MATLAB去噪音处理要点

实施报告 题 目: 用MATLA去除音频中的噪音

学 号： 12121021

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2014年 2月5日 第一部分理论自学内容阐述 5.5系统的物理可实现性、佩利---维纳准则

对于理想低通滤波器而言，在物理上是不可能实现的，但是我们能设计出接近理想特 性的滤波器。 虽然理想低通滤波器在实际中是不能实现的，但是我们希望找到一种区分 可实现性与不可实现性的标准，这就是佩利 -维纳(Paley-Wiener )准则。由佩利-维纳准 则给出了，一个网络幅度函数物理可实现的必要条件，但绝非充要条件。

物理可实现性在文献中有不同定义方法，这里采用最低限度的定义把物理可实现性系 统和不可实现系统区分开来。我们可以直观地看到，一个物理可实现系统在激励加入之前 是不可能有响应输出的，这称为因果条件。这个条件在时域里的表述为：物理可实现系统

佩利-维纳准则。关于这个准则的推导及更详细的内容，与本课程的联系不紧，在此我们只 讨论由这个准则得到的一些推论。

1. 幅度函数在某些离散频率处可以是零，但在一个有限频带内不能为零。这是因为,

则，系统是非因果的。 2. 幅度特性不能有过大的总衰减。由佩利 -维纳准则可

以看出，幅度函数不能比指数函

现的。 3. 尽管理想滤波器是不能实现的，但是我们可以任意逼近其特性。因此有关理想滤波 器的研究是有意

义的。在实际电路中，不能实现理想低通滤波器的矩形振幅特性，我们只 能近似得到，但所需要的电路元件随着逼近程度的增加而增多的。一个精确的近似，在理 论上需要无限多个元件，于是滤波器的相移常数变为无限大，从而输出脉冲的振幅出现在

无限延时以后，所以响应曲线的振荡衰减部分不会在 「• u以前出现。 我们注意到，佩利-维纳准则只是就幅度函数特性提出了系统可实现性的必要要求，而 没有给出相位方

的单位冲激响应必须是有起因的，即 从频域来看，如果幅度函数满足平方可积条件，即 维纳证明了对于幅度函数物理可实现的必要条件是

「nw’］佩利和

，它被称为

若在某个频带内都有 -则，从而不能满足为佩利 -维纳准

数衰减的还要快，即 入心C是允许的，而 是不可实 面的要求。如果一个系统满足这个准则，对应于一个因果系统，此时我们 把系统的冲激响应沿着时间轴向左平移到 「• U以前，那么，虽然系统的幅度特性满足了佩 利-维纳准则，但是它显然是一个非因果系统。所以说，佩利 -维纳准则只是系统物理可实 现性的必要条件，当我们验证了幅度函数满足此条件以后，可以利用希尔伯特变换找到合 适的相位函数，从而构成一个物理可实现的系统函数。

该准则讲述了幅度对其判断的影响，但相位实际也是影响它的条件之一，如果将一个因果 系统，保持幅度不变的情况下，向左移。可见相位的改变让该系统变成了非因果系统，同 样，物理上是不允许的。

5.7 调制与解调

调制与解调应用于广泛的通信系统当中，出现该技术的原因：在测控系统中，进入测 控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又 很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于 区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用

在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相 位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信 号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调 制，称为脉冲调宽。

信号的发送是需要满足一定的条件，才能远距离的传输，影响该因素的正是天线的尺 寸于信号波长的关系，(大于等于波长的10分之1)可见，对于低频的信号，相同的传播速 度，它的波长越大，所以调制可以将该信号的频率搬移到较高频率，从而波长减小，天线 的尺寸也得到改善。

调制的原因如书上所述：假设一个复杂的语音信号用乘法器于 cos ( Q t)相乘，由傅 立叶变换性质，易得原信号的频谱左右进行了搬移。那么该信号通过天线发射，就能被接 收端收到，同理，需要进行对信号解调，否则无法真实的还原人的语音信号，只要再乘以 cos ( Q t)即可。频谱又进行了左右搬移，再加个低通滤波器以及必要时的放大器，就能 实现对高频的滤波和对原始信号的放大，从而达到了语音信号的传输。不过信号的传输并 非只有语音，还有诸多其他信号。而且，调制并非只有上述这种方法，但不管哪种方法，

其本质都是要进行对原信号频谱的搬移，这是调制的必要条件。 第二部分 案例或课题陈述及实现方案 【设计原因】 根据信号报告要求，我一开始想到的是编写一段代码，通过录音识别人的音色，将其 保存。结合手机对话功能，对所问问题用保存好的音色进行回答。如：孩子到异地上学或 打工前用手机保存自己的音色。孩子离开后，父母可以打开软件与手机对话，手机回答的 音色为孩子的声音。这个设计我觉得还算不错，但是所学的信号知识实在有限，最后决定 设计“用 Matlab 去除音频中的噪音”的方案，这个比较简单，比较适合初学者。

【设计思路】 滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的交流电。 采用MATLAB设计滤波器，使原来非常繁琐复杂的程序设计变成了简单的函数调用，为滤波 器的设和实现开辟了广阔的天地，尤其是 Matlab 工具箱使各个领域的研究人员可以直观方 便地进行科学研究与工程应用。 MATLAB 信号处理工具箱为滤波器设计及分析提供了非常 优秀的辅助设计工具,在设计数字滤波器时,善于应用MATLAB进行辅助设计,能够大 大提高设计效率。

我们都知道，语音信号经过调制在大自然中传播，必然会夹杂着噪声一起传过来，那 么我们该如何设计电路，从而达到对语音信号的提取，滤除噪音信号呢。根据资料显示， 人类的发生频率范围在 300hz-3400hz 不等，因此，对于语音信号的提取，我们可以用滤波 器来实现。

为了更好的理解语音信号在时域和变换域处理前和处理后的变化情况，我首先用 Audition 1.5 得到.wav格式的音频。其次，由 matlab自带的绘图工具画出相应的时域波

形以及经过傅立叶变换后的频谱图。根据频谱图上人的语音信号的频率范围和噪声的频率 范围，设计出低通滤波器，对含噪信号进行滤波处理，消除噪声，并通过指令 sou nd ()听 处理结果的声音，确定是否消除或部分抑制了噪声。

【实验方案】 1、语音信号采集

得到一段语音文件，可以是原有的或是现场录制(为便于比较，需要在安静、干扰小的环 境下录音)，用 audition 软件将其改为 .wav 格式的音频。

2、语音信号分析 使用MATLAB绘出采样后的语音信号的时域波形和频谱图。 3、 含噪语音信号合成

在MATLAB软件平台下，给原始的语音信号叠加上噪声，绘出叠加噪声后的语音信号时域和 频谱图，与原始语音信号图形对比，分析含噪语音信号频谱和时域波形的改变。

4、 数字滤波器设计及滤波 , 根据设计思路，结合 matlab 显示频谱图等设计合理的滤波器， 并用滤波器对

含噪语音信号分别进行滤波处理。 5、 回放语音信号

对滤波后的语音信号进行回放，感觉滤波前后语音信号的变化。

第三部分 例或课题成果阐述及代码 我上网查阅资料得知 Matlab能识别.wav和.au格式的音频文件，所以在我先将 mp3格 式的文件用audition 改成wav格式文件。这段音频的内容是诗朗诵， 关于毛泽东《沁园春》 中的“俱往矣，数风流人物，还看今朝。为方便教师验证代码，报告准备了两份代码，一 份没有注释，方便直接验证，另一份代码后有注释，便于理解代码编写思路。

【完整代码如下】 [x,fs,nbit]=wavread('jw.wav')

N=length(x); t=(0:N-1)/fs;

w=fs*linspace(0,1,N); y=abs(fft(x,N)); figure(1) subplot(2,1,1) plot(x); title(' 原始语音信号时域图 ') subplot(2,1,2) plot(w,abs(y)); title(' 原始语音信号频谱图 ') t=linspace(0,(N-1)/fs,N); x1=0.5*sin(2*pi*10000*t); x1=x(:,1)+x1'; sound(x1,fs); figure(2) y1=abs(fft(x1,N)); subplot(2,1,1); plot(t,x1); title(' 加入噪声后语音信号时域图 ') subplot(2,1,2); plot(w,y1);

title(' 加入噪声后语音信号频谱图 ') fc=9200; fst=9600; rp=1; rs=30; wp=fc*2/fs; ws=fst*2/fs; [n,wn]=buttord(wp,ws,rp,rs); [b,a]=butter(n,wn,'low');