语音信号的采集与分析毕业论文.doc

毕 业 论 文 题目 题目 语言信号的采集与分析语言信号的采集与分析 学学 生 生 学学 号 号 学学 院 院 专专 业 业 指导教师 指导教师 201 年年 月月 日日 语音信号的采集与分析 摘 要 语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科 语音 信号处理的目的是得到某些参数以便高效传输或存储 或者是用于某种应用 如人工合 成出语音 辨识出讲话者 识别出讲话内容 进行语音增强等 1 本文简要介绍了语音 信号采集与分析的发展史以及语音信号的特征 采集与分析方法 并通过 PC 机录制一 段声音 采集语音信号后 在 MATLAB 软件平台上进行频谱分析 并对所采集的语音 信号加入干扰噪声 对加入噪声的信号进行频谱分析 设计合适的滤波器滤除噪声 恢复原信号 利用 MATLAB 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 再依据实际情况对它进 行滤波 然后我们还可以通过 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 关键词 语音信号 信号处理 采集分析 MATLAB I Audio Signal Acquisition And Analysisbased ABSTRACT Voice signal processing is a subject that we use digits signal processing to deal with audio signal The purpose of the signal processing is to get some certain parameters which is to transport or stored efficiently or is used in some applications such as synthesis the voice artificially recognize the speaker identify the speech content process speech enhancement and so on This paper introduces the voice signal acquisition and analysis of the history of the development as well as the characteristics of speech signal collection and analysis methods Recording a voice through the PC and after the speech signal acquisition We process the spectrum analysis in MATLAB software platform and add noise interference to the speech signal and then process signal spectrum analysis to the speech signal adding noise design appropriate filters filter out noise to restore the original signal Using MATLAB to read acquisition speech signal It is assigned to a vector Then see the vector as a common signal and transform their FFT to carry out spectrum analysis and then it is filtered based on the actual situation We can also play back on the speech signal though sound command to feel up the change of the voice Key words audio signal acquisition and analysis signal processing MATLAB 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 选题背景及意义 1 1 2 语音信号在国内外研究现状 1 1 3 本文主要工作 2 2 系统设计的可行性研究 3 2 1 语音信号处理的概念 3 2 2 语音信号的特点 3 2 3 语音信号的处理的要求及可行性 3 2 4 MATLAB 仿真软件的介绍 4 3 系统设计 5 3 1 系统设计的理论依据 5 3 1 1 采样定理 5 3 1 2 采样频率 5 3 1 3 语音的录入与打开 5 3 1 4 时域信号的 FFT 分析 5 3 1 5 语音信号的频域分析 6 3 1 6 数字滤波器设计原理 6 3 1 7 数字滤波器的设计步骤 6 3 1 8 IIR 滤波器与 FIR 滤波器的性能比较 6 3 2 系统的详细设计 7 3 2 1 图形用户界面 GUI 制作 7 3 2 2 系统功能的实现 8 4 系统调试及运行 15 5 总结 26 致 谢 27 参考文献 28 语音信号采集与分析 1 绪论 1 1 选题背景及意义 语言是人类特有的功能 它是创造和记载几千年人类文明史的根本手段 没有语 言就没有今天的人类文明 语音是语言的声学表现 是相互传递信息的最重要的手段 是人类最重要 最有效 最常用和最方便的交换信息的形式 通过语言相互传递信息 是人类最重要的基本功能之一 让计算机能听懂人类的语言 是人类自计算机诞生以 来梦寐以求的想法 用现代手段研究语音信号 使人们能更加有效地产生 传输 存 储 获取和应用语音信息 2 通过语音传递倍息是人类最重要 最有效 最常用和最方便的交换信息的形式 语言是人类持有的功能 声音是人类常用的工具 是相互传递信息的最主要的手段 因此 语音信号是人们构成思想疏通和感情交流的最主要的途径 并且 由于语言和 语音与人的智力活动密切相关 与社会文化和进步紧密相连 所以它具有最大的信息 容量和最高的智能水平 3 现在 人类已开始进入了信息化时代 用现代手段研究语音 信号 使人们能更加有效地产生 传输 存储 获取和应用语音信息 这对于促进社 会的发展具有十分重要的意义 让计算机能听懂人类的语言 是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法 随着计 算机越来越向便携化方向发展 随着计算环境的日趋复杂化 人们越来越迫切要求摆 脱键盘的束缚而代之以语音输人这样便于使用的 自然的 人性化的输人方式 作为 高科鼓应用领域的研究热点 语音信号采集与分析从理论的研究到产品的开发已经走 过了几十个春秋并且取得了长足的进步 它正在直接与办公 交通 金融 公安 商 业 旅游等行业的语音咨询与管理 工业生产部门的语声控制 电话 电信系统的自 动拨号 辅助控制与查询以及医疗卫生和福利事业的生活支援系统等各种实际应用领 域相接轨 并且有望成为下一代操作系统和应用程序的用户界面 可见 语音信号采 集与分析的研究将是一项极具市场价值和挑战性的工作 我们今天进行这一领域的研 究与开拓就是要让语音信号处理技术走 语音信号采集与分析之所以能够那样长期地 深深地吸引广大科学工作者去不断 地对其进行研究和探讨 除了它的实用性之外 另一个重要原因是 它始终与当时信 息科学中最活跃的前沿学科保持密切的联系 并且一起发展 语音信号采集与分析是 以语音语言学和数字信号处理为基础而形成的一门涉及面很广的综合性学科 与心理 生理学 计算机科学 通信与信息科学以及模式识别和人工智能等学科都有着非常密 切的关系 对语音信号采集与分析的研究一直是数字信号处理技术发展的重要推动力 量 因为许多处理的新方法的提出 首先是在语音信号处理中获得成功 然后再推广 语音信号采集与分析 1 到其他领域 3 1 2 语音信号在国内外研究现状 语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新 兴的学科 是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一 60 年代之前的发展主要有 1876 年 Bell 发明电话 1939 年 H Dudley 研制成功第 一个声码器 1942 年 Bell 实验室发明了语谱仪 1948 年美国 Haskin 实验室研制成功 语图回放机 1952 年 Bell 实验室研制成能识别十个英语数字的识别器 60 年代以 后 随着计算机技术的发展 语音信号处理技术获得了长足的进步 计算机模拟实验 取代了硬件研制的传统做法 各种突破性的思想不断涌现 20 世纪 60 年代中期形成的 一系列数字信号处理的理论和算法 如数字滤波器 快速傅立叶变换 FFT 等是语音 信号数字处理的理论和技术基础 主要的有 Martin 等人为邮局研制了邮政编码阅读机 随着信息科学技术的飞速发展 语音信号处理取得了重大的进展 进入 70 年代之后 提出了用于语音信号的信息压缩和特征提取的线性预测技术 LPC 并已成为语音信 号处理最强有力的工具 广泛应用于语音信号的分析 合成及各个应用领域 以及用 于输入语音与参考样本之间时间匹配的动态规划方法 20 世纪 80 年代 由于矢量量化 隐马尔可夫模型和人工神经网络 ANN 的研究取 得了迅速发展 并相继被应用与语音信号处理 经过不断的改进与完善 使得语音信 号处理技术产生了突破型的进展 进入 20 世纪 90 年代以来 语音信号的采集与分析 在实用化这一方面取得了很多的实质性的进展 语音信号处理的各项课题是促进其发 展的重要动力之一 同时 它的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术之中 4 1 3 本文主要工作 本次语音信号的采集与分析的设计主要是介绍语音信号的采集与分析方法 通过 PC 机录制一段声音 通过制作图形用户界面 GUI 并运用 MATLAB 提供的函数进行 分析 并画出采样后语音信号的时域波形和频谱图 对所采集的语音信号加入干扰噪 声 对加入噪声的信号进行播放 并进行时域和频谱分析 对比加噪前后的时域图和 频谱图 并设计滤波器进行滤除噪声 陕西科技大学毕业论文 2 2 系统设计的可行性研究 2 1 语音信号处理的概念 语音信号处理简称语音处理 是以语音学和数字信号处理为基础而形成的一门综 合性学科 处理的目的是要得到一些语音参数以便高效的传输或存储 或者通过处理 的某种运算以达到某种用途的要求 例如人工合成出语音 辨识出说话者 识别讲话 的内容等 它包括语音编码 语音合成 语音识别和说话人识别四大分支 语音是人类发音器官发出的 具有一定意义的 能起社会交际作用的声音 能够代 表一定的意义 这是语言的声音同自然界其他一切声音的本质区别 人体外的声音自 不必说 如钟声 风声 动物叫声 机器声 就是人的发音器官发出的声音 也并非都 是语言 如打喷嚏 打嗝儿 打哈欠 咳嗽等等 虽然也传递出了某种信息 病了 饱 了 困了或是醒了 但声音的发出不是为了交际 而是人体本能的生理反映 又如吹 口哨 口技演员的表演 哭 笑等等 这些声音的发出是有目的的 是一定的心理活 动的表现 不是单纯的生理现象 但声音同意义之间没有固定的结合关系 不能成为 代表意义的声音符号 只能表示情绪 展示技巧 以上这些声音都不是语言 语言的声音同它所代表的意义是相互依存的统一体 一方面 发音器官发出的声 音必须同意义紧密结合 成为一定意义的代表 才能成为语音 另一方面 意义必须 借助声音才能成为可被人感知 被人接受的东西 没有声音 意义便无法表达出来 6 2 2 语音信号的特点 通过研究人员对大量语音信号的观测和分析发现 语音信号主要是有以下两个特 点 a 在频域内 语音信号的频谱分量主要是集中在 300Hz 3400Hz 的范围内 利用 这个特点 可以用一个带通滤波器将此范围的语音信号频率分量提取出来 然后按一 定的采样频率对语音信号进行采样 就可以得到我们想要的离散的语音信号 b 在时域内 语音信号具有 短时性 的特点 即在总体上 语音信号的特征是 随着时间的变化而变化的 但在一定的较短的时间间隔内 语音信号会保持平稳 在 浊音部分表现出周期信号的特征 在轻音部分表现出随机的噪声的特征 6 语音信号采集与分析 3 2 3 语音信号的处理的要求及可行性 本次语音信号的采集与分析的设计主要是介绍语音信号的采集与分析方法 通过 PC 机录制一段声音 通过制作图形用户界面 GUI 并运用 MATLAB 提供的函数进行 分析 并画出采样后语音信号的时域波形和频谱图 对所采集的语音信号加入干扰噪 声 对加入噪声的信号进行播放 并进行时域和频谱分析 对比加噪前后的时域图和 频谱图 并设计滤波器进行滤除噪声 对语音信号进行研究是一项极具市场价值和挑战性的工作 但在目前阶段 我们 只能基于 MATLAB 进行分析仿真 经调试和分析 系统是可行的 7 2 4 MATLAB 仿真软件的介绍 MATLAB 是 matrix 和 laboratory 两个词的组合 意为矩阵工厂 矩阵实验室 是 由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算 可视化以及交互式程序设计的高科 技计算环境 它将数值分析 矩阵计算 科学数据可视化以及非线性动态系统的建模 和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中 为科学研究 工程设计以 及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案 并在很大程度 上摆脱了传统非交互式程序设计语言 如 C Fortran 的编辑模式 代表了当今国际 科学计算软件的先进水平 8 如图 2 1 所示 图 2 1 MATLAB 的软件系统介绍 MATLAB 和 Mathematica Maple 并称为三大数学软件 它在数学类科技应用软件 中在数值计算方面首屈一指 MATLAB 可以进行矩阵运算 绘制函数和数据 实现算 法 创建用户界面 连接其他编程语言的程序等 主要应用于工程计算 控制设计 信号处理与通讯 图像处理 信号检测 金融建模设计与分析等领域 MATLAB 的基本数据单位是矩阵 它的指令表达式与数学 工程中常用的形式十 分相似 故用 MATLAB 来解算问题要比用 C FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷 陕西科技大学毕业论文 4 得多 并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点 使 MATLAB 成为一个强大的 数学软件 在新的版本中也加入了对 C FORTRAN C JAVA 的支持 可以直接 调用 用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用 此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序 用户可以直接进行下载就可以 用 9 3 系统设计 3 1 系统设计的理论依据 3 1 1 采样定理 在进行模拟 数字信号的转换过程中 当采样频率 fs max 大于信号中 最高频率 fmax 的 2 倍时 即 fs max 2fmax 则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中 的信息 一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 5 10 倍 采样定理又称奈 奎斯特定理 10 1924 年奈奎斯特 Nyquist 就推导出在理想低通信道的最高大码元传输速率的公式 想低通信道的最高大码元传输速率 2W log2 N 其中 W 是理想低通信道的带宽 N 是电 平强度 3 1 2 采样频率 采样频率 也称为采样速度或者采样率 定义了每秒从连续信号中提取并组成离 散信号的采样个数 它用赫兹 Hz 来表示 采样频率的倒数是采样周期或者叫作采 样时间 它是采样之间的时间间隔 采样频率只能用于周期性采样的采样器 对于非 周期性采样的采样器没有规则限制 采样频率与声音频率之间有一定的关系 根据奎 斯特理论 只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时 才能把数字信号表示的声 音还原成为原来的声音 这就是说采样频率是衡量声卡采集 记录和还原声音文件的 质量标准 3 1 3 语音的录入与打开 在 MATLAB 中 y fs bits wavread Blip N1 N2 用于读取语音 采样值放在向 量 y 中 fs 表示采样频率 Hz bits 表示采样位数 N1 N2 表示读取从 N1 点到 N2 点 的值 若只有一个 N 的点则表示读取前 N 点的采样值 语音信号采集与分析 5 sound x fs bits 用于对声音的回放 向量 x 则就代表了一个信号 也即一个复杂 的 函数表达式 也就是说可以像处理一个信号表达式一样处理这个声音信号 11 3 1 4 时域信号的 FFT 分析 FFT 即为快速傅氏变换 是离散傅氏变换的快速算法 它是根据离散傅氏变换的 奇 偶 虚 实等特性 对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的 12 在 MATLAB 的信号处理工具箱中函数 FFT 和 IFFT 用于快速傅立叶变换和逆变换 函数 FFT 用于序列快速傅立叶变换 其调用格式为 y fft x 其中 x 是序列 y 是序 列的 FFT x 可以为一向量或矩阵 若 x 为一向量 y 是 x 的 FFT 且和 x 相同长度 若 x 为一矩阵 则 y 是对矩阵的每一列向量进行 FFT 如果 x 长度是 2 的幂次方 函数 fft 执行高速基 2FFT 算法 否则 fft 执行一种混合基的离散傅立叶变换算法 计算速 度较慢 函数 FFT 的另一种调用格式为 y fft x N 式中 x y 意义同前 N 为正整 数 函数执行 N 点的 FFT 若 x 为向量且长度小于 N 则函数将 x 补零至长度 N 若 向量 x 的长度大于 N 则函数截短 x 使之长度为 N 若 x 为矩阵 按相同方法对 x 进 行处理 3 1 5 语音信号的频域分析 语音信号的频域分析就是分析语音信号的频域持征 从广义上讲 语音信号的频 域分析包括语音信号的频谱 功率谱 倒频谱 频谱包络分析等 而常用的频域分析 方法有带通滤波器组法 傅里叶变换法 线件预测法等几种 本文介绍的是语音信号 的傅里叶分析法 因为语音波是一个非平稳过程 因此适用于周期 瞬变或平稳随机 信号的标准傅里叶变换不能用来直接表示语音信号 而应该用短时傅里叶变换对语音 信号的频谱进行分析 相应的频谱称为 短时谱 3 1 6 数字滤波器设计原理 数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一 与模拟滤波相比 它具有精 度和稳定性高 系统函数容易改变 灵活性强 便于大规模集成和可实现多维滤波等 优点 在信号的过滤 检测和参数的估计等方面 经典数字滤波器是使用最广泛的一 种线性系统 数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形 或频谱 进行加工处 理 或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换 3 1 7 数字滤波器的设计步骤 不论是 IIR 滤波器还是 FIR 滤波器的设计都包括三个步骤 13 a 按照实际任务的要求 确定滤波器的性能指标 陕西科技大学毕业论文 6 b 用一个因果 稳定的离散线性时不变系统的系统函数去逼近这一性能指标 根 据不同的要求可以用 IIR 系统函数 也可以用 FIR 系统函数去逼近 c 利用有限精度算法实现系统函数 包括结构选择 字长选择等 3 1 8 IIR 滤波器与 FIR 滤波器的性能比较 FIR Finite Impulse response 有限冲击响应 IIR Infinite Impulse response 无限冲击响应 从性能上来说 IIR 滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方 因此可用 较低的阶数获得高的选择性 所用的存贮单元少 所以经济而效率高 但是这个高效 率是以相位的非线性为代价的 选择性越好 则相位非线性越严重 相反 FIR 滤波 器却可以得到严格的线性相位 然而由于 FIR 滤波器传输函数的极点固定在原点 所 以只能用较高的阶数达到高的选择性 对于同样的滤波器设计指标 FIR 滤波器所要 求的阶数可以比 IIR 滤波器高 5 10 倍 结果 成本较高 信号延时也较大 如果按相 同的选择性和相同的线性要求来说 则 IIR 滤波器就必须加全通网络进行相位较正 同样要大增加滤波器的节数和复杂性 3 2 系统的详细设计 3 2 1 图形用户界面 GUI 制作 在本设计采用 GUIDE 的方法制作 GUI a 新建一个空白 GUI 模板 进入 MATLAB 程序界面以后执行 File New GUI 过程 即可进入 GUIDE 快速启动界面 b 选择 Blank GUI 选项条 单击 OK 就会生成一个空白 GUI 模板生成 c 拖拉白色框的右下角调整界面大小 现在就可以开始设计 GUI 功能界面了 从 左边控件框选择所需要的控件放置在 GUI 面板中 然后对各个控件进行编辑 包括位 置 大小 颜色 名称以及编写回调函数等 本设计主要用到坐标系和按钮 现分别 介绍 a 按钮控件设计 按钮键又称命令按钮或按钮 是小的长方形屏幕对象 常常在 对象本身标有文本 将控件在指定位置添加 按钮的标签字符由 String 控制 返回由 Value 控制 将按钮放在指定位置后 为实现某些功能开始编写回调函数 确定按钮功 能 在按钮上单击鼠标右键 选择 view callbacks callback 即可在 M 文件中找到该按 钮的回调函数位置 然后编写功能函数 本设计中该按钮的功能是绘制原始波形 那 么只需要读取语音信号并画出波形 b 坐标系设计 只有在图形用户界面中添加坐标控件后 才能接受有关的图形信 息 该空间对象的属性与坐标轴对象的属性完全相同 单击空间框左侧的 Axes 按钮 语音信号采集与分析 7 在图形编辑框中确定其位置后单击鼠标左键即可放置 本次毕业论文所需要的最终图形用户界面如图 3 1 所示 图 3 1 图形用户界面 3 2 2 系统功能的实现 信号打开 在 打开信号 的按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 找到 M 文件中该按钮的回调函数位置 然后编写相应的功能函数 功能函数具体如下 function pushbutton1 Callback hObject eventdata handles global I global X global magX global angX H 毕设语音 wav filename pathname uigetfile H 请选择打开文件 file strcat pathname filename I wavread file X fft I 4096 magX abs X angX angle X plot I title 原始信号波形 点击此按钮后 会出现原始信号的波形 声音播放 在 声音播放 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 找到 M 文件中该按钮的回调函数位置 然后编写该按钮相应功能函数 功能函数具体 如下 陕西科技大学毕业论文 8 function pushbutton2 Callback hObject eventdata handles global I sound I 点击此按钮 执行此程序后 系统会自动播放 毕设语音 wav 语音 语音信号幅度 频谱和相位的波形 在 幅度 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 function pushbutton3 Callback hObject eventdata handles global I global X global magX global angX 定义全局变量 X fft I 4096 magX abs X angX angle X 取变换后的幅值和角度 plot magX title 原始信号幅值 显示信号幅度波形 在 频谱 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到 该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调函数位置编写功能函数 功能函数具 体如下 function pushbutton4 Callback hObject eventdata handles global I global X global magX global angX 定义全局变量 X fft I 4096 magX abs X angX angle X 取变换后的幅值和角度 plot X title 原始信号频谱 显示信号频谱波形 在 相位 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到 该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调函数位置编写功能函数 功能函数具 体如下 function pushbutton5 Callback hObject eventdata handles global I global X global magX global angX 定义全局变量 X fft I 4096 magX abs X angX angle X 取变换后的幅值和角度 plot angX title 原始信号相位 显示信号相位波形 信号的定点分析 在 定点分析 按钮上单击鼠标右键选择 view 语音信号采集与分析 9 callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 function pushbutton6 Callback hObject eventdata handles x wavread 毕设语音 wav 打开信号 sound x 播放信号 fs 100 N 128 设定采样频率和采样点数 y fft x N 傅立叶变换 magy abs y 取其幅值 f 0 length y 1 fs length y subplot 221 plot f magy 显示波形 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 给坐标轴添加说明 title N 128 a grid 给图片添加题目说明 subplot 222 plot f 1 N 2 magy 1 N 2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title N 128 b grid fs 100 N 1024 y fft x N magy abs y 进行 fft 变换并求幅值 f 0 length y 1 fs length y 进行对应的频率转换 subplot 223 plot f magy xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title N 1024 c grid subplot 224 plot f 1 N 2 magy 1 N 2 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 title N 1024 d grid 信号的高斯加噪及波形的显示 在信号高斯加噪这一块点击按钮上单击鼠标右键 选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按 钮下的回调函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 fs 22050 语音信号采样频率为 22050 x1 wavread 毕设语音 wav 读取语音信号的数据 赋给变量 x1 t 0 1 22050 size x1 1 22050 y1 fft x1 1024 对信号做 1024 点 FFT 变换 f fs 0 511 1024 x2 randn 1 length x1 产生一与 x 长度一致的随机信号 sound x2 22050 figure 1 陕西科技大学毕业论文 1 0 plot x2 做原始语音信号的时域图形 title 高斯随机噪声 xlabel time s ylabel 幅值 randn state 0 m randn size x1 x2 0 1 m x1 sound x2 22050 播放加噪声后的语音信号 y2 fft x2 1024 figure 2 plot t x2 title 加噪后的语音信号 xlabel time n ylabel 幅值 n figure 3 subplot 2 1 1 plot f abs y1 1 512 title 原始语音信号频谱 xlabel Hz ylabel 幅值 subplot 2 1 2 plot f abs y2 1 512 title 加噪后的语音信号频谱 xlabel Hz ylabel 幅值 Fs 22050 Nbits 16 wavwrite x2 Fs Nbits 刘敏 noise wav 将变量转换成 WAV 文件 输出保存 信号的 FIR 及波形的显示 在信号 FIR 这一块按钮的 波形 按钮上单击鼠标右 键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该 按钮下的回调函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 a 1 z filter a b s Z fft z 4096 设计 FIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放滤除噪声后的声音信号 plot z title FIR 滤波后信号波形 显示波形 在信号 FIR 这一块按钮的 频谱 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 a 1 z filter a b s Z fft z 4096 设计 FIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z 语音信号采集与分析 1 1 sound z 播放滤除噪声后的声音信号 plot Z title FIR 滤波后信号频谱 显示波形 在信号 FIR 这一块按钮的 幅度 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 a 1 z filter a b s Z fft z 4096 设计 FIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放滤除噪声后的声音信号 plot magZ title FIR 滤波后信号幅度 显示波形 在信号 FIR 这一块按钮的 相位 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 a 1 z filter a b s Z fft z 4096 设计 FIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放滤除噪声后的声音信号 plot angZ title FIR 滤波后信号相位 显示波形 信号的 IIR 及波形的显示 在信号 IIR 这一块按钮的 波形 按钮上单击鼠标右 键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该 按钮下的回调函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 z fftfilt b s Z fft z 4096 设计 IIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放声音信号 plot z title IIR 滤波后信号波形 在信号 IIR 这一块按钮的 频谱 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 陕西科技大学毕业论文 1 2 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 z fftfilt b s Z fft z 4096 设计 IIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放声音信号 plot Z title IIR 滤波后信号频谱 在信号 IIR 这一块按钮的 幅度 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 z fftfilt b s Z fft z 4096 设计 IIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放声音信号 plot magZ title IIR 滤波后信号幅值 在信号 IIR 这一块按钮的 相位 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global s global Z global z 定义全局变量 global magZ global angZ b 1 z fftfilt b s Z fft z 4096 设计 IIR 滤波器 magZ abs Z angZ angle Z sound z 播放声音信号 plot angZ title IIR 滤波后信号相位 信号的 Butterworth 及波形的显示 在信号 Butterworth 这一块按钮的 波形 按钮 上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位 置 然后在该按钮下的回调函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global I global s global Z 定义全局变量 global y global z global mags global magZ global angs global angZ N 5 wc 0 3 wc 为它的 3dB 边缘频率 语音信号采集与分析 1 3 b a butter N wc 设计滤波器 y filter b a I s fft y mags abs s angs angle s magZ abs Z angZ angle Z subplot 2 1 1 plot y title IIR 滤波后信号的波形 z fftfilt b I Z fft z subplot 2 1 2 plot z title FIR 滤波后信号的波形 在信号 Butterworth 这一块按钮的 频谱 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global I global s global Z 定义全局变量 global y global z global mags global magZ global angs global angZ N 5 wc 0 3 wc 为它的 3dB 边缘频率 b a butter N wc 设计滤波器 y filter b a I s fft y mags abs s angs angle s magZ abs Z angZ angle Z subplot 2 1 1 plot s title IIR 滤波后信号的频谱 z fftfilt b I Z fft z subplot 2 1 2 plot Z title FIR 滤波后信号的频谱 在信号 Butterworth 这一块按钮的 幅度 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global I global s global Z 定义全局变量 global y global z global mags global magZ global angs global angZ N 5 wc 0 3 wc 为它的 3dB 边缘频率 b a butter N wc 设计滤波器 y filter b a I s fft y mags abs s angs angle s magZ abs Z angZ angle Z subplot 2 1 1 plot mags title IIR 滤波后信号的幅度 陕西科技大学毕业论文 1 4 z fftfilt b I Z fft z subplot 2 1 2 plot magZ title FIR 滤波后信号的幅度 在信号 Butterworth 这一块按钮的 相位 按钮上单击鼠标右键选择 view callbacks callback 在 M 文件中找到该按钮的回调函数位置 然后在该按钮下的回调 函数位置编写功能函数 功能函数具体如下 global I global s global Z 定义全局变量 global y global z global mags global magZ global angs global angZ N 5 wc 0 3 wc 为它的 3dB 边缘频率 b a butter N wc 设计滤波器 y filter b a I s fft y mags abs s angs angle s magZ abs Z angZ angle Z subplot 2 1 1 plot angs title IIR 滤波后信号的相位 z fftfilt b I Z fft z subplot 2 1 2 plot angZ title FIR 滤波后信号的相位 系统的退出 退出 按钮的 callback 如下 close 4 系统调试及运行 系统设计完成之后 验证没有 BUG 的情况下进行调试和运行 运行 untitled1 m 文件 点击 打开语音 按钮 打开提前录好的声音信号 在 GUI 坐标系中会显示信号的波形 如图 4 1 所示 语音信号采集与分析 1 5 图 4 1 原始信号的波形图 点击 声音播放 按钮 系统会播放已经打开的语音信号 点击 幅度 按钮 在 GUI 坐标系中会显示已打开信号的幅度波形图 幅度波形 如图 4 2 所示 图 4 2 原始信号幅值波形图 点击 频谱 按钮 在 GUI 坐标系中会显示已打开信号的频谱波形 频谱波形如 图 4 3 所示 陕西科技大学毕业论文 1 6 图 4 3 原始信号频谱波形图 点击 相位 按钮 在 GUI 坐标系中会显示已打开信号的相位波形 相位波形如 图 4 4 所示 图 4 4 原始信号相位波形图 点击 定点分析 按钮 系统会播放声音信号 在 GUI 坐标系中会显示已打开信 号的定点分析波形 波形如图 4 5 所示 语音信号采集与分析 1 7 图 4 5 定点分析波形图 点击高斯随机加噪按钮钮 系统会播放原声音信号加入噪声后的声音 并显示原 始语音信号频谱和加噪后的语音信号频谱图 如图 4 6 所示 加噪后的语音信号 如 图 4 7 所示 高斯随机噪声图 如图 4 8 所示 图 4 6 原始语音信号频谱与加噪后的语音信号频谱 020004000600080001000012000 7 8125 7 8125 7 8125 7 8125 x 10 3 信 信 信 信 信 信 信 信 Hz 信 信 020004000600080001000012000 0 5 10 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 Hz 信 信 05101520253035 1 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 信 信 信 信 信 信 信 信 time n 信 信 n 陕西科技大学毕业论文 1 8 图 4 7 加噪后的语音信号 图 4 8 高斯随机噪声 点击 FIR 按钮组中的波形按钮 系统会播放滤除噪声后的语音信号 同时在 GUI 坐标系中显示加入滤除噪声后信号的波形图 波形图如图 4 9 所示 同理 点击 FIR 012345678 x 10 5 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 信 信 信 信 信 信 time s 信 信 语音信号采集与分析 1 9 按钮组中的频谱 幅度和相位按钮 系统会在 GUI 坐标系中显示滤除噪声后信号的频 谱 幅度和相位波形 分别如图 4 10 图 4 11 图 4 12 所示 图 4 9 FIR 滤波后波形图 图 4 10 FIR 滤波后频谱波形图 陕西科技大学毕业论文 2 0 图 4 11 FIR 滤波后幅值波形图 图 4 12 IIR 滤波后相位波形图 点击 IIR 按钮组中的波形按钮 系统会播放滤除噪声后的语音信号 同时在 GUI 坐标系中显示加入滤除噪声后信号的波形图 波形图如图 4 13 所示 分别点击 IIR 按 钮组中的频谱 幅度和相位按钮 系统会在坐标系中显示滤除噪声后信号的频谱 幅 语音信号采集与分析 2 1 度和相位波形 分别如图 4 14 图 4 15 图 4 16 所示 图 4 13 IIR 滤波后波形图 图 4 14 IIR 滤波后频谱波形图 陕西科技大学毕业论文 2 2 图 4 15 IIR 滤波后幅值波形图 图 4 16 IIR 滤波后相位波形图 通过将 FIR 和 IIR 滤波后的各类波形与原始语音信号的各类波形进行对比可以看 出其各类波形是基本一致的 因此我们所要实现的将噪声去除恢复原始语音信号的滤 波过程已经顺利完成 语音信号采集与分析 2 3 点击 Butterworth 按钮组中的波形按钮 系统会在 GUI 坐标系中显示分别用 FIR 和 IIR 滤除噪声后信号的波形 波形如图 4 17 所示 同理 分别点击 Butterworth 按钮 组中的频谱 幅度和相位按钮 系统会在坐标系中显示分别用 FIR 和 IIR 滤除噪声后 信号的频谱 幅度和相位波形 分别如图 4 18 图 4 19 图 4 20 所示 图 4 17 FIR 和 IIR 滤波后波形图 图 4 18 FIR 和 IIR 滤波后频谱波形图 陕西科技大学毕业论文 2 4 图 4 19 FIR 和 IIR 滤波后幅度波形图 图 4 20 FIR 和 IIR 滤波后相位波形图 从对 MATLAB 中 Butter 函数的调