目錄

前言

課題背景和意義

實(shí)現(xiàn)技術(shù)思路

一、設(shè)計(jì)思路

二、ＩＩＲ 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理

三、語(yǔ)音信號(hào)的采集、 含噪語(yǔ)音信號(hào)的分析處理

四、總結(jié)

實(shí)現(xiàn)效果圖樣例

最后

前言

? ? ??大四是整個(gè)大學(xué)期間最忙碌的時(shí)光,一邊要忙著備考或?qū)嵙?xí)為畢業(yè)后面臨的就業(yè)升學(xué)做準(zhǔn)備,一邊要為畢業(yè)設(shè)計(jì)耗費(fèi)大量精力。近幾年各個(gè)學(xué)校要求的畢設(shè)項(xiàng)目越來越難,有不少課題是研究生級(jí)別難度的,對(duì)本科同學(xué)來說是充滿挑戰(zhàn)。為幫助大家順利通過和節(jié)省時(shí)間與精力投入到更重要的就業(yè)和考試中去,學(xué)長(zhǎng)分享優(yōu)質(zhì)的選題經(jīng)驗(yàn)和畢設(shè)項(xiàng)目與技術(shù)思路。

??對(duì)畢設(shè)有任何疑問都可以問學(xué)長(zhǎng)哦!

選題指導(dǎo):?https://blog.csdn.net/qq_37340229/article/details/128243277

大家好,這里是海浪學(xué)長(zhǎng)畢設(shè)專題,本次分享的課題是

??畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于MATLAB的含噪語(yǔ)音信號(hào)降噪處理系統(tǒng)

課題背景和意義

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展與普及，語(yǔ)音依然是人類溝通、 交流傳遞信息的重要載體。語(yǔ)音信號(hào)處理是一個(gè)新興的交叉學(xué)科，是語(yǔ)音和數(shù)字信號(hào)處理的兩個(gè)學(xué)科的結(jié)合產(chǎn)物，即綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理。 隨著互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)的發(fā)展，除了人們之間自 然語(yǔ)言的交流，人機(jī)對(duì)話以及智能領(lǐng)域也都使用 語(yǔ)音。語(yǔ)音信號(hào)在采集、存儲(chǔ)、傳輸過程中會(huì)不可避免的受到噪聲和干擾的污染， 當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)淹沒在噪聲中時(shí)，人們很難得到有用的信息， 給語(yǔ) 音信號(hào)的處理帶來不便。 文章利用計(jì)算機(jī)采集 語(yǔ)音信號(hào)，在 ＭＡＴＬＡＢ 軟件環(huán)境下對(duì)原始語(yǔ)音信 號(hào)以及加噪后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、 頻域分析，設(shè)計(jì) ＩＩＲ 數(shù)字濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波降 噪處理， 仿真濾波后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域、 頻域波形 圖，對(duì)比原始語(yǔ)音信號(hào)，分析含噪語(yǔ)音信號(hào)降噪 處理結(jié)果。利用 ＭＡＴＬＡＢ 軟件對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、 頻域分析， 模擬產(chǎn)生噪聲信號(hào)加到語(yǔ)音 信號(hào)中， 仿真分析得到含噪聲語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域、 頻域波形圖。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)思路

一、設(shè)計(jì)思路

利用電腦采集一段音樂信號(hào)， ＭＡＴＬＡＢ 可讀 . ｗａｖ 文件， 保存為 . ｗａｖ 文件 。 對(duì)采集到的音 樂信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、 頻域分析， 輸出時(shí)域波形以及 幅度譜。 音樂信號(hào)的頻率范圍一般在幾十赫茲到 ２０ｋＨｚ， 最高頻率不會(huì)超過 ２０ｋＨｚ， 故采用抽樣頻 率為 ４４. １ｋＨｚ， 抽樣頻率大于最高頻率的兩倍， 信號(hào)不存在混疊誤差。 再對(duì)采集到的原始音樂信 號(hào)人為的加入高頻噪音， 產(chǎn)生含噪音樂信號(hào)， 模 擬語(yǔ)音信號(hào)被噪聲污染。 利用雙線性變換法設(shè)計(jì) 合適的數(shù)字低通濾波器， 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波， 并仿真得到時(shí)域、 頻域波 形圖， 分析結(jié)果。

二、ＩＩＲ 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理

數(shù)字濾波器是能按性能指標(biāo)要求完成信號(hào)濾 波處理功能的數(shù)字系統(tǒng)。 按單位脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度可 分為無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器即 ＩＩＲ 濾波器和 有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)即 ＦＩＲ 濾波器。 線性時(shí)不 變系統(tǒng)用系統(tǒng)函數(shù)表示為：

其中 ａ１ ， …， ａＮ 中至少有一項(xiàng)不為零時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)采用部分分式展開法可表示為：

?對(duì)系統(tǒng) 函數(shù)進(jìn)行拉普拉斯逆變換， 得到相應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)：

?其中單位脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度無限， 故被稱為 ＩＩＲ 無限長(zhǎng)單 位脈沖響應(yīng)濾波器。 相應(yīng)的 ＦＩＲ 有限長(zhǎng)單位脈沖 響應(yīng)長(zhǎng)度有限， 一般實(shí)現(xiàn)相同 的指標(biāo)性能， ＦＩＲ 數(shù)字濾波器所需階數(shù)遠(yuǎn)大于 ＩＩＲ 數(shù)字濾波器。 ＩＩＲ 數(shù)字濾波器適合處理對(duì)相位要求不高的信號(hào)， 如 脈搏信號(hào)、 語(yǔ)音信號(hào)等。

模擬濾波器

由于模擬濾波器的相關(guān)理論和設(shè)計(jì)技巧已經(jīng) 很成熟， 并且有典型的模板和閉合形式的公式。 但是相比于模擬濾波器， 數(shù)字濾波器具有精度高、 靈活性大的優(yōu)點(diǎn)， 使用更靈活， 應(yīng)用范圍更廣。 文章基于已經(jīng)發(fā)展成熟的模擬濾波器設(shè)計(jì)無限長(zhǎng) 單位沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器 （ ＩＩＲ）。 首先設(shè)計(jì)模擬 濾波器， 將模擬濾波器離散化， 得到滿足指標(biāo)的 數(shù)字濾波器。 其中離散化的方法有脈沖響應(yīng)不變 法和雙線性變換法。 這種設(shè)計(jì)方法稱為數(shù)字濾波 器的間接設(shè)計(jì)方法， 這種方法準(zhǔn)確、 簡(jiǎn)便， 因 而得到廣泛的應(yīng)用。

常用的典型模擬濾波器的模板有巴特沃斯型 濾波器、 切比雪夫型濾波器、 橢圓型濾波器。 巴特沃斯模 擬低通濾波器的頻域特性表示為：

?

?Ｎ 代表濾波器的階數(shù)， 階 數(shù)越高， 性能越好， 實(shí)現(xiàn)成本高， ωｃ 表示 ３ｄＢ 截 頻。 通過改變 Ｎ、 ωｃ 可以得無數(shù)個(gè)巴特沃斯濾波 器。 根據(jù) （ωｐ， Ａｐ） 、 （ωｓ， Ａｓ） 可以確定：

?其幅頻特性如圖所示：

?切比雪夫 １ 型模擬低通濾波器的頻域特性表 示為：

?其中， Ｎ 表 示濾波器的階數(shù)， ωｃ 表示通帶截頻， ε 表示通帶波 紋。 １ 型的切比雪夫?yàn)V波器的通帶有波紋， 波紋由 通帶衰耗 Ａｐ 決定； 切比雪夫 １ 型模擬低通濾波器 其幅頻特性如下圖 所示。 切比雪夫 ２ 型濾波器 通帶沒有紋波， 但是阻帶有紋波。

?橢圓型濾波器通帶、 阻帶都有紋波， 橢圓型 模擬低通濾波器的頻域特性表示為：

?其幅頻特性如圖所示：

雙線性變換法設(shè)計(jì) ＩＩＲ 數(shù)字低通濾波器

任何實(shí)際的模擬濾波器的帶寬都不是絕對(duì)有 限的， 所以采用脈沖響應(yīng)不變法進(jìn)行離散化設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波器時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊效應(yīng)， 為了克服 脈沖響應(yīng)不變法所產(chǎn)生的頻譜混疊效應(yīng)， 可以采 用凱塞和戈?duì)柕翘岢龅碾p線性變換法， 也可以稱 為改進(jìn)的脈沖響應(yīng)不變法， 其基本思想是首先將 非帶限的模擬濾波器通過映射壓縮使最高頻率為 π／ Ｔ 的帶限模擬濾波器。

模擬頻率 ω 與數(shù)字頻率 Ω 的關(guān)系為：

?將通過壓縮得到的帶限模擬濾波器通過脈 沖響應(yīng)不變法映射到 ｚ 平面， 映射關(guān)系為： ｚ ＝ ｅ ｓ １ Ｔ ， 進(jìn)一步得到 ｓ 平面和 ｚ 平面的映射關(guān)系為

?

進(jìn)一步得到 ｓ 平面和 ｚ 平面的映射關(guān)系s為：?

這種變換就是雙線性變換， 由于事先經(jīng)過壓縮， 再利用脈沖響應(yīng)不變法對(duì)模 擬濾波器進(jìn)行離散化得到數(shù)字濾波器， 故這種方 法又稱為改進(jìn)的脈沖響應(yīng)不變法， 克服了脈沖響 應(yīng)不變法的不足頻譜混疊效應(yīng)。 設(shè)計(jì)步驟如圖所示：

ＩＩＲ 數(shù)字濾波器的頻率轉(zhuǎn)換

實(shí)際中使用的數(shù)字濾波器除了低通濾波器以 外， 通常還有高通、 帶通、 帶阻等 ＩＩＲ 數(shù)字濾波 器。 為滿足需要， 首先設(shè)計(jì)一個(gè)滿足指標(biāo)要求的 模擬原型低通濾波器， 通過頻率轉(zhuǎn)換成所需要的 各種不同功能的濾波器， 最后離散化， 采用能夠 克服頻譜混疊的雙線性變換法設(shè)計(jì)成相應(yīng)的數(shù)字 濾波器。 模擬域頻率轉(zhuǎn)換具體指標(biāo)如表所 示：

三、語(yǔ)音信號(hào)的采集、 含噪語(yǔ)音信號(hào)的分析處理

語(yǔ)音信號(hào)的采集及分析

六號(hào)， 固定行距 １０ 磅利用電腦采集一段音樂 信號(hào)， 保 存 為 “ 音 樂 信 號(hào) . ｗａｖ ” 文 件。 調(diào) 用 ＭＡＴＬＡＢ 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中 ａｕｄｉｏｒｅａｄ 函數(shù)可以讀取采 集的原始語(yǔ)音信號(hào)， 進(jìn)行時(shí)域分析， 輸出時(shí)域波 形如圖所示。

?調(diào)用 ｆｆｔ （ ｘ ） 函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 輸出信號(hào)頻譜， 繪制原始語(yǔ)音信號(hào)幅度譜如圖所示。

加噪語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生及分析

將采集到的原始語(yǔ)音信號(hào)疊加上高頻余弦噪 聲信號(hào)， 噪聲信號(hào)如圖所示。

?余弦信號(hào)頻譜：

高頻余弦信號(hào)圖， 因?yàn)榉直媛实脑?因， 故看起來就是一整體。 人為加入高頻余弦信 號(hào)模擬被噪聲污染的含噪語(yǔ)音信號(hào)， 并進(jìn)行時(shí)域、 頻域分析， 仿真得到時(shí)域波形、 頻譜如下圖所示。

含噪語(yǔ)音信號(hào)波形 ：

?含噪語(yǔ)音信號(hào)頻譜：

?從仿真結(jié)果可以看出含噪語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形 發(fā)生很大的變化， 含噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜上明顯比 原語(yǔ)音信號(hào)頻譜多了余弦高頻分量。 借助 ＭＡＴ? ＬＡＢ 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中 ｓｏｕｎｄ （ ｓ） 函數(shù)， 可以回放含 噪語(yǔ)音信號(hào)， 可以明顯聽到與原始語(yǔ)音信號(hào)的不 同， 伴有明顯的尖銳噪聲。 從含噪語(yǔ)音信號(hào)頻譜 可以看出， 由于加入了高頻余弦信號(hào)， 而原始語(yǔ) 音信號(hào)的頻率范圍主要在幾十赫茲到二十千赫茲， 分布在低頻段， 而噪聲信號(hào)的頻譜為高頻。 因此 需要設(shè)計(jì)一款合適的數(shù)字低通濾波器對(duì)含噪語(yǔ)音 信號(hào)進(jìn)行降噪處理。

MATLAB輔助設(shè)計(jì)、 仿真結(jié)果

根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的分析采用雙線性變化法設(shè)計(jì) 滿足指標(biāo) ｗｐ ＝ ０. ６５π ｒａｄ、 ｗｓ ＝ ０. ７５π ｒａｄ， Ａｐ ＝ ５， Ａｓ ＝ ２０ 的巴特沃斯數(shù)字系統(tǒng)濾波器。

Ａｐ ＝ ５； Ａｓ ＝ ２０；

ｗｐ ＝ ０. ６５；％通帶邊界頻率 ｗｓ ＝ ０. ７５；％阻帶邊界頻率?

［Ｎ１， Ｗｃ］ ＝ ｂｕｔｔｏｒｄ （ ｗｐ， ｗｓ， Ａｐ， Ａｓ， ＇ｓ
＇）；％Ｒｐ、 Ｒｓ 分別為濾波器的通帶最大衰減和阻帶
最小衰減 （ｄＢ）
［Ｂ， Ａ］ ＝ ｂｕｔｔｅｒ （Ｎ１， Ｗｃ， ＇ｓ＇）；％計(jì)算濾波
器系統(tǒng)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)
［ｎｕｍｄ， ｄｅｎｄ］ ＝ ｂｉｌｉｎｅａｒ （ Ｂ， Ａ， １）％ 雙線
性變換法
［Ｈ， Ｗ］ ＝ ｆｒｅｑｚ （ ｎｕｍｄ， ｄｅｎｄ）；％生成巴特
沃斯低通濾波器
ｆｉｇｕｒｅ （ ４ ）， ｐｌｏｔ （ Ｗ／ ｐｉ， ａｂｓ （ Ｈ ） ）； ｔｉｔｌｅ
（＇ｄｉｇｉｔａｌ ｂｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ＇）；
％巴特沃斯濾波器對(duì) ｙ１ 進(jìn)行濾波
Ｆ＿ ｙ１ ＝ ｆｉｌｔｅｒ （ｎｕｍｄ， ｄｅｎｄ， ｙ１）；
ｆｆｔ＿ Ｆ＿ ｙ１ ＝ ｆｆｔ （Ｆ＿ ｙ１， Ｎ）；％濾波后音樂信
號(hào)傅里葉變換
ｓｏｕｎｄ （Ｆ＿ ｙ１， ｆｓ）；
ｆｉｇｕｒｅ （ ５）， ｓｕｂｐｌｏｔ （ １， ２， １）， ｐｌｏｔ （ Ｆ ＿
ｙ１）， ｔｉｔｌｅ （＇Ｍｕｓｉｃ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ＇）％
顯示疊加噪聲后音樂信號(hào)
ｓｕｂｐｌｏｔ （ １， ２， ２ ）， ｐｌｏｔ （ ａｂｓ （ ｆｆｔ ＿ Ｆ ＿
ｙ１） ）， ｔｉｔｌｅ （＇ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｓｉｃ ｓｉｇｎａｌ
ａｆｔｅｒ ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ＇）；

經(jīng)濾波器降噪后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形及頻譜圖如圖所示。

?濾波后語(yǔ)音信號(hào)波形：

?濾波后語(yǔ)音信號(hào)頻譜：

從仿真結(jié)果可以看到加入噪聲的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng) 濾波后余弦分量的頻譜被濾除。 同時(shí)利用借助 ＭＡＴＬＡＢ 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中 ｓｏｕｎｄ （ ｓ） 函數(shù)回放濾波 后的音樂信號(hào)， 尖銳的噪聲明顯消失， 說明采用 數(shù)字低通濾波器后濾除了信號(hào)中的高頻分量， 但 是經(jīng)過濾波后的音樂信號(hào)和原始音樂信號(hào)相比， 聽起來有些沉悶， 基本接近原始音樂信號(hào)。 實(shí)現(xiàn) 了對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的降噪處理， 提高了語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì) 量。

四、總結(jié)

借助計(jì)算機(jī)錄制了一段音樂信號(hào)作為語(yǔ) 音信號(hào)分析對(duì)象， 人為加入高頻余弦噪音信號(hào)， 模擬被噪聲污染的噪音信號(hào)， 利用 ＭＡＴＬＡＢ 軟件 輔助設(shè)計(jì)巴特沃斯低通數(shù)字濾波器， 仿真驗(yàn)證濾 波效果， 回放濾波后的音樂信號(hào)， 對(duì)比濾波前后 的時(shí)域波形圖、 頻譜圖， 表明濾波后的信號(hào)接近 原始音樂信號(hào)， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)含噪信號(hào)的降噪處理。

實(shí)現(xiàn)效果圖樣例

聲音降噪處理：

我是海浪學(xué)長(zhǎng),創(chuàng)作不易,歡迎點(diǎn)贊、關(guān)注、收藏、留言。

畢設(shè)幫助，疑難解答，歡迎打擾！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-468647.html

最后

到了這里，關(guān)于畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于MATLAB的含噪語(yǔ)音信號(hào)降噪處理系統(tǒng)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！