题目

基于MATLAB语音信号去噪IIR数字滤波器设计

课题类型

理论性课题（  　）      实践性课题（ √ ）

课题来源

教师科研课题（    ）    教师拟定课题（    ）

学生自拟课题（    ）    师生联合命题（ √ ）

一、 选题背景、目的及意义

随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理应用中，数字滤波器十分重要并已获得广泛应用。

语音信号处理: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，处理的目的是用于得到的某些参数以便高效传输和存储;或者应用于人工合成、语音识别和语音增强等。

语音信号去噪的数字滤波器设计技术正是为了满足信息技术的不断发展需要而孕育产生的,具有重要意义．语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科，是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。同时，语言也是人与机器之间进行通信的重要工具，它是一种理想的人机通信方式，因而可为信息处理系统建立良好的人机交互环境，进一步推动计算机和其他智能机器的应用，提高社会的信息化程度。

二、国内外研究现状和发展趋势

数字滤波在 DSP（数字信号处理）中占有重要地位。数字滤波器按实现的网络结构或者从单位脉冲响应，分为IIR(无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）滤波器。如果IIR滤波器和FIR滤波器具有相同的性能，那么通常IIR滤波器可以用较低的阶数获得高的选择性，执行速度更快，所有的储存单元更少，所有既经济又高效。总体IIR滤波器的优点是:结构简单、系数少乘法操作少、效率高;与模拟滤波器有对应关系:可以解析控制，强制系统在特定点为零点;易于计算机辅助设计。

数字信号处理学科的一项重大进展是关于数字滤波器设计方向的研究。关于数字滤波器，早在40年代末期，就有人讨论过他的可能性问题，在50年代也有人在研究生班讨论过数字滤波的问题。直到60年代中期，才开始形成关于数字滤波器的一整套完整的正规理论。早期的数字滤波器尽管在语音、声纳、地震和医学的信号处理中曾经发挥过作用，但由于当时计算机主机的价格很昂贵，严重阻碍了专用数字滤波器的发展。70年代科学技术蓬勃发展，数字信号处理开始与大规模和超大规模集成电路技术、微处理器技术、高速数字算术单元、双极性高密度半导体存储器、电荷转移器件等新技术、新工艺结合了起来，并且引进了计算机辅助设计方法，它是数字滤波器的设计仅仅是对相应模拟滤波器的逼近。一般说来，通过对模拟滤波器函数的变换来设计数字滤波器，很难达到逼近任意频率响应或冲击响应,而采用计算机辅助设计则有可能实现频域与时域的最佳逼近，或频域时域联合最佳逼近。这样，数字滤波器的分析与设计其内容也更加丰富起来:各种新的数字处理系统，也都能用专用数字硬件加以实现。

三、主要研究内容、拟解决的问题及预期成果

利用MATLAB图形用户界面(GUI)的操作灵活、界面简洁直观等优点,采用了巴特沃斯、椭圆、切比雪夫Ⅰ型和切比雪夫Ⅱ型四种模拟低通滤波器,并分别由脉冲响应不变法、线性变换法转换为数字滤波器,对添加了噪声的语音信号进行去噪处理,通过滤波器去噪后的声音的播放及信噪比对比，理解各个模拟滤波器由不同方法转化的数字滤波器的优劣。

首先是对无噪语音进行频谱分析，然后对其加噪声并对加噪后的语音进行频谱分析。分别采用脉冲响应不变法和双线性变换法设计出了无限长单位冲激响应(IIR)数字滤波器。并完成对加噪语音的去噪处理。通过计算比较去噪后语音信号的信噪比不同从而得出不同类型滤波器的优劣。最终借助GUI设计了语音信号去噪系统的图形用户界面,增强了系统程序的可视性和友好性。

功能设计目标：原始语音信号及频谱分析、噪声信号及频谱分析、带噪语音信号及频谱分析、带噪语音滤波后的频谱分析、不同滤波器前后信噪比的对比、不同滤波器进行噪音滤波后语音的播放。

预期成果：GUI包含2个静态文本（区分脉冲响应不变法和双线性变换法）多个按钮（实现语音播放、不同滤波器的滤波、信噪比的计算、不同滤波器滤波后语音的播放）和3个坐标轴（显示时域、频域波形、滤波器的频率响应及信噪比对比）

四、拟采用的研究思路

1、技术线路：

本次设计是以MATLAB为核心，首先选择一段语音，通过MATLAB的调用函数对语音信号进行采集，之后仿真其频谱图。再对语音信号人为地加入干扰信号，产生有噪声语音信号，人的声音的频率范围在0.3-3.4kHz,3.4kHz以上的频率分量则被认为是在采集过程中由于设备和环境原因而引入的噪声。经过由不同方法设计的数字滤波器进行滤波，对滤波前后的语音进行频谱分析。

2.研究思路：

3.可行性：

巴特沃斯滤波器,其主要特性如下:

1.通带和阻带没有波纹

2.通带到阻带的滚降最平缓(换言之,过渡带不陡峭)相位失真适中

切比雪夫Ⅰ型滤波器,其主要特性如下:

1. 通带有波纹(Ripple)，阻带平坦(无波纹)

2. 过渡带滚降特性比巴特沃斯滤波器要陡峭·群时延特性较差，即相位失真比巴特沃斯严重

切比雪夫Ⅱ型滤波器，其主要特性如下:

1.通带平坦(无波纹)，阻带有波纹

2.过渡带滚降特性介乎于巴特沃斯滤波器与切比雪夫Ⅱ型之间

椭圆型滤波器，其主要特性如下:

1.通带和阻带都有波纹

2.过渡带滚降特性是(这四种之中）最陡峭的

五、主要参考文献.

[1] 黄波.巴特沃斯数字滤波器的设计与仿真实现[J].河南科技,2021,40(36):10-12.

[2] 肖锦龙.巴特沃斯低通滤波器在图像增强中的应用研究[J].智能计算机与应用,2021,11(05):179-182.

[3] 张连俊,朱金如.基于Matlab的语音增强处理的研究[J].科技视界,2020(27):79-80.

[4] 万小川.一种基于STM32的巴特沃斯带阻ⅡR滤波算法的实现[J].电子技术与软件工程,2018(13):81-83.

[5] 赵宏志. 基于MATLAB的语音信号增强算法的研究[D].兰州交通大学,2018.

[6] 王涛.数字滤波器在实际语音降噪中的应用[J].信息通信,2018(03):30-31.

[7] 方倪,李丹凤,胡安正.基于MATLAB的音频信号处理[J].物理通报,2017(10):94-95.

[8] 赵翔,付宗国,张广前.基于巴特沃斯响应的语音滤波器设计[J].大学物理实验,2017,30(03):23-26.

[9] 孙铖.基于MATLAB的语音噪声处理及实现[J].数码世界,2016(06):59.

[10] 吴亚琴.基于Matlab的谱减法语音增强的研究[J].电子世界,2014(03):119.

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[12] 冯玉亮. 语音增强方法研究[D].长江大学,2012.

[13] 卓露. 语音增强算法的研究与实现[D].湖北工业大学,2011.

[14] 冯岩,唐普英.基于MATLAB的语音增强系统的设计[J].通信技术,2010,43(05):187-188+191.

[15] 柴恒.几种语音增强技术降噪效果的比较和MATLAB仿真[J].科技资讯,2008(22):8-10.

六、工作安排及进度

2020年10月～2020年11月：① 选题

2020年11月：②实施研究、收集资料、开题报告

2020年12月～2021年2月：③初步设计、详细设计

2021年2月～2021年3月：④撰写论文、完成初稿

2021年3月～2021年4月：⑤完成论文的修改、定稿

2021年4月：⑥答辩