數(shù)據(jù)的采集與語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析.doc

中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)學(xué) 生 姓 名： 呂濤 學(xué) 號(hào)：10050644X23 學(xué) 生 姓 名： 王麗 學(xué) 號(hào)：10050644X09學(xué) 生 姓 名： 趙芳 學(xué) 號(hào)：10050644X15 學(xué) 生 姓 名： 孟慶慧 學(xué) 號(hào)：10050644X05 學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 信息處理綜合實(shí)踐: 數(shù)據(jù)的采集與語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析 指導(dǎo)教師： 金 永 職稱(chēng): 副教授 2013 年 6 月 28 日 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 12/13 學(xué)年第 二 學(xué)期學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 呂濤 學(xué) 號(hào)：10050644X23 學(xué) 生 姓 名： 王麗 學(xué) 號(hào)：10050644X09學(xué) 生 姓 名： 趙芳 學(xué) 號(hào)：10050644X15 學(xué) 生 姓 名： 孟慶慧 學(xué) 號(hào)：10050644X05 課程設(shè)計(jì)題目:信息處理綜合實(shí)踐: 數(shù)據(jù)的采集與語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析 起 迄 日 期： 2013年6月7日2013年6月28日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 學(xué)院樓201、510、608實(shí)驗(yàn)室 指 導(dǎo) 教 師： 金永 系 主 任： 王明泉 下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2013 年6 月 7 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)1設(shè)計(jì)目的：（1）掌握USB總線或PCI總線的基本結(jié)構(gòu)，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結(jié)構(gòu)；（2）掌握數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的過(guò)程和原理；（3）了解MATLAB的信號(hào)處理技術(shù)；（4）掌握MATLAB 實(shí)現(xiàn)音樂(lè)信號(hào)的讀取、保存、拼接與頻譜分析。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：（1）查閱相關(guān)資料，撰寫(xiě)關(guān)于基于USB總線或PCI總線A/D卡的報(bào)告；（2）采用麥克采集本組各個(gè)同學(xué)的語(yǔ)音信號(hào)；（3）采用MATLAB讀取采集的語(yǔ)音信號(hào)，截取各信號(hào)中的一段進(jìn)行拼接，并進(jìn)行頻譜分析；（4）保存拼接后的語(yǔ)音信號(hào)，并進(jìn)行播放證實(shí)存儲(chǔ)的正確性，同時(shí)對(duì)拼接后信號(hào)與原有信號(hào)的頻譜作對(duì)比；（5）提高內(nèi)容：編寫(xiě)語(yǔ)音采集數(shù)據(jù)程序。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：（1）要求設(shè)計(jì)組的每個(gè)成員都要了解設(shè)計(jì)的要求和思路；（2）MATLAB數(shù)據(jù)處理部分要求有正確的運(yùn)行結(jié)果及結(jié)果分析；（3）總線部分和A/D采集卡部分要求每位同學(xué)有自己的理解；（4）每位同學(xué)針對(duì)上述內(nèi)容撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（每人1份）。課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)4主要參考文獻(xiàn)：l 要求按國(guó)標(biāo)GB 771487文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則書(shū)寫(xiě)，例：1 傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴中.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1985 （5篇以上）5設(shè)計(jì)成果形式及要求：課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)程序運(yùn)行結(jié)果6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2013年6月7日 6月15日：查資料，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結(jié)構(gòu)以及A/D采集卡的應(yīng)用；6月15日 6月25日：MATLAB 實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的讀取、保存、拼接與頻譜分析；6月26日 6月27日：撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； 6月28日：答辯系主任審查意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日目錄摘要21基于USB總線A/D卡的報(bào)告2 1.1 USB總線介紹2 1.2 USB接口電路設(shè)計(jì)3 1.3 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3 1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路42 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介53 語(yǔ)音信號(hào)的采集54 語(yǔ)音信號(hào)的分析6 4.1語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域分析6 4.2語(yǔ)音信號(hào)頻域分析65 程序設(shè)計(jì)及仿真圖76語(yǔ)音信號(hào)的讀取、拼接、保存與頻譜分析9 6.1設(shè)計(jì)條件及主要參數(shù)表9 6.2設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算11 6.3設(shè)計(jì)結(jié)果127設(shè)計(jì)體會(huì)138 參考文獻(xiàn)14摘要語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析技術(shù)是一門(mén)涉及面很廣的交叉科學(xué)，它的應(yīng)用和發(fā)展與語(yǔ)音學(xué)、聲音測(cè)量學(xué)、電子測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理等學(xué)科緊密聯(lián)系。該設(shè)計(jì)主要介紹語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析方法，通過(guò)PC機(jī)錄制自己的一段聲音，運(yùn)用Matlab提供的函數(shù)進(jìn)行仿真分析，并畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾隨機(jī)高斯噪聲，對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行播放，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析；對(duì)比加噪前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析討論采用什么樣的濾波器進(jìn)行濾除噪聲。關(guān)鍵詞：語(yǔ)音信號(hào)；采集與分析；Matlab一 基于USB總線A/D卡的報(bào)告1.USB總線介紹USB總線為通用串行總線，USB接口位于PS/2接口和串并口之間，允許外設(shè)在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來(lái)127個(gè)外設(shè)，傳輸速率可達(dá)480Mb/S，P它可以向低壓設(shè)備提供5伏電源，同時(shí)可以減少PC機(jī)I/O接口數(shù)量。USB是基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目的。數(shù)據(jù)采集就是把來(lái)自各種傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地測(cè)量或匯集起來(lái),用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或記錄存儲(chǔ),實(shí)時(shí)完成測(cè)試和控制功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過(guò)微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口連接各種功能模塊、儀器儀表和傳感器,組成測(cè)量系統(tǒng)。2USB接口電路設(shè)計(jì)R3是上拉電阻器，它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端，表示USB主機(jī)系統(tǒng)是高速設(shè)備，同時(shí)這個(gè)上拉電阻器告訴主機(jī)有USB設(shè)備插入。該上拉電阻器的設(shè)置對(duì)適配器的影響很大，它的負(fù)載值和1-Wire網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)決定1-Wire總線電壓上升到5 V的速度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇R3的阻值為27 lO%。R1、R2為USB數(shù)據(jù)線保護(hù)電阻器。L、L2具有禁止高頻干擾并且減弱EMI輻射的功能。LF33CV為3.3 V電壓穩(wěn)壓器，與周?chē)﨏1、C2組成強(qiáng)上拉部分，給EEPROM或溫度傳感器等器件提供額外的電源。3.USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器供計(jì)算機(jī)加工處理。基于USB接口的數(shù)據(jù)采集與頻譜分析系統(tǒng)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由硬件部分和軟件部分組成,硬件部分主要有計(jì)算機(jī)、I/ O 接口設(shè)備. 計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)的核心可采用臺(tái)式機(jī),系統(tǒng)采用的I/ O 設(shè)備為A/ D 數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡是一種基于USB 總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品,可與帶USB 接口的各種臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、工控機(jī)連接構(gòu)成高性能的數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng).整個(gè)系統(tǒng)主要由4部分組成：USB接口芯片及外圍電路、控制電路、數(shù)據(jù)緩沖電路和AD轉(zhuǎn)換電路。USB接口芯片選擇了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，該芯片內(nèi)嵌8051控制器，因此整個(gè)系統(tǒng)以EZ-USB控制器為核心，由EZ-USB經(jīng)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩沖電路的控制，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器，當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖器存滿之后，通知EZ-USB控制器，由主機(jī)取出數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。4.AD轉(zhuǎn)換電路 聲卡是計(jì)算機(jī)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加工的重要部件，它具有對(duì)信號(hào)濾波、放大、采樣保持、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換芯片采用了MAXIM公司的MAX122，該芯片是12 b的高速的AD轉(zhuǎn)換器。在完全轉(zhuǎn)換模式下，他的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到26μs，采樣率為333 kSs。MAX122有5種工作模式，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了模式2即連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。在這種模式下，每次轉(zhuǎn)換需要1314個(gè)時(shí)鐘脈沖節(jié)拍，轉(zhuǎn)換可以不間斷地進(jìn)行，但是需要提供開(kāi)始轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，并且要保證使能信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)同步，讀信號(hào)和片選始終處于有效狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)一直有效，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。二 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)音樂(lè)信號(hào)的讀取、拼接、保存與頻譜分析。將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開(kāi)，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律，稱(chēng)為頻譜分析。頻譜分析主要分析信號(hào)是由哪些頻率的正弦信號(hào)疊加得到的，以及這些正弦信號(hào)的振幅。分析和處理音頻信號(hào)，首先要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集，MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱提供了一整套命令和函數(shù),通過(guò)調(diào)用這些函數(shù)和命令,可直接控制聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。Windows自帶的錄音機(jī)程序也可驅(qū)動(dòng)聲卡來(lái)采集語(yǔ)音信號(hào)，并能保存為WAV格式文件，供MATLAB相關(guān)函數(shù)直接讀取、寫(xiě)入或播放。本實(shí)驗(yàn)以WAV格式音頻信號(hào)作為分析處理的輸入數(shù)據(jù)，用MATLAB處理音頻信號(hào)的基本流程是：先將WAV格式音頻信號(hào)經(jīng)wavread 函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLAB列數(shù)組變量；再用MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，如時(shí)域分析、頻域分析、數(shù)字濾波、信號(hào)合成、信號(hào)變換、識(shí)別和增強(qiáng)等等；處理后的數(shù)據(jù)如是音頻數(shù)據(jù)，則可用wavwrite轉(zhuǎn)換成WAV格式文件或用sound函數(shù)直接回放。三 語(yǔ)音信號(hào)的采集配置好數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參數(shù)后，使用start命令便可啟動(dòng)聲卡開(kāi)始語(yǔ)音信號(hào)的采集。采集到的數(shù)據(jù)被暫時(shí)存放在PC機(jī)的內(nèi)存里，理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由PC機(jī)的內(nèi)存容量決定的，這一點(diǎn)相對(duì)于一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。MATLAB還可以記錄采集過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，如出錯(cuò)的時(shí)間、錯(cuò)誤產(chǎn)生的來(lái)源以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的狀態(tài)等信息都會(huì)被記錄下來(lái)作為以后工作的參考。Matlab自帶的數(shù)據(jù)采集工具箱里面，提供了專(zhuān)門(mén)用于語(yǔ)音采集的命令和函數(shù)。數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)備的內(nèi)部特性對(duì)Matlab的接口完全是透明的，通過(guò)調(diào)用Matlab提供的語(yǔ)音采集函數(shù)和命令可以對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。而且，Matlab可以對(duì)其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，也可在存儲(chǔ)后再進(jìn)行處理。四 語(yǔ)音信號(hào)的分析1.語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域分析MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中提供的函數(shù)命令進(jìn)行圖像分析的函數(shù)命令：wavread:wavread用于讀取Microsoft的擴(kuò)展名為“.wav”的聲音文件。其調(diào)用形式為:y=wavread(file)。其作用是從字符串file所指的文件路徑讀取wave文件,將讀取的采樣數(shù)據(jù)送到y(tǒng)中。Y的取值范圍:-1,1。sound:音頻信號(hào)是以向量的形式表示聲音采樣的。sound函數(shù)用于將向量轉(zhuǎn)換為聲音,其調(diào)用形式為:sound(y,fs),作用是向揚(yáng)聲器送出向量y中的音頻信號(hào)(采樣頻率為fs)。將向量轉(zhuǎn)換為聲音,其調(diào)用形式為:sound(y,fs),作用是向揚(yáng)聲器送出向量y中的音頻信號(hào)(采樣頻率為fs)。通過(guò)Wavread和plot(x)函數(shù)即可顯示圖像的時(shí)域波形。2.語(yǔ)音信號(hào)頻域分析 FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLAB的信號(hào)處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長(zhǎng)度；若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果x長(zhǎng)度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計(jì)算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為y=fft(x,N)，式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT，若x為向量且長(zhǎng)度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度N；若向量x的長(zhǎng)度大于N，則函數(shù)截短x使之長(zhǎng)度為N；若x為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。五、程序設(shè)計(jì)及仿真圖1、用Matlab對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，畫(huà)出它的時(shí)域波形和頻譜程序：fs=22050; x,fs,Nbits =wavread(01.wav) ; x,fs,Nbits =wavread(01.wav) ;t=0:1/22050:(length(x)-1)/22050;sound(x,fs) ; %對(duì)加載的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放figure(1)plot(x) %做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形title(原始語(yǔ)音信號(hào));xlabel(time n);ylabel(fuzhi n);n=length(x); %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度y1=fft(x,n) ; %傅里葉變換y2=fftshift(y1); %對(duì)頻譜圖進(jìn)行平移f=0:fs/n:fs*(n-1)/n; %得出頻點(diǎn)figure(2) subplot(2,1,1);plot(abs(y2) %做原始語(yǔ)音信號(hào)的FFT頻譜圖title(原始語(yǔ)音信號(hào)FFT頻譜)subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2); %繪制原始語(yǔ)音信號(hào)title(原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜)圖 1圖2六 語(yǔ)音信號(hào)的讀取、拼接、保存與頻譜分析1.設(shè)計(jì)條件及主要參數(shù)表頻譜分析是為了我們能夠知道一個(gè)混合信號(hào)中所有的分量信號(hào)的頻率，從而我們可以得知信號(hào)的組成，一般我們用FFT來(lái)分析信號(hào)的的頻率分量特征分析與提取。圖3實(shí)驗(yàn)首先找到兩個(gè)wav格式的音頻信號(hào)（如圖02.wav和03.wav），通過(guò)wavread 函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLAB列數(shù)組變量。其次，分別對(duì)兩個(gè)wav音頻信號(hào)進(jìn)行截取并分別進(jìn)行頻譜分析。再次，將截取的兩段音頻信號(hào)進(jìn)行拼接（uu=m0(1:149499,:); m1(1:208902,:)）最后，保存拼接后的音樂(lè)信號(hào)（如圖04.wav），并進(jìn)行播放證實(shí)存儲(chǔ)的正確性，同時(shí)對(duì)拼接后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并與原有信號(hào)的頻譜作對(duì)比。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。利用FFT進(jìn)行頻譜分析：若信號(hào)本身是有限長(zhǎng)的序列，計(jì)算序列的頻譜就是直接對(duì)序列進(jìn)行FFT運(yùn)算求得，就代表了序列在之間的頻譜值。幅度譜 相位譜 若信號(hào)是模擬信號(hào)，用FFT進(jìn)行譜分析時(shí)，首先必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，使之變成離散信號(hào)，然后就可按照前面的方法用FFT來(lái)對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行譜分析。按采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于2倍信號(hào)的最高頻率，為了滿足采樣定理，一般在采樣之前要設(shè)置一個(gè)抗混疊低通濾波器。用FFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行譜分析的方框圖如下所示?？够殳B低通濾波器采樣T=1/fsN點(diǎn)FFT應(yīng)用到的主要函數(shù)：wavread、wavwrite、sound2.設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算主程序：clear all;clc;m0,fs0,bits0=wavread(02.wav); %讀取音樂(lè)信號(hào)len0=size(m0,1);f0=fs0*(0:(len0-1)/len0;%(得出頻點(diǎn))figure(1);plot(m0); %原始音樂(lè)信號(hào)的波形圖title(原始音樂(lè)信號(hào)的波形圖0);figure(2);y0=fft(m0,len0);plot(f0,abs(y0); %原始音樂(lè)信號(hào)的頻譜圖title(原始音樂(lè)信號(hào)的頻譜圖0);sound(m0,fs0,bits0);disp(按任意鍵讀取下一段音頻);pausem1,fs1,bits1=wavread(03.wav);len1=size(m1,1);f1=fs1*(0:(len1-1)/len1;figure(3);plot(m1); %原始音樂(lè)信號(hào)的波形圖title(原始音樂(lè)信號(hào)的波形圖1);figure(4);y1=fft(m1,len1);plot(f1,abs(y1); %原始音樂(lè)信號(hào)的頻譜圖title(原始音樂(lè)信號(hào)的頻譜圖1);sound(m1,fs1,bits1);disp(按任意鍵進(jìn)行拼接);pauseuu=m0(1:149499,:); m1(1:208902,:);len2=size(uu,1);f2=fs0*(0:(len2-1)/len2;figure(5);plot(uu); %拼接后音樂(lè)信號(hào)的波形圖title(拼接后音樂(lè)信號(hào)的波形圖);figure(6);y2=fft(uu,len2);plot(f2,abs(y2); %拼接后音樂(lè)信號(hào)的頻譜圖title(拼接后音樂(lè)信號(hào)的頻譜圖);sound(uu,fs0,bits0);disp(按任意鍵進(jìn)行拼接);pausewavwrite(uu,fs0,bits0,3.wav);3.設(shè)計(jì)結(jié)果圖4 原始音樂(lè)信號(hào)02的頻譜圖圖5 原始音樂(lè)信號(hào)03的頻譜圖 圖6 拼接后音樂(lè)信號(hào)頻譜圖七、設(shè)計(jì)體會(huì)通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，我們從中受益匪淺，我們更加深了對(duì)軟件MATLAB的函數(shù)操作及應(yīng)用，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的處理方法等。例如平時(shí)在