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语音信号滤波去噪

——基于布莱克曼的FIR滤波器

学生姓名： 指导老师：

摘 要 本课程设计主要内容是设计利用窗口设计法选择布莱克曼窗设计一个FIR滤波器，希望对一段含噪语音信号进行滤波去噪处理并根据滤波前后的波形和频谱分析滤波性能。本课程设计仿真平台为MATLAB7.0，开发工具是M语言编程。用麦克风采集一段语音信号，绘制波形并观察其频谱特点，加入一个带外单频噪声，用布拉克曼窗设计一个满足指标的FIR滤波器，对该含噪语音信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析，根据结果和学过的理论得出合理的结论。最终在通过程序的调试得出最后的分析图，且基本符合设计要求。

关键词 语音信号去噪；FIR滤波器；布莱克曼窗；MATLAB

1 引 言

本课程设计主要解决在含噪情况下对语音信号的滤波去噪处理，处理时采用的是利用窗口设计法选择布莱克曼窗设计的FIR滤波器[1]。

在我们日常生活中，不可避免的要通过电话的形式与他人沟通、交流，在语音通信的过程中将不可避免的会受到来自周围环境的干扰，例如在信息传输中，传输媒介引入的噪声，通信设备内部的热噪声，或者是其他人在进行语音信号传输交流的信号与其混叠等。在这些干扰噪声的存在下，接收者接收到的语音已经不是原始的纯净语音信号，而是受噪声干扰的带噪声语音信号。而本课程设计就是利用MATLAB集成环境用布莱克曼窗的方法设计一个FIR滤波器，对语音信号进行滤波去噪处理，并将虑噪前后的频谱图进行对比。

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1.1 课程设计目的

数字信号处理是一门理论性和实践性都很强的学科，通过课程设计可以加深理解掌握数字信号处理的基本理论，培养我们的分析问题以及解决问题的能力，同时也为将来我们走向工作岗位奠定坚实的基础。在这次课程设计综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现，从而复习巩固了课堂所学的理论知识，提高了对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现了对数字信号的处理。本课程设计能使学生对通信工程领域各种技术的DSP实现的设计有较熟练的掌握。且通过自身的实践，对DSP的设计程序、内容和方法有更深入的掌握，提高实际运用的能力。并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。

1.2 课程设计的步骤

首先录制一段自己的语音信号，并对录制的信号进行采样，修改其参数设置方便实验，再画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。再通过程序编写在程序调试中加入噪声，再画出加入噪声后的时域波形和频谱图。接着自行给定滤波器的性能指标，采用窗函数法设计FIR滤波器，并画出滤波器的频率响应。用自己设计的滤波器对采集的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化并回放语音信号；通过利用各种不同的开发工具实现语音信号的滤波去噪，掌握数字信号的分析方法和处理方法。

1.3设计平台

MATLAB是一个为科学和工程计算机专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图和精确计算与一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Window、UNIX等多种系统平台。本课程设计我们就可以直接诶使用MATLAB提供的模块，实现模拟通信系统的仿真。

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MATLAB软件有很强的开放性和适应性。在保持内核不变的情况下，MATLAB可以针对不同的应用学科推出相应的工具箱，目前已经推出了图像处理工具箱、信号处理工具箱、小波工具箱、神经网络工具箱以及通信工具箱等多个学科的专用工具箱，极大的方便了不同学科的研究工作。国内已有越来越多的科研和技术人员认识到MABLAB的强大作用，并在不同领域内使用MATLAB来快速实现科研构想和提高工作效率[2]。

2 设计原理

在电脑录音机处录一段语音信号，保存格式为以.wav为后缀名的文件，采用matlab编程，绘制波形并观察其频谱，给定相应技术指标，用布拉克曼窗函数法设计的一个满足指标的FIR滤波器，对该语音信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析。

2.1 FIR滤波器

FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。

有限长单位冲激响应（FIR）滤波器有以下几个特点： (1)、系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零；

(2)、系统函数H(z)在|z|?0处收敛，极点全部在z?0处（因果系统）；

(3)、结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。

设FIR滤波器的单位冲激响应h(n)为一个N点序列，0?n?N?1，则滤波器的系统函数为：

H(z)??h(n)z?n (2-1)

n?0N?1 就是说，它有(N?1)阶极点在z?0处，有(N?1)个零点位于有限z平面的任何位置因此H(z)是永远稳定的。稳定和香味特性是FIR滤波器突出的优点。FIR滤波器有以下几种基本结构：横截型（卷积型、直接型）、级联型、频率抽样型、快速卷积结构。