基于语音信号去噪处理的FIR低通滤波器设计

摘要

本次课程设计分析了FIR数字滤波器的基本原理，在MATLAB环境下利用窗函数设计FIR低通滤波器，实现了FIR低通滤波器的设计仿真。本文根据滤波后的时域图和原始语音信号时域图的比较，以及滤波后信号的频谱图和原始语音信号频谱图的比较，最后回放滤波后语音信号，滤波后的语音信号与原始语音信号一样清晰，仿真结果表明，设计的FIR滤波器的各项性能指标均达到了指定要求，设计过程简便易行。该方法为快速、高效地设计FIR滤波器提供了一个可靠而有效的途径。

关键词：DSP ；FIR；低通滤波器；语音信号；MATLAB

目录

第一章引言 (1)

1.1 设计目的及意义 (1)

1.2 设计任务及要求 (2)

1.3 课程设计平台 (2)

第二章基本原理 (3)

2.1 FIR滤波器的基本概念 (3)

2.2 FIR滤波器的特点 (3)

2.3 FIR滤波器的种类 (4)

第三章FIR数字低通滤波器的设计 (5)

3.1 FIR低通滤波器设计原理 (5)

3.2 FIR低通滤波器的设计方法 (5)

3.2.1 频率采样法 (5)

3.2.2 最优化设计 (6)

3.2.3 窗函数法 (6)

3.3 窗函数法设计步骤 (8)

第四章详细设计 (9)

4.1 语音信号的采集 (9)

4.2 语音信号的读入与打开 (10)

4.3 语音信号的FFT变换 (11)

4.4 含噪信号的合成 (12)

4.5 利用FIR滤波器滤波 (13)

4.6 结果分析 (14)

总结 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

致谢 (21)

第一章引言

随着信息科学和计算机技术的不断发展，数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)的理论和技术也得到了飞速的发展，并逐渐成为一门重要的学科，它的重要性在日常通信、图像处理、遥感、声纳、生物医学、地震、消费电子、国防军事、医疗方面等显得尤为突出。在我们面临的信息革命中，数字信号处理几乎涉及了所有的工程技术领域。

数字信号处理是一种将信号以数字形式进行处理的一种理论和技术，它的目的是将真实世界中的一些信号进行分析并滤波，最后得出其中的有用的信号。数字滤波器是数字信号处理的一种，一般根据单位脉冲响应h(n)分为无限脉冲响应(IIR)和有限脉冲响应(FIR)系统。IIR数字滤波器的设计方法简单，特别是采用双线性变换法来设计的数字滤波器不存在频域混叠的现象，但是IIR滤波器存在一个较为明显的缺憾，就是它的相位响应一般都是非线性的，而在传输频带内的相位响应如果不是线性的，就会造成有用信号的传输失真，而FIR数字滤波器不仅可以设计成任意的幅度响应，而且可以设计成在通频带内具有良好的线性相位响应。FIR数字滤波器的单位脉冲响应h(n)有限长，所以FIR数字滤波器是稳定的，不存在稳定性的问题，且可以通过快速傅里叶变换(FFT)的算法来实现信号滤波，大大的提高的运算效率。[1]因此，FIR数字滤波器日益引起了人们的关注。

本课程设计是采用kaiser窗设计的FIR滤波器对语音信号进行滤波去噪。通过课程设计了解FIR滤波器设计的原理和步骤，掌握用Matlab语言设计滤波器的方法，了解DSP对FIR滤波器的设计及编程方法。通过观察语音信号滤波前后的时域波形的比较，加深对滤波器作用的理解。通过对比滤波前后波形图的比较和放滤波前后语音信号的对比，可以看出滤波器对有用信号无失真放大具有重大意义。

1.1 设计目的及意义

《信号处理》课程设计是现代信号处理技术课程的有效补充部分，通过课程设计，使得学生在设计过程中了解完整的现代信号处理技术的工程实现方法和流程，从而对现代信号处理技术的理论有更深入的认识。本课程设计的目的是通过学生使用MATLAB等工具，采用窗函数法设计符合一定参数要求的FIR滤波器，并用所设计的滤波器对加噪语音信号进行滤波去噪处理。

1.2 设计任务及要求

利用MATLAB语言及其工具箱来完成如下的工作：

1、学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法；

2、录制一段语音信号，完成对信号的采样，画出信号的时域波形和频谱图，确定信号的频谱范围；

3、给信号叠加噪声（噪声类型分为如下几种：a白噪声；b单频噪色（正弦干扰）；c多频噪声（多正弦干扰）；d其它干扰。），画出受噪声干扰的信号时域波形和频谱图；

4、采用窗函数法设计FIR低通滤波器，低通滤波器性能指标fb＝1000 Hz，fc＝1200 Hz，as＝100 dB，ap＝1 dB。画出滤波器的频响特性图；

5、用所设计的滤波器对受噪声影响的信号进行滤波，画出滤波后语音信号的时域波形图和频谱图；

6、对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；回放语音信号，并与原始语音信号对比；

7、掌握窗函数法设计FIR数字滤波器的方法。

1.3 课程设计平台

20世纪70年代后期，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。

MATLAB软件包括五大通用功能：数值计算功能（Nemeric）；符号运算功能（Symbolic）；数据可视化功能（Graphic）；数据图形文字统一处理功能（Notebook）和建模仿真可视化功能（Simulink）。其中，符号运算功能的实现是通过请求MAPLE内核计算并将结果返回到MATLAB命令窗口。该软件有三大特点：一是功能强大；二是界面友善、语言自然；三是开放性强。目前，Mathworks 公司已推出30多个应用工具箱。MATLAB在线性代数、矩阵分析、数理统计和随机信号分析、电路与系统、系统动力学、信号和图像处理、建模和仿真、通信系统、以及财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用。