论文总字数：21163字

摘 要

在当前无线通信中，通信环境日益复杂，通信系统时刻遭受和充斥着着各种各样的干扰和噪声污染。在正常的语音信号中，单频噪声干扰和全局背景噪声干扰的存在对信号的伤害很大。反映在通信过程中，会出现和伴随着高频的尖叫声和混杂的噪声，严重的影响了通信的质量。因此，本次毕业设计基于此，主要研究环境噪声中的单频噪声干扰和全局背景噪声，研究将这两种噪声干扰的滤除方法和语音检测降消技术，通过对比前后语音信号的变化，来反应通信质量的改善情况。

本课题设计主要内容是利用MATLAB信号处理工具箱处理有噪音语音信号，研究语音信号中环境噪声的滤除技术，主要针对单频干扰的滤除和全局背景噪声的自适应滤除，拟采用窗函数法设计FIR滤波器，对采样信号进行时频分析和滤波处理，最后用MATLAB进行仿真实现。具体操作是，用计算机自带麦克风采集一段语音信号，通过对语音信号进行噪声干扰检测，判断噪声环境中正常语音信号出现的位置和其他相关参数，再用设计好的FIR滤波器对信号进行滤波处理，并对滤波前后的语音信号波形进行频谱分析来评估滤波性能，回放语音信号分析信号改变的相关参数，根据语音信号对比结果评估滤波的效果，可以较好地实现滤除单频噪声和全局背景噪声的功能。

关键词：FIR滤波器 窗函数 干扰检测

Research on the Technology of Environmental Noise Filtering

in Speech Signal

Abstract

In the current wireless communication environment, with the development of wireless communication technology, communication environment is becoming more and more complex. Communication system is often suffered and filled with all kinds of interference and noise. For normal speech signal，the existence of single frequency noise and the global background noise make the great injury to the normal signal. The high frequency of mixed screams and noise will appear and continue staying in the process of communication. It has affected the quality of the communication seriously. So, in order to guarantee the quality of communication, researching on the technology of environmental noise filtering in speech signal has great important position. Comparing the voice signal before and after the filtering, we can observe the quality of communication.

The topic’s main content is to use the MATLAB signal toolbox to process noisy speech signal, and to study the environmental noise in speech signal filtering technology. The main destination is to learn single frequency interference filtering and global background noise filtering. We must use the integrated theory of digital signal processing to design FIR filter. At the same time, we should analysis the added noise in speech signal by frequency and domain filtering. Through the theoretical study and the analysis of corresponding conclusions, we plan to realize the simulation consequence by using MATLAB as a programming tool. We collect a voice signal using a microphone which comes with computer. Through the study of the noise detection of speech signal, we can determine the location of the normal signal and other related parameters. Then we can design a FIR filter with window function method. According to the position of the useful speech signal and the parameters of the noise, we should design an adaptive filtering method. After that, we plan to use the designed filter to filter the signal and to compare the signal before and after the designed filter. At last, we should analysis the frequency spectrogram to evaluate the filter performance. We can also playback speech signal analyzing the change of the speech signal. On the basis of the comparing results, we could evaluate the effectiveness of the filter. Finally, we can realize the function that filtering single frequency noise and background noise successfully.

Keywords: FIR Digital Filter; Window Function Method; Interference Detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题来源和设计平台简介 1

1.2.1 课题来源 1

1.2.2 MATLAB设计平台简介 1

1.3 本文的研究内容 2

1.4 本文的主要工作和流程 2

第二章 窗函数法设计FIR自适应滤波器 4

2.1 数字滤波器概述 4

2.2 FIR滤波器概述 4

2.3 窗函数法设计FIR数字滤波器 5

2.3.1 设计思路 5

2.3.2 选取不同的窗函数设计 5

2.4 具体设计实现 6

2.4.1 调用MATLAB自带窗函数实现 6

2.4.2 采用新设计窗函数实现 8

2.5 对比及结果分析 9

2.5.1 MATLAB自带窗函数的仿真图样 9

2.5.2 采用新设计窗函数仿真图样 11

2.5.3 对比分析 13

2.6 自适应滤波技术概述 13

2.7 本文设计的语音信号检测自适应方法 14

2.7.1 设计思想 14

2.7.2 语音信号检测与自适应 14

第三章 语音信号中噪声的自适应滤除 16

3.1 语音信号的采集 16

3.2 语音信号的时频分析 17

3.3 正常语音信号中两种噪声的频谱分析 18

3.3.1 单频噪声干扰 18

3.3.2 语音信号夹杂单频噪声的频域分析 18

3.3.3 全局背景噪声干扰 20

3.3.4 语音信号和全局背景噪声混杂的频域分析 21

3.4 本文采用的语音信号检测与自适应方法的仿真与分析 21

3.4.1 设计过程 21

3.4.2 关键代码 22

3.4.3 处理找到正常语音信号之外的噪声信号 24

3.5 运用FIR滤波器滤除含噪信号 26

3.5.1 滤除单频噪声 26

3.5.2 滤除全局背景噪声 27

3.6 对比分析结果 29

3.6.1 对比滤除单频噪声前后的语音信号 29

3.6.2 对比滤除全局背景噪声前后的信号 30

第四章 总结和展望 32

4.1 总结评价 32

4.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 引言

本课题基于计算机和MATLAB采集处理分析语音信号，分别对语音信号中的单频噪声和全局背景噪声进行识别检测和过滤。用自己设计的方法找到出有用的语音信号出现的位置，根据噪声的相关参数，通过窗函数法设计FIR滤波器，并对比不同的窗函数优劣，实现对检测出的单频噪声和全局背景噪声的滤除。客观上，可以对比原始语音信号与过滤后信号的波形图和频谱图判断滤波器的性能。主观上，通过对比过滤前后语音的播放效果，可以从听觉上直观的判断滤波器的效果。

1.2 课题来源和设计平台简介

1.2.1 课题来源

当前无线通信中，通信环境日益复杂，通信系统时刻遭受着各种各样的干扰。日常生活中，在语音信号中充斥着各式各样的环境噪声，其中单频噪声和全局背景噪声干扰的存在对语音信号的伤害很大。在通信过程中常常出现刺耳的尖叫声，有用的正常信号经常淹没在嘈杂混沌的噪声中，严重的影响了通信的质量[^[1]]。因此，学习语音信号中噪声的滤除方法和干扰检测技术，从而降低噪声干扰保证通信质量尤为重要。本次毕业设计实现的是消除不必要的单频噪声和全局背景噪声，还原原始语音信号这一特性，初步实现对数字信号的滤波处理。

1.2.2 MATLAB设计平台简介

MATLAB是矩阵实验室Matrix Laboratory的简称，是美国MathWorks公司出品的一款商业数学软件。MATLAB是一种用于数据分析、算法开发以及数值计算的高级计算语言。MATLAB中的工具箱包含了十分丰富的信号处理功能，包括了数字信号处理中常用的算法，滤波器设计，卷积等，基本只需一条语句即可调用，能够深入到科学研究及工程计算的各个领域，非常有利于我们的学习和使用[^[2]]。本次毕业设计正是基于MATLAB来处理语音信号并在其中仿真实现降噪滤波等。

1.3 本文的研究内容

本文主要讨论了用不同的窗函数设计FIR滤波器，主要研究凯瑟窗、布莱克曼窗和海明窗三种窗函数。调用MATLAB自带函数进行设计实现后，还可以自行设计窗函数，用自行设计的语言实现同样的功能，选择效果最好的窗函数实现FIR滤波器。

环境噪声是一个很大的概念，在滤除噪声时，本次毕业设计主要考虑环境噪声中的单频噪声和全局背景噪声，在混杂的信号中用自己设计的方法找到正常语音信号出现的位置，截取正常信号并滤除噪声。在录制语音信号时，单频噪声可以在MATLAB中直接设计加入，全局背景噪声本次毕业设计打算用功率为1200瓦的吹风机工作时产生的声音模拟实现。通过分析对比语音信号的波形图和频谱图，说明本次毕业设计的语音检测和FIR滤波器是否合格，同时指出仍然存在的不足，以及可以进一步完善的部分。

1.4 本文的主要工作和流程

本次毕业设计要求对数字信号处理有较深的理解，还需要了解掌握滤波器的原理和相关技术参数。以MATLAB为编译环境，熟练掌握MATLAB工具的软件框架和使用方法。本文共分为四章来论述，其中第二章和第三章是论述分析的重点。第一章，简要介绍了本次毕业设计的研究背景和设计平台，对本文要研究的重点内容作了简要概括描述，并说明了本文的基本操作流程。

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