語音信號處理與濾波

1、語音信號處理與濾波 班 級： xxxxxx 學(xué) 號： xxxxx 姓 名： xxx 指導(dǎo)老師： xxx 成 績： 二一五年五月二十七目錄一、設(shè)計要求1二、設(shè)計步驟12.1 理論依據(jù)12.2 信號采集12.3 構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻譜分析12.4 數(shù)字濾波器設(shè)計12.5 信號處理2三、課程設(shè)計實現(xiàn)23.1 語音信號的采集23.2 語音信號的FFT頻譜分析23.3 構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻譜分析43.4 設(shè)計數(shù)字濾波器63.5 用濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波73.6 比較濾波前后語音信號的波形及頻譜7四、心得體會9五、參考文獻(xiàn)11六、源程序代碼11一、設(shè)計要求 本次課程設(shè)計要求利

2、用MATLAB對語音信號進(jìn)行數(shù)字信號處理和分析，要求采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進(jìn)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(jìn)行頻譜分析，設(shè)計合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。二、設(shè)計步驟 2.1 理論依據(jù) 根據(jù)設(shè)計要求分析系統(tǒng)功能，掌握設(shè)計中所需理論（采樣頻率、采樣位數(shù)的概念，采樣定理； 時域信號的FFT分析；數(shù)字濾波器設(shè)計原理和方法，各種不同類型濾波器的性能比較），闡明設(shè)計原理。 2.2 信號采集采集語音信號，并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，畫出信號時域波形圖和頻譜圖。 2.3 構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻譜分析 對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對語音

3、信號進(jìn)行回放，感覺加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結(jié)論。并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，比較加噪前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果進(jìn)行分析，闡明原因，得出結(jié)論。 2.4 數(shù)字濾波器設(shè)計 根據(jù)待處理信號特點，設(shè)計合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計濾波器的幅頻和相頻特性。 2.5 信號處理 用所設(shè)計的濾波器對含噪語音信號進(jìn)行濾波。對濾波后的語音信號進(jìn)行FFT頻譜分析。畫出處理過程中所得各種波形及頻譜圖。 對語音信號進(jìn)行回放，感覺濾波前后聲音的變化。比較濾波前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析，闡明原因，得出結(jié)論。三、課程設(shè)計實現(xiàn) 3.1 語音信號的采集利用PC 機(jī)上的聲卡和WINDO

4、WS 操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機(jī)的語音輸入插口上,啟動錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說話,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點擊放音按鈕,可以實現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“12020.wav”保存入E: 中，將文件以wav格式保存。 3.2 語音信號的FFT頻譜分析通過用windows錄音之后，將錄音的文件導(dǎo)入到MATLAB中，利用wavread函數(shù)對語音信號進(jìn)行采樣，并使用MATLAB繪出采樣后的語音信號的時域波形和頻譜圖。 Wavread 函數(shù)調(diào)用格式y(tǒng)=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,nbi

5、ts=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=wavread（file，N） %讀取錢N點的采樣值放在向量y中。y=wavread（file，N1,N2） %讀取從N1到N2點的采樣值放在向量y中。對語音信號speech.wav進(jìn)行采樣其程序如下：y,fs,nbits=wavered ('speech'); %把語音信號進(jìn)行加載入Matlab 仿真軟件平臺中fs =8000nbits =8然后畫出語音信號的時域波形，然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析。在matlab中利用fft對信號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性。

6、其程序如下：fs=8000,bits=8,T=1,Ts=1/fs;N=T/Ts;x,fs,bits=wavread('E:12020.wav');x=x(:,1);subplot(321);plot(x);sound(x,fs,bits);title('時域波形圖')y=fft(x,1024); n=(fs/1024)*1:1024; subplot(322);plot(n(1:512),abs(y(1:512);title('頻譜圖');程序結(jié)果如圖3.2：圖 3.2 3.3 構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻譜分析 在MATLAB軟件平臺下，給

7、原始的語音信號疊加上噪聲。噪聲類型分為如下幾種：（1）白噪聲；（2）單頻噪聲（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；（4）其它干擾，可設(shè)置為低頻、高頻、帶限噪聲，或Chirp干擾、沖激干擾。這里我們疊加單頻正弦干擾噪聲。 其程序如下：dt=0.01*sin(2*pi*7000*(1:size(x)/fs);%dt1=fft(dt,1024);%plot(n(1:512),abs(dt1(1:512);x1=x+dt'%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,1024);subplot(223);plot(x1);title('污染信號波形');sub

8、plot(224);plot(n(1:1024),abs(y1(1:1024);axis(0,12000,0,0.4);title('污染信號頻譜');程序結(jié)果如圖3.3：圖 3.2之后對語音信號進(jìn)行回放，感覺加噪前后聲音的變化，并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，比較加噪前后語音信號的波形及頻譜，并對所得結(jié)果進(jìn)行分析。 3.4 設(shè)計數(shù)字濾波器在設(shè)計一個數(shù)字濾波器之前，必須首先根據(jù)實際的需要來確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計合適的數(shù)字濾波器，并畫出濾波器的幅頻特性。這里我們設(shè)計了一個切比雪夫濾波器。其程序如下：wp=1000*2*pi;ws=1200*2*pi;fs=2500;Rp=0.3;R

9、s=40; N,Wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs,'s');z,p,k=cheb1ap(N,Rp); A,B,C,D=zp2ss(z,p,k); AT,BT,CT,DT=lp2lp(A,B,C,D,Wn);b,a=ss2tf(AT,BT,CT,DT); bz,az=impinvar(b,a,fs); H,W=freqz(bz,az); plot(W*fs/(2*pi),abs(H); grid; title('切比雪夫濾波器幅頻特性')xlabel('frequency/Hz'); ylabel('magnitude'

10、;); %切比雪夫濾波器切比雪夫濾波器的幅頻特性如圖3.4： 圖 3.4 3.5 用濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波用自己設(shè)計的切比雪夫濾波器對加噪的語音信號進(jìn)行濾波，在Matlab中，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)行濾波。切比雪夫濾波器：X=filter(bz,az,x) 3.6 比較濾波前后語音信號的波形及頻譜利用切比雪夫濾波器，程序如下：程序結(jié)果如圖 3.6wp=1000*2*pi;ws=1200*2*pi;Rp=0.3;Rs=40; N,Wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs,'s');z,p,k=cheb1ap(N,Rp); A,B,C,D=zp2ss(

11、z,p,k); AT,BT,CT,DT=lp2lp(A,B,C,D,Wn);b,a=ss2tf(AT,BT,CT,DT); bz,az=impinvar(b,a,fs);H,W=freqz(bz,az); X=filter(bz,az,x)%sound(X,fs,bits);figure(2)X1=fft(X,1024)subplot(221);plot(X);title('處理后的信號波形');subplot(222);plot(n(1:512),abs(X1(1:512); title('處理后的信號頻譜');圖3.6四、心得體會在本次課程設(shè)計的過程中，主要

12、遇到的問題是原始語音信號的采集。有些語音信號在MATLAB中運行時不能達(dá)到理想中的狀態(tài)，后來經(jīng)過多次實驗和對比，發(fā)現(xiàn)，一、錄音時聲音要足夠的大，才能采集好的語音信號；二、要將錄音后的文件后綴wma轉(zhuǎn)換成wav的格式。其次就是在濾波器參數(shù)的選取上，開始時不清楚怎么選取，后來通過查找書本相關(guān)知識和與同學(xué)討論才有效的解決這個問題。因此學(xué)習(xí)的過程是相互討論共同進(jìn)步的，多多討論課題中遇到的問題，可以鞏固我們的知識掌握能力，增加熟練運用度。從本次課程設(shè)計的中心來看，課題是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于某一實際領(lǐng)域，這里就是指對語音信號的處理。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

13、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)字信號的強有力工具M(jìn)ATLAB，通過MATLAB里幾個命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實際化語音與數(shù)字信號的理論之間搭起了一座橋梁。課題的特色在于它將采集到的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。同時改變相關(guān)參數(shù)，理論結(jié)合實際，可以分析出各參數(shù)對圖形的影響，從而加深對各個參數(shù)的理解。在完成這次課程設(shè)計過程中我學(xué)到了許多東西，進(jìn)一步理解了濾波器設(shè)計的方法和各參數(shù)意義，通過分析信號時域和頻域的關(guān)

14、系等，加深了對濾波性能的理解，而且學(xué)會了使用Matlab一些基本函數(shù)，增加了進(jìn)一步學(xué)習(xí)Matlab軟件的興趣。同時，通過本次課程設(shè)計，使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正學(xué)有所用，從而立鍛煉了我的動手能力，和提高了我分析問題，解決問題的能力。五、源程序代碼fs=8000,bits=8,T=1,Ts=1/fs;N=T/Ts;x,fs,bits=wavread('E:12020.wav');x=x(:,1);figure(1)subplot(221);plot(x);%sound(x,fs,

15、bits);title('時域波形圖')y=fft(x,1024);n=(fs/1024)*1:1024; subplot(222);plot(n(1:512),abs(y(1:512);title('頻譜圖');dt=0.01*sin(2*pi*7000*(1:size(x)/fs);%dt1=fft(dt,1024);%plot(n(1:512),abs(dt1(1:512);x1=x+dt'%sound(x1,fs,bits);y1=fft(x1,1024);subplot(223);plot(x1);title('污染信號波形')

16、;subplot(224);plot(n(1:1024),abs(y1(1:1024);axis(0,12000,0,0.4);title('污染信號頻譜');wp=1000*2*pi;ws=1200*2*pi;Rp=0.3;Rs=40; N,Wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs,'s');z,p,k=cheb1ap(N,Rp); A,B,C,D=zp2ss(z,p,k); AT,BT,CT,DT=lp2lp(A,B,C,D,Wn);b,a=ss2tf(AT,BT,CT,DT); bz,az=impinvar(b,a,fs);H,W=freqz(bz,

17、az); X=filter(bz,az,x)%sound(X,fs,bits);figure(2)X1=fft(X,1024)subplot(221);plot(X);title('處理后的信號波形');subplot(222);plot(n(1:512),abs(X1(1:512); title('處理后的信號頻譜');%主程序wp=1000*2*pi;ws=1200*2*pi;fs=2500;Rp=0.3;Rs=40; N,Wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs,'s');z,p,k=cheb1ap(N,Rp); A,B,C,D=zp2ss(z,p,k); AT,BT,CT,DT=lp2lp(A,B,C,D,Wn);b,a=ss2tf(AT,B