綜合設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)錄制采集和分析的程序設(shè)計(jì)

1、i學(xué)號(hào)：0809121055 20112012-學(xué)年 第 1 學(xué)期 綜合設(shè)計(jì)報(bào)告綜合設(shè)計(jì)報(bào)告題題 目：目：語(yǔ)音信號(hào)頻譜分析及濾波簡(jiǎn)介 班班 級(jí)：級(jí)： 08 級(jí)電子信息班 姓姓 名：名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 成成 績(jī)：績(jī)： 電氣工程系 2011 年 11 月 16 日ii課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 任任 務(wù)務(wù) 書書學(xué)生班級(jí)： 08 電子信息班 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 設(shè)計(jì)名稱：應(yīng)用應(yīng)用 matlabmatlab 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析及濾波簡(jiǎn)介對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析及濾波簡(jiǎn)介起止日期： 2011 年 11 月 7 日至 2011 年 11 月 18 日 指導(dǎo)教師： 王銀花 摘要摘要隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)

2、的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，成為信息科學(xué)的重要組成部分，在語(yǔ)音處理、雷達(dá)、圖像處理、通信、生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 matlab 語(yǔ)言是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語(yǔ)言，matlab 功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)、編程效率高，深受廣大科技工作者的喜愛(ài)。特別是 matlab 還具有信號(hào)分析工具箱，不需具備很強(qiáng)的編程能力，就可以很方便地進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)分析、處理和設(shè)計(jì)。語(yǔ)音信號(hào)的抽樣、頻譜分析，濾波器的設(shè)計(jì)及語(yǔ)音信號(hào)的濾波，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理課程的理論知識(shí)的綜合運(yùn)用。從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。關(guān)鍵詞： 語(yǔ)音處理 抽樣 頻譜分析 濾波器目目 錄錄摘要摘

3、要.第一節(jié) 設(shè)計(jì)要求.1第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案.1第二章第二章 語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪.2第一節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的錄制.2第二節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析.3第三節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)加噪和頻譜分析.5第三章第三章 濾波器設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì).7第一節(jié) fir 和 iir 數(shù)字濾波器的選擇.7第二節(jié) 用 fir 濾波器語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波 .9一 濾波器的程序設(shè)計(jì).9二 濾波前后信號(hào)比較.10第三節(jié) 比較回放語(yǔ)音信號(hào) .12第四章第四章 心得體會(huì)心得體會(huì).13參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).141第一章 課程設(shè)計(jì)方案提出第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求要求錄制一段的語(yǔ)音信號(hào)后，在 matlab 軟件中采集語(yǔ)音信號(hào)、回放語(yǔ)音信號(hào)并

4、畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；對(duì)所采集的信號(hào)加入干擾噪聲，對(duì)加入噪聲進(jìn)行播放，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析；對(duì)比及早前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析討論采用什么的濾波器進(jìn)行濾除噪聲。第二節(jié)第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案windows 自帶的錄音機(jī)聲音麥克風(fēng)聲卡濾波采樣a/d 轉(zhuǎn)換 wav 圖 1.1 語(yǔ)音信號(hào)錄制流程圖首先，錄制一段語(yǔ)音信號(hào)（如圖 1.1）；然后，利用 matlab 中的 wavread 命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個(gè)普通的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行 fft 變換實(shí)現(xiàn)頻譜分析；隨后，利用 matlab 中的隨機(jī)函數(shù)(rand 或 randn)產(chǎn)生噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿

5、語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜分析。最后；再依據(jù)實(shí)際情況對(duì)它進(jìn)行濾波。對(duì)于波形圖與頻譜圖（包括濾波前后的對(duì)比圖）都可以用 matlab 畫出。我們還可以通過(guò) sound 命令來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，以便在聽覺(jué)上來(lái)感受聲音的變化。2第二章第二章 語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪第一節(jié)第一節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的錄制語(yǔ)音信號(hào)的錄制利用 pc 機(jī)上的聲卡和 windows 操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音輸入插口上,啟動(dòng)錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對(duì)話筒說(shuō)話“語(yǔ)音信號(hào)處理”,說(shuō)完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長(zhǎng)度，點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“shijiebei”保

6、存入 d: matlab work 中。文件存儲(chǔ)器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是 windows 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。具體操作如下：a.打開 開始/程序/附件/娛樂(lè)/錄音機(jī)（如圖 3.1）; 圖 3.1 b.用 windows media player 播放一首音樂(lè)并用 mic 對(duì)著耳機(jī)錄音或自已說(shuō)話錄音（按鍵） ，到 10 秒時(shí)停止（按鍵） （如圖 3.1） ；3 圖 3.2 圖 3.3 c.將錄制文件加存為 d:/matlab7/work 中，文件名為shijiebei.wav（如圖 3.2、圖 3.3 和圖 3.4） ； 圖 3.4 第二節(jié)第二節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析語(yǔ)音信號(hào)的

7、時(shí)域分析在matlab軟件平臺(tái)下，利用matlab中的“wavread”命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再對(duì)其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)使用wavread函數(shù)，可以深入理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念，下面介紹wavread 函數(shù)幾種調(diào)用格式。（1）y=wavread（file） ；讀取 file 所規(guī)定的 wav 文件，返回采樣值放在向量 y 中。（2）y,fs,nbits=wavread(file) ；采樣值放在向量 y 中，fs 表4示采樣頻率（hz） ，nbits 表示采樣位數(shù)。（3）y=wavread（file，n） ；讀取錢 n 點(diǎn)的采樣值放在向量 y 中。

8、（4）y=wavread（file，n1,n2） ；讀取從 n1 到 n2 點(diǎn)的采樣值放在向量 y 中。接下來(lái)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào) shijiebei.wav 進(jìn)行采樣。其采樣程序如下： y,fs,nbits=wavered (e:shejishijiebei);即把語(yǔ)音信號(hào)加載入 matlab 仿真軟件平臺(tái)中。然后，畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。matlab 提供了快速傅里葉變換算法 fft 計(jì)算 dft 的函數(shù) fft,其調(diào)用格式如下：xk=fft(xn,n)參數(shù) xn 為被變換的時(shí)域序列向量，n 是 dft 變換區(qū)間長(zhǎng)度，當(dāng) n大于 xn 的長(zhǎng)度時(shí)，fft 函數(shù)自動(dòng)在 xn

9、后面補(bǔ)零。 ，當(dāng) n 小于 xn 的長(zhǎng)度時(shí)，fft 函數(shù)計(jì)算 xn 的前 n 個(gè)元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用 fft 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)的頻譜特性。其程序如下：y,fs,nbits=wavread ( e:shejishijiebei);sound(y,fs,nbits); %回放語(yǔ)音信號(hào)n= length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度y=fft(y,n); %傅里葉變換subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信號(hào)波形);5subplot(2,1,2);plot(abs(y);title(原始信號(hào)頻譜)程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：0

10、12345678x 104-1-0.500.51信 信 信 信 信 信 信 信 信012345678x 1040500100015002000信 信 信 信 信 信 信圖3.5 原始信號(hào)波形及頻譜第三節(jié)第三節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)加噪和頻譜分析語(yǔ)音信號(hào)加噪和頻譜分析matlab 中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，有兩個(gè)產(chǎn)生高斯白噪聲的兩個(gè)函數(shù) 。我們可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù)：一個(gè)是 wgn，另一個(gè)是awgn。wgn 用于產(chǎn)生高斯白噪聲，awgn 則用于在某一信號(hào)中加入高斯白噪聲。也可直接用 randn 函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們是利用 matlab 中的隨機(jī)函數(shù)(rand 或randn)產(chǎn)生噪聲加入

11、到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜6分析。randn 函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：randn(n)和 randn（m,n）,前者產(chǎn)生 nn 服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生 mn 的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用 randn（m,n）函數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：y,fs,nbits=wavread ( e:shejishijiebei);n = length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度noise=0.01*randn(n,2); %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲si=y+noise; %語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲 sound(si);subplot(2,1,1);plot(si)

12、;title(加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形);s=fft(si); %傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(s); title(加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻域波形);程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：7圖3.6 加噪后的波形及頻譜分析第三章第三章 濾波器設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) fir 和和 iir 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器的選擇的選擇iir 濾波器和 fir 濾波器的設(shè)計(jì)方法完全不同。iir 濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的。其設(shè)計(jì)步驟是：先設(shè)計(jì)過(guò)渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù) h（s） ，然后將h（s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù) h(z)。fir 濾波器必須采

13、用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對(duì)于線性相位濾波器，經(jīng)常采用 fir 濾波器。數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)8的時(shí)域特性，可分為兩種，即有限沖激響應(yīng)( fir，finite impulse response)濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)( iir，infinite impulse response)濾波器。fir濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反饋 ，系統(tǒng)函數(shù)h (z)在極點(diǎn)處收斂，極點(diǎn)全部在 z = 0處（因果系統(tǒng)） ，因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。 fir數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于iir數(shù)字濾波器低，但是線性相位

14、，就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過(guò)fir濾波器后他們的時(shí)間差不變，這是很好的性質(zhì)。 fir數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。 fir濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。iir濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。iir濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時(shí)，iir數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，在設(shè)計(jì)一個(gè)iir數(shù)字濾波器時(shí)

15、，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過(guò)一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) fir 濾波器的步驟。如下：（1）根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過(guò)渡帶的指標(biāo)要求，選擇串窗數(shù)類型（矩形窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗、凱塞窗等） ，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度 n。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。（2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。9（3）計(jì)算 h(n).。（4）加窗得到設(shè)計(jì)結(jié)果。接下來(lái)，我們根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：低通濾波器的性能指標(biāo)：fp=1000hz，fc=1200hz，as=100db ,ap=

16、1db高通濾波器的性能指標(biāo)：fp=3500hz，fc=4000hz，as=100db，ap=1db；帶通濾波器的性能指標(biāo)：fp1=1200hz，fp2=3000hz，fc1=1000hz，fc2=3200hz，as=100db，ap=1db在 matlab 中，可以利用函數(shù) fir1 設(shè)計(jì) fir 濾波器，利用函數(shù)butter,cheby1 和 ellip 設(shè)計(jì) iir 濾波器，利用 matlab 中的函數(shù) freqz 畫出各步步器的頻率響應(yīng)。hn=fir1(m，wc，window)，可以指定窗函數(shù)向量 window。如果缺省 window 參數(shù)，則 fir1 默認(rèn)為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有

17、rectangular barlrtt hamming hann blackman 窗，其相應(yīng)的都有實(shí)現(xiàn)函數(shù)。函數(shù) butter,cheby1 和 ellip 設(shè)計(jì) iir 濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可第二節(jié)第二節(jié) 用用 fir 濾波器語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波濾波器語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波一一 濾波器的程序設(shè)計(jì)濾波器的程序設(shè)計(jì)由頻譜圖可以看出信號(hào)能量集中在低頻部分，為了減少無(wú)用的高頻分量我設(shè)計(jì)了以下的 fir 低通濾波器將其濾除。10該設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法（漢明窗）來(lái)完成以下指標(biāo)的低通濾波器。通帶截頻 fp=3000hz，阻帶截頻 fs=3500hz，通帶最大衰減

18、 0.3db，阻帶最小衰減 50db，采樣頻率 fs 為信號(hào)源采樣頻率 22050hz。源程序如下：wp=3000*2*pi;ws=3500*2*pi;ap=0.3;as=50;fs=22050;wp=wp/fs;ws=ws/fs; %歸一化通帶截頻，阻帶截頻wdelta=ws-wp; %過(guò)渡帶寬%由阻帶最小衰減指標(biāo)確定選用漢明窗，并確定其階數(shù)n=ceil(6.6*pi/wdelta) nw=n; n=0:n-1;m=n-alpha+eps;%理想濾波器脈沖響應(yīng)wc=(wp+ws)/2; %理想截頻 hd=sin(wc*m)./(pi*m); %采用漢明窗設(shè)計(jì)win=hamming(nw);h

19、=hd.*win; b=h; h,f=freqz(b,1,512,fs); %繪制濾波器的幅頻響應(yīng)圖plot(f，20*log10(abs(h)xlabel(頻率);ylabel(幅度);title(濾波器幅頻特性);grid on;幅頻特性曲線如下所示：11020004000600080001000012000-120-100-80-60-40-20020信 信信 信信 信 信 信 信 信 信圖 3.7 濾波器幅頻特性曲線二二 濾波前后信號(hào)比較濾波前后信號(hào)比較源程序如下：x,fs,bits=wavread( e:shejishijiebei );%信號(hào)讀取sound(x,fs);y=fftf

20、ilt(b,y); %濾波輸出figure(2)subplot(2,1,1)； plot(x),title(輸入信號(hào))%繪制輸入信號(hào)subplot(2,1,2)；plot(y) % 繪制輸出信號(hào)xlabel(時(shí)間/s),title(輸出信號(hào))sound(y,fs);%輸入輸出頻譜x=fft(x);y=fft(y);12figure(3);subplot(2,1,1);plot(abs(x);xlabel(頻率);ylabel(幅度);title(輸入信號(hào)頻譜);grid on;subplot(2,1,2);plot(abs(y);xlabel(頻率);ylabel(幅度);title(輸出信號(hào)

21、頻譜);grid on;時(shí)域圖如下：012345678x 104-1-0.500.51信 信 信 信012345678x 104-1-0.500.51信 信 /s信 信 信 信圖 3.8 原信號(hào)與濾波后時(shí)域波形比較頻譜圖如下 1040500100015002000信 信信 信信 信 信 信 信 信012345678x 1040500100015002000信 信信 信信 信 信 信 信 信圖 3.9 原信號(hào)與濾波后信號(hào)頻譜圖比較第三節(jié)第三節(jié) 比較回放語(yǔ)音信號(hào)比較回放語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)以上的加噪聲濾波處理后，可在 matlab 中用函數(shù) sound 對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(y,fs)，sound(y)和 sound(y,fs,bits)。可以察覺(jué)濾波前后的聲音有明顯的變化。通過(guò)上面的頻譜圖可以很清晰地觀察到經(jīng)過(guò)濾波后與濾波前存在明顯差別，濾波后的頻譜比加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜清晰，濾波后的聲音顯得比較低沉，因?yàn)樵夹盘?hào)經(jīng)過(guò)低