DSP基于Matlab的語音信號處理(代碼)

1、數(shù)字信號處理2.1.2 采樣頻率采樣頻率是指計算機(jī)每秒鐘采集多少個聲音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率越高，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。這就是說采樣頻率是衡量聲卡采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。2.1.3 采樣位數(shù)與采樣頻率采樣位數(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(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指

2、錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)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(shí)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(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。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。每增加一個采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機(jī)，44.1kHz意味著音頻流進(jìn)入計算機(jī)時計算機(jī)每秒會對其拍照達(dá)441000次。顯然采樣率越高，計算機(jī)攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。2.2 語音信號的分析及處理方法2.2.1 語音的打開在matlab平臺下，利用wavread進(jìn)行語

3、音采集, 得到語音的分辨率、采樣率以頻率特性。2.2.2 語音信號的頻譜分析畫出語音信號的時域波形，利用函數(shù)fft對信號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性。2.2.3產(chǎn)生噪聲信號利用matlab產(chǎn)生固定頻率的交流噪聲，并加到語音信號中去，得到被污染的語音信號，并播放語音信號，利用函數(shù)fft對噪聲進(jìn)行快速傅里葉變換，得到噪聲的頻譜特性。2.2.4 數(shù)字濾波器設(shè)計原理數(shù)字濾波是數(shù)字信號分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號的過濾、檢測和參數(shù)的估計等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。

4、數(shù)字濾波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對信號進(jìn)行變換。2.2.5數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟不論是IIR濾波器還是FIR濾波器的設(shè)計都包括三個步驟：(1) 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。(2) 用一個因果、穩(wěn)定的離散線性時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求可以用IIR系統(tǒng)函數(shù)，也可以用FIR系統(tǒng)函數(shù)去逼近。(3) 利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長選擇等。2.2.6 IIR濾波器與FIR濾波器的性能比較FIR:Finite Impulse response，有限沖擊響應(yīng)IIR:Infini

5、te Impulse response，無限沖擊響應(yīng)從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性；對于同樣的濾波器設(shè)計指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高510倍，結(jié)果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位較正，同樣要大增加濾波器

6、的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。整體來看，IIR濾波器達(dá)到同樣效果階數(shù)少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；FIR濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大第三章 圖形用戶界面設(shè)計3.1 圖形用戶界面概念圖形用戶界面或圖形用戶接口(Graphical User Interface，GUI)是指采用圖形方式顯示的計算機(jī)操作環(huán)境用戶接口。與早期計算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說更為簡便易用。GUIDE是Matlab提供的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，提供了一系列用于創(chuàng)建圖形用戶界面的工具，從而簡化界面布局和編程工作。3.2 圖形用戶界面設(shè)計1GUI設(shè)計模板在MATLAB主窗口中，選擇File菜單中

7、的New菜單項(xiàng)，再選擇其中的GUI命令，就會顯示圖形用戶界面的設(shè)計模板。MATLAB為GUI設(shè)計一共準(zhǔn)備了4種模板，分別是Blank GUI(默認(rèn)) 、GUI with Uicontrols(帶控件對象的GUI模板) 、GUI with Axes and Menu(帶坐標(biāo)軸與菜單的GUI模板)與Modal Question Dialog(帶模式問話對話框的GUI模板)。當(dāng)用戶選擇不同的模板時，在GUI設(shè)計模板界面的右邊就會顯示出與該模板對應(yīng)的GUI圖形。2GUI設(shè)計窗口在GUI設(shè)計模板中選中一個模板，然后單擊OK按鈕，就會顯示GUI設(shè)計窗口。選擇不同的GUI設(shè)計模式時，在GUI設(shè)計窗口中顯示的

8、結(jié)果是不一樣的。GUI設(shè)計窗口由菜單欄、工具欄、控件工具欄以及圖形對象設(shè)計區(qū)等部分組成。GUI設(shè)計窗口的菜單欄有File、Edit、View、Layout、Tools和Help 6個菜單項(xiàng)，使用其中的命令可以完成圖形用戶界面的設(shè)計操作。3GUI設(shè)計窗口的基本操作在GUI設(shè)計窗口創(chuàng)建圖形對象后，通過雙擊該對象，就會顯示該對象的屬性編輯器。例如，創(chuàng)建一個Push Button對象，并設(shè)計該對象的屬性值。3.3 圖形用戶界面模塊調(diào)試3.3.1 語音信號的讀入與打開下面的一段程序是語音信號在MATLAB中的最簡單表現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)了語音的讀入打開，以及繪出了語音信號的波形頻譜圖。y,fs,nbits=wav

9、read(file);n = length (y) ; %求出語音信號的長度Y=fft(y,n); %傅里葉變換magX=abs(Y);angX=angle(Y);figure(1)subplot(2,2,1);plot(y);title('原始信號波形');subplot(2,2,2);plot(abs(Y);title('原始信號頻譜')subplot(223);plot(magX);title('原始信號幅值');subplot(224);plot(angX);title('原始信號相位');程序運(yùn)行可以聽到聲音，得到的結(jié)果

10、如圖3-1所示：圖3-1 語音信號的讀入與打開3.3.2 加噪信號n = length (y) ; %求出語音信號的長度t=0:1/8000:2 zeros(1,23520-1)'noise=rand(1,n);%sin函數(shù)產(chǎn)生噪聲s=y'+noise; %語音信號加入噪聲figuresubplot(2,1,1);plot(s);title('加噪語音信號的時域波形');S=fft(s); %傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(S);title('加噪語音信號的頻域波形')axis(0,2000,0,1000)圖3-2 噪聲

11、波形3.3.3 N階高通濾波器在這里，以5階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率,程序設(shè)計如下：x = y; %N介高通濾波N=5;wc=0.3;b,a=butter(N,wc,'high');X=fft(x);figuresubplot(321);plot(x);title('濾波前信號的波形');subplot(322);plot(X);title('濾波前信號的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=fft(y);subplot(323);plot(y);title('IIR濾波后信號的波形');subplot(324);

12、plot(Y);title('IIR濾波后信號的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);title('FIR濾波后信號的波形');subplot(326);plot(Z);title('FIR濾波后信號的頻譜');得到結(jié)果如圖3-3所示：圖3-3 N階高通濾波器3.3.4 N階低通濾波器在這里，同樣以5階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率，程序設(shè)計如下：x = y;%N介低通濾波N=5;wc=0.3;b,a=butter(N,wc);X=fft(x);figuresubplot(321);

13、plot(x);title('濾波前信號的波形');subplot(322);plot(X);title('濾波前信號的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=fft(y);subplot(323);plot(y);title('IIR濾波后信號的波形');subplot(324);plot(Y);title('IIR濾波后信號的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);title('FIR濾波后信號的波形');subplot(326);plot(Z)

14、;title('FIR濾波后信號的頻譜');得到結(jié)果如圖3-4所示：圖3-4 N階低通濾波器3.3.5 2N階帶通濾波器2N階帶通濾波器的設(shè)計（在這里，以10階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率，wc=w1,w2,w1 wc w2），程序設(shè)計如下：x = y;%2N介帶通濾波N=5;wc=0.3,0.6;b,a=butter(N,wc);X=fft(x);figuresubplot(321);plot(x);title('濾波前信號的波形');subplot(322);plot(X);title('濾波前信號的頻譜');y=filter(b,a,x

15、);Y=fft(y);subplot(323);plot(y);title('IIR濾波后信號的波形');subplot(324);plot(Y);title('IIR濾波后信號的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);title('FIR濾波后信號的波形');subplot(326);plot(Z);title('FIR濾波后信號的頻譜');得到結(jié)果如圖3-5所示：圖3-5 帶通濾波器3.4 圖形用戶界面制作MATLAB中圖形用戶界面的制作有兩種方法：M文件和GUIDE

16、，本設(shè)計采用GUIDE的方法制作GUI。1.新建一個空白GUI模板：進(jìn)入MATLAB程序界面以后執(zhí)行FileNewGUI過程，即可進(jìn)入2.選擇空白模板選項(xiàng)條，單擊OK，一個空白GUI模板生成3.拖拉白色框的右下角調(diào)整界面大小，現(xiàn)在就可以開始設(shè)計GUI功能界面了。從左邊控件框選擇所需要的控件放置在GUI面板中，然后對各個控件進(jìn)行編輯，包括位置、大小、顏色、名稱以及編寫回調(diào)函數(shù)等。本設(shè)計主要用到下拉菜單、坐標(biāo)系、框架和按鈕，現(xiàn)分別介紹。4.按鈕設(shè)計：按鈕鍵又稱命令按鈕或按鈕，是小的長方形屏幕對象，常常在對象本身標(biāo)有文本。將鼠標(biāo)指針移至對象，單擊鼠標(biāo)按鈕執(zhí)行由回調(diào)字符串所定義的動作。單擊空間框左側(cè)的

17、Push Button按鈕，在圖形編輯框中確定其位置后單擊鼠標(biāo)左鍵即可放置現(xiàn)在開始編寫回調(diào)函數(shù)，確定按鈕功能。在按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇view- callbackscallback即可在M文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置。然后編寫功能函數(shù)，本設(shè)計中該按鈕的功能是繪制原始波形，那么只需要讀取語音信號并畫出波形。本次課程設(shè)計的最終圖形用戶界面如圖3-6所示圖3-6 圖形用戶界面第四章 總結(jié)本設(shè)計圓滿的完成了對語音信號的讀取與打開，與課題的要求十分相符；本設(shè)計也較好的完成了對語音信號的頻譜分析，通過fft變換，得出了語音信號的頻譜圖；在濾波這一塊，課題主要是從巴特沃斯濾波器入手來設(shè)計濾波器，也從一方

18、面基本實(shí)現(xiàn)了濾波；初略的完成了界面的設(shè)計，但也存在相當(dāng)?shù)牟蛔?，只是很勉?qiáng)的達(dá)到了打開語音文件、顯示已定濾波前后的波形等圖。語音信號處理是語音學(xué)與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，課題在這里不討論語音學(xué)，而是將語音當(dāng)做一種特殊的信號，即一種“復(fù)雜向量”來看待。也就是說，課題更多的還是體現(xiàn)了數(shù)字信號處理技術(shù)。從課題的中心來看，課題是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域，這里就是指對語音的處理。作為存儲于計算機(jī)中的語音信號，其本身就是離散化了的向量，我們只需將這些離散的量提取出來，就可以對其進(jìn)行處理了。在這里，用到了處理數(shù)字信號的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB，通過MATLAB里幾個命令函數(shù)的調(diào)用，很輕

19、易的在實(shí)際化語音與數(shù)字信號的理論之間搭了一座橋。課題的特色在于它將語音看作了一個向量，于是語音數(shù)字化了，則可以完全利用數(shù)字信號處理的知識來解決。我們可以像給一般信號做頻譜分析一樣，來給語音信號做頻譜分析，也可以較容易的用數(shù)字濾波器來對語音進(jìn)行濾波處理。最后，還利用了MATLAB的另一強(qiáng)大功能gui界面設(shè)計。設(shè)計出了一個簡易的用戶應(yīng)用界面，可以讓人實(shí)現(xiàn)界面操作。更加方便的進(jìn)行語音的頻譜分析與濾波處理。但由于知識能力有限，當(dāng)中也存在相當(dāng)?shù)牟蛔?，特別體現(xiàn)在濾波與界面設(shè)計這一塊。對濾波的研究，本文只是舉出了很小的一個方面，還有許多精髓都未能一一列舉。至于用戶界面的設(shè)計，由于筆者是初次接觸，也未能有特別的掌握，僅就剛學(xué)習(xí)到的一些加以運(yùn)用，于是設(shè)計的還是很粗燥