一、前言

1.1 課題內(nèi)容：

1. 利用麥克風(fēng)采集語音信號（人的聲音、或樂器聲樂），人為加上環(huán)境噪聲(窄帶)
2. 分析上述聲音信號的頻譜，比較兩種情況下的差異
3. 根據(jù)信號的頻譜分布，選取合適的濾波器指標(biāo)（頻率指標(biāo)、衰減指標(biāo)），設(shè)計對應(yīng)的 FIR 濾波器
4. 實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，將濾波前、后的聲音播放，由聽覺主觀判別濾波效果。并選擇、計算合適的客觀參數(shù)（如：信噪比）評價濾波效果
5. 優(yōu)化參數(shù)，取得更好的濾波效果

1.2 課題要求：

1. 濾波部分要詳細(xì)討論各種參數(shù)對結(jié)果的影響，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較與總結(jié)
2. 分析、討論至少兩種不同濾波方案的優(yōu)劣
3. 采用 Matlab 語言編程

1.3 應(yīng)用價值：

20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號處理方法和算法，如數(shù)字濾波器，快速傅里葉變換(FFT)是語音數(shù)字信號處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。而70年代初期產(chǎn)生的線性預(yù)測編碼(LPC)算法，為語音信號的數(shù)字處理提供了一個強(qiáng)有力的工具。語音信號的編碼和壓縮是語音信號處理的主要內(nèi)容。語音信號處理在通信、語音識別與合成、自然語言理解、多媒體數(shù)據(jù)庫以及互聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，同時它對于理解音頻類等一般的聲音媒體的特點(diǎn)也有很大的幫助。對于移動通信來說，最多的信息是語音信號，語音編碼的技術(shù)在數(shù)字移動通信中具有相當(dāng)關(guān)鍵的作用，高質(zhì)量低速率的語音編碼技術(shù)是數(shù)字移動網(wǎng)的永遠(yuǎn)的追求。所謂語音編碼是信源編碼，它是將模擬語音信號變成數(shù)字信號以便在信道中傳輸。除了通信帶寬的要求外，計算機(jī)存儲容量的限制也要求對語音信號進(jìn)行壓縮，以滿足海量數(shù)據(jù)情況下進(jìn)行實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時計算機(jī)處理的目的。

二、文獻(xiàn)綜述

• 數(shù)字濾波器有很多種，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可分為兩種：有限沖激響應(yīng)( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無限沖激響應(yīng)( IIR，Infinite Impulse Response)濾波器。
• FIR濾波器必須采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近法。對于線性相位濾波器，經(jīng)常采用FIR濾波器。在設(shè)計FIR濾波器時可以根據(jù)對阻帶衰減及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)類型，并估計窗口長度N，先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)，再構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)，計算。最后加窗便可以得到設(shè)計結(jié)果。
• FIR濾波器設(shè)計方法有窗函數(shù)法、頻率抽樣法等。窗函數(shù)設(shè)計法比較簡單，有閉合形式的公式可循。頻率抽樣法可以在頻域直接設(shè)計，在抽樣點(diǎn)處與理想濾波器嚴(yán)格相等，可以設(shè)計任意幅度響應(yīng)的濾波器。窗函數(shù)設(shè)計法是根據(jù)設(shè)計的性能要求，選擇一個理想濾波器，然后用一個合適的窗函數(shù)，與理想濾波器在時域中的單位沖激響應(yīng)相乘，即所謂加窗，得到一個有限長的沖激響應(yīng)的數(shù)字系統(tǒng)，通過調(diào)整窗函數(shù)的參數(shù)來逼近理想濾波器的性能參數(shù)，從而達(dá)到設(shè)計要求。通過窗函數(shù)的作用過程可知，一個理想的窗函數(shù)在頻域的主瓣應(yīng)該非常窄，有足夠的頻率分辨率。而旁瓣又能非常低，降低頻率之間的干擾。但是在實(shí)際中，我們不能同時做到主瓣和旁瓣性能最優(yōu)，需要在這兩者之間取得性能折中。常見的窗函數(shù)有矩形(Rectangle)窗、三角形(Fejer)窗、漢寧(Hanning)窗、海明(Hamming)窗、平頂 (Flat Top)窗、凱澤(Kaiser)窗、布萊克曼(Blackman)窗等。矩形窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，頻率分辨率最高，缺點(diǎn)是旁瓣較高；三角形窗的主瓣較寬，約等于矩形窗的兩倍,但旁瓣小,而且無負(fù)旁瓣 ；漢寧窗又稱升余弦窗，主瓣變寬，頻率分辨率下降，旁瓣減小，有效抑制頻譜泄露；海明窗又稱為改進(jìn)升余弦窗，相對漢寧窗來說，其旁瓣更小，但是旁瓣衰減速度變慢；平頂窗在頻域通帶的波動較??；凱澤窗由一組可調(diào)的零階貝塞爾(Bessel)函數(shù)構(gòu)成，可以通過參數(shù)來調(diào)整主瓣寬度和旁瓣衰減程度；布萊克曼又稱二階升余弦窗，主瓣寬，旁瓣比較低。
• 窗函數(shù)的主瓣寬度和旁瓣峰值衰耗是矛盾的，一項指標(biāo)的提高總是以另一項指標(biāo)的下降為代價，窗口選擇實(shí)際上是對兩項指標(biāo)作權(quán)衡。而兩項指標(biāo)是跳變的，于是有人提出可調(diào)整窗，適當(dāng)修改參數(shù)，可在這兩項指標(biāo)間作連續(xù)的選擇。常用的可調(diào)整窗是凱澤(Kaiser)窗。凱澤(Kaiser)窗全面地反映主瓣與旁瓣衰減之間的交換關(guān)系，可以在它們兩者之間自由地選擇它們的比重。 表2-1中列出了5種常用的窗函數(shù)的特性。
  
• 表2-1中，窗函數(shù)在某一個窗長N時，除凱澤(Kaiser)窗以外其他窗函數(shù)的系數(shù)都是固定的，而凱澤(Kaiser)窗的系數(shù)不是固定的，而是隨參數(shù)值而變化的，凱澤(Kaiser)窗函數(shù)的形狀也會隨著不同的值而變化。
  凱澤(Kaiser)窗在通帶波紋和阻帶衰減都隨參數(shù)值而變化，表2-2中列出了部分值與FIR濾波器性能的關(guān)系。
  
• 從表2-2中可看出，當(dāng)參數(shù)取不同數(shù)值時，阻帶的衰減可以從30dB增加到100dB，濾波器的性能與參數(shù)的關(guān)系極為緊密。所以在濾波器設(shè)計中要選擇合適的參數(shù)值，使濾波器的效果最佳。

三、算法分析

四、算法仿真與結(jié)果分析

1. 準(zhǔn)備原始音頻——錄制一段語音信號，時間長度約為6s。將音頻信號保存路徑為D:\matlab_project\audio.mp3。在MATLAB平臺上，用audioread函數(shù)調(diào)出此語音信號，并得到其音頻數(shù)據(jù)和采樣率。

%% 讀取音頻文件
[x,fs]=audioread('audio.mp3'); % 讀取音頻信號：x是數(shù)據(jù)，fs是采樣率
x = x(:,<