燕山大學(xué)醫(yī)學(xué)軟件課程設(shè)計說明書題目：基于MATLAB巴特沃斯濾波器的音頻去噪的GUI設(shè)計學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院年級專業(yè)：13級生物醫(yī)學(xué)工程2班學(xué)號：130103040041學(xué)生姓名：魏鑫指導(dǎo)教師：許全盛院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：生物醫(yī)學(xué)工程系學(xué)號130103040041學(xué)生姓名魏鑫專業(yè)（班級）13級生物醫(yī)學(xué)工程2班設(shè)計題目基于MATLAB音頻去噪的GUI設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)通帶截止頻率fp=2700;阻帶截止頻率fs=3000;采樣頻率FS=48000;通帶衰減不大于1dB;阻帶衰減不小于10dB;設(shè)計要求實現(xiàn)用MATLAB導(dǎo)入音頻；對音頻進(jìn)行頻譜分析；設(shè)計濾波器去噪并對含噪信號進(jìn)行濾波并進(jìn)行功率譜分析；設(shè)計能實現(xiàn)上述功能的GUI；工作量1.完成音頻錄入及頻譜分析相關(guān)程序的編寫與調(diào)試；2.設(shè)計濾波器去噪；3.用MATLAB軟件做GUI界面的設(shè)計；工作計劃11.21-11.24MATLAB軟件中GUIDE工具箱的使用11.25-11.29各處理算法模塊的編程實現(xiàn)11.30-12.1整體程序聯(lián)調(diào)12.2撰寫課程設(shè)計說明書,答辯參考資料1.陳懷琛吳大正MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用[M]北京電子工業(yè)出版社2006.章節(jié)2.4；2.陳亞勇MATLAB信號處理詳解[M]北京：人民郵電出版社2000.第十章；3.張康劉雅基于Matlab的巴特沃斯數(shù)字低通濾波器的設(shè)計[J]計算機(jī)與現(xiàn)代化2007年12期98-100頁指導(dǎo)教師簽字許全盛基層教學(xué)單位主任簽字彭勇目錄設(shè)計目的意義1緒論1設(shè)計目的1意義1二、設(shè)計內(nèi)容22.1設(shè)計原理22.2設(shè)計內(nèi)容2三、設(shè)計過程及結(jié)果分析33.1設(shè)計步驟33.2MATLAB程序及結(jié)果33.3結(jié)果分析8四、總結(jié)9五、參考文獻(xiàn)10一、設(shè)計目的意義1.1緒論語音是語言的聲學(xué)表現(xiàn)，是人類交流信息最自然、最有效、最方便的手段。隨著社會文化的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類開始進(jìn)入了信息化時代，用現(xiàn)代手段研究語音處理技術(shù)，使人們能更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲、和獲取語音信息，這對于促進(jìn)社會的發(fā)展具有十分重要的意義，因此，語音信號處理正越來越受到人們的關(guān)注和廣泛的研究。1.2設(shè)計目的(1)掌握數(shù)字信號處理的基本概念，基本理論和基本方法。(2)熟悉離散信號和系統(tǒng)的時域特性。(3)掌握序列快速傅里葉變換方法。(4)學(xué)會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計方法。(5)掌握利用MATLAB對語音信號進(jìn)行頻譜分析。(6)掌握濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。(7)掌握MATLAB設(shè)計IIR、FIR數(shù)字濾波器的方法和對信號進(jìn)行濾波的方法。1.3意義語音信號處理是一門比較實用的電子工程的專業(yè)課程，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。通過語言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和記載幾千年人類文明史的根本手段，沒有語言就沒有今天的人類文明。語音是語言的聲學(xué)表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對語音信號進(jìn)行處理的一門學(xué)科，它是一門新興的學(xué)科，同時又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科。二、設(shè)計內(nèi)容2.1設(shè)計原理(1)截取視頻片段聲音作為語音信號(2)生成余弦噪聲信號加到語音信號中，得到被污染的語音信號。(3)設(shè)計巴特沃思濾波器（低通、帶通、高通）對被污染的語音信號濾波，濾掉相應(yīng)的噪音信號，得到符合要求的語音信號。語音信號的頻譜范圍主要為700HZ左右，因此，在設(shè)計低通濾波器時，應(yīng)把噪聲頻譜設(shè)定在5000HZ以上，這樣，通過低通濾波器，即可濾除噪聲信號從而還原語音信號。2.2設(shè)計內(nèi)容設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的基本思想設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的方法主要有基于沖激響應(yīng)不變法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計，基于雙線性Z變換法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計，數(shù)字高通、帶通及帶阻IIR濾波器設(shè)計，基于MATLAB函數(shù)直接設(shè)計IIR數(shù)字濾波器。本實驗中采用雙線性變換法變換的巴特沃思數(shù)字濾波器2.2.1巴特沃思低通數(shù)字濾波器(1)選擇準(zhǔn)備好的聲音片段作為語音信號（用如下語句調(diào)用[x,FS]=audioread('voice.wav')）。(2)給信號加一個大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)大于語音信號的最大頻率），產(chǎn)生污染信號。(3)設(shè)計一個巴特沃思低通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設(shè)定為小于噪聲信號頻率。(4)將設(shè)計好的巴特沃思低通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。還原語音信號。2.2.2巴特沃思高通數(shù)字濾波器(1)選擇準(zhǔn)備好的聲音片段作為語音信號（用如下語句調(diào)用[x,FS]=audioread('voice.wav')）。(2)給信號加一個大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)大于語音信號的最大頻率），產(chǎn)生污染信號。(3)設(shè)計一個巴特沃思高通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設(shè)定為小于噪聲信號頻率。(4)將設(shè)計好的巴特沃思低通濾波器濾除語音信號，保留噪聲信號。2.2.3巴特沃思帶通數(shù)字濾波器(1)選擇準(zhǔn)備好的聲音片段作為語音信號（用如下語句調(diào)用[x,FS]=audioread('voice.wav')）。(2)給信號加一個小頻率或大頻率的噪聲（取噪聲頻率遠(yuǎn)小于語音信號的最小頻率或大于語音信號的最大頻率），產(chǎn)生污染信號。本實驗取小頻率的噪聲信號。(3)設(shè)計一個巴特沃思帶通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設(shè)定為不包括噪聲信號頻率。(4)將設(shè)計好的巴特沃思帶通濾波器濾除被噪聲污染后的語音信號。還原語音信號。三、設(shè)計過程及結(jié)果分析3.1設(shè)計步驟(1)語音信號的采集從視頻截取一段語音片段。然后在MATLAB軟件平臺下，利用函數(shù)audioread對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)。通過audioread函數(shù)的使用，要求理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。audioread函數(shù)調(diào)用格式：x=audioread(file)，讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。[x,FS]=audioread(file)，采樣值放在向量x中，F(xiàn)S表示采樣頻率（Hz）。x=audioread(file,[N1,N2])，讀取從N1點到N2點的采樣值放在向量x中。(2)語音信號的頻譜分析要求首先畫出語音信號的時域波形；然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析，在MATLAB中，可以利用函數(shù)fft對信號進(jìn)行快速付立葉變換，得到信號的頻譜特性；從而加深對頻譜特性的理解。(3)設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出頻率響應(yīng)根據(jù)語音信號的特點給出有關(guān)濾波器的性能指標(biāo)，例如：1）低通濾波器性能指標(biāo)，fp=3200Hz，fc=3500Hz，As=10dB，Ap=1dB；2）高通濾波器性能指標(biāo),fp=5400Hz,fc=5700Hz，As=10dB，Ap=1dB；3）帶通濾波器性能指標(biāo)，fp1=1200Hz，fp2=2500Hz，fc1=800Hz，fc2=2900Hz，As=10dB，Ap=1dB。(4)回放語音信號在MATLAB中,函數(shù)sound可以對聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(x,FS);可以感覺濾波前后的聲音有變化。3.2Matlab程序及結(jié)果3.2.1語音信號的采集與頻譜分析將聲音文件導(dǎo)入MATLAB軟件中，繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。MATLAB程序如下：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('語音信號時域波形圖')y=fft(x,N);f=(FS/N)*(1:N);subplot(212);plot(f(1:105000),abs(y(1:105000)));title('語音信號頻譜圖');運行程序得到語音信號時域和頻譜圖形如圖一所示：圖一原始信號時域和頻譜圖3.2.2IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計下面分別用巴特沃思數(shù)字濾波器（低通、帶通、高通）對被噪聲污染后的信號進(jìn)行濾波。3.2.2.1巴特沃思低通濾波器添加高頻的噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*6000*t)，MATLAB程序如下。加噪信號的時域及幅頻圖如圖二所示。%噪聲信號zs=0.05*cos(2*pi*6000*t);x1=x+zs’;subplot(2,1,1);plot(x1);gridon;y1=fft(x1,N);subplot(2,1,2);plot(f(1:105000),abs(y1(1:105000));grid;圖二加噪信號時域和頻譜圖設(shè)計巴特沃思低通濾波器，MATLAB程序如下。濾波器圖如圖三所示。%低通濾波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('巴特沃斯低通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('耗損（dB）');gridon;圖三低通濾波器3.2.2.2巴特沃斯高通濾波器濾波器圖如圖四所示。%高通濾波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('巴特沃斯高通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('耗損（dB）');gridon;圖四高通濾波器3.2.2.3巴特沃斯帶通濾波器濾波器圖如圖五所示。%帶通濾波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('巴特沃斯帶通濾波器');xlabel('頻率（HZ）');ylabel('耗損（dB）');gridon;圖五帶通濾波器3.3結(jié)果分析采用功率譜分析，利用Welch法。功率譜圖像如圖六。僅以低通為例。程序如下：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');gridon;圖六低通濾波后功率譜估計四、總結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類與計算機(jī)的信息交流量也越來越多。人們已經(jīng)不滿足于與計算機(jī)交流的傳統(tǒng)方法，已經(jīng)嘗試用更簡單方便的方式實現(xiàn)人機(jī)交流。人機(jī)對話將會是未來人機(jī)交流的主要方式。目前為止，人們對計算機(jī)語音識別系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了一定的成果，并研發(fā)出計算機(jī)語音識別系統(tǒng)，為了保證語音識別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，語音信號的噪聲消除便十分重要。本文就語音信號的噪聲消除問題展開討論，介紹了語音增強(qiáng)技術(shù)的誕生、發(fā)展以及現(xiàn)狀。并根據(jù)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制介紹了幾種相對應(yīng)的背景噪聲消除方法，如譜減法、維納濾波法、小波變換法、自適應(yīng)性濾波法等等。雖然譜減法誕生的時間比較早，但是由于譜減法語音增強(qiáng)的計算量小，效果顯著和適用范圍廣泛等特點，直到現(xiàn)在譜減法在眾多語音增強(qiáng)算法中還是具有旺盛的生命力，并且衍生有很多基本譜減法的改進(jìn)算法，是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的語音增強(qiáng)算法。本文重點介紹了基本譜減法語音增強(qiáng)及其改進(jìn)算法的理論，并且在基于MATLAB平臺上進(jìn)行試驗探究，更加深刻的理解了譜減法語音增強(qiáng)的原理及實現(xiàn)方法。相信在不久的將來，更加完善的譜減法語音增強(qiáng)理論將會解決更多的噪聲消除問題，通過譜減法和各種語音增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合，采納各種語音增強(qiáng)技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)一種新的、能夠適應(yīng)各種噪聲背景情況下的語音增強(qiáng)算法，這樣就能更好的抑制不同類型的噪聲干擾，得到較為純凈的語音信號。五、參考文獻(xiàn)[1]《數(shù)字信號處理（第二版）》，丁玉美等，西安電子科技大學(xué)出版社[2]《數(shù)字信號處理試驗指導(dǎo)書》王創(chuàng)新、文卉編長沙理工大學(xué)印刷（內(nèi)部使用）[3]《數(shù)字信號處理及其MATLAB實現(xiàn)》，陳懷琛等譯，電子工業(yè)出版社[4]《MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用》，陳懷琛等，電子工業(yè)出版社[5]《數(shù)字信號處理》A.V.奧本海姆，R.W.謝弗著，北京：科學(xué)出版社[6]《數(shù)