燕山大學醫(yī)學軟件課程設計說明書題目：基于MATLAB巴特沃斯濾波器的音頻去噪的GUI設計學院（系）： 電氣工程學院年級專業(yè)：13級生物醫(yī)學工程2班學號： 130103040041學生姓名：魏鑫指導教師：許全盛

學號130103040041學生姓名魏鑫專業(yè)（班級）13級生物醫(yī)學工程2班設計題目基于MATLAB音頻去噪的GUI設計設計技術參數(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;設計要求.實現(xiàn)用MATLAB導入音頻；.對音頻進行頻譜分析；.設計濾波器去噪并對含噪信號進行濾波并進行功率譜分析；.設計能實現(xiàn)上述功能的GUI；工作量.完成音頻錄入及頻譜分析相關程序的編寫與調(diào)試；.設計濾波器去噪；.用MATLAB軟件做GUI界面的設計；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 撰寫課程設計說明書，答辯參考資料.陳懷琛吳大正MATLAB及在電子信息課程中的應用[M]北京電子工業(yè)出版社 2006.章節(jié)2.4；.陳亞勇MATLAB信號處理詳解[M]北京：人民郵電出版社2000.第十章；.張康劉雅基于Matlab的巴特沃斯數(shù)字低通濾波器的設計J]計算機與現(xiàn)代化2007年12期98-100頁指導教師簽字許全盛基層教學單位主任簽字彭勇院（系）：電氣工程學院基層教學單位：生物醫(yī)學工程系目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設計目的意義 1\o"CurrentDocument"緒論 1\o"CurrentDocument"設計目的 1\o"CurrentDocument"意義 1\o"CurrentDocument"二、設計內(nèi)容 2\o"CurrentDocument"設計原理 2\o"CurrentDocument"設計內(nèi)容 2\o"CurrentDocument"三、設計過程及結(jié)果分析 3\o"CurrentDocument"設計步驟 3\o"CurrentDocument"MATLAB程序及結(jié)果 3\o"CurrentDocument"結(jié)果分析 8\o"CurrentDocument"四、總結(jié) 9\o"CurrentDocument"五、參考文獻 10一、設計目的意義緒論語音是語言的聲學表現(xiàn)，是人類交流信息最自然、最有效、最方便的手段。隨著社會文化的進步和科學技術的發(fā)展，人類開始進入了信息化時代，用現(xiàn)代手段研究語音處理技術，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注和廣泛的研究。設計目的(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)學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設計方法。(5)掌握利用MATLAB對語音信號進行頻譜分析。(6)掌握濾波器的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。(7)掌握MATLAB設計IIR、FIR數(shù)字濾波器的方法和對信號進行濾波的方法。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)字信號處理技術對語音信號進行處理的一門學科，它是一門新興的學科，同時又是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科。二、設計內(nèi)容設計原理⑴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，在設計低通濾波器時，應把噪聲頻譜設定在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。設計內(nèi)容設計1m數(shù)字濾波器的基本思想設計HR數(shù)字濾波器的方法主要有基于沖激響應不變法的HR數(shù)字濾波器設計，基于雙線性Z變換法的IIR數(shù)字濾波器設計，數(shù)字高通、帶通及帶阻IIR濾波器設計，基于MATLAB函數(shù)直接設計HR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)字濾波器巴特沃思低通數(shù)字濾波器(1)選擇準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(取噪聲頻率遠大于語音信號的最大頻率)，產(chǎn)生污染信號。(3)設計一個巴特沃思低通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設定為小于噪聲信號頻率。(4)將設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。巴特沃思高通數(shù)字濾波器(1)選擇準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(取噪聲頻率遠大于語音信號的最大頻率)，產(chǎn)生污染信號。(3)設計一個巴特沃思高通濾波器，通帶范圍包括語音信號，阻帶頻率設定為小于噪聲信號頻率。(4)將設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，阻帶頻率設定為不包括噪聲信號頻率。(4)將設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、設計過程及結(jié)果分析設計步驟⑴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]二audioread(file)，采樣值放在向量x中，F(xiàn)S表示采樣頻率(Hz)。x二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；然后對語音信號進行頻譜分析，在MATLAB中，可以利用函數(shù)fft對信號進行快速付立葉變換，得到信號的頻譜特性；從而加深對頻譜特性的理解。(3)設計數(shù)字濾波器和畫出頻率響應根據(jù)語音信號的特點給出有關濾波器的性能指標，例如：1)低通濾波器性能指標，fp=3200Hz，fc=3500Hz，As=10dB，Ap=1dB；2)高通濾波器性能指標，fp=5400Hz,fc=5700Hz，As=10dB，Ap=1dB；3)帶通濾波器性能指標，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。Matlab程序及結(jié)果語音信號的采集與頻譜分析將聲音文件導入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IIR數(shù)字濾波器的設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行濾波。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)隨著科學技術的迅猛發(fā)展，人類與計算機的信息交流量也越來越多。人們已經(jīng)不滿足于與計算機交流的傳統(tǒng)方法，已經(jīng)嘗試用更簡單方便的方式實現(xiàn)人機交流。人機對話將會是未來人機交流的主要方式。目前為止，人們對計算機語音識別系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了一定的成果，并研發(fā)出計算機語音識別系統(tǒng)，為了保證語音識別系統(tǒng)的準確性，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，介紹了語音增強技術的誕生、發(fā)展以及現(xiàn)狀。并根據(jù)噪聲的產(chǎn)生機制介紹了幾種相對應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算法，是迄今為止應用最為廣泛的語音