基于MATLAB的語音信號(hào)分析與處理的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、目 錄緒論1正文：一、設(shè)計(jì)目的及要求2二、設(shè)計(jì)過程2三、調(diào)試分析6四、結(jié)果分析與體會(huì)11五、參考文獻(xiàn)12六、謝辭12緒 論數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing,dsp）是從20世紀(jì)60年代以來，隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。簡(jiǎn)言之，數(shù)字信號(hào)處理是把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示的序列，通過計(jì)算機(jī)或通用（專用）信號(hào)處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法處理（例如濾波、變換、壓縮、增強(qiáng)、估計(jì)、識(shí)別等），以達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用包括濾波與變換、通信、語音、語言、圖像、圖形、消費(fèi)電子、儀器

2、、工業(yè)控制與自動(dòng)化、醫(yī)療、軍事等。其發(fā)展方向也是多方面的，包括數(shù)字匯聚、遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)、融合網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字圖書館、圖像與文本合一的信息檢索業(yè)務(wù)、多媒體通信、個(gè)人信息終端等。在本次設(shè)計(jì)中，就以設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器系統(tǒng)為目的。濾波器按頻率劃分有低通、高通、帶通、帶阻全通等類型。一個(gè)數(shù)字濾波器可以用一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)來表示，若要得到該系統(tǒng)函數(shù)，就要得到以z(-1)升冪排列的傳輸函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式的系數(shù)，即向量num、den，而這兩個(gè)參數(shù)由num den=butter(n,wn)、n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs)這一函數(shù)得出，這是巴特沃思濾波器的設(shè)計(jì)過程。由于頻率響應(yīng)的周期性，頻率變量以數(shù)字頻

3、率來表示，=2*f/fc，f為模擬域頻率，fc為抽樣頻率，所以數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中必須給出抽樣頻率。在這次設(shè)計(jì)中采用了巴特沃思和切比雪夫兩種濾波器，這兩種濾波器又分別采用了高通、低通、帶通、帶阻四種頻率特性實(shí)現(xiàn)，從橫向上和縱向上都可以進(jìn)行對(duì)比，表現(xiàn)出各種濾波器的不同特性。 一、設(shè)計(jì)目的及要求1課程設(shè)計(jì)目的 綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 matlab 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念。2課程設(shè)計(jì)基本要求 1） 學(xué)會(huì) matlab 的使用，掌握 matlab 的程序設(shè)計(jì)方法。 2） 掌握在 windows 環(huán)境下

4、語音信號(hào)采集的方法。 3） 掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法。 4） 掌握 matlab 設(shè)計(jì) fir 和iir 數(shù)字濾波器的方法。 5） 學(xué)會(huì)用 matlab 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。3課程設(shè)計(jì)內(nèi)容錄制一段自己的語音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；回放語音信號(hào)；最后，用 matlab 設(shè)計(jì)一信號(hào)處理系統(tǒng)界面。二、設(shè)計(jì)過程1、 打開gui窗口：file new g

5、ui create new gui blank gui(default) ok2、 控件設(shè)計(jì)：在控件布局設(shè)計(jì)區(qū)放置四個(gè)axes控件、六個(gè)push button控件、一個(gè)button group控件和兩個(gè)radio button控件、四個(gè)static text控件。3、 修改控件屬性：選中需要修改屬性的控件，雙擊打開屬性查看器，具體設(shè)置如下：1) 五個(gè)axes控件 tag作用axes1提供坐標(biāo)畫出原始信號(hào)波形axes2提供坐標(biāo)畫出原始信號(hào)頻譜axes3提供坐標(biāo)畫出濾波后信號(hào)波形axes4提供坐標(biāo)畫出濾波后信號(hào)頻譜axes5提供坐標(biāo)畫出濾波器頻率響應(yīng)2) 六個(gè)push button控件：strin

6、gtagstringtag低通pushbutton1帶阻pushbutton4高通pushbutton2原始信號(hào)pushbutton5帶通pushbutton3關(guān)閉窗口pushbutton63) 一個(gè)button group控件和兩個(gè)radio button控件： stringstyletag請(qǐng)選擇濾波器種類button groupuipanel5巴特沃思radio buttonradiobutton1切比雪夫radio buttonradiobutton24) 五個(gè)static text控件（這五個(gè)static text控件是對(duì)坐標(biāo)軸中圖形的說明）：tagstringtext1原始信號(hào)波形t

7、ext2原始信號(hào)頻譜text3濾波后信號(hào)波形text4濾波后信號(hào)頻譜text5濾波器頻率響應(yīng)4、 保存：設(shè)置好各個(gè)控件的屬性，回到gui主窗口保存，給文件命名為hy，同時(shí)hy.m文件打開。5、 設(shè)置回調(diào)函數(shù)：在hy.m文件窗口中設(shè)置回函數(shù)。這里，雖然gui自動(dòng)生成了回調(diào)函數(shù)，但是回調(diào)函數(shù)是空的，需要在hy.m文件中對(duì)它進(jìn)行定義說明。該程序只需要對(duì)六個(gè)push button控件的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行定義說明。六個(gè)push button控件的回調(diào)函數(shù)：1）“低通”按鍵的回調(diào)函數(shù)function pushbutton1_callback(hobject, eventdata, handles)y,fs,bi

8、ts=wavread('e:hy.wav'); %函數(shù)wavread是對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行 采樣，格式是y,fs,nbit=wavread，返回采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbit表示采樣位數(shù)。fp=1000;fs=2000;rp=0.5;rs=40;fc=40000;%設(shè)定通帶截止頻率（fp）、阻帶截止頻率（fs）、通帶波紋系數(shù)（rp）、阻帶波紋系數(shù)（rs）、抽樣頻率（fc）。wp=2*fp/fc;ws=2*fs/fc; %將模擬域轉(zhuǎn)化成數(shù)字域。if get(handles.radiobutton1,'value') %如果選擇radiobutto

9、n1，則制做巴特沃思濾波器。n,wc=buttord(wp,ws,rp,rs); %估算巴特沃思濾波器的階數(shù)n和3db截止頻率wc。num,den=butter(n,wc); %求傳輸函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式的系數(shù)。else %選擇radiobutton2，則制做切比雪夫型濾波器。n,wc=cheb1ord(wp,ws,rp,rs); %估算切比雪夫型濾波器的階數(shù)n和截止頻率wc。num,den=cheby1(n,rp,wc); %求傳輸函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式的系數(shù)。endx=filter(num,den,y); %根據(jù)傳輸函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式的系數(shù)得到模擬濾波器，并將y通過該濾波器，得到x。

10、sound(x,fc,bits); %將濾波后的信號(hào)x進(jìn)行回放。x=fft(x); %將x信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換。axes(handles.axes3);plot(x); %在axes3坐標(biāo)軸上畫出x信號(hào)的波形圖。axes(handles.axes4);plot(abs(x); %在axes4坐標(biāo)軸上畫出x信號(hào)的頻譜圖。h,f=freqz(num,den,256,fc); %求濾波器的頻率響應(yīng)。axes(handles.axes5);plot(f,abs(h),'k'); %在axes5坐標(biāo)軸上以黑線畫出濾波器的頻率響應(yīng)。2）“高通”按鍵的回調(diào)函數(shù)function pushbu

11、tton2_callback(hobject, eventdata, handles)y,fs,bits=wavread('e:hy.wav');fp=2000;fs=1000;rp=0.5;rs=40;fc=40000;wp=2*fp/fc;ws=2*fs/fc;if get(handles.radiobutton1,'value')n,wc=buttord(wp,ws,rp,rs);num,den=butter(n,wc,'high'); %返回n階高通濾波器。else n,wc=cheb1ord(wp,ws,rp,rs);num,den=c

12、heby1(n,rp,wc,'high');endx=filter(num,den,y);sound(x,fc,bits);x=fft(x);axes(handles.axes3);plot(x);axes(handles.axes4);plot(abs(x);h,f=freqz(num,den,256,fc);axes(handles.axes5);plot(f,abs(h),'k');3）“帶通”按鍵的回調(diào)函數(shù)function pushbutton3_callback(hobject, eventdata, handles)y,fs,bits=wavread

13、('e:hy.wav');fp=3000,8000;fs=1000,10000;rp=0.5;rs=40;fc=40000;wp=2*fp/fc;ws=2*fs/fc;if get(handles.radiobutton1,'value')n,wc=buttord(wp,ws,rp,rs);num,den=butter(n,wc); %wc為雙元素向量，返回2n階帶通濾波器。else n,wc=cheb1ord(wp,ws,rp,rs);num,den=cheby1(n,rp,wc);endx=filter(num,den,y);sound(x,fc,bits)

14、;x=fft(x);axes(handles.axes3);plot(x);axes(handles.axes4);plot(abs(x);h,f=freqz(num,den,256,fc);axes(handles.axes5);plot(f,abs(h),'k');4）“帶阻”按鍵的回調(diào)函數(shù)function pushbutton4_callback(hobject, eventdata, handles)y,fs,bits=wavread('e:hy.wav');fp=1000,10000;fs=3000,8000;rp=0.5;rs=40;fc=40000

15、;wp=2*fp/fc;ws=2*fs/fc;if get(handles.radiobutton1,'value')n,wc=buttord(wp,ws,rp,rs);num,den=butter(n,wc,'stop'); %返回2n階帶阻濾波器。else n,wc=cheb1ord(wp,ws,rp,rs);num,den=cheby1(n,rp,wc,'stop');endx=filter(num,den,y);sound(x,fc,bits);x=fft(x);axes(handles.axes3);plot(x);axes(handl

16、es.axes4);plot(abs(x);h,f=freqz(num,den,256,fc);axes(handles.axes5);plot(f,abs(h),'k');5）“原始信號(hào)”按鍵的回調(diào)函數(shù)function pushbutton5_callback(hobject, eventdata, handles)y,fs,bits=wavread('e:hy.wav');sound(y,fs,bits);y=fft(y);axes(handles.axes1);plot(y);axes(handles.axes2);plot(abs(y);6）“關(guān)閉窗口”

17、按鍵的回調(diào)函數(shù)function pushbutton6_callback(hobject, eventdata, handles)close6、 保存修改后的hy.m文件，單擊gui主窗口工具欄中的“激活運(yùn)行”按鈕，在gui界面中按下“原始信號(hào)”按鍵就可以看到原始信號(hào)的波形和頻譜，并播放原始信號(hào)；選擇濾波器種類（巴特沃思或切比雪夫），然后按下“高通”、“低通”、“帶通”、“帶阻”其中一個(gè)按鍵，就可以看到原信號(hào)經(jīng)過濾波器后的信號(hào)的波形與頻譜，并播放該信號(hào)。三、調(diào)試分析圖1 控件布局圖2 單擊“激活運(yùn)行”后界面圖3 巴特沃思高通濾波器圖4 切比雪夫高通濾波器圖5 巴特沃思低通濾波器圖6 切比雪夫低

18、通濾波器 圖7 巴特沃思帶通濾波器 圖8 切比雪夫帶通濾波器 圖9 巴特沃思帶阻濾波器圖10 切比雪夫帶阻濾波器圖3圖10為巴特沃思和切比雪夫型濾波器在不同頻率特性下產(chǎn)生的信號(hào)波形與頻譜，同時(shí)有原信號(hào)作對(duì)比?？梢钥闯觯吞匚炙紴V波器的頻率特性曲線無論在通帶還是在阻帶內(nèi)，都是頻率的單調(diào)函數(shù)，切比雪夫型濾波器的幅頻特性在通帶內(nèi)是等波紋的，阻帶內(nèi)是單調(diào)的。因?yàn)樵诨卣{(diào)函數(shù)中，高通和低通、帶通和帶阻濾波器的截止頻率、波紋系數(shù)、抽樣頻率設(shè)定的值是相同的，所以在下圖中縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，信?hào)通過高通和低通濾波器之后頻譜相對(duì)于原信號(hào)是互補(bǔ)的，如果對(duì)于高通濾波器在某一頻率段上有幅值，那么對(duì)于低通濾波器該頻率幅值為

19、零。同理于帶通和帶阻濾波器。橫向上對(duì)比可以看出不同濾波器選頻特性也不同，特別是在圖7圖10中選頻邊界處的頻譜處理可以看出，切比雪夫?yàn)V波器比巴特沃思濾波器的選頻特性好。四、結(jié)果分析與體會(huì)濾波器的作用就是濾除掉阻帶內(nèi)有頻率分量，保留通帶內(nèi)的頻率分量。在圖3圖10的波形圖和頻譜圖中可以看出，經(jīng)過濾波器處理后，不僅濾除掉了原信號(hào)的部分頻率分量，原信號(hào)的幅度也會(huì)有所衰減，而低通和帶阻濾波器產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)于原信號(hào)變化不大，是因?yàn)樵O(shè)定的選頻范圍是原信號(hào)的頻率段中較集中的部分，所以與此同時(shí)，高通和帶通濾波器產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)于原信號(hào)的幅度就會(huì)大大衰減，其原因也是在于高通和帶通濾波器的選頻范圍是原信號(hào)頻率范圍中較少的一部分。在信號(hào)回放時(shí)，低通和帶阻濾波器回放的音頻信號(hào)與原信號(hào)相比，音色有一點(diǎn)低沉；而高通和帶通濾波器回放的音頻信號(hào)，幾乎已經(jīng)聽不到什么聲音，這也說明了這兩種濾波器產(chǎn)生的信號(hào)頻率只占原信號(hào)頻率范圍中較少的部分。所以根據(jù)各個(gè)濾波器的選頻范圍及濾波后信號(hào)的音效，可大致判斷原信號(hào)的頻率多集中在1000hz