matlab音频降噪专业课程设计方案报告.doc

燕山大学
医学软件课程设计说明书
题目：基于MATLAB巴特沃斯滤波器音频去噪GUI设计

学院（系）： 电气工程学院
年级专业： 13级生物医学工程 2 班
学 号： 1
学生姓名： 魏鑫
指导老师： 许全盛

院（系）：电气工程学院 基层教学单位：生物医学工程系
学 号
1
学生姓名
魏鑫
专业（班级）
13级生物医学工程2班
设计题目
基于MATLAB音频去噪GUI设计
设
计
技
术
参
数

通带截止频率fp=2700;阻带截止频率fs=3000;采样频率FS=48000;
通带衰减小于1dB;阻带衰减大于10dB;

设
计
要
求
1. 实现用MATLAB导入音频；
2. 对音频进行频谱分析；
3. 设计滤波器去噪并对含噪信号进行滤波并进行功率谱分析；
4. 设计能实现上述功效GUI；
工
作
量
1.完成音频录入及频谱分析相关程序编写和调试；
2.设计滤波器去噪；
3.用MATLAB软件做GUI界面设计；
工
作
计
划
11.21-11.24 MATLAB软件中GUIDE工具箱使用
11.25-11.29 各处理算法模块编程实现
11.30-12.1 整体程序联调
12.2 撰写课程设计说明书,答辩
参
考
资
料
1. 陈怀琛 吴大正 MATLAB及在电子信息课程中应用[M] 北京 电子工业出版社 . 章节2.4；
2. 陈亚勇 MATLAB信号处理详解[M] 北京：人民邮电出版社 . 第十章；
3.张康 刘雅 基于Matlab巴特沃斯数字低通滤波器设计[J] 计算机和现代化 12期 98-100页
指导老师签字
许全盛
基层教学单位主任签字
彭勇

目录

一、 设计目标意义..................................1
1.1 绪论......................................1
1.2 设计目标.................................1
1.3 意义......................................1
二、设计内容........................................2
2.1 设计原理...................................2
2.2 设计内容...................................2
三、设计过程及结果分析.............................3
3.1 设计步骤...................................3
3.2 MATLAB程序及结果.........................3
3.3 结果分析...................................8
四、总结..............................................9
五、参考文件.........................................10

一、设计目标意义
1.1 绪论
语音是语言声学表现，是人类交流信息最自然、最有效、最方便手段。伴随社会文化进步和科学技术发展，人类开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音处理技术，使大家能愈加有效地产生、传输、存放、和获取语音信息，这对于促进社会发展含有十分关键意义，所以，语音信号处理正越来越受到大家关注和广泛研究。
1.2 设计目标
(1)掌握数字信号处理基础概念，基础理论和基础方法。
(2)熟悉离散信号和系统时域特征。
(3)掌握序列快速傅里叶变换方法。
(4)学会MATLAB使用，掌握MATLAB程序设计方法。
(5)掌握利用MATLAB对语音信号进行频谱分析。
(6)掌握滤波器网络结构。
(7)掌握MATLAB设计IIR、FIR数字滤波器方法和对信号进行滤波方法。
1.3 意义
语音信号处理是一门比较实用电子工程专业课程，语音是人类获取信息关键起源和利用信息关键手段。经过语言相互传输信息是人类最关键基础功效之一。语言是人类特有功效，它是发明和记载几千年人类文明史根本手段，没有语言就没有今天人类文明。语音是语言声学表现，是相互传输信息最关键手段，是人类最关键、最有效、最常见和最方便交换信息形式。
语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理一门学科，它是一门新兴学科，同时又是综合性多学科领域和包含面很广交叉学科。

二、设计内容
2.1 设计原理
(1)截取视频片段声音作为语音信号
(2)生成余弦噪声信号加到语音信号中，得到被污染语音信号。
(3)设计巴特沃思滤波器（低通、带通、高通）对被污染语音信号滤波，滤掉对应噪音信号，得到符合要求语音信号。
语音信号频谱范围关键为700HZ左右，所以，在设计低通滤波器时，应把噪声频谱设定在5000HZ以上，这么，经过低通滤波器，即可滤除噪声信号从而还原语音信号。
2.2 设计内容
设计IIR数字滤波器基础思想
设计IIR数字滤波器方法关键有基于冲激响应不变法IIR数字滤波器设计，基于双线性Z变换法IIR数字滤波器设计，数字高通、带通及带阻IIR滤波器设计，基于MATLAB函数直接设计IIR数字滤波器。本试验中采取双线性变换法变换巴特沃思数字滤波器

2.2.1巴特沃思低通数字滤波器
(1)选择准备好声音片段作为语音信号（用以下语句调用[x,FS]=audioread('voice.wav')）。
(2)给信号加一个大频率噪声（取噪声频率远大于语音信号最大频率），产生污染信号。
(3)设计一个巴特沃思低通滤波器，通带范围包含语音信号，阻带频率设定为小于噪声信号频率。
(4)将设计好巴特沃思低通滤波器滤除被噪声污染后语音信号。还原语音信号。

2.2.2巴特沃思高通数字滤波器
(1) 选择准备好声音片段作为语音信号（用以下语句调用[x,FS]=audioread('voice.wav')）。
(2)给信号加一个大频率噪声（取噪声频率远大于语音信号最大频率），产生污染信号。
(3)设计一个巴特沃思高通滤波器，通带范围包含语音信号，阻带频率设定为小于噪声信号频率。
(4)将设计好巴特沃思低通滤波器滤除语音信号，保留噪声信号。

2.2.3巴特沃思带通数字滤波器
(1) 选择准备好声音片段作为语音信号（用以下语句调用[x,FS]=audioread('voice.wav')）。
(2)给信号加一个小频率或大频率噪声（取噪声频率远小于语音信号最小频率或大于语音信号最大频率），产生污染信号。本试验取小频率噪声信号。
(3)设计一个巴特沃思带通滤波器，通带范围包含语音信号，阻带频率设定为不包含噪声信号频率。
(4)将设计好巴特沃思带通滤波器滤除被噪声污染后语音信号。还原语音信号。

三、设计过程及结果分析
3.1 设计步骤
(1)语音信号采集
从视频截取一段语音片段。然后在MATLAB软件平台下，利用函数audioread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。经过audioread函数使用，要求了解采样频率、采样位数等概念。
audioread函数调用格式：
x=audioread(file)，读取file所要求wav文件，返回采样值放在向量y中。
[x,FS]=audioread(file)，采样值放在向量x中，FS表示采样频率（Hz）。
x=audioread(file,[N1,N2])，读取从N1点到N2点采样值放在向量x中。

(2)语音信号频谱分析
要求首先画出语音信号时域波形；然后对语音信号进行频谱分析，在MATLAB中，能够利用函数fft对信号进行快速付立叶变换，得到信号频谱特征；从而加深对频谱特征了解。

(3)设计数字滤波器和画出频率响应
依据语音信号特点给出相关滤波器性能指标，比如：1）低通滤波器性能指标，fp=3200 Hz，fc=3500 Hz， As=10dB，Ap=1dB；2）高通滤波器性能指标,fp=5400 Hz, fc=5700 Hz，As=10dB，Ap=1dB；3）带通滤波器性能指标，fp1=1200 Hz，fp2=2500 Hz，fc1=800 Hz，fc2=2900 Hz，As=10dB，Ap=1dB。

(4)回放语音信号
在MATLAB中,函数sound能够对声音进行回放。其调用格式：sound(x,FS);能够感觉滤波前后声音有改变。
3.2 Matlab程序及结果
3.2.1语音信号采集和频谱分析
将声音文件导入MATLAB软件中，绘出采样后语音信号时域波形和频谱图。
MATLAB程序以下：
clc;
[x,FS]=audioread(‘voice.wav’);
x=x(:,1);
N=length(x);n=0:N-1; t=n/FS;
figure(1);
subplot(211);plot(x);
%sound(x,FS,bits);
title('语音信号时域波形图')
y=fft(x,N);
f=(FS/N)*(1:N);
subplot(212);
plot(f(1:105000),abs(y(1:105000)));
title('语音信号频谱图');

运行程序得到语音信号时域和频谱图形图一所表示：

图一 原始信号时域和频谱图
3.2.2 IIR数字滤波器设计
下面分别用巴特沃思数字滤波器（低通、带通、高通）对被噪声污染后信号进行滤波。

3.2.2.1巴特沃思低通滤波器
添加高频噪声信号zs=0.05*cos(2*pi*6000*t)，MATLAB程序以下。加噪信号时域及幅频图图二所表示。
%噪声信号
zs=0.05*cos(2*pi*6000*t);
x1=x+zs’;
subplot(2,1,1);
plot(x1);
grid on;
y1=fft(x1,N);
subplot(2,1,2);
plot(f(1:105000),abs(y1(1:105000));
grid;

图二 加噪信号时域和频谱图

设计巴特沃思低通滤波器，MATLAB程序以下。滤波器图图三所表示。

%低通滤波
fp=3200;fs=3500;
rp=1;rs=10;
wp=2*pi*fp/FS;
ws=2*pi*fs/FS;
Fs1=1;
wap=2*tan(wp/2);
was=2*tan(ws/2);
[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');
[B,A]=butter(N,wc,'s');
[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);
figure(4);
[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*FS);
plot(w,abs(h));
title('巴特沃斯低通滤波器');
xlabel('频率（HZ）');ylabel('耗损（dB）');
grid on;

图三 低通滤波器

3.2.2.2 巴特沃斯高通滤波器
滤波器图图四所表示。
%高通滤波
fp=5400;fs=5700;
rp=1;rs=10;
wp=2*pi*fp/FS;
ws=2*pi*fs/FS;
T=1;Fs1=1;
wap=2*tan(wp/2);
was=2*tan(ws/2);
[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');
[B,A]=butter(N,wc,'high','s');
[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);
[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*FS);
plot(w,abs(h));
title('巴特沃斯高通滤波器');
xlabel('频率（HZ）');ylabel('耗损（dB）');
grid on;

图四 高通滤波器

3.2.2.3 巴特沃斯带通滤波器
滤波器图图五所表示。
%带通滤波
fp=[1200,2500];fs=[800,2900];
rp=1;rs=10;
wp=2*pi*fp/FS;
ws=2*pi*fs/FS;
T=1;Fs1=1;
wap=2*tan(wp/2);
was=2*tan(ws/2);
[N,wc]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');
[B,A]=butter(N,wc,'s');
[Bz,Az]=bilinear(B,A,Fs1);
[h,w]=freqz(Bz,Az,512,Fs1*FS);
plot(w,abs(h));
title('巴特沃斯带通滤波器');
xlabel('频率（HZ）');ylabel('耗损（dB）');
grid on;

图五 带通滤波器
3.3 结果分析
采取功率谱分析，利用Welch法。功率谱图像图六。
仅以低通为例。程序以下：
Nfft=2048;
window=hanning(1024);
noverlap=512;
Pxx=pwelch(yd,window,noverlap,Nfft,FS,'onesided','ms');
f=(0:Nfft/2)*FS/Nfft;
plot(f,10*log10(Pxx));
title('Welch法');
grid on;

图六 低通滤波后功率谱估量
四、总结
伴随科学技术迅猛发展，人类和计算机信息交流量也越来越多。大家已经不满足于和计算机交流传统方法，已经尝试用更简单方便方法实现人机交流。人机对话将会是未来人机交流关键方法。现在为止，大家对计算机语音识别系统研究已经有了一定结果，并研发出计算机语音识别系统，为了确保语音识别系统正确性，语音信号噪声消除便十分关键。本文就语音信号噪声消除问题展开讨论，介绍了语音增强技术诞生、发展和现实状况。并依据噪声产生机制介绍了多个相对应背景噪声消除方法，如谱减法、维纳滤波法、小波变换法、自适应性滤波法等等。
即使谱减法诞生时间比较早，不过因为谱减法语音增强计算量小，效果显著和适用范围广泛等特点，直到现在谱减法在众多语音增强算法中还是含有旺盛生命力，而且衍生有很多基础谱减法改善算法，是迄今为止应用最为广泛语音增强算法。本文关键介绍了基础谱减法语音增强及其改善算法理论，而且在基于MATLAB平台上进行试验探究，愈加深刻了解了谱减法语音增强原理及实现方法。
相信在很快未来，愈加完善谱减法语音增强理论将会处理更多噪声消除问题，经过谱减法和多种语音增强技术相结合，采纳多种语音增强技术优点，实现一个新、能够适应多种噪声背景情况下语音增强算法，这么就能愈加好抑制不一样类型噪声干扰，得到较为纯净语音信号。
五、参考文件
[1]《数字信号处理（第二版）》，丁玉美等，西安电子科技大学出版社
[2]《数字信号处理试验指导书》王创新、文卉编 长沙理工大学印刷（内部使用）
[3]《数字信号处理及其MATLAB实现》，陈怀琛等译，电子工业出版社
[4]《MATLAB及在电子信息课程中应用》，陈怀琛等，电子工业出版社
[5]《数字信号处理》A.V.奥本海姆，R.W.谢弗著，北京：科学出版社
[6]《数字信号处理——理论、算法和实现（第二版）》胡广书编著，北京：电子工业出版社

燕山大学课程设计评审意见表
指导老师评语：

①该生学习态度 （认真 较认真 不认真）
②该生迟到、早退现象 （有 无）
③该生依靠她人进行设计情况 （有 无）

平时成绩： 指导老师签字：

年 12月 2 日
图面及其它成绩：
答辩小组评语：

①设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。
②设计合理，实现设计要求。
③实现了大部分设计要求。
④没有完成设计要求，或只实现了一小部分设计要求。

答辩成绩： 组长签字：

年12月2 日
课程设计综合成绩：
答辩小组组员签字：

12 月 2 日