综合设计报告课程设计-基于MATLAB的语音信号录制采集和分析的程序设计.doc

i 学号：0809121055 20112012-学年 第 1 学期 综合设计报告综合设计报告 题题 目：目：语音信号频谱分析及滤波简介 班班 级：级： 08 级电子信息班 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 成成 绩：绩： 电气工程系 2011 年 11 月 16 日 ii 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 学生班级： 08 电子信息班 学生姓名： 学号： 设计名称：应用应用 matlabmatlab 对语音信号进行频谱分析及滤波简介对语音信号进行频谱分析及滤波简介 起止日期： 2011 年 11 月 7 日至 2011 年 11 月 18 日 指导教师： 王银花 摘要摘要 随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理逐渐发展成为 一门独立的学科，成为信息科学的重要组成部分，在语音处理、雷达、 图像处理、通信、生物医学工程等众多领域中得到广泛应用。 matlab 语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高 级语言，matlab 功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工 作者的喜爱。特别是 matlab 还具有信号分析工具箱，不需具备很强 的编程能力，就可以很方便地进行语音信号分析、处理和设计。语音 信号的抽样、频谱分析，滤波器的设计及语音信号的滤波，通过数字 信号处理课程的理论知识的综合运用。从实践上初步实现对数字信号 的处理。 关键词： 语音处理 抽样 频谱分析 滤波器 目目 录录 摘要摘要. 第一节 设计要求1 第二节 设计方案1 第二章第二章 语音信号的采集及加噪语音信号的采集及加噪.2 第一节 语音信号的录制2 第二节 语音信号的时域分析3 第三节 语音信号加噪和频谱分析5 第三章第三章 滤波器设计滤波器设计7 第一节 fir 和 iir 数字滤波器的选择.7 第二节 用 fir 滤波器语音信号进行滤波 9 一 滤波器的程序设计.9 二 滤波前后信号比较10 第三节 比较回放语音信号 .12 第四章第四章 心得体会心得体会.13 参考文献参考文献14 1 第一章 课程设计方案提出 第一节第一节 设计要求设计要求 要求录制一段的语音信号后，在 matlab 软件中采集语音信号、 回放语音信号并画出语音信号的时域波形和频谱图；对所采集的信号加 入干扰噪声，对加入噪声进行播放，并进行时域和频谱分析；对比及早 前后的时域图和频谱图，分析讨论采用什么的滤波器进行滤除噪声。 第二节第二节 设计方案设计方案 windows 自带的录音机 声音麦克风声卡滤波采样a/d 转换 wav 图 1.1 语音信号录制流程图 首先，录制一段语音信号（如图 1.1）；然后，利用 matlab 中 的 wavread 命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再将 该向量看作一个普通的信号，对其进行 fft 变换实现频谱分析；随后， 利用 matlab 中的随机函数(rand 或 randn)产生噪声加入到语音信号中， 模仿语音信号被污染，并对其频谱分析。最后；再依据实际情况对它进 行滤波。对于波形图与频谱图（包括滤波前后的对比图）都可以用 matlab 画出。我们还可以通过 sound 命令来对语音信号进行回放， 以便在听觉上来感受声音的变化。 2 第二章第二章 语音信号的采集及加噪语音信号的采集及加噪 第一节第一节 语音信号的录制语音信号的录制 利用 pc 机上的声卡和 windows 操作系统可以进行数字信号的 采集。将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机。按下录音按 钮,接着对话筒说话“语音信号处理”,说完后停止录音,屏幕左侧将显示 所录声音的长度，点击放音按钮,可以实现所录音的重现。以文件名 “shijiebei”保存入 d: matlab work 中。文件存储器的后缀默认为. wav ,这是 windows 操作系统规定的声音文件存的标准。具体操作如 下： a.打开 开始/程序/附件/娱乐/录音机（如图 3.1）; 图 3.1 b.用 windows media player 播放一首音乐并用 mic 对着耳机录音或 自已说话录音（按键） ，到 10 秒时停止（按键） （如图 3.1） ； 3 图 3.2 图 3.3 c.将录制文件加存为 d:/matlab7/work 中，文件名为 shijiebei.wav（如图 3.2、图 3.3 和图 3.4） ； 图 3.4 第二节第二节 语音信号的时域分析语音信号的时域分析 在matlab软件平台下，利用matlab中的“wavread”命令来读 入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再对其进行采样，记住采 样频率和采样点数。通过使用wavread函数，可以深入理解采样频率、 采样位数等概念，下面介绍wavread 函数几种调用格式。 （1）y=wavread（file） ；读取 file 所规定的 wav 文件，返回采样 值放在向量 y 中。 （2）y,fs,nbits=wavread(file) ；采样值放在向量 y 中，fs 表 4 示采样频率（hz） ，nbits 表示采样位数。 （3）y=wavread（file，n） ；读取钱 n 点的采样值放在向量 y 中。 （4）y=wavread（file，n1,n2） ；读取从 n1 到 n2 点的采样值放 在向量 y 中。 接下来，对语音信号 shijiebei.wav 进行采样。 其采样程序如下： y,fs,nbits=wavered (e:shejishijiebei); 即把语音信号加载入 matlab 仿真软件平台中。 然后，画出语音信号的时域波形，再对语音信号进行频谱分析。 matlab 提供了快速傅里叶变换算法 fft 计算 dft 的函数 fft,其调用格 式如下： xk=fft(xn,n) 参数 xn 为被变换的时域序列向量，n 是 dft 变换区间长度，当 n 大于 xn 的长度时，fft 函数自动在 xn 后面补零。 ，当 n 小于 xn 的长度 时，fft 函数计算 xn 的前 n 个元素，忽略其后面的元素。 在本次设计中，我们利用 fft 对语音信号进行快速傅里叶变换，就 可以得到信号的频谱特性。 其程序如下： y,fs,nbits=wavread ( e:shejishijiebei); sound(y,fs,nbits); %回放语音信号 n= length (y) ; %求出语音信号的长度 y=fft(y,n); %傅里叶变换 subplot(2,1,1); plot(y);title(原始信号波形); 5 subplot(2,1,2); plot(abs(y); title(原始信号频谱) 程序运行结果如下图： 012345678 x 10 4 -1 -0.5 0 0.5 1 信 信 信 信 信 信 信 信 信 012345678 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 信 信 信 信 信 信 信 图3.5 原始信号波形及频谱 第三节第三节 语音信号加噪和频谱分析语音信号加噪和频谱分析 matlab 中产生高斯白噪声非常方便，有两个产生高斯白噪声的 两个函数 。我们可以直接应用两个函数：一个是 wgn，另一个是 awgn。wgn 用于产生高斯白噪声，awgn 则用于在某一信号中加入 高斯白噪声。也可直接用 randn 函数产生高斯分布序列。 在本次课程设计中，我们是利用 matlab 中的随机函数(rand 或 randn)产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，并对其频谱 6 分析。randn 函数有两种基本调用格式：randn(n)和 randn（m,n）,前 者产生 nn 服从标准高斯分布的随机数矩阵，后者产生 mn 的随机 数矩阵。在这里，我们选用 randn（m,n）函数。语音信号添加噪声及 其频谱分析的主要程序如下： y,fs,nbits=wavread ( e:shejishijiebei); n = length (y) ; %求出语音信号的长度 noise=0.01*randn(n,2); %随机函数产生噪声 si=y+noise; %语音信号加入噪声 sound(si); subplot(2,1,1); plot(si);title(加噪语音信号的时域波形); s=fft(si); %傅里叶变换 subplot(2,1,2); plot(abs(s); title(加噪语音信号的频域波形); 程序运行结果如下图： 7 图3.6 加噪后的波形及频谱分析 第三章第三章 滤波器设计滤波器设计 第一节第一节 fir 和和 iir 数字滤波器数字滤波器的选择的选择 iir 滤波器和 fir 滤波器的设计方法完全不同。iir 滤波器设计方 法有间接法和直接法，间接法是借助于模拟滤波器的设计方法进行的。 其设计步骤是：先设计过渡模拟滤波器得到系统函数 h（s） ，然后将 h（s）按某种方法转换成数字滤波器的系统函数 h(z)。fir 滤波器必须 采用间接法，常用的方法有窗函数法、频率采样发和切比雪夫等波纹逼 近法。对于线性相位滤波器，经常采用 fir 滤波器。 数字滤波器种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数 8 的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应( fir，finite impulse response)滤波器和无限冲激响应( iir，infinite impulse response)滤波器。 fir滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈 ， 系统函数h (z)在极点处收敛，极点全部在 z = 0处（因果系统） ，因 而只能用较高的阶数达到高的选择性。 fir数字滤波器的幅频特性精 度较之于iir数字滤波器低，但是线性相位，就是不同频率分量的信 号经过fir滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。 fir数字 滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程，用 于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。 fir滤波器因具 有系统稳定，易实现相位控制，允许设计多通带（或多阻带）滤波器等 优点收到人们的青睐。 iir滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。iir滤波器运 算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接 型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。同时， iir数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃 斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，在设计一个iir数字滤波器时，我们根 据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器 的公式转换成数字滤波器的公式。 下面我们着重介绍用窗函数法设计 fir 滤波器的步骤。如下： （1）根据对阻带衰减及过渡带的指标要求，选择串窗数类型（矩 形窗、三角窗、汉宁窗、汉明窗、凯塞窗等） ，并估计窗口长度 n。先 按照阻带衰减选择窗函数类型。原则是在保证阻带衰减满足要求的情况 下，尽量选择主瓣的窗函数。 （2）构造希望逼近的频率响应函数。 9 （3）计算 h(n).。 （4）加窗得到设计结果。 接下来，我们根据语音信号的特点给出有关滤波器的技术指标： 低通滤波器的性能指标： fp=1000hz，fc=1200hz，as=100db ,ap=1db 高通滤波器的性能指标： fp=3500hz，fc=4000hz，as=100db，ap=1db； 带通滤波器的性能指标： fp1=1200hz，fp2=3000hz，fc1=1000hz，fc2=3200hz，as=100db，ap =1db 在 matlab 中，可以利用函数 fir1 设计 fir 滤波器，利用函数 butter,cheby1 和 ellip 设计 iir 滤波器，利用 matlab 中的函数 freqz 画出 各步步器的频率响应。 hn=fir1(m，wc，window)，可以指定窗函数向量 window。如果缺 省 window 参数，则 fir1 默认为哈明窗。其中可选的窗函数有 rectangular barlrtt hamming hann blackman 窗，其相应的都有实现函数。 函数 butter,cheby1 和 ellip 设计 iir 滤波器时都是默认的双线性变换 法，所以在设计滤波器时只需要代入相应的实现函数即可 第二节第二节 用用 fir 滤波器语音信号进行滤波滤波器语音信号进行滤波 一一 滤波器的程序设计滤波器的程序设计 由频谱图可以看出信号能量集中在低频部分，为了减少无用的高频 分量我设计了以下的 fir 低通滤波器将其滤除。 10 该设计采用窗函数法（汉明窗）来完成以下指标的低通滤波器。 通带截频 fp=3000hz，阻带截频 fs=3500hz，通带最大衰减 0.3db，阻 带最小衰减 50db，采样频率 fs 为信号源采样频率 22050hz。源程序如 下： wp=3000*2*pi;ws=3500*2*pi;ap=0.3;as=50;fs=22050; wp=wp/fs;ws=ws/fs; %归一化通带截频，阻带截频 wdelta=ws-wp; %过渡带宽 %由阻带最小衰减指标确定选用汉明窗，并确定其阶数 n=ceil(6.6*pi/wdelta) nw=n; n=0:n-1; m=n-alpha+eps;%理想滤波器脉冲响应 wc=(wp+ws)/2; %理想截频 hd=sin(wc*m)./(pi*m); %采用汉明窗设计 win=hamming(nw); h=hd.*win; b=h; h,f=freqz(b,1,512,fs); %绘制滤波器的幅频响应图 plot(f，20*log10(abs(h) xlabel(频率);ylabel(幅度); title(滤波器幅频特性);grid on; 幅频特性曲线如下所示： 11 020004000600080001000012000 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 图 3.7 滤波器幅频特性曲线 二二 滤波前后信号比较滤波前后信号比较 源程序如下： x,fs,bits=wavread( e:shejishijiebei );%信号读取 sound(x,fs); y=fftfilt(b,y); %滤波输出 figure(2) subplot(2,1,1)； plot(x),title(输入信号) %绘制输入信号 subplot(2,1,2)；plot(y) % 绘制输出信号 xlabel(时间/s),title(输出信号) sound(y,fs);%输入输出频谱 x=fft(x); y=fft(y); 12 figure(3); subplot(2,1,1);plot(abs(x); xlabel(频率);ylabel(幅度); title(输入信号频谱);grid on; subplot(2,1,2);plot(abs(y); xlabel(频率);ylabel(幅度); title(输出信号频谱);grid on; 时域图如下： 012345678 x 10 4 -1 -0.5 0 0.5 1 信 信 信 信 012345678 x 10 4 -1 -0.5 0 0.5 1 信 信 /s 信 信 信 信 图 3.8 原信号与滤波后时域波形比较 频谱图如下： 13 012345678 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 012345678 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 图 3.9 原信号与滤波后信号频谱图比较 第三节第三节 比较回放语音信号比较回放语音信号 经过以上的加噪声滤波处理后，可在 matlab 中用函数 sound 对声 音进行回放。其调用格式：sound(y,fs)，sound(y)和 sound(y,fs,bits)。可 以察觉滤波前后的声音有明显的变化。通过上面的频谱图可以很清晰地 观察到经过滤波后与滤波前存在明显差别，滤波后的频谱比加噪语音信 号的频谱清晰，滤波后的声音显得比较低沉，因为原始信号经过低