語音信號采集與處理

1、中北大學課 程 設 計 說 明 書 2013/2014 學年第 2 學期學 院： 軟件學院 專 業(yè)： 電子技術與信息處理軟件應用開發(fā) 學 生 姓 名： 褚 瑞 學 號： 1121011634 學 生 姓 名： 王 楓 學 號： 1121010948 學 生 姓 名： 張民卿 學 號： 1121010923 課程設計題目： 信息處理實踐 語音信號采集及處理 起 迄 日 期：2014年6月9日-2014年6月27日課程設計地點： 201，503，510實驗室 指 導 教 師： 田秀榮 系 主 任： 桂志國 王浩全 2014 年 6 月 27 日中北大學課程設計任務書 2013/2014 學年第 2

2、 學期學 院： 軟件學院 專 業(yè)： 電子技術與信息處理軟件應用開發(fā) 學 生 姓 名： 褚 瑞 學 號： 1121011634 學 生 姓 名： 王 楓 學 號： 1121010948 學 生 姓 名： 張民卿 學 號： 1121010923 課程設計題目： 信息處理實踐 語音信號采集及處理 起 迄 日 期：2014年6月9日-2014年6月27日課程設計地點： 201，503，510實驗室 指 導 教 師： 田秀榮 系 主 任： 桂志國 王浩全 下達任務書日期: 2014 年 6 月 9 日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：運用數(shù)字信號處理的理論知識進行頻譜分析和濾波器設計，通過理論推導得

3、出相應結論，再利用 MATLAB 或C語言作為編程工具進行計算機仿真實現(xiàn)，從而加深對所學理論知識的理解，培養(yǎng)解決實際問題的能力。 2設計內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：課程設計內容（1） 掌握USB總線或PCI總線的基本結構，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結構。寫出關于基于USB總線或PCI總線A/D卡的報告，每個人不能相同。（2） 通過A/D卡，利用高級語言編寫信號的采集、存儲和顯示程序。（3）錄制一段語音信號，并對錄制的信號進行頻率估計；對信號采樣，畫出采樣后信號的時域波形和頻譜圖；根據(jù)信號的頻譜圖，設定濾波器的性能指標，采用窗函數(shù)法或雙線性變換設計濾

4、波器，并畫出濾波器的頻率響應；用所設計的濾波器對采集的語音信號進行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化；回放語音信號；用 MATLAB 設計一信號處理系統(tǒng)界面。（4）課程設計基本要求 掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法；學會 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 設計 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器的方法； 掌握在 Windows 環(huán)境下語音信號采集的方法； 學會用 MATLAB 對信號進行分析和處理；要求四位同學各負責一部分工作，共同完成任務；如果對MATLAB仿真已熟悉，此題目也可以申請在510實驗室里的試驗箱中完成。3設計工作任

5、務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：課程設計說明書一份程序仿真結果課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：l 要求按國標GB 771487文后參考文獻著錄規(guī)則書寫，例：1 傅承義，陳運泰，祁貴中.地球物理學基礎.北京：科學出版社，1985（5篇以上）5設計成果形式及要求：課程設計說明書仿真結果6工作計劃及進度：2014年6月9日-2014年6月20日6月9日-6月13日 查找資料，編寫程序；6月16日-6月20日 上機調試程序;6月23日-27日 寫設計報告，并答辯。系主任審查意見： 簽字： 年 月 日設計說明書應包括以下主要內容：   （1

6、）封面：課程設計題目、班級、姓名、指導教師、時間   （2）設計任務書   （3）目錄   （4）設計方案簡介   （5）設計條件及主要參數(shù)表   （6）設計主要參數(shù)計算   （7）設計結果   （8）設計評述,設計者對本設計的評述及通過設計的收獲體會   （9）參考文獻目 錄1. 實踐目的和要求.12實踐原理.12.1 采樣定理.12.2 采樣頻率.22.3 采樣位數(shù)與采樣頻率.22.4 利用MATLAB對語音信號進行分析和處理.22

7、.5 語音信號的濾波示意圖.23. 實踐步驟.23.1 語音信號的采集與分析.33.2 利用余弦函數(shù)構造一個高頻噪聲.33.3 設計合適的濾波器，濾除高頻噪聲.44. 程序設計與仿真圖.44.1 用Matlab對原始語音信號進行分析.44.2對加噪后的語音進行分析.64.3 濾除高頻噪聲，繪出濾波后的信號頻域和時域波形.95. 心得體會.136. 參考文獻.13語音信號采集與處理一、實踐的目的和要求課程設計基本要求 學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設計方法； 掌握在Windows環(huán)境下語音信號采集的方法； 掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法； 掌握MATLAB設計FI

8、R和IIR數(shù)字濾波器的方法； 學會用MATLAB對信號進行分析和處理。 課程設計實現(xiàn) （1）語音信號的采集 利用windows下的錄音機或其他軟件，錄制一段自己的話音，時間控制在1秒左右。然后在MATLAB軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)。通過wavread函數(shù)的使用，要求理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。 wavread函數(shù)調用格式： 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。 y,fs,nbits=wavread(file)，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（Hz），nbits表示采樣位數(shù)。 y=wa

9、vread(file,N)，讀取前N點的采樣值放在向量y中。 y=wavread(file,N1,N2)，讀取從N1點到N2點的采樣值放在向量y中。 二、實踐原理： 1、采樣定理： 在進行模擬與數(shù)字信號的轉換過程中，當采樣大于最高頻率的2倍時，則采樣之后的數(shù)字信號完整的保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍。2、采樣頻率： 采樣頻率是指計算機每秒鐘采樣多少個聲音樣本，是描述聲音文件的音質、音頻、衡量聲卡、聲音文件的質量標準。采樣頻率越高，即采樣的時間間隔越短，則在單位時間內計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)越多，對聲音波形的表示也越準確。 3、采樣位數(shù)與采樣頻率： 采

10、樣位數(shù)即采樣值或取樣值,用來衡量聲音波動變化的參數(shù),是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設備在一秒鐘內對聲音信號的采樣次數(shù),采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標。無論采樣頻率如何,理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。4、利用MATLAB對語音信號進行分析和處理：采集語音信號后，利用MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。 5、語音信號的濾波示意圖： +濾波器

11、Matlab頻譜顯示語音信號噪聲揚聲器三實踐步驟1、語音信號的采集與分析（1）利用 PC機上的聲卡和 WINDOWS操作系統(tǒng)可以進行數(shù)字信號的采集。將話筒插入計算機的語音輸入插口上,啟動錄音機。按下錄音按鈕，對話筒說話“我想回家”,說完后停止錄音,屏幕左側將顯示所錄聲音的長度。（2）以文件名 “2” 保存入C盤中?？梢钥吹?,文件存儲器的后綴默認為.wav。要保存文件時,利用了計算機上的A/D轉換器,把模擬的聲音信號變成了離散的量化了的數(shù)字信號,放音時,它又通過D/A轉換器,把保存的數(shù)字數(shù)據(jù)恢復為原來的模擬的聲音信號。（3）在 Matlab軟件平臺下可以利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣

12、,得到了聲音數(shù)據(jù)變量x1,x1=wavread('C:22.wav')；同時把x1的采樣頻率fs=22050Hz和數(shù)據(jù)位Nbits=16Bit放進了MATALB的工作空間。圖figure 1為原始語音信號的時域圖形。（4）從圖中可以看出在時域環(huán)境下,信號呈現(xiàn)出4個不規(guī)則的信號峰值。通過freqz(x1)函數(shù)繪制原始語音信號的頻率響應圖figure 2 。（5）然后對語音信號進行頻譜分析,在Matlab中可以利用函數(shù)y1=fft(x1,1024); plot(abs(y1(1:512)對信號行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜圖figure 3，從圖中可以看出對各個頻點上的隨機信號在

13、頻域進行抽樣 ,抽樣頻率為 22050Hz。2、利用余弦函數(shù)構造一個高頻噪聲1. 在Matlab中人為設計一固定頻率5000Hz的噪聲干擾信號。噪聲信號通常為隨機序列,在本設計中用余弦序列代替。干擾信號構建命令函數(shù)為d=Au*cos(2*pi*5000*t)'；x1=wavread('C:22.wav')；x2=x1+d；2. 給出的干擾信號為一個余弦信號，針對上面的語音信號,采集了其中一段。再對噪音信號進行頻譜變換得到其頻譜圖, y2=fft(x2,1024)；從圖中可以看出干擾信號，在4000Hz和 6000Hz頻點處有一高峰 ,其中 5000Hz 正是本設計所要利

14、用的。若帶噪信號y(m)是純凈語音信號s(m)和平穩(wěn)加性高斯白噪聲n(m)構成的,即:y(m) =x(m) +n(m)；則在頻域中表示為Y()=X()+N()；其中Y(),X(),N()分別是y(m),x(m),n(m)的傅里葉變換。X()=Y()-N()；只要從帶噪信號中減去噪聲信號即可估計出語音信號,再進行傅里葉反變換就可得到增強的語音。3、設計合適的濾波器，濾除高頻噪聲由模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器時,采用的是雙線性變換法,它保留的是從模擬到數(shù)字域的系統(tǒng)函數(shù)表示。用雙線性變換法設計低通濾波器。在MATLAB 中,可以利用函數(shù) butterworth設計低通濾波器。數(shù)字巴特沃茲低通濾波器函數(shù)

15、：functionb,a=digital_lowpass_butter(wp,ws,Rp,As,Fs)N,wn=buttord(wp/pi,ws/pi,Rp,As)b,a=butter(N,wn); 時域低通濾波：x=wavread(2.wav);x為讀取原語音文件的數(shù)據(jù)，一維數(shù)組 h=ones(1,220); h為低通濾波器的單位沖激響應 y=conv(x,h); 時域卷積，低通濾波 wavwrite(y,22050,su2.wav);將濾波后的數(shù)據(jù)保存為.wav文件用 MATLAB 中的函數(shù)freqz 畫出各濾波器的頻率響應。用設計好的帶阻濾波器對含噪語音信號進行濾波,在Matlab中II

16、R濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。在一個窗口同時畫出濾波前后的波形及頻譜。從圖中可以看出,5000Hz看到的高峰消失了,語音信號與開始的一樣,濾波器成功的濾除了干擾信號。利用MATLAB對語音信號進行分析和處理，采集語音信號后，利用MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。四、程序設計及仿真圖1、用Matlab對原始語音信號進行分析，畫出它的時域波形和頻譜程序：fs=22050;%語音信號采樣頻率為22050 x,fs,Nbits =wavread('C:2.wav') ;%

17、讀取語音信號t=0:1/22050:(length(x)-1)/22050; %將0到x1的長度減1后的值除以fs的值，且步長為1/fs的值，的序列的值，賦予tsound(x,fs) ; %對加載的語音信號進行回放figure(1)y=plot(x); %做原始語音信號的時域圖形title('原始語音信號');xlabel('time n');ylabel('fuzhi n');figure(2)freqz(y) %繪制原始語音信號的頻率響應圖title('頻率響應圖')n=length(x); %求出語音信號的長度y1=fft(

18、x,n) ; %傅里葉變換y2=fftshift(y1); %對頻譜圖進行平移f=0:fs/n:fs*(n-1)/n; %得出頻點figure(3) subplot(2,1,1); %2行 1列 左到右第一個位置plot(abs(y2) %做原始語音信號的FFT頻譜圖title('原始語音信號FFT頻譜')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2); %繪制原始語音信號的頻譜圖title('原始語音信號頻譜')時域波形和頻譜：2. 給原始的語音信號加上一個高頻余弦噪聲，頻率為（2Khz）。對加噪后的語音進行分析，并畫出其信號時域和頻譜圖。程序：%

19、加噪聲 k=1:1:n; %定義k 值,噪聲與原始語音長度一致 c1=10*sin(2*pi*2000*k); %噪聲信號的函數(shù) figure(4) plot(k,c1) title('噪聲信號時域圖'); %繪制噪聲信號的時域波形圖 figure(5) freqz(c1) %繪制噪聲信號的頻率響應圖 title('噪聲信號頻率響應圖') s=length(c1); %噪聲信號的長度 xc=fft(c1,s); %對噪聲信號進行頻譜變換 xcc=fftshift(xc); f=0:fs/s:fs*(s-1)/s;%得出頻點 figure(6) %繪制噪聲語音的F

20、FT頻譜圖 plot(f,abs(xcc) title('噪聲信號的頻譜圖');%噪音與原始信號疊加for i=1:260096z(1,i)=x1(1.i)+c1(1,i); %一個一個點把原始聲音和噪聲疊加形成疊加聲音end%z=x'+c1;y3=fft(z,s); %對疊加信號進行頻譜變換y4=fftshift(y3); %對頻譜圖平移f=0:fs/s:fs*(s-1)/s; %得出頻點figure(7)plot(f,abs(y4); %繪出加噪語音頻譜圖axis(0 8000 0 400); %控制坐標軸范圍title('含噪語音信號的頻譜');f

21、igure(8)subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2) %做原始語音信號的FFT頻譜圖title('原始語音信號FFT頻譜')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y4) %做加噪語音信號的FFT頻譜圖title('加噪語音信號頻譜')時域波形和頻譜：與原始信號對比，區(qū)別：3. 設計合適的濾波器，濾除高頻噪聲，繪出濾波后的信號頻域和時域波形：程序：%用雙線性變換法設計巴特沃思低通濾波器wp=0.25*pi; %通帶截止頻率ws=0.3*pi; %阻帶截止頻率Rp=1; %通帶最大衰減Rs=15; %阻帶最小衰減Fs=22050;

22、Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2); %將模擬指標轉換成數(shù)字指標ws1=2/Ts*tan(ws/2); N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s'); %選擇濾波器的最小階數(shù)（估算得到Butterworth低通濾波器的最小階數(shù)N和3dB截止頻率Wc）Z,P,K=buttap(N); %創(chuàng)建butterworth模擬濾波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);%將零極點增益轉換為普遍分子，分母b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); %將普遍的分子和分母轉換為以Wn為截止頻率bz,az=bilinear(b,a,Fs); %用雙線性變換

23、法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉換（模擬轉換為數(shù)字）H,W=freqz(bz,az); %繪制頻率響應曲線figure(9)plot(W*Fs/(2*pi),abs(H)grid %添加圖格xlabel('頻率Hz')ylabel('頻率響應幅度')title('Butterworth')f1=filter(bz,az,z);figure(10)subplot(2,1,1)plot(t,z) %畫出濾波前的時域圖title('濾波前的時域波形');subplot(2,1,2)plot(t,f1); %畫出濾波后的時域圖title(

24、'濾波后的時域波形');sound(f1,22050); %播放濾波后的信號p=length(f1);F0=fft(f1,p);f=0:fs/p:fs*(s-1)/p;figure(11)y2=fft(z,1024); %對信號y2做1024點FFT變換subplot(2,1,1);plot(f,abs(y4); %畫出濾波前的頻譜圖title('濾波前的頻譜')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0); %畫出濾波后的頻譜圖title('濾波后的頻譜')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');x=wavread('C:2.wav');% x為讀取原語音文件的數(shù)據(jù)，一維數(shù)組h=ones(1,220); % h為低通濾波器的單位沖激響應 y=conv(x,h); %時域卷積，低通濾波 wavwrite(y,22050,'C:su2.wav');%