【语音处理】基于IIR和FIR数字滤波器设计和语音信号去噪附Matlab代码和论文_iir和fir滤波器设计,对语音信号去噪处理实验总结-优快云博客

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1.1 课题背景及意义

当前我们正处于一个万物基于数据的时代，从数据中提炼有用数据对于日常生产生活质量起着极大地促进作用。数字信号处理是一门极其重要的数据分析技术，广泛应用于无限电通信、语音图像、医疗健康、军事雷达、航天事业、电力传输等多个领域。然而通信信号往往受到各种因素的影响，导致信号中常常混杂进无用成分，使得信号的分析结果产生较大的偏差，采用数字滤波器对这些杂声信号进行去除是一个十分经济的抉择，对于提高信号的分析精度大有裨益。

模拟滤波器（AF, Analogue Filter）和数字滤波器（DF, Digital Filter）是滤波器的两个重要的方向，模拟器通过硬件电路进行设计，需要投入大量的电气元件，而且当滤波器电气元件参数匹配时，会导致谐波电流谐振放大，容易造成滤波器的过流损坏。与模拟滤波器不相同的是，数字滤波器通过编写代码就可以实现，不需要涉及任何硬件电路，成本大大降低，同时数字滤波器中完全不用考虑谐波谐振的问题，更加安全稳定，而且只需要在计算机上更改参数就可以实现不同类型的数字滤波器设计[1]。无限长冲激响应（IIR）数字滤波器和有限长冲激响应（FIR）数字滤波器是数字滤波器的两大领域。FIR滤波器和IIR滤波器各有优缺点，FIR滤波器的优点是相比于IIR滤波器其稳定性更好，IIR滤波器的优点是要明显好于FIR滤波器的，实现同样的设计目标所需的阶次更低、空间更小，在硬件存储空间比较小的场合IIR滤波器是一种更加适合的选择[2]。

随着“十四五”对社会各行业发展质量的要求提高，对于数据的质量要求自然也不会下降，而信号往往会受到其他各种因素的干扰，导致信号分析精度降低。因此，研究高性能数字滤波器对于滤除信号干扰、提高信号分析精度、满足现代通信系统信号传输要求，具有十分现实的意义。

1.2 数字滤波器应用现状及发展趋势

数字滤波器理念来源已久，伴随着计算机的发明而逐渐诞生，当时使用最多的仍然是模拟滤波器，数字滤波器的应用并没有深入到各个行业中。顾名思义，数字滤波器中输入的是数字信号，并根据滤波器性质改变输入数字信号中的某部分频率分量，将输入数字信号中的某些特性给去除掉，如：幅值、相位和频率等，这是数字滤波器的基本的去除杂声的过程。目前，数字滤波器在各个数据处理和传输行业中已经被广泛地采用，应用使用地最频繁的几个行业主要有[3]：

（1）语音处理

相比于其他一些应用领域，数字滤波器在语音信号处理中算是最早开始应用，并且在语音信号处理领域中数字滤波器设计与控制理论也得以发展和完善。语音信号是典型的数字信号，对于语音中杂声的去除少不了数字滤波器的使用，数字滤波器主要起到的作用有：①语音信号的分离，当待分析语音信号是由多种不同特征的语音信号叠加而成时，而只需要有用的语音信号时，根据语音信号的频谱分布特性选择滤波器的边界参数，设计出能够去除杂声信号的数字滤波器，从而实现语音信号分离的目的；②语音合成，将语音进行合成首先需要应用数字滤波器将杂声信号进行去除并将有用的分量提炼出来，这样才可以得到清晰的声音，然后再将它们进行融合得到新的语音信号；③语音增强：当目标语音被强噪声掩盖时，通过数字滤波器可以将强噪声滤除从而得到清晰的语音信号。

（2）图像处理

图像与我们的日常生活息息相关，数字图像一样是属于离散的像素点，也是数字信号，对于数字像素的杂声处理，也需要用到数字滤波器，主要涉及到静止图像和动态视频的画质改善、帧缺损修复、高质量压缩、斑点消除、模式识别等诸多方面。

（3）通信

相比于其他领域，数字滤波器对于通信系统的影响是最为深刻直接的，因为通信系统传输的就是数字信号，对于数字信号的质量要求比任何领域都要高，无论是在通信领域还是其他分支领域，数字滤波器几乎随处都在应用。随着通信技术的发展，未来的通信系统发展方向几乎是全数字化的，因此数字滤波器在通信领域的发展空间是广阔的。

（4）雷达系统

雷达系统对于数字信号传输速率要求相对较高。在实际的雷达系统中，雷达信号往往具有宽频特性，并且发射和返回的信号会产生叠加，导致数据量增大，这对数据的高速传输速率是不利的，于是需要投入数字滤波器滤除一部分无用数据，以提高数据的传输效率。雷达技术在科技力量的推动下一直向前发展改进，作为雷达系统的必需品数字滤波器也是跟随者雷达系统一起发展，可以说未来的雷达系统领域，雷达技术和数字滤波技术是相辅相成、相互促进发展的局面。

（5）医疗信号

在医学方面同样地存在很多离散信号，主要涉及到心电信号的分析与特征提取，数字滤波器在医学病理分析、特征提取、疾病早期诊断等方面起到十分重要的作用，应用数字滤波器对人体生理信号进行杂声去除，根据其特征找出对应的病症。

在数字信号处理中，数字滤波器一直都是一项十分重要且绕不开的领域。在社会对质量发展提出要求的阶段，数字信号的处理质量必然也是受到十分苛刻的要求。随着芯片技术的发展和集成电路技术的推动，小规模、高性能的数字信号处理系统弄终将是大势所趋，未来的数字信号处理中越来越多使用数字滤波器这一定会是一种大的趋势，数字信号处理的高质量发展，必将给数字化领域带来更多丰硕的成果和技术。