聲音數(shù)字信號處理及頻域分析

1、信號與系統(tǒng)課程設(shè)計報告題目:語音信號處理課程:信號與系統(tǒng)學(xué)院:通信與信息工程學(xué)院班級:學(xué)生:學(xué)號:指導(dǎo)教師:二O一一年十二月一、正文【設(shè)計原理】通過MATLAB的函數(shù)wavread(可以讀入一個.wav格式的音頻文件,并將該文件保存到指定的數(shù)組中。例如下面的語句(更詳細(xì)的命令介紹可以自己查閱MATLAB的幫助中,將.wav讀入后存放到矩陣y中。y = wavread(SpecialEnglish.wav;對于單聲道的音頻文件,y只有一行,即一個向量;對于雙聲道的音頻文件,y 有兩行,分別對應(yīng)了兩個聲道的向量。我們這里僅對一個聲道的音頻進(jìn)行分析和處理即可。注意:.wav文件的采樣頻率為44.1K

2、Hz,采樣后的量化精度是16位,不過我們不用關(guān)心其量化精度,因為在MATLAB讀入后,已將其轉(zhuǎn)換成double 型的浮點數(shù)表示。在獲得了對應(yīng)音頻文件的數(shù)組后,我們可以對其進(jìn)行一些基本的分析和處理。可以包括:1、對語音信號進(jìn)行頻域分析,找到語音信號的主要頻譜成分所在的帶寬,驗證為何電話可以對語音信號采用8KHz的采樣速率。2、分析男聲和女聲的差別。我們知道男聲和女聲在頻域上是有些差別的,一般大家都會認(rèn)為女聲有更多高頻的成分,驗證這種差別。同時,提出一種方法,能夠?qū)σ欢我纛l信號是男聲信號、還是女聲信號進(jìn)行自動的判斷。3、.wav文件的采樣速率為44.1KHz,仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們通常說的語音信號需要的

3、頻譜寬度,例如在電話對語音信號的采樣中,我們僅僅使用8KHz的采樣速率。對讀入的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行不同速率的降采樣,使用wavplay(命令播放降采樣后的序列,驗證是否會對信號的質(zhì)量產(chǎn)生影響。降采樣的方法很簡單,例如命令y = wavread(SpecialEnglish.wav;將語音文件讀入后保存在向量y中,這時對應(yīng)的采樣頻率為44.1KHz。使用y1 = y(1:2:length(y命令,就可以將原序列y每隔1個采樣后放入序列y1中,這時y1序列對應(yīng)的采樣頻率即為22KHz。4、比較不同音階的頻域差別,同時比較不同樂器音頻信號的頻域差別。5、雙徑模型是無線通信中最簡單的一種模型。發(fā)送方天線發(fā)出

4、的信號,除了可以直接抵達(dá)接收天線,還可能通過建筑物等反射到達(dá)接收天線,這時接收到的信號就變成了兩路信號的疊加,如圖示意,兩路信號顯然會出現(xiàn)時間差。 以下是語音信號經(jīng)過雙徑信道模型的MATLAB 代碼,接收信號為z 。 y = wavread(Q2.wav; Fs = 44.1e+3; wavplay(y,Fs; delta_t = 1; % unit: snumber_t = round(delta_t*Fs; % 對應(yīng)了需要延遲多少個采樣點 power_ratio = 0.8; % 對應(yīng)快通道的功率比值 z = sqrt(power_ratio*y + sqrt(1-power_ratio*

5、zeros(number_t,1; y(1:length(y-number_t; % 接收到的信號 wavplay(z,Fs;想一種方法對接收信號z 進(jìn)行處理,還原初始信號y ,并通過播放進(jìn)行對比。 以下對提供的語音信號進(jìn)行說明:SpecialEnglish.mp3:原始的語音信號,.mp3格式 Q2.wav :男聲信號【MATLAB 參考命令】繪圖命令:plot 、stem 等 求頻譜、頻率響應(yīng):fft 、freqz 等 卷積、濾波:conv 、deconv 、filter 等聲音文件讀寫:wavread 、wavwrite 、wavplay 等具體使用方法可以查閱MATLAB 的幫助或者M(jìn)

6、ATLAB 參考書的基本使用。 設(shè)計原理。傅立葉變換對語音信號的處理:我們主要的設(shè)計原理是離散時間的fourier 變換,離散時間的fourier 變換公式為:(1(11(Nj k Nj X k x j -=,(1(11(1/(Nj k N k x j N X k -=,其中(2/i NN e -=。利用上述公式我們可以對語音信號進(jìn)行fourier 變換。對語音信號進(jìn)行fourier 變換后,我們可以得到對應(yīng)信號的頻譜并畫出其頻譜圖,于是我們就可以的在頻域上對語音信號進(jìn)行分析。二1,2題在MATLAB上的實現(xiàn)程序代碼如下:y=wavread(D:Q2.wav;F=44100;y1=fft(y;

7、f=F/length(y1;F1=f*(0:(length(y1-1; subplot(4,1,1;plot(0:10/(length(y-1:10,y; subplot(4,1,2; plot(F1,abs(y1;axis(0 8000 0 3000;s1=0;for j=2500:3400;s1=s1+abs(y1(j;ends=0;for i=300:3400;s=s+abs(y1(i;endp1=s1/s %女聲中高頻所占比例z=wavread(D:Q1.wav;E=44100;z1=fft(z;e=E/length(z1;E1=e*(0:(length(z1-1; subplot(4

8、,1,3;plot(0:10/(length(z-1:10,z; subplot(4,1,4;plot(E1,abs(z1;axis(0 8000 0 3000;s2=0;for j1=2500:3400;s2=s2+abs(z1(j1;ends3=0;for i1=300:3400;s3=s3+abs(z1(i1;endp2=s2/s3 %男聲中高頻所占比例由上述程序可得下述圖像女聲時域信號 女聲頻譜圖 男聲時域信號 男聲頻譜圖 結(jié)果分析由上面的圖像可以得到男聲和女聲的頻率主要分布在3003400hz,而多余的部分應(yīng)該為雜音,而且理論上男聲和女聲的頻率主要分布在3003400hz,則有Wma

9、x=3400,80002Wmax因而電話的采樣頻率足夠?qū)θ说穆曇暨M(jìn)行采樣。同時可以看出女聲的主要頻率在高頻段明顯多于男聲。上述程序的結(jié)果也可驗證該說法,其結(jié)果為p1 =0.3801(女聲中高頻所占比例p2 =0.2852 （男聲中高頻所占比例） 人說話聲音在 300-3400hz，因此這個比例是 2500-3400hz 的聲音在 300-3400hz 段所占比例。因而可以提出這樣一種方法辨別男生和女聲：用儀器對聲音進(jìn)行頻 譜分析高頻段明顯較多的即為女聲，反之則為男聲。 三 3 題對音頻進(jìn)行降采樣的分析 在 MATLAB 上的實現(xiàn) 程序代碼如下： 1，這里我對女聲進(jìn)行降采樣 y=wavread(

10、D:Q1.wav; y1=y(1:5.5:length(y; wavplay(y1,8000; 采樣頻率變?yōu)?000hz發(fā)現(xiàn)播放出的聲音與源文件差別不大， 因而印證電話的采樣 頻率足夠?qū)θ说穆曇暨M(jìn)行采樣，再將程序略微修改可得，對于女聲在采樣頻率低 于5000hz以后聲音失真幅度較大 2，對男聲進(jìn)行降采樣，同樣可得采樣頻率變?yōu)?000hz時播放出的聲音與源文件 差別不大，同時男聲在采樣頻率低于4000hz以后聲音失真幅度較大 四 5 題信號的還原 MATLAB 代碼： y = wavread(D:Q2.wav; Fs = 44.1e+3; delta_t = 1; % unit: s numbe

11、r_t = round(delta_t*Fs; % 對應(yīng)了需要延遲多少個采樣點 power_ratio = 0.8; % 對應(yīng)快通道的功率比值 z = sqrt(power_ratio*y + sqrt(1-power_ratio*zeros(number_t,1; y(1:length(y-number_t; % 接收到的信號 wavplay(z,Fs; T=floor(length(z/Fs; number_t_1=z(1:number_t; N=number_t_1; number_m=number_t_1; for i=2:T number_m=z(i-1*number_t+1:(i*

12、number_t-(number_m./sqrt(pow er_ratio.*sqrt(1-power_ratio; N=N;number_m; end M=z(T*number_t+1:length(z-(number_m(1:(length(z-T*Fs./sqrt (power_ratio.*sqrt(1-power_ratio; N=N;M; REAL=N/sqrt(power_ratio; wavplay(REAL,Fs; 此程序可還原原信號，通過播放對比可知成功得到原信號。該程序首先合成雙徑 6 道的信號，其中有20%通過反射而延遲的信號和80%直接接收的信號，延遲的時間 為一秒。處理合成信號z 時，先將z的前44100個點取出，即原信號的前44100個 點，再通過for循環(huán)來還原原信號。 五 實驗總結(jié) 實 驗 中 主 要 部 分 是 在 MAT