基于MATLAB的語(yǔ)音分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料之二（1）安徽工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專 業(yè)： 電子信息工程專業(yè) 題 目： 基于MATLAB的語(yǔ)音分析 處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者 姓 名： 導(dǎo)師及職稱： (講師) 導(dǎo)師所在單位： 電氣工程學(xué)院 2014年 6 月 12日安徽工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 2014 屆 電氣工程 學(xué)院 電子信息工程 專業(yè)學(xué)生姓名： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目中文：基于MATLAB的語(yǔ)音分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)英文：Design of Speech Analysis and Processing System Based on Matlab 原始資料1 于振江.一種基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)采集與分析系

2、統(tǒng)設(shè)計(jì)J.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì) ，2012年 22卷12期2 陳宇鋒.基于聲卡和 MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)采集和處理J.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2006年 22卷5期3 張勁松.基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)采集和分析系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)J .齊齊哈爾大學(xué) 學(xué)報(bào) ，2006年22卷6期4 徐靖濤，王金根 .基于MATLAB 的語(yǔ)音信號(hào)分析和處理J.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008年10卷1期5 周玲 .基于的語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字濾波處理J.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2001年17卷3期 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)內(nèi)容1、課題研究的意義語(yǔ)音，作為一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，是人類交流信息最自然、最有效、最方便的手段，在人類文明和社會(huì)進(jìn)步中起著

3、重要的作用。隨著電子通信業(yè)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始可以從數(shù)字信號(hào)處理的角度來(lái)了解語(yǔ)音。作為高科技應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)從理論的研究到實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)走過(guò)了幾十個(gè)春秋并且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它正在直接與辦公、交通、金融、保安、商業(yè)、旅游等行業(yè)的語(yǔ)音咨詢與管理等各種實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域相接軌。可見，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的研究將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作。2、本課題研究的主要內(nèi)容：本論文主要介紹的是的語(yǔ)音信號(hào)的簡(jiǎn)單處理與分析。本論文針對(duì)以上問題，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的處理，在matlab7.0環(huán)境下綜合運(yùn)用信號(hào)提取，幅頻變換以及傅里葉變換、濾波等技術(shù)來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理。我所做的工作就是在

4、matlab7.0軟件上編寫一個(gè)處理語(yǔ)音信號(hào)語(yǔ)音信號(hào)的圖形用戶界面，能對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)其進(jìn)行各種處理，達(dá)到簡(jiǎn)單的語(yǔ)音信號(hào)處理分析的目的。3、提交的成果：（1）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文；（2）MATLAB仿真圖和GUI設(shè)計(jì)成果；（3）一篇引用的外文文獻(xiàn)及其譯文；（4）10篇主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要。指導(dǎo)教師（簽字） 教研室主任（簽字）批 準(zhǔn) 日 期接受任務(wù)書日期完 成 日 期接受任務(wù)書學(xué)生（簽字） 基于MATLAB的語(yǔ)音分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要語(yǔ)音即語(yǔ)言的聲音，是語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的載體。它由人的發(fā)音器官發(fā)出，負(fù)載著一定的語(yǔ)言意義。語(yǔ)言依靠語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)它的社會(huì)功能。語(yǔ)言是音義結(jié)合的符號(hào)系統(tǒng)，語(yǔ)言的聲音和

5、語(yǔ)言的意義是緊密聯(lián)系著的，因此，語(yǔ)言雖是一種聲音，但又與一般的聲音有著本質(zhì)的區(qū)別。語(yǔ)音是人類發(fā)音器官發(fā)出的具有區(qū)別意義功能的聲音，不能把語(yǔ)音看成純粹的自然物質(zhì)；語(yǔ)音是最直接地記錄思維活動(dòng)的符號(hào)體系，是語(yǔ)言交際工具的聲音形式。語(yǔ)音信號(hào)在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛的應(yīng)用，因而對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的分析和處理，讓人們更方便的使用語(yǔ)音信號(hào)有著很大的意義!語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和語(yǔ)音學(xué)知識(shí)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的新興的學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學(xué)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。通過(guò)語(yǔ)音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。 Matlab語(yǔ)言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)應(yīng)

6、用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號(hào)處理與分析工具箱為語(yǔ)音信號(hào)分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語(yǔ)音信號(hào)的處理和分析以及信號(hào)的可視化，使人機(jī)交互更加便捷。信號(hào)處理是Matlab重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一。  關(guān)鍵詞：Matlab；語(yǔ)音信號(hào)；信號(hào)處理；圖形用戶界面  Design of Speech Analysis and Processing System Based on MatlabAbstractSpeech

7、 is the sounds of language, language is the carrier and symbol system. It is composed of human vocal organs of a certain language sense, load. Language on voice realize its social function. Language is a symbol system which combines sound and meaning, the sounds of language and the meaning of langua

8、ge is closely related, therefore, although the language is one kind of sound, but also with the general voice has essential difference. Speech is the issue of human organs of speech with the functional significance of the difference of sound, is not a natural voice as pure substances; voice is the m

9、ost direct record of thinking activity is the language symbol system, the form of voice communication tools.The speech signal is widely used in real life, so the analysis and processing of speech signal, let people have a great significance to use the speech signal more convenient!Speech signal proc

10、essing is studied using the course digital signal processing new technology and phonetic knowledge of speech signal processing, is one of theresearch field of information science rapidly core technology development at present. Transmission of information through the voice of the exchange of informat

11、ion form of human is the most important, most effective, the mostcommonly used and the most convenient. Matlab language computer application software is a powerful data analysis and processing functions, it can sound files will be converted into discrete data file, then use their powerful matrix cal

12、culation ability of data processing, such as digital filtering, Fu Liye transform, the time domain and frequency domain analysis, sound playback and various graph representation, signal processing with the analysis of its toolkit provides plenty of function for speech signal analysis, use of these f

13、unctions can be completed the speech signal processing and analysis and visualization of signals quickly and easily, make human-computer interaction more convenient. Signal processing is one of the important application field of Matlab.Keywords: Matlab；speech signal；signal processing；graphical user

14、interface目錄引言1第1章 概述21.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容及研究意義(價(jià)值)21.2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)51.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)研究方案及工作計(jì)劃6第2章 設(shè)計(jì)方案論證62.1運(yùn)行環(huán)境62.2 語(yǔ)言信號(hào)相關(guān)調(diào)用函數(shù)62.3設(shè)計(jì)理論依據(jù)82.4 語(yǔ)音信號(hào)的分語(yǔ)音信號(hào)的分析及處理方法10第3章語(yǔ)音信號(hào)的處理分析實(shí)例103.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集與讀取113.2 語(yǔ)音信號(hào)的定點(diǎn)分析133.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例14第4章 圖形用戶界面設(shè)計(jì)164.1 圖形用戶界面概念164.2 圖形用戶界面設(shè)計(jì)174.3 圖形用戶界面制作184.4圖形用戶界面操作19結(jié)論與展望27致謝28參考文獻(xiàn)2

15、9附錄A 參考文獻(xiàn)主要摘要30附錄B 外文文獻(xiàn)和翻譯32附錄C 主程序41 插圖清單圖1-1 語(yǔ)音信號(hào)處理流程圖4圖1-2 語(yǔ)音信號(hào)調(diào)整 5圖1-3 語(yǔ)音信號(hào)的濾波 5圖3-1 語(yǔ)音信號(hào)的讀入與打開 10圖3-2 語(yǔ)音信號(hào)定點(diǎn)分析 11圖3-3 N階高通濾波器 12圖3-4 N階低通濾波器 13圖3-5 帶通濾波器 14圖3-6 帶阻濾波器 15圖4.1 圖形用戶界面 17圖4-2 原始信號(hào)波形 18圖4-3 原始信號(hào)頻譜 18圖4-4 原始信號(hào)幅度 19圖4-5 原始信號(hào)相位 19圖4-6 定點(diǎn)分析 20圖4-7 加噪后信號(hào)波形20圖4-8 加噪后信號(hào)頻譜21圖4-9 加噪后信號(hào)幅度21圖4

16、-1 加噪后信號(hào)相位 22圖 4-11 FIR濾波后信號(hào)波形22圖4-12 FIR濾波后信號(hào)頻譜23圖 4-13 FIR濾波后信號(hào)幅度23 圖 4-14 FIR濾波后信號(hào)相位24圖 4-15 IIR濾波后信號(hào)波形24圖4-16 IIR濾波后信號(hào)頻譜25 圖4-17 IIR濾波后信號(hào)幅度25 圖 4-18 IIR濾波后信號(hào)相位26引言當(dāng)今世界正處于信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展，推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入了信息社會(huì)。因特網(wǎng)和移動(dòng)通信的普及、電子購(gòu)物的興起、多媒體通信及其應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，改變了人類生活、工作、娛樂的方式信息的獲取、處理、傳輸、顯示和存儲(chǔ)，是信息技術(shù)研究的主要內(nèi)容。人類作為

17、社會(huì)的主人，一直是接收和發(fā)送信息的主體語(yǔ)音,始終是人類互相交流、互相通信的最主要、最方便、最快捷的工具信息載體。因此，語(yǔ)音信號(hào)處理正越來(lái)越受到人們的關(guān)注和廣泛的研究。作為高科技應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)從理論的研究到實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)走過(guò)了幾十個(gè)春秋并且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它正在直接與辦公、交通、金融、保安、商業(yè)、旅游等行業(yè)的語(yǔ)音咨詢與管理等各種實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域相接軌?？梢?，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的研究將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)在大部分語(yǔ)音處理軟件內(nèi)容繁多、操作不便等問題，采用MATLAB7.0綜合運(yùn)用GUI界面設(shè)計(jì)、各種函數(shù)調(diào)用等來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的變頻、變幅、fourier變換及濾波，程序界面

18、簡(jiǎn)練，操作簡(jiǎn)便，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。第1章 概述1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容及研究意義(價(jià)值)1.1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容本論文主要介紹的是的語(yǔ)音信號(hào)的簡(jiǎn)單處理與分析。本論文針對(duì)以上問題，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的處理，在matlab7.0環(huán)境下綜合運(yùn)用信號(hào)提取，幅頻變換以及傅里葉變換、濾波等技術(shù)來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理。我所做的工作就是在matlab7.0軟件上編寫一個(gè)處理語(yǔ)音信號(hào)的圖形用戶界面，能對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)其進(jìn)行各種處理，達(dá)到簡(jiǎn)單的語(yǔ)音信號(hào)處理分析的目的。 本論文主要是在MATLAB應(yīng)用軟件平臺(tái)下設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單易用的語(yǔ)音信號(hào)的圖形用戶界面，來(lái)解決一般應(yīng)用條件下的各種語(yǔ)音處理問題。

19、1.1.2 研究意義 語(yǔ)音，作為一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，是人類交流信息最自然、最有效、最方便的手段，在人類文明和社會(huì)進(jìn)步中起著重要的作用。隨著電子通信業(yè)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始可以從數(shù)字信號(hào)處理的角度來(lái)了解語(yǔ)音。語(yǔ)音信號(hào)的研究可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。其中時(shí)域的分析處理有兩種方法：一種是進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)分析，這屬于線性處理的范疇，主要是通過(guò)信號(hào)的加減、時(shí)移、倍乘、卷積、求相關(guān)函數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是生成和變換成各種調(diào)制信號(hào)，這屬于非線性的范疇，主要是對(duì)信號(hào)平均累加器的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮擴(kuò)張，用門限方法對(duì)噪聲的抑制。對(duì)頻域分析處理，即對(duì)信號(hào)的頻率特性在頻譜中加以分析研究，這拓展了信號(hào)分

20、析的范圍，是對(duì)不確定信號(hào)分析的主要方法。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)音交互已經(jīng)成為人機(jī)交互的必要手段，而語(yǔ)音信號(hào)的采集和處理是人機(jī)交互的前提和基礎(chǔ)。聲卡是計(jì)算機(jī)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加工的重要部件，它具有對(duì)信號(hào)濾波、放大、采樣保持、AD和DA轉(zhuǎn)換等功能。盡管在Windows附件的娛樂中帶有一個(gè)錄音機(jī)，通過(guò)它可以驅(qū)動(dòng)聲卡采集語(yǔ)音信號(hào)并保存為語(yǔ)音文檔。但是要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)一步分析處理就必須另外編程或通過(guò)其它軟件，而且Windows附件中的錄音機(jī)功能極其有限且不能擴(kuò)展。Matlab是美國(guó)Math Works公司推出的一種面向工程和科學(xué)計(jì)算的交互式計(jì)算軟件，它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)

21、融合到了一個(gè)簡(jiǎn)單易用的交互式工作環(huán)境中。在Matlab環(huán)境中，可以通過(guò)多種編程方法驅(qū)動(dòng)聲卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采集和回放。同時(shí)由于Matlab是一個(gè)數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件，它的信號(hào)處理與分析工具箱為語(yǔ)音信號(hào)分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語(yǔ)音信號(hào)的處理和分析以及信號(hào)的可視化，使人機(jī)交互更加便捷。 語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的一門學(xué)科，它是一門新興的學(xué)科，同時(shí)又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科。1.1.3 研究目標(biāo) 本課題的研究目標(biāo)：通過(guò)實(shí)踐理解書本上有關(guān)語(yǔ)音系統(tǒng)分析處理的知識(shí)，了解數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)內(nèi)

22、容，增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力，鍛煉邏輯思維，完成基本的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，完成GUI圖形界面設(shè)計(jì)，精心完成畢業(yè)論文！ 1.2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1語(yǔ)音信號(hào)處理現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號(hào)處理的理論和算法，如數(shù)字濾波器、快速傅立葉變換（FFT）等是語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，語(yǔ)音信號(hào)處理取得了重大的進(jìn)展。進(jìn)入70年代之后，提出了用于語(yǔ)音信號(hào)的信息壓縮和特征提取的線性預(yù)測(cè)技術(shù)（LPC），并已成為語(yǔ)音信號(hào)處理最強(qiáng)有力的工具，廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)的分析、合成及各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，以及用于輸入語(yǔ)音與參考樣本之間時(shí)間匹配的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。80年代初一種新

23、的基于聚類分析的高效數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)矢量量化（VQ）應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)處理中；而用隱馬爾可夫模型（HMM）描述語(yǔ)音信號(hào)過(guò)程的產(chǎn)生是80年代語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的重大發(fā)展，目前HMM已構(gòu)成了現(xiàn)代語(yǔ)音識(shí)別研究的重要基石。近年來(lái)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的研究取得了迅速發(fā)展，語(yǔ)音信號(hào)處理的各項(xiàng)課題是促進(jìn)其發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?，同時(shí)，它的許多成果也體現(xiàn)在有關(guān)語(yǔ)音信號(hào)處理的各項(xiàng)技術(shù)之中。1.2.2語(yǔ)音信號(hào)處理趨勢(shì)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普及和完善，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并且出現(xiàn)了一些新的方向。 1.基于語(yǔ)音的信息檢索。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)字圖書館技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)于傳統(tǒng)的基于文本信息的檢

24、索技術(shù)，基于語(yǔ)音識(shí)別的信息檢索技術(shù)正成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。 2.基于語(yǔ)音識(shí)別的廣播新聞的自動(dòng)文摘技術(shù)的研究。由于廣播、電視中的發(fā)音較為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，識(shí)別中避免了說(shuō)話人發(fā)音的不規(guī)范，有利于語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)性能的提高。 3.VOIP技術(shù)。它是通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，而不是傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸語(yǔ)音的新的通信方式，通常稱為IP電話技術(shù)。它是網(wǎng)絡(luò)上對(duì)壓縮的語(yǔ)音數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸和識(shí)別。隨著手機(jī)、PDA等移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展，嵌入式語(yǔ)音識(shí)別算法的研究已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。 4.語(yǔ)音訓(xùn)練與校正技術(shù)也是近年來(lái)語(yǔ)音信號(hào)處理的一個(gè)重要方向。現(xiàn)在越來(lái)越多的人希望掌握其他非母語(yǔ)語(yǔ)言，以便方便的進(jìn)行交流。因此語(yǔ)言學(xué)習(xí)機(jī)已成

25、為當(dāng)今外語(yǔ)學(xué)習(xí)者的有利工具。 1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)研究方案及工作計(jì)劃1.3.1 研究方案 根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析系統(tǒng)功能，掌握設(shè)計(jì)中所需理論（采樣頻率、采樣位數(shù)的概念，采樣定理； 時(shí)域信號(hào)的FFT分析；數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理和方法，各種不同類型濾波器的性能比較），闡明設(shè)計(jì)原理。1.3.2工作計(jì)劃 1.信號(hào)采集 采集語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行FFT頻譜分析，畫出信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻譜圖。 2.構(gòu)造受干擾信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行FFT頻譜分析 對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結(jié)論。并對(duì)其進(jìn)行FFT頻譜分析，比較加噪前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析，

26、闡明原因，得出結(jié)論。 3.數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)待處理信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性。 4.信號(hào)處理 用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)含噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。對(duì)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析。畫出處理過(guò)程中所得各種波形及頻譜圖。 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺濾波前后聲音的變化。比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜，對(duì)所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析，闡明原因，得出結(jié)論。 5.設(shè)計(jì)圖形用戶界面 設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面,在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的參數(shù),顯示濾波器的頻率響應(yīng),選擇信號(hào)等。 1.3.3語(yǔ)音信號(hào)系統(tǒng)處理流程圖1. 語(yǔ)音信號(hào)處理流程圖：圖1-1信號(hào)采集 信號(hào)提取信號(hào)濾波

27、信號(hào)變換信號(hào)調(diào)整信號(hào)顯示 圖1-1語(yǔ)音信號(hào)處理流程圖2. 其中信號(hào)調(diào)整包括信號(hào)的幅度和頻率的任意倍數(shù)變化：圖1-2幅度調(diào)整信號(hào)調(diào)整頻率調(diào)整整圖1-2 語(yǔ)音信號(hào)調(diào)整3. 信號(hào)的濾波采用了四種濾波方式，來(lái)觀察各種濾波性能的優(yōu)缺點(diǎn)：圖1-3信號(hào)濾波 帶阻濾波帶通濾波低通濾波高通濾波 圖1-3 語(yǔ)音信號(hào)的濾波第2章 設(shè)計(jì)方案論證2.1運(yùn)行環(huán)境硬件環(huán)境： 處理器 :Inter Core i3-2310M CPU 2.10GHz 內(nèi)存 :2G 硬盤 ：624G 顯卡 ：SVGA顯示適配器軟件環(huán)境： 操作系統(tǒng)：Windows 7 32位系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境主要介紹了本系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)、開發(fā)語(yǔ)言 操作系統(tǒng)：Wind

28、ows 7 32位系統(tǒng) 開發(fā)環(huán)境：Matlab 7.02.2 語(yǔ)言信號(hào)相關(guān)調(diào)用函數(shù)2.2.1 Wavread函數(shù)介紹 選取一段語(yǔ)音信號(hào)，然后在Matlab軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)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)，理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。  wavread函數(shù)調(diào)用格式：  y=wavread（file） 讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在響亮y中。 y,fs,nbits=wavread(file)，采樣值放在向y中，sf表示采樣頻率（Hz），nbits表示采樣位數(shù)。  y=wavread（f

29、ile，N） 讀取前N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。  y=wavread（file，1N,2N） 讀取從1N到2N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)nm.wav進(jìn)行采樣其程序如下: y,fs,nbits=wavread('mm.wav');其中: fs=44100; nbits=16; y=wavread（file，-1,0.9235）;2.2.2其他相關(guān)函數(shù)1.fft函數(shù)調(diào)用 在MATLAB的信號(hào)處理工具箱中函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換, 是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它對(duì)傅氏變

30、換的理論并沒有新的FFT算法圖(Bufferfly算法)發(fā)現(xiàn)，但是對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說(shuō)數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說(shuō)是進(jìn)了一大步。FFT函數(shù)的一種調(diào)用格式為：  y=fft(x)        其中:x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT。且和x相同長(zhǎng)度。 FFT函數(shù)的另一種調(diào)用格式為： y=fft(x,N)式中：，y意義同前，N為正整數(shù)。2.函數(shù)sound的調(diào)用  函數(shù)sound的調(diào)用，該函數(shù)的輸入?yún)⒘渴且纛l數(shù)據(jù)向量、采樣頻率和轉(zhuǎn)換位數(shù)

31、?？梢詫?duì)聲音進(jìn)行回放,其調(diào)用格式為: Sound(x,fs,bits) 向量y則就代表了一個(gè)信號(hào)，也就是說(shuō)可以像處理一個(gè)信號(hào)表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。2.3設(shè)計(jì)理論依據(jù)2.3.1采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率fs大于信號(hào)中，最高頻率fmax的2倍時(shí)，即：fs>=2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的510倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。 1924年奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式:理想低通信道的最高碼元傳輸速率： B=2W Baud 其中：W是帶寬，理想通道的

32、極限速率： C = B * log2 N ( bps )采樣過(guò)程所應(yīng)遵循的規(guī)律，又稱取樣定理、抽樣定理。采樣定理說(shuō)明采樣頻率與信號(hào)頻譜之間的關(guān)系，是連續(xù)信號(hào)離散化的基本依據(jù)。采樣定理是1928年由美國(guó)電信工程師H.奈奎斯特首先提出來(lái)的，因此稱為奈奎斯特采樣定理。1933年由蘇聯(lián)工程師科捷利尼科夫首次用公式嚴(yán)格地表述這一定理，因此在蘇聯(lián)文獻(xiàn)中稱為科捷利尼科夫采樣定理。1948年信息論的創(chuàng)始人C.E.香農(nóng)對(duì)這一定理加以明確地說(shuō)明并正式作為定理引用，因此在許多文獻(xiàn)中又稱為香農(nóng)采樣定理。采樣定理有許多表述形式，但最基本的表述方式是時(shí)域采樣定理和頻域采樣定理。采樣定理在數(shù)字式遙測(cè)系統(tǒng)、時(shí)分制遙測(cè)系統(tǒng)、信

33、息處理、數(shù)字通信和采樣控制理論等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 2.3.2 采樣頻率采樣頻率，也稱為采樣速度或者采樣率，定義了每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，它用赫茲（Hz）來(lái)表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作采樣時(shí)間，它是采樣之間的時(shí)間間隔。通俗的講采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)聲音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對(duì)于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。采樣頻率的常用的表示符號(hào)是fs。通俗的講采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)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(shí)間越短，則在單位

34、時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對(duì)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)奈奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音還原成為原來(lái)的聲音。這就是說(shuō)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)。2.3.3 采樣位數(shù)采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來(lái)衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對(duì)聲音信號(hào)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(duì)于音頻接口來(lái)說(shuō)是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論采樣頻率如何，理論

35、上來(lái)說(shuō)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(gè)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(hào)越精確。對(duì)于采樣率來(lái)說(shuō)你可以想象它類似于一個(gè)照相機(jī)，44.1kHz意味著音頻流進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)每秒會(huì)對(duì)其拍照達(dá)441000次。顯然采樣率越高，計(jì)算機(jī)攝取的圖片越多，對(duì)于原始音頻的還原也越加精確。2.4 語(yǔ)音信號(hào)的分語(yǔ)音信號(hào)的分析及處理方法2.4.1語(yǔ)音的錄入與打開在MATLAB中，y,fs,bits=wavread('Blip',N1 N2);用于讀取語(yǔ)音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。N1 N2表示讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的

36、值，若只有一個(gè)N的點(diǎn)則表示讀取前N點(diǎn)的采樣值。 sound(x,fs,bits)用于對(duì)聲音的回放，向量y則就代表了一個(gè)信號(hào)，也即一個(gè)復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式”，也就是說(shuō)可以像處理一個(gè)信號(hào)表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。2.4.2時(shí)域信號(hào)的FFT分析FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLAB的信號(hào)處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且

37、和x相同長(zhǎng)度；若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果x長(zhǎng)度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計(jì)算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為y=fft(x,N)，式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT，若x為向量且長(zhǎng)度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度N；若向量x的長(zhǎng)度大于N，則函數(shù)截短x使之長(zhǎng)度為N；若x 為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。2.4.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理數(shù)字濾波（digital filtering）：用數(shù)字設(shè)備，通過(guò)一定的算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將某個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行濾除，得到新的信號(hào)的這一過(guò)程叫做數(shù)字

38、濾波。數(shù)字濾波器可以分為兩大部分：即經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器。經(jīng)典濾波器就是假定輸入信號(hào)x(n)中的有用成分和希望濾除成分分別位于不同的頻帶，因而我們通過(guò)一個(gè)線性系統(tǒng)就可以對(duì)噪聲進(jìn)行濾除，如果噪聲和信號(hào)的頻譜相互混疊，則經(jīng)典濾波器得不到濾波的要求。通常有高通濾波器，低通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器?，F(xiàn)代濾波器是從含有噪聲的信號(hào)估計(jì)出有用的信號(hào)和噪聲信號(hào)。這種方法是把信號(hào)和噪聲本身都視為隨機(jī)信號(hào)，利用其統(tǒng)計(jì)特征，如自相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)，自功率譜，互功率譜等引導(dǎo)出信號(hào)的估計(jì)算法，然后利用數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)。目前主要有維納濾波，卡爾曼濾波，自適應(yīng)濾波等數(shù)字濾波器2.4.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟不論是II

39、R濾波器還是FIR濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個(gè)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(gè)因果、穩(wěn)定的離散線性時(shí)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(zhǎng)選擇等。 2.4.5 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:Infinite Impulse response，無(wú)限沖擊響應(yīng)從性能上來(lái)說(shuō)，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，

40、所以經(jīng)濟(jì)而效率高。但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反的從FIR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(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)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(hào)延時(shí)也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來(lái)說(shuō)，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的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。第3章 語(yǔ)音信號(hào)的處理分析實(shí)例3.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集與讀取 語(yǔ)音信號(hào)采集與分析是以語(yǔ)音語(yǔ)言學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)而形成的一門涉及面很廣的綜合性學(xué)科，與心

41、理學(xué)、生理學(xué)通信與信息科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)以及模式識(shí)別和人工智能等學(xué)科都有著非常密切的關(guān)系，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集與分析的研究一直是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力量。這是因?yàn)樵S多新的處理方法的提出，首先是在語(yǔ)音信號(hào)處理中獲得成功，然后再推廣到其他領(lǐng)域!語(yǔ)音信號(hào)的分析與處理作為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)音采集和分析儀器的數(shù)字化、智能化、小型化和多功能化的發(fā)展越來(lái)越快，其分析速度也有了大幅度的提高! 下面的一段程序是語(yǔ)音信號(hào)在MATLAB中的最簡(jiǎn)單表現(xiàn)形式，它實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的讀取打開，以及繪出了語(yǔ)音信號(hào)的波形頻譜圖x,fs,bits=wavread('mm.wav',1024

42、5120);sound(x,fs,bits); X=fft(x,4096);magX=abs(X);angX=angle(X);subplot(221);plot(x);title('原始信號(hào)波形');subplot(222);plot(X); title('原始信號(hào)頻譜');subplot(223);plot(magX);title('原始信號(hào)幅值');subplot(224);plot(angX);title('原始信號(hào)相位');圖3-1 語(yǔ)音信號(hào)的讀入與打開3.2 語(yǔ)音信號(hào)的定點(diǎn)分析已知一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)，數(shù)據(jù)采樣頻率為100Hz

43、，試分別繪制N128點(diǎn)DFT的幅頻圖和N1024點(diǎn)DFT幅頻圖。編程如下：x=wavread('mm.wav');sound(x);fs=100;N=128;y=fft(x,N);magy=abs(y);f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y);subplot(221);plot(f,magy);xlabel('頻率（Hz）');ylabel('幅值');title('N=128(a)');gridsubplot(222);plot(f(1:N/2),magy(1:N/2);xlabel('頻

44、率（Hz）');ylabel('幅值');fs=100;N=1024;y=fft(x,N);magy=abs(y);f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y);subplot(223);plot(f,magy);xlabel('頻率（Hz）');ylabel('幅值');title('N=1024(c)');gridsubplot(224);plot(f(1:N/2),magy(1:N/2);xlabel('頻率（Hz）');ylabel('幅值');title(

45、'N=1024(d)');grid 圖3-2 語(yǔ)音信號(hào)定點(diǎn)分析3.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例3.3.1 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(jì)如下：x=wavread('mm.wav');sound(x);N=5;wc=0.3;b,a=butter(N,wc,'high');X=fft(x);subplot(321);plot(x);title('濾波前信號(hào)的波形');subplot(322);plot(X);title('濾波前信號(hào)的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=ff

46、t(y);subplot(323);plot(y);title('IIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(324);plot(Y);title('IIR濾波后信號(hào)的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);title('FIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(326):ploi(Z);title(FIR濾波后信號(hào)的頻譜);圖3-3 N階高通濾波器3.3.2 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(jì)如下：x=wavread('mm.wav&#

47、39;);sound(x);N=5;wc=0.3;b,a=butter(N,wc);X=fft(x);subplot(321);plot(x);title('濾波前信號(hào)的波形');subplot(322);plot(X);title('濾波前信號(hào)的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=fft(y);(y);title('IIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(324);plot(Y);title('IIR濾波后信號(hào)的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);ti

48、tle('FIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(326):plot(Z);title(FIR濾波后信號(hào)的頻譜);圖3-4 N階低通濾波器3.3.3 2N階帶通濾波器2N階帶通濾波器的設(shè)計(jì)（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(jì)如下：x=wavread('mm.wav');sound(x);N=5;wc=0.3,0.6;b,a=butter(N,wc);X=fft(x);subplot(321);plot(x);title('濾波前信號(hào)的波形');subplot(322);plot(X

49、);title('濾波前信號(hào)的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=fft(y);subplot(323);plot(y);title('IIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(324);plot(Y);title('IIR濾波后信號(hào)的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);title('FIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(326):plot(Z);title(FIR濾波后信號(hào)的頻譜); 圖3-5 帶通濾波器3.3.4 2N階帶阻濾波器 2N階帶阻濾波

50、器的設(shè)計(jì)（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(jì)如下：x=wavread('mm.wav'); sound(x);N=5;wc=0.2,0.7;b,a=butter(N,wc,'stop');X=fft(x);subplot(321);plot(x);title('濾波前信號(hào)的波形');subplot(322);plot(X);title('濾波前信號(hào)的頻譜');y=filter(b,a,x);Y=fft(y);subplot(323);plot(y);title('

51、;IIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(324);plot(Y);title('IIR濾波后信號(hào)的頻譜');z=fftfilt(b,x);Z=fft(z);subplot(325);plot(z);title('FIR濾波后信號(hào)的波形');subplot(326);plot(Z);title('FIR濾波后信號(hào)的頻譜');圖3-6 帶阻濾波器 第4章 圖形用戶界面設(shè)計(jì)4.1 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(jì)算機(jī)操作環(huán)境用戶接口。與早期計(jì)算機(jī)

52、使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)更為簡(jiǎn)便易用。GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可用用通過(guò)窗口、菜單、按鍵等方式來(lái)方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個(gè)方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點(diǎn)。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(jiǎn)化界面布局和編程工作。4.2 圖形用戶界面設(shè)計(jì)1.GUI設(shè)計(jì)模板在MATLAB主窗口中，選擇File菜單中的New菜單項(xiàng)，再選擇其中的GUI命令，就會(huì)顯示圖形用戶界面的設(shè)計(jì)模板。MATLAB為GUI設(shè)計(jì)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(duì)象的GUI模板) 、GUI with Axes and Menu