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基于DFT与IIR-FIR滤波器的音频分析与噪声处理

news 来源：原创 2025/6/9 22:56:24

基于DFT与IIR-FIR滤波器的音频分析与噪声处理

【完整源码+文档报告】

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系统功能与实现介绍

功能与实现
  • 音频处理系统界面搭建：利用MATLAB的GUI工具，构建了音频分析界面，包括文件导入、录音、噪声叠加和滤波器设计等功能模块，便于用户导入音频文件进行后续处理.
  • 音频时域频域分析：导入音频文件后，系统能够对音频信号进行时域和频域分析，展示音频的时域波形和频域频谱图，帮助用户了解音频信号的基本特征，如低频、中频和高频成分的分布情况.
  • 音频信号加噪声分析：系统支持在音频信号中添加不同类型的噪声，包括高斯白噪声、单频噪声和多频噪声，通过分析添加噪声后的音频信号，用户可以观察噪声对音频信号的影响，如频谱的变化等.
  • 音频信号滤波处理：利用IIR和FIR滤波器对音频信号进行滤波处理，实现对音频信号的频率选择性过滤，如低通滤波、高通滤波等，以达到降噪、提取特定频率成分等目的，提升音频信号的质量.
算法介绍
  • DFT（离散傅里叶变换）与FFT（快速傅里叶变换）：DFT是有限长序列傅里叶变换的有限点离散采样，实现了频域离散化，使数字信号处理可以在频域采用数值运算的方法进行。FFT是DFT的快速算法，能够高效地将信号变换到频域，便于分析信号的频谱特征。在系统中，DFT和FFT用于音频信号的频域分析，提取音频信号的频谱信息.
  • IIR滤波器（无限长单位脉冲响应滤波器）：IIR滤波器存在输出对输入的反馈支路，其单位脉冲响应是无限长的。系统中利用巴特沃斯滤波器和双线性变换法设计实现IIR滤波器，通过设置通带频率、阻带截止频率、通带衰减和阻带衰减等参数，实现对音频信号的滤波处理，如低通滤波，滤去幅值较低的中频信号，保留低通信号.
  • FIR滤波器（有限长单位脉冲响应滤波器）：FIR滤波器不存在输出对输入的反馈支路，其差分方程和系统函数较为简单。系统中采用窗函数法设计FIR滤波器，选用哈明窗，通过设置通带频率、阻带截止频率和阻带衰减等参数，实现对音频信号的滤波处理，具有良好的线性相位特性，能够有效地进行频率选择性过滤.

 实验测试与结果分析

  1. 音频时域频域分析结果

导入一段长约 9 秒的音频到设计的音频数字处理系统中，获得的时域频域图如图 4 所示。

图4 导入音频后时域频域图

通过分析可以看出，该段音频的的低频和高频成分相对较多，中频成分占比较少。

2.音频加噪声分析结果

  • 在源声音文件上添加高斯白噪声后的得到的结果如图 5 所示。可以看到高斯白噪声的添加使得音频频谱在各个频段普遍叠加上了一段信号，该信号即高斯白噪声的影响。

图 5：添加高斯白噪声后的音频波形图

  • 在源声音文件上添加单频噪声得到的结果如图 6 所示.

图 6：添加单频噪声得到的音频波形

  • 在源声音文件上添加多频噪声得到的结果如图 7 所示.

图 7：添加多频噪声得到的音频波形

3.音频经 IIR 和 FIR 滤波器分析结果

  • IIR 滤波器设置参数（通带频率 Wp=0.2kHz；阻带截至 Ws=0.25kHz；通带衰减 Rp=1dB；阻带衰减 Rs=15dB）后得到的滤波器特性如图 8 所示，经过该滤波器得到的音频特性如图 9 所示。可以看到，经过 IIR 滤波器后的滤去了很多幅值较低的中频信号，基本保留了低通信号。

图 8：IIR 滤波器幅值相位特性曲线

图 9：经过 IIR 滤波器得到的音频特性

  • FIR 滤波器设置参数（通带频率 Wp=0.2kHz；阻带截至 Ws=0.25kHz；阻带衰减 Rs=50dB）后得到的滤波器特性如图 10 所示，经过该滤波器得到的音频特性如图 11 所示。

图 10：FIR 滤波器幅值相位特性曲线

图 11：经过 FIR 滤波器得到的音频特性

设计总结

以上就是基于DFT与IIR-FIR滤波器的音频分析与噪声处理的全部内容，有需要或者感兴趣，请随时联系博主！常在线！能秒回！

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