音频信号噪声处理.docx

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音频信号噪声处理

音频信号噪声处理

一、实验目的

1.熟练掌握滤波器的基本原理

2.熟悉滤波器的应用

3.进一步掌握FIR滤波器的不同设计方法

4.学习matlab中滤波器设计工具fdatool的使用

二、实验原理

若想对于信号噪声的处理有更好的掌握，需要熟知以下的基本理论和原理：

调制和解调：

调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。

调制的种类很多，分类方法也不一致。

按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。

用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。

按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制（如对非相干光调制）等。

调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。

正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。

此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。

脉冲调制也可以按类似的方法分类。

此外还有复合调制和多重调制等。

不同的调制方式有不同的特点和性能。

解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。

在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。

接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。

解调是调制的逆过程。

调制方式不同，解调方法也不一样。

与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。

正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调。

同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。

对于多重调制需要配以多重解调。

解调的方式有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调技术。

FDAtool：

FDATool（FilterDesignandAnalysisTool）是MATLAB信号处理工具箱提供的一种综合、简便的图形用户工具。

通过该工具提供的先进可视化滤波器集成设计环境，用户可以方便地设计几乎所有的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法。

上图为FDATool设计界面。

用户可根据需要设计各种滤波器。

三、实验内容

待处理信号：

wav格式音频信号

二维数据

采样率44.1kHz

音频信号主要集中在0~3.4KHz范围

频谱如下图：

频谱图分为以下四个部分：

有效音频信号、单频干扰、带外噪声、白噪声

对于这种情况，我们可以使用不同的滤波器，根据情况逐步分离处理出原音频信号。

1.通过FFT得到原始信号频谱

2.消除单频干扰

根据上一小节频谱分析的结果，可以编写一个Matlab小程序计算幅度最大频率的位置（maxFind.m）。

程序读入经过FFT变换的原始波形，计算频率谱幅度最大的频率点，得到max_f=1049Hz。

这里我们使用等波纹带阻滤波器，其设计参数如下图：

Fs=44100Hz

Fpass1=900Hz

Fstop1=1000Hz

Fstop2=1100Hz

Fpass2=1200Hz

Apass1=1dB

Astop=50dB

Apass2=1dB

其时域响应如下图所示：

音频信号经过等波纹带阻滤波器后所得到的频域响应如下图所示：

从图中可以看到，单频噪声已经被滤除。

3.消除带外噪声和白噪声

因为乐音一般都在0~3.4kHz之间，所以低通滤波器所需参数可设计为：

Fs=44100Hz

Fpass=3400Hz

Fstop=3500Hz

Apass=1dB

Astop=50dB

返回一个748阶的滤波器，其时域响应如下图：

滤波后的频谱图如下：

可以看到带外噪声和白噪声都被较好的滤了出去，得到的信号就是原来的音频信号。

保存为wav文件之后用播放器听，已经没有单频噪声和带外干扰，信号的处理过程较为成功。

4.使用窗函数设计低通滤波器并比较性能

根据要求，滤波器阻带衰减大于50dB，则只有Hamming窗、Blackman窗和Kaiser窗满足条件，由上面的设计可知滤波器阶数为748。

（1）Hamming窗

设计参数如下图：

Fs=44100Hz

Fc=3450Hz

时域响应如下图：

滤波后频谱图如下：

可见Hamming窗比较好的恢复了原始音频信号。

（2）Blackman窗

设计参数如下：

Fs=44100Hz

Fc=3450Hz

时域响应如下图：

滤波后频谱图如下：

可见Blackman窗也比较好的恢复了原始音频信号。

（3）Kaiser窗

设计参数如下：

Bata=5.658（因为50dB的Beta值可能效果没有这个好，就改为60dB的Beta了）

Fs=44100Hz

Fc=3450Hz

时域响应如下图：

滤波后的频域响应如下图：

可见Kaiser窗也比较好的恢复了原始音频信号。

（4）三种窗函数的比较

通过三种窗函数设计出的滤波器都能较好的恢复原始音频信号，这在使用播放器播放时，用耳朵是比较难分辨的，但三种窗函数的性能还是有所差别。

Hamming窗设计的滤波器阻带前段增益较大；Blackman窗设计的滤波器过渡带增益很大，阻带前段增益也很大，但对于高频的衰减非常好；Kaiser窗设计的滤波器过渡带和阻带的衰减都比较不错。

三种窗函数的差别主要体现在过渡带和阻带的参数上，虽然有所差异，但都有较好的滤波性能。

5.解调噪声

解调噪声需使用带通滤波器对相应频段进行滤波，设计参数如下：

Fs=44100Hz

Fstop1=5900Hz

Fpass1=6000Hz

Fpass2=10000Hz

Fstop2=10100Hz

Astop1=80dB

Apass=1dB

Astop2=80dB

滤波后得到的噪声频谱如下图：

采用相干解调和幅度放大后得到的频谱如下：

可还原出另一个噪音极大音乐。

四、实验讨论

本次声音信号噪声处理实验虽然代码量不是很大，内容也不复杂，但整个设计和处理的过程非常有意义，以前虽然早就接触调制解调和滤波等知识，但只限于书本，通过这次作业的整个设计流程能够了解和掌握信号处理的一些基础知识，对不同滤波器的参数和性能等等也有更多了解，尤其是能够大致掌握FDATool的使用，可以为以后的学习做许多铺垫。

另：

由于输出的音频文件比较多，容量也比较大，就不提交音频文件了。

提交内容包括代码和报告