數(shù)字信號處理在語音信號分析中的應(yīng)用(共15頁)

1、數(shù)字(shz)信號處理課程設(shè)計報告(bogo)數(shù)字信號處理在語音(yyn)信號分析中的應(yīng)用專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391742231 摘 要3 HYPERLINK l _Toc391742232 1、緒論(xln)3 HYPERLINK l _Toc391742233 2、課程設(shè)計的具體內(nèi)容4 HYPERLINK l _Toc391742234 2.1.1、讀取語音信號(xnho)的任務(wù)4 HYPERLINK l _Toc391742235 2.1.2、任務(wù)分析和解決方案5 HYPERLINK l _Toc3917

2、42237 2.1.4、運行結(jié)果(ji gu)和相應(yīng)的分析5 HYPERLINK l _Toc391742238 2.2、IIR濾波器設(shè)計和濾波處理6 HYPERLINK l _Toc391742239 2.2.1、設(shè)計任務(wù)6 HYPERLINK l _Toc391742240 2.2.2、任務(wù)分析和解決方案7 HYPERLINK l _Toc391742241 2.2.3、編程得到的MATLAB代碼7 HYPERLINK l _Toc391742242 2.2.4、運行結(jié)果和相應(yīng)的分析7 HYPERLINK l _Toc391742243 2.3、FIR濾波器設(shè)計和濾波處理9 HYPERLI

3、NK l _Toc391742244 2.3.1、設(shè)計任務(wù)9 HYPERLINK l _Toc391742245 2.3.2、任務(wù)分析和解決方案9 HYPERLINK l _Toc391742246 2.3.3、編程得到的MATLAB代碼9 HYPERLINK l _Toc391742247 2.3.4、運行結(jié)果和相應(yīng)的分析11 HYPERLINK l _Toc391742248 3、總結(jié)13 HYPERLINK l _Toc391742249 4、存在的不足及建議13 HYPERLINK l _Toc391742250 5、參考文獻13數(shù)字(shz)信號處理設(shè)計任務(wù)書摘 要語音信號濾波處理是

4、研究(ynji)用數(shù)字信號處理技術(shù)和語音學(xué)知識對語音信號進行處理的新興的學(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。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便(fngbin)的交換信息形式。 Matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應(yīng)用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號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音信號的處理和分析以及信號的可視化，使人機交互更加便捷。信號處理是Ma

5、tlab重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一。 本設(shè)計通過錄制一段語音，對其進行了時域分析，頻譜分析,分析語音信號的特性。并應(yīng)用matlab平臺對語音信號進行加噪然后再除去噪聲，進一步設(shè)計兩種種濾波器即高通濾波器、帶通濾波器，基于這兩種濾波器設(shè)計原理，對含加噪的語音信號進行濾波處理。最后對比濾波前后的語音信號的時域和頻域特性，回放含噪語音信號和去噪語音信號。論文從理論和實踐上比較了不同數(shù)字濾波器的濾波效果。緒論通過語音傳遞倍息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語言是人類持有的功能，聲音是人類常用的工具，是相互傳遞信息的最主要的手段。因此，語音信號是人們構(gòu)成思想疏通和感情交流的最主要的途徑。并

6、且，由于語言和語音與人的智力活動密切相關(guān)，與社會文化和進步緊密相連，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平?，F(xiàn)在，人類已開始進入了信息化時代，用現(xiàn)代手段研究語音信號，使人們能更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲、獲取和應(yīng)用語音信息，這對于促進社會的發(fā)展具有十分重要的意義。讓計算機能聽懂人類的語言，是人類自計算機誕生以來夢寐以求的想法。隨著計算機越來越向便攜化方向發(fā)展，隨著計算環(huán)境的日趨復(fù)雜化，人們越來越迫切要求擺脫鍵盤的束縛而代之以語音輸人這樣便于使用的、自然的、人性化的輸人方式。作為高科鼓應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點，語音信號采集與分析從理論的研究到產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)走過了幾十個春秋并且取得了長足的進步。它正在直

7、接與辦公、交通、金融、公安、商業(yè)、旅游等行業(yè)的語音咨詢與管理工業(yè)生產(chǎn)部門的語聲控制，電話、電信系統(tǒng)的自動撥號、輔助控制與查詢以及醫(yī)療衛(wèi)生和福利事業(yè)的生活支援系統(tǒng)等各種實際應(yīng)用領(lǐng)域相接軌，并且有望成為下一代操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的用戶界面?？梢?，語音信號采集與分析的研究將是一項極具市場價值和挑戰(zhàn)性的工作。我們今天進行這一領(lǐng)域的研究與開拓就是要讓語音信號處理技術(shù)走人人們的日常生活當(dāng)中，并不斷朝更高目標(biāo)而努力。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)，用來對信號進行過濾、檢測和參數(shù)估計等處理。IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點是給定一組指標(biāo)時，它的階數(shù)要比相同組的FIR濾波器的低的多。信號處理中和頻譜分析最為密切的理論基

8、礎(chǔ)是傅立葉變換（FT）。離散傅立葉變換（DFT）和數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的最基本內(nèi)容通過數(shù)字信號處理的課程設(shè)計，使學(xué)生對信號的采集，處理，傳輸，顯示，存儲和分析等有一個系統(tǒng)的掌握和理解。鞏固和運用數(shù)字信號處理課程中的理論知識和實驗技能，掌握最基本的數(shù)字信號處理的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。2、課程設(shè)計的具體內(nèi)容用MATLAB對語音(yyn)信號進行分析與處理，采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進行(jnxng)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(jnxng)頻譜分析，設(shè)計合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。對一段語音信號進行采樣；畫出

9、采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；用自己設(shè)計的濾波器對采集的信號進行濾波，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；最后，設(shè)計一個信號處理系統(tǒng)界面。設(shè)計內(nèi)容：采樣一段語音信號；畫出語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標(biāo)，設(shè)計數(shù)字濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用設(shè)計的濾波器對采集的信號進行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜。關(guān)鍵技術(shù)：頻譜圖的理解；設(shè)計數(shù)字濾波器；數(shù)字濾波的方法；解決思路：對語音號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性；在MATLAB環(huán)境中可以利用函數(shù)fir設(shè)計FIR濾波器，可以利用函數(shù)butter設(shè)計IIR濾波器

10、；利用MATLAB中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。2.1.1、讀取語音信號的任務(wù)自制一段語音信號（要求：我叫*，學(xué)號*，是東莞理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院2012級電子卓越班的學(xué)生）。2.1.2、任務(wù)分析和解決方案在MATLAB軟件平臺下，利用(lyng)函數(shù)wavread對語音(yyn)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(yoqi)理解掌握采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。2.1.3、編程得到的MATLAB代碼z1,Fs=audioread(F:cjlchenjunlin.wma);sound(z1,Fs);%播放語音信號figure(1)plot(z1)

11、;figure(1);plot(z1);title(時域圖);xlabel(時間（n）);ylabel(幅值（n）);頻域程序：z2,Fs=audioread(F:cjlchenjunlin.wma);y1=fft(z2);y1=fftshift(y1); sound(z2,Fs); %播放語音信號figure(2);derta_Fs = Fs/length(z2);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(y1);title(頻譜圖); xlabel(時間（n）);ylabel(幅值（n）);2.1.4、運行結(jié)果和相應(yīng)的分析 由圖可知(k zh)人的聲音(

12、shngyn)分布在低頻。而聲音比較底和深沉(shnchn)。2.2、IIR濾波器設(shè)計和濾波處理2.2.1、設(shè)計任務(wù)要求用自己設(shè)計的各種濾波器(高通、低通)分別對采集的信號進行濾波。 2.2.2、任務(wù)分析和解決方案在MATLAB中，利用函數(shù)filter對信號進行濾波。利用MATLAB中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。2.2.3、編程得到的MATLAB代碼IIR數(shù)字低通濾波器fs=22050;z3,Fs=audioread(F:cjlchenjunlin.wma);Ts=1/fs;R1=10;wp=2*pi*1000/fs;%通帶截止頻率?ws=2*pi*1200/fs;%阻帶截止頻率R

13、p=1;%通帶衰減?Rl=100;%阻帶衰減?wp1=2/Ts*tan(wp/2);%將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)?ws1=2/Ts*tan(ws/2);N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,R1,s);%選擇濾波器的最小階數(shù)Z,P,K=buttap(N);%創(chuàng)建butterworth模擬低通濾波器?Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn);%將模擬原型低通濾波器轉(zhuǎn)換為低通濾波器bz,az=bilinear(b,a,fs);%用雙線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換?H,W=freqz(bz,az);%繪制頻率響應(yīng)曲線?figure(1)

14、plot(W*fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel(頻率Hz)ylabel(頻率響應(yīng)(pn l xin yn)幅度)title(IIR低通濾波器)f1=filter(bz,az,z3);figure(2)subplot(2,1,1)plot(z3)%畫出濾波(lb)前的時域圖?title(IIR低通濾波(lb)器濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(f1);%畫出濾波后的時域圖?title(IIR低通濾波器濾波后的時域波形);sound(f1,44100);%播放濾波后的信號?F0=fft(f1);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=

15、fft(z3);subplot(2,1,1);derta_Fs = Fs/length(z3);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(y2);%畫出濾波前的頻譜圖?title(IIR低通濾波器濾波前的頻譜)xlabel(頻率/Hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2)derta_Fs = Fs/length(z2);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(F0);%畫出濾波后的頻譜圖?title(IIR低通濾波器濾波后的頻譜)xlabel(頻率/Hz);ylabel(幅值);IIR數(shù)字高通濾波器fc1

16、=4000;z2,Fs=audioread(F:cjlchenjunlin.wma);N2=2*pi*3.1/(0.1*pi)wc2=2*pi*fc1/fs;N2=N2+mod(N2,2);Window=hanning(N2+1);b2=fir1(N2,wc2/pi,high,Window);x1_high = filter(b2,1,x1);%對信號進行高通濾波figure(1);plot(x1_high);title(信號經(jīng)過高通濾波器(時域);figure(2);derta_fs = fs/length(z2);plot(-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs,abs(

17、fftshift(fft(x1_high);title(信號經(jīng)過高通濾波器（頻域）)2.2.4、運行結(jié)果和相應(yīng)的分析語音高頻成分音質(zhì)非常尖銳，齒音中，聲音有些(yuxi)暗淡。語音低頻成分音質(zhì)沉穩(wěn)，空間感覺強，語音渾厚。IIR的設(shè)計(shj)理念是這樣的：根據(jù)所要設(shè)計濾波器的參數(shù)去確定一個模擬濾波器的傳輸函數(shù)，然后再根據(jù)這個傳輸函數(shù)，通過雙線性變換、或脈沖響應(yīng)不變法來進行數(shù)字濾波器的設(shè)計。它的設(shè)計比較復(fù)雜，復(fù)雜在于它的模擬濾波器傳輸函數(shù)H（s）的確定。這一點我們可以讓軟件來實現(xiàn)。然后，我們說一下它的具體實現(xiàn)步驟：首先你要先確定你需要一個什么樣的濾波器，巴特沃斯型，切比雪夫型，還是其它什么型的濾

18、波器。當(dāng)你選定一個型號后，你就可以根據(jù)設(shè)計參數(shù)和這個濾波器的計算公式來確定其階數(shù)、傳輸函數(shù)(hnsh)的表達式。通常這個過程中還存在預(yù)扭曲的問題。IIR數(shù)字低通濾波器波形IIR數(shù)字(shz)高通濾波器波形(b xn)2.3、FIR濾波器設(shè)計(shj)和濾波處理2.3.1、設(shè)計(shj)任務(wù)要求用自己(zj)設(shè)計的各種濾波器(高通、低通)分別對采集的信號進行濾波2.3.2、任務(wù)分析和解決方案在MATLAB中，F(xiàn)IR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進行濾波。利用MATLAB中的函數(shù)freqz畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。2.3.3、編程得到的MATLAB

19、代碼FIR低通濾波器fs=10000;x1,Fs=audioread(F:cjlchenjunlin.wma);wp=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;sound(x1,Fs); Rp=1;Rs=100;wdelta=ws-wp;N=ceil(8*pi/wdelta);%取整wn=(wp+ws)/2;b,a=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1);%選擇窗函數(shù)，并歸一化截止頻率figure(1)freqz(b,a,512);title(FIR低通濾波器);f2=filter(b,a,x1);figure(2)subplot(2,1,1)plot(x1)tit

20、le(FIR低通濾波(lb)器濾波前的時域波形);subplot(2,1,2)plot(f2);title(FIR低通濾波(lb)器濾波后的時域波形);sound(f2,44100);%播放濾波后的語音(yyn)信號F0=fft(f2);f=fs*(0:511)/1024;figure(3)y2=fft(x1);subplot(2,1,1);derta_Fs = Fs/length(x1);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(y2);title(FIR低通濾波器濾波前的頻譜)xlabel(頻率/Hz);ylabel(幅值);subplot(2,1,2)

21、derta_Fs = Fs/length(x1);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(F0);title(FIR低通濾波器濾波后的頻譜)xlabel(頻率/Hz);ylabel(幅值);FIR高通濾波器y,Fs=audioread(F:cjlchenjunlin.wma);sound(y,Fs); %播放語音信號y_after_fir=filter(b,1,y);figure;plot(y_after_fir);sound(y_after_fir,44100);%播放濾波后的語音信號?title(濾波后信號時域);xlabel(t/s);ylabel(

22、幅度);fft_y1=fftshift(fft(y_after_fir);figure;derta_Fs = Fs/length(y);plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(fftshift(fft(y_after_fir);title(濾波后信號頻譜);xlabel(f/Hz);ylabel(幅度);FIR低通濾波器波形FIR高通濾波器波形(b xn)2.3.4、運行(ynxng)結(jié)果和相應(yīng)的分析 FIR濾波的效果(xiogu)不如IIR因為(yn wi)其濾波后還能聽到很多噪聲。FIR：有限脈沖響應(yīng)濾波器。有限說明其脈沖響應(yīng)是有限的。與IIR相比，它具有線性相位、容易設(shè)計的優(yōu)點。這也就說明，IIR濾波器具有相位不線性，不容易設(shè)計的缺點。而另一方面，IIR卻擁有FIR所不具有的缺點，那就是設(shè)計同樣參數(shù)的濾波器，F(xiàn)IR比IIR需要更多的參數(shù)。這也就說明，要增加DSP的計算量。DSP需要更多的計算時間，對DSP的實時性有影響。以下都是低通濾波器的設(shè)計。FIR濾波器的設(shè)計比較簡單，就是要設(shè)計一個數(shù)字濾波器去逼近一個理想的低通濾波器