以下文章來源于FPGA開源工作室，作者Leee

1預(yù)加重濾波器的作用

在語(yǔ)音信號(hào)中，聲門波激勵(lì)和口鼻輻射效應(yīng)共同導(dǎo)致語(yǔ)音信號(hào)的高頻分量能量要比低頻分量弱。預(yù)加重(Pre-emphasis)的目的就是：

1 .提升高頻分量，平衡語(yǔ)音頻譜，使得高頻特征更加明顯，便于后續(xù)的特征提取(如MFCC)。

2.消除發(fā)聲過程中口唇輻射的影響。

3.在一定程度上抑制工頻干擾。

2 預(yù)加重濾波器的使用場(chǎng)景

語(yǔ)音識(shí)別前端處理

作用：這是預(yù)加重最經(jīng)典和最重要的應(yīng)用。

平衡頻譜：語(yǔ)音信號(hào)在產(chǎn)生過程中受到聲門脈沖和口唇輻射的影響，天然具有大約-6dB/倍頻程的高頻衰減。預(yù)加重通過+6dB/倍頻程的提升來補(bǔ)償這種衰減，使頻譜變得平坦。

提升高頻特征：清輔音(如/s/、/f/、/th/)包含重要的高頻信息但能量較弱，預(yù)加重能增強(qiáng)這些關(guān)鍵特征，提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

改善信噪比：在某種程度上抑制低頻噪聲干擾。

語(yǔ)音編碼

在CELP、ACELP等線性預(yù)測(cè)編碼中，預(yù)加重使信號(hào)頻譜平坦化，提高線性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

減少量化誤差，提高編碼效率。

語(yǔ)音增強(qiáng)與降噪

提升語(yǔ)音高頻分量，使其在背景噪聲中更加突出。

配合后續(xù)的頻譜減法等算法，獲得更好的降噪效果。

音頻錄制與重放系統(tǒng)

磁帶錄音系統(tǒng)(歷史經(jīng)典應(yīng)用)：

錄制時(shí)預(yù)加重：提升高頻信號(hào)，克服磁帶本底噪聲(主要是高頻噪聲)。

播放時(shí)去加重：衰減高頻，恢復(fù)原始頻率響應(yīng)，同時(shí)降低高頻噪聲。

標(biāo)準(zhǔn)預(yù)加重時(shí)間常數(shù)：50μs(FM廣播)、75μs(Audio磁帶)

FM調(diào)頻廣播

采用預(yù)加重(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)75μs)來改善廣播信號(hào)的抗噪聲性能。

接收機(jī)使用對(duì)應(yīng)的去加重網(wǎng)絡(luò)。

3 預(yù)加重濾波器的原理與傳遞函數(shù)

預(yù)加重通常被建模為一個(gè)一階高通濾波器。它的作用是抑制低頻，通過高頻。

其數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)通常定義為：

4 matlab 實(shí)現(xiàn)

function[y, freq_response]=pre_emphasis_analysis(x, fs, alpha, plot_results)
% 完整的預(yù)加重分析與實(shí)現(xiàn)
% 輸入：
%  x - 輸入語(yǔ)音信號(hào)
%  fs - 采樣頻率
%  alpha - 預(yù)加重系數(shù)
%  plot_results - 是否繪制結(jié)果圖表
% 輸出：
%  y - 預(yù)加重后的信號(hào)
%  freq_response - 濾波器頻率響應(yīng)

ifnargin<3
? ? ? ? alpha?=0.97;
? ? end
if?nargin?<4
? ? ? ? plot_results?=true;
? ? end

? ? % 預(yù)加重濾波
? ? y?=?filter([1, -alpha],?1, x);

? ? % 計(jì)算頻率響應(yīng)
[h, w]=?freqz([1, -alpha],?1,?1024, fs);
? ? freq_response?=?abs(h);
? ? frequencies?=?w;

? ? % 繪制結(jié)果
if?plot_results
? ? ? ? plot_preemphasis_results(x, y, frequencies, freq_response, fs, alpha);
? ? end
end

functionplot_preemphasis_results(x, y, f, h, fs, alpha)
% 繪制預(yù)加重結(jié)果
  figure('Position',[100,100,1200,800]);

  % 時(shí)域信號(hào)對(duì)比
  subplot(3,2,1);
  t=(0:length(x)-1)/ fs;
  plot(t, x,'b','LineWidth',1);
  title('原始語(yǔ)音信號(hào) (時(shí)域)');
  xlabel('時(shí)間 (s)');
  ylabel('幅度');
  grid on;

  subplot(3,2,2);
  plot(t, y,'r','LineWidth',1);
  title('預(yù)加重后信號(hào) (時(shí)域)');
  xlabel('時(shí)間 (s)');
  ylabel('幅度');
  grid on;

  % 頻域?qū)Ρ?  N=length(x);
  f_axis=(0:N-1)* fs / N;

  X=abs(fft(x));
  Y=abs(fft(y));

  subplot(3,2,3);
  plot(f_axis(1:N/2), X(1:N/2),'b','LineWidth',1.5);
  title('原始信號(hào)頻譜');
  xlabel('頻率 (Hz)');
  ylabel('幅度');
  grid on;

  subplot(3,2,4);
  plot(f_axis(1:N/2), Y(1:N/2),'r','LineWidth',1.5);
  title('預(yù)加重后頻譜');
  xlabel('頻率 (Hz)');
  ylabel('幅度');
  grid on;

  % 濾波器頻率響應(yīng)
  subplot(3,2,5);
  plot(f,20*log10(h),'g','LineWidth',2);
  title('預(yù)加重濾波器頻率響應(yīng)');
  xlabel('頻率 (Hz)');
  ylabel('增益 (dB)');
  grid on;

  % 頻譜對(duì)比（重疊）
  subplot(3,2,6);
  plot(f_axis(1:N/2), X(1:N/2)/max(X),'b--','LineWidth',1,'DisplayName','原始');
  hold on;
  plot(f_axis(1:N/2), Y(1:N/2)/max(Y),'r-','LineWidth',1.5,'DisplayName','預(yù)加重');
  title('頻譜對(duì)比 (歸一化)');
  xlabel('頻率 (Hz)');
  ylabel('歸一化幅度');
  legend('show');
  grid on;

  sgtitle(sprintf('語(yǔ)音預(yù)加重分析 (α = %.2f)', alpha));
end

5 預(yù)加重濾波器FPGA實(shí)現(xiàn)

modulepre_emphasis(
  input wire clk,
  input wire rst_n,
  input wiresigned[15:0]data_in,
  output regsigned[15:0]data_out
);

// 預(yù)加重系數(shù) α = 0.97，Q1.15格式
parameter ALPHA=16'd31782;// 0.97 * 2^15

// 寄存器聲明
regsigned[15:0]x_delay;// 延遲寄存器
regsigned[31:0]product_reg;// 乘法結(jié)果寄存器
regsigned[15:0]input_reg;// 輸入寄存器

// 流水線處理
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
    input_reg<=16'sd0;
? ? ? ? x_delay?<=16'sd0;
? ? ? ? product_reg?<=32'sd0;
? ? ? ? data_out?<=16'sd0;
? ? end?else?begin
// 第一級(jí): 輸入和延遲
? ? ? ? input_reg?<=?data_in;
? ? ? ? x_delay?<=?input_reg;// 注意: 這里使用input_reg而不是data_in

// 第二級(jí): 乘法
? ? ? ? product_reg?<=?ALPHA?*?x_delay;

// 第三級(jí): 減法和輸出
? ? ? ? data_out?<=?input_reg?-?product_reg[30:15];// Q格式調(diào)整
? ? end
end

endmodule