程序中：nlength(y) 计算信号长度选取变换点数然傅里叶变换频域：y_pfft(yn)通函数 ffs*(0n21)n计算出应点频率然绘制出原始语音信号时域波形频谱图图形：（图4—5）
图4—5 原始语音信号采样时域波形频谱图
段程序中函数noise频率3000Hz正弦波信号噪音语句y_zy+noise实现两信号相加然绘制加噪语音信号时域波形频谱图回放加噪语音信号加噪时域波形频谱图：（图4—6）
图46 加噪语音信号时域波形频谱图
示通加噪前加噪语音信号图语音信号回放耳感知知道加入正弦波信号频谱图时域波形没什明显变化耳听声音没什变化
（2）机噪音信号加入原始语音信号
matlab函数randn：产生正态分布机数矩阵函数
产生均值0方差 σ^2 1标准差σ 1正态分布机数矩阵函数
法：
Y randn(n)
返回n*n机项矩阵果n数量返回错误信息
Y randn(mn) Y randn([m n])
返回m*n机项矩阵
Y randn(mnp) Y randn([m n p])
产生机数组
Y randn(size(A))
返回A样维数机数组
randn
返回次变化数量
面段程序实现利randn函数段机噪音信号加入原始语音信号信号处理程：见附录6
语句 Llength(y) noise01*randn(L2) y_zy+noisesound(y_zfs)
加噪语音信号时域波形频谱图（图4—7）
图47 加噪语音信号时域波形频谱图
通两张图片明显加噪语音信号时域波形原始语音信号浑浊许时间轴明显出0—05S幅值增通原始语音信号频谱图加噪语音信号频谱图出频率5000Hz频率幅值发生明显增加
通原始语音信号回放效果加噪语音信号回放效果耳明显辨出两种语音信号样加噪语音信号听觉原始语音信号浑浊吱吱嘎嘎混杂音
44 噪仿真
（1）FIR滤波器法噪
通节中加噪语音信号原始语音信号频谱图知道噪音部分Hz5000部分设计低通滤波器进行滤波处理接设计FIR低通滤波器节中加噪语音信号进行滤波处理
设计FIR数字低通滤波器加噪语音信号进行滤波时Matlab中FIR滤波器利函数fftfilt信号进行滤波函数fftfilt重叠相加法实现线性卷积计算调格式：yfftfilter(hxM)中h系统单位击响应量x输入序列量y系统输出序列量M户选择输入序列分段长度缺省时默认输入量重长度M512
设计FIR数字低通滤波器加噪语音信号滤波程序：见附录7
图：（图4—8）
图48 FIR滤波前滤波波形频谱
分析：四图明显直观出原始语音信号加噪语音信号时域波形频谱图区加噪语音信号时域波形原始语音信号模糊频谱图频率5000Hz出现明显变化
通滤波前信号波形频谱图明显出滤波波形开始变清晰点接原始信号波形图滤波信号频谱图5000Hz开始逐
渐接原始语音信号频谱图
语音信号回放耳明显辨出加噪语音信号较浑浊明显嘎吱嘎吱杂音里面滤波语音信号较加噪信号明显改善基听清楚杂音没强烈声音然没原始语音信号清晰脆耳
（2）IIR滤波器法噪
样设计IIR低通滤波器加噪语音信号进行部处理程序见附录8
面图形：（图49）
图49 IIR滤波前滤波波形频谱
45 结合噪频谱图两种方式滤波优缺点
IIR数字滤波器采递型结构结构带反馈环路IIR滤波器运算结构通常延时系数相加等基运算组成组合成直接型正准型级联型联型四种结构形式具反馈回路运算中舍入处理误差断累积时会产生微弱寄生振荡
（1）IIR数字滤波器相位特性控制相位求较高时需加相位校准网络FIR滤波器求较低
（2）IIR滤波器运算误差出现极限环振荡FIR相运算误差较会出现极限环振荡
（3）IIR幅频特性精度高线性相位应相位信息敏感音频信号
（4）FIR滤波器设计IIR滤波器设计时阶数设计者指定根设计者输入滤波器参数（截止频率通带滤纹阻带衰减等）软件设计出满足参数低滤波器阶数MATLAB设计类型IIR滤波器均应函数阶数选择
（5）IIR单位响应限脉序列FIR单位响应限
（6）FIR幅频特性精度较iir低线性相位频率分量信号FIR滤波器时间差变性质
（7）IIR滤波器噪声反馈噪声较FIR滤波器噪声较
FIR幅频特性精度较iir低线性相位频率分量信号FIR滤波器时间差变性质
总结
语音信号处理语音学数字信号处理技术相结合交叉学科课题里讨语音学语音做种特殊信号种复杂量说课题更体现数字信号处理技术
课题中心课题MATLAB台实现语音信号噪研究仿真希数字信号处理技术应某实际领域里指语音加噪处理作存储计算机中语音信号身离散化量需离散量提取出进行处理程实现处理数字信号强力工具MATLAB通MATLAB里命令函数调轻易实际语音数字信号理间搭座桥
课题特色语音信号作量语音数字化完全利数字信号处理知识解决语音加噪处理问题般信号做频谱分析样语音信号做频谱分析较容易数字滤波器语音进行滤波处理通较加噪前语音频谱语音回放明显感觉加入噪声回放声音原始语音信号前者较尖锐干扰啸声含噪语音信号频谱图中出含噪声语音信号频谱整频域范围分布均匀实正干扰造成通滤波前低通滤波效果高通滤波效果差见语音信号分布低频段噪声分布高频段
致谢
文撰写程中特感谢导师老师指导督促时感谢谅解包容没老师帮助没天篇文求学历程艰苦快乐感谢辅导员段老师谢谢四年中全班做切求回报私奉献精神感动次表示衷感谢四年学期中结识位生活学挚友生笔财富表示衷心感谢
文参考量文献资料学术界前辈致敬
参考文献
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[14］樊昌信曹丽娜通信原理[M]北京：国防工业出版社2008
[15］姚天数字语音处理[M]武汉：华中科技学出版社2005
附录 1
Ft8000
Fp1000
Fs1200
wp2*FpFt
ws2*FsFt
rp1
rs50
p110^(rp20) 通带阻带波纹
s10^(rs20)
fpts[wp ws]
mag[1 0]
dev[p s]
[n21wn21betaftype]kaiserord(fptsmagdev)kaiserord求阶数截止频率
b21fir1(n21wn21Kaiser(n21+1beta)) fir1设计滤波器
[hw]freqz(b211) 频率响应
plot(wpiabs(h))
title('FIR低通滤波器')
附录2
Ft8001
Fp4000
Fs3500
wp2*FpFt
ws2*FsFt
rp1
rs50
p110^(rp20) 通带阻带波纹
s10^(rs20)
fpts[ws wp]
mag[0 1]
dev[p s]
[n23wn23betaftype]kaiserord(fptsmagdev)
b23fir1(n23wn23'high'Kaiser(n23+1beta)) fir1设计滤波器
[hw]freqz(b231) 频率响应
plot(w*12000*05piabs(h))
title('FIR高通滤波器')
axis([3000 6000 0 12])
附录3
Ft8000
Fp1000
Fs1200
wp2*pi*FpFt
ws2*pi*FsFt
fp2*Ft*tan(wp2)
fs2*Fs*tan(wp2)
[n11wn11]buttord(wpws150's') 求低通滤波器阶数截止频率
[b11a11]butter(n11wn11's') 求S域频率响应参数
[num11den11]bilinear(b11a1105) 双线性变换实现S域Z域变换
[hw]freqz(num11den11) 根参数求出频率响应
plot(w*8000*05piabs(h))
title('IIR低通滤波器')
legend('butter设计')
grid
附录4
Ft8000
Fp4000
Fs3500
wp1tan(pi*FpFt) 高通低通滤波器参数转换
ws1tan(pi*FsFt)
wp1
wswp1*wpws1
[n13wn13]cheb1ord(wpws150's') 求模拟低通滤波器阶数截止频
[b13a13]cheby1(n131wn13's') 求S域频率响应参数
[numden]lp2hp(b13a13wn13) S域低通参数转高通
[num13den13]bilinear(numden05) 利双线性变换实现S域Z域转
[hw]freqz(num13den13)
plot(w*21000*05piabs(h))
title('IIR高通滤波器')
legend(cheby1设计')
附录5
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
nlength(y)
y_pfft(yn)
ffs*(0n21)n
figure(1)
subplot(211)
plot(y)
title('原始语音信号采样时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值 A')
subplot(212)
plot(fabs(y_p(1n2)))
title('原始语音信号采样频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
noise1*sin(2*pi*3000*n)
y_zy+noise
sound(y_zfs)
Llength(y_z)
y_zpfft(y_zL)
ffs*(0L21)L
figure(2)
subplot(211)
plot(y_z)
title('加噪语音信号时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值 A')
subplot(212)
plot(fabs(y_zp(1L2)))
title('加噪语音信号频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
附录6
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
nlength(y)
y_pfft(yn)
ffs*(0n21)n
figure(1)
subplot(211)
plot(y)
title('原始语音信号采样时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_p(1n2)))
title('原始语音信号采样频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
Llength(y)
noise01*randn(L2)
y_zy+noise
sound(y_zfs)
nlength(y)
y_zpfft(y_zn)
ffs*(0n21)n
figure(2)
subplot(211)
plot(y_z)
title('加噪语音信号时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_zp(1n2)))
title('加噪语音信号频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
附录7
[yfsbits]wavread('wangqingtianwav')
sound(yfs)
nlength(y)
y_pfft(yn)
ffs*(0n21)n
figure(1)
subplot(211)
plot(y)
title('原始语音信号采样时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_p(1n2)))
title('原始语音信号采样频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
Llength(y)
noise01*randn(L2)
y_zy+noise
sound(y_zfs)
nlength(y)
y_zpfft(y_zn)
ffs*(0n21)n
figure(2)
subplot(211)
plot(y_z)
title('加噪语音信号时域波形')
xlabel('时间轴')
ylabel('幅值A')
subplot(212)
plot(fabs(y_zp(1n2)))
title('加噪语音信号频谱图')
xlabel('频率Hz')
ylabel('频率幅值')
Ft5000
Fp1000
Fs1200
wp2*FpFt
ws2*FsFt
rp1
rs50
p110^(rp20)
s10^(rs20)
fpts[wp ws]
mag[1 0]
dev[p s]
[n21wn21betaftype]kaiserord(fptsmagdev)
b21fir1(n21wn21Kaiser(n21+1beta))
[hw]freqz(b211)
plot(wpiabs(h))
title('FIR低通滤波器')
xfftfilt(b21y_z)
Xfft(xn)
figure(4)
subplot(221)plot(fabs(y_zp(1n2)))
title('滤波前信号频谱')
subplot(222)plot(fabs(X(1n2)))
title('滤波信号频谱')
subplot(223)plot(y_z)
title('滤波前信号时域波形')
subplot(224)plot(x)
title('滤波信号时域波形')
sound(xfsbits)
附录8
Ft8000
Fp1000
Fs1200
wp2*pi*FpFt
ws2*pi*FsFt
fp2*Ft*tan(wp2)
fs2*Fs*tan(wp2)
[n11wn11]buttord(wpws150's') 求低通滤波器阶数截止频率
[b11a11]butter(n11wn11's') 求S域频率响应参数
[num11den11]bilinear(b11a1105) 双线性变换实现S域Z域变换
[hw]freqz(num11den11) 根参数求出频率响应
plot(w*8000*05piabs(h))
legend('butter设计')
grid
[yfsnbits]wavread ('BYSJwav')
n length (y) 求出语音信号长度
noise001*randn(n2) 机函数产生噪声
sy+noise 语音信号加入噪声
Sfft(s) 傅里叶变换
z11filter(num11den11s)
sound(z11)
m11fft(z11) 求滤波信号
subplot(221)
plot(abs(S)'g')
title('滤波前信号频谱')
grid
subplot(222)
plot(abs(m11)'r')
title('滤波信号频谱')
grid
subplot(223)
plot(s)
title('滤波前信号波形')
grid
subplot(224)
plot(z11)
title('滤波信号波形')
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