数字滤波器在实际语音降噪中的应用

信息通信

INFORMATION & COMMUNICATIONS 2018

(Sum. No 183)

数字滤波器在实际语音降噪中的应用

王涛

(兰州交通大学数理学院，甘肃兰州73〇〇7〇)

摘要:文章使用了 2种类型的IIR数字滤波器，1种FIR数字滤波器用来处理人机交流中存在的两种噪声，高斯随机噪声 以及正弦噪声。对一段纯净的语音同时加入这两种噪声，用3种基于不同方法设计的滤波器通过matlab仿真，输出不 同滤波器滤波前后时域波形图以及频谱图。依据试验结果分析3种滤波器在两种噪声同时处理的效果。

关键词:IIR滤波器;FIR滤波器;语音降噪;matlab仿真

中图分类号:TN713 文献标识码:A 文章编号：1673-1131(2018)03-0030-02

问题，是目前比较完善的解决方案。缺点是，FIR滤波器达到 髙精度，需要大量的运算。但是当IIR数字滤波器对相位要求

较高时，处理结果不理想。因此，IIR滤波器、FIR滤波器并不 适用于所有情况，有待完善。

(l)IIR(又称无限冲击响应滤波器)[3]

如某滤波器单位脉冲响应如下：

1概述

人类的生活离不开语言，而语言最初是以语音的形式展

现的。1939年美国人H. Dudley发明了一种粗略的发音过程 模拟系统，渐渐发展为声道的数字模型。该模型的发展，使得 对语音信号进行数据性的分析成为可能，实现机器的语音合 成，从而实现人机语音交互应答系统，也就是所谓的数字滤波 器'早在60年代中期，数字滤波器已开始应用。数字滤波器就是将语音信号转化为计算机可识别的语言, 使用计算机对数字信号来处理，也就是按照事先编制好的程 序进行运算。文中首先对纯净语音进行加噪，然后使用了 2种 不同方法的IIR数字滤波器，1种FIR数字滤波器，对同种类 型噪声合成的语音信号分别滤波。通过matlab仿真出相应的 波形图和频谱图来比较处理后的合成语音的时域波形和频谱， 找出较好的滤波方式[2]。本试验使用了 3种方法处理的数字 滤波器，对合成语音的噪声去噪效果对比，为相关人员在数字 滤波器语音降噪的研究中提供了一些参考。2数字滤波器的设计原理

数字滤波器是按照一定的算法，根据编程来计算信号的 一种装置，原理如下：

J(w) = _;n=0(1(2/.

IIR滤波器传递函数:

U(Z) = -^2--------= T^-------------n=0

«=1

IIR滤波器处理信号过程：

*^(^) = S CmX^k - W) + Z dnyik ~ n)»i=0

n=l

(2)FIR(又称有限冲击响应滤波器)[4]

如某滤波器单位脉冲响应如下:=那么该滤波器就是FIR滤波器。FIR的传递函数=

n=0

FIR滤波过程:$认)=丈_/(«)4免-«)

n=0

图1计算信号装置原理图

数字滤波器在用途上可分为低通、高通、带阻和带通等类 型。它可以随时间变化也可以不随时间变化、有关系的或者 无关的、可以遵循线性函数也可以是离散的。

线性时不变系统：线性特性 r [叫(《)+A (”)]=cr [^ (”)】+[Xj(”>】时不变性打咖)]=/(») $ r[外》-%)]=办-«0)经常用到的有两种：FIR(非递归型滤波器）、IIR(递归滤 波器)。FIR的特点是能够无限增加精度，而不存在相位精度

3滤波器设计 3.1优化最小二乘法

由于FIR滤波器的相频特性9(c〇)为co的线性函数。

其对称特征::K») = -1 - «)其幅频特性为：

f-i

«=0

r(») = $ c(«) cos = 1，3,5 ……）

3.2窗函数法

♦—♦—I^♦——♦♦—♦—♦—♦——♦♦—♦—♦^♦—♦——♦♦—♦—♦^♦——♦——♦♦—♦—I^♦——♦♦—♦—♦^♦——♦♦—h-参考文献：[1]

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信息通信

假设理想滤波器

则N-1阶的FIR频率特性5V，=

?7=0

把你如)傅立叶展开术，)=

n=0

引入窗函数w(n)使得K«)= X/⑷* <»)建獅窗

无限冲激响应数字滤波器只能采取递归型算法结构，故 又称递归型数字滤波器。本文处理的语音信号以时间为变量， 符合单变量函数序列，适用于一维数字滤波器。

MATLAB常用于语音信号处理，运用工具中滤波器设计 和分析功能，可以很方便地设计出合适的数字滤波器[5]。

4语音降噪滤波器方案实现步骤及实验结果

4.1实验步骤

(1) 本文测试录制的纯净语音内容是’兰州交通大学’字，录制结束，以WAV格式保存在计算机上。

(2) 用waveread将语音文件导入matlab，给原始语音增加 正弦噪声。

(3) 基于本文给出的3种滤波器，分别对加了高斯随机噪 声以及正弦噪声的语音进行滤波。本文3种滤波器：双线性 变换法设计的巴特沃斯IIR低通滤波器；基于S域到Z域的 双线性变换设计的巴特沃斯IIR低通数字滤波器;根据窗函数 法设计的FIR滤波器。

⑷依据matlab仿真图对降噪后的几种滤波效果进行对比。 4.2头验结果

(1)加入30%原语音最高频的高斯噪声以及正弦噪声后， 通过双线性变换法设计巴特沃斯数字低通IIR滤波器进行滤 波处理，绘制出滤波前后加噪语音的时域图和频谱图。

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站波后的时城被形

x 10*

图1滤波后时域图

滅的供供

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图2滤波后频谱图

(2)对加噪语音使用基于S域到Z域的双线性变换设计的 巴特沃斯IIR低通数字滤波器进行滤波处理，绘制出滤波前后 加噪语音的时域图和频谱图。

x 10*

图3滤波后时域图

王涛:数字滤波器在实际语音降噪中的应用

图4滤波后频谱图

(3)基于窗函数法，选用海明窗设计FIR低通滤波器 进行滤波处理,绘制出滤波前后加噪语音的时域图和频谱

图。

x 10*

图5滤波后时域图

濾袪》的

qKk». ....................................<-----------'-----------'-----------■-----------'-----

0 1000 2000 3000 4000

M寧

5000 6000 7000

图6滤波后频谱图

由图可见加入噪声为30%原语音最高频的高斯噪声以及

正弦噪声，基于窗函数法，选用海明窗设计FIR低通滤波器去 躁保真效果最好，后期加入的噪声基本去除。基于S域到Z 域的双线性变换设计的巴特沃斯IIR低通数字滤波器去躁效 果相对较差。通过语音播放器播放,基于窗函数法，选用海明 窗设计FIR低通滤波器去躁后的语音无明显尖锐的噪音，基

本跟原始语音类似，达到了良好的去躁效果。

5总结

本次研究基于Matlab软件平台对人机交流中存在的两种 噪声通过2种IIR滤波器与1种FIR滤波器处理仿真。仿真 试验表明，通过这3种滤波器，滤除了大部分噪声频率成分。3种不同方法的滤波器的仿真数据对比,为从事相关研究的人 员在滤波器的选择方面提供了一些参考意见。

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