语音信号采集与处理

精品文档 1欢迎下载 通信系统原理通信系统原理 课程设计报告书课程设计报告书 课题名称课题名称语语音音信信号号采采集集与与处处理理 姓姓 名名 学学 号号 院院 系系 部部 专专 业业通通信信工工程程 指导教师指导教师 年年 月月 日日 通信系统原理通信系统原理 课程设计课程设计 精品文档 2欢迎下载 课题 课题 语语音音信信号号采采集集与与处处理理 一 实践的目的和要求一 实践的目的和要求 1 熟悉Matlab软件在通信系统中的应用 Matlab在通信系统中主要应用于通讯系统的设计与仿真 2 Matlab 软件功能简介 Matlab 在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指 它可以 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得多 并且mathwork 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 3 本题目的意义 语音信号处理是一门比较实用的学科 语音是人类获取信息的重要来 源和利用信息的重要手段 它的应用和发展与语言学 声音测量学 电子 测量学以及数字信号处理等学科有着紧密的联系 它是人类最重要 最有 效 最常用和最方便的交换信息的形式 二 实践原理 二 实践原理 1 采样定理 在进行模拟与数字信号的转换过程中 当采样大于最高频率的 2 倍 时 则采样之后的数字信号完整的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 2 采样频率 采样频率是指计算机每秒钟采样多少个声音样本 是描述声音文 件的音质 音频 衡量声卡 声音文件的质量标准 采样频率越高 即采样的时间间隔越短 则在单位时间内计算机得到的声音样本数据 精品文档 3欢迎下载 越多 对声音波形的表示也越准确 3 采样位数与采样频率 采样位数即采样值或取样值 用来衡量声音波动变化的参数 是指 声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数 采 样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数 采样频率越高 声音的还原就越真实越自然 采样位数和采样率对于音频接口来说是 最为重要的两个指标 无论采样频率如何 理论上来说采样的位数决定 了音频数据最大的力度范围 采样位数越多则捕捉到的信号越精确 4 利用MATLAB对语音信号进行分析和处理 采集语音信号后 利用 MATLAB软件平台进行频谱分析 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 5 语音信号的滤波示意图 滤波器 Matlab 频谱显示 语音信号 噪声 扬声器 三 实践步骤三 实践步骤 1 1 语音信号的采集与分析 语音信号的采集与分析 1 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 筒插入计算机的语音输入插口上 启动录音机 按下录音按钮 对话筒说话 我 想回家 说完后停止录音 屏幕左侧将显示所录声音的长度 精品文档 4欢迎下载 2 以文件名 2 2 保存入 C 盘中 可以看到 文件存储器的后缀默认为 wav 要保存文件时 利用了计算机上的 A D 转换器 把模拟的声音信号变成了离 散的量化了的数字信号 放音时 它又通过 D A 转换器 把保存的数字数据恢复为 原来的模拟的声音信号 3 在 Matlab 软件平台下可以利用函数 wavread 对语音信号进行采样 得到 了声音数据变量 x1 x1 wavread C 2 wav 同时把 x1 的采样频率 fs 22050Hz 和数据位 Nbits 16Bit 放进了 MATALB 的工作空间 图 figure 1 为 原始语音信号的时域图形 4 从图中可以看出在时域环境下 信号呈现出 4 个不规则的信号峰值 通过 freqz x1 函数绘制原始语音信号的频率响应图 figure 2 5 然后对语音信号进行频谱分析 在 Matlab 中可以利用函数 y1 fft x1 1024 plot abs y1 1 512 对信号行快速傅里叶变换 得到信号 的频谱图 figure 3 从图中可以看出对各个频点上的随机信号在频域进行抽样 抽 样频率为 22050Hz 2 2 利用余弦函数构造一个高频噪声 利用余弦函数构造一个高频噪声 1 在 Matlab 中人为设计一固定频率 5000Hz 的噪声干扰信号 噪声信号通常为 随机序列 在本设计中用余弦序列代替 干扰信号构建命令函数为 d Au cos 2 pi 5000 t x1 wavread C 2 wav x2 x1 d 2 给出的干扰信号为一个余弦信号 针对上面的语音信号 采集了其中一段 再对噪音信号进行频谱变换得到其频谱图 y2 fft x2 1024 从图中可以看出 干扰信号 在 4000Hz 和 6000Hz 频点处有一高峰 其中 5000Hz 正是本设计所 要利用的 若带噪信号 y m 是纯净语音信号 s m 和平稳加性高斯白噪声 n m 构成的 即 y m x m n m 则在频域中表示为 Y X N 其中 Y X N 分别是 y m x m n m 的傅里叶变换 X Y N 只要 精品文档 5欢迎下载 从带噪信号中减去噪声信号即可估计出语音信号 再进行傅里叶反变换就可得到 增强的语音 3 3 设计合适的滤波器 滤除高频噪声 设计合适的滤波器 滤除高频噪声 由模拟滤波器变换为数字滤波器时 采用的是双线性变换法 它保留的是从 模拟到数字域的系统函数表示 用双线性变换法设计低通滤波器 在 MATLAB 中 可以利用函数 butterworth 设计低通滤波器 数字巴特沃兹低通滤波器函数 function b a digital lowpass butter wp ws Rp As Fs N wn buttord wp pi ws pi Rp As b a butter N wn 时域低通滤波 x wavread 2 wav x为读取原语音文件的数据 一维数组 h ones 1 220 h为低通滤波器的单位冲激响应 y conv x h 时域卷积 低通滤波 wavwrite y 22050 su2 wav 将滤波后的数据保存为 wav文件 用 MATLAB 中的函数freqz 画出各滤波器的频率响应 用设计好的带阻滤 波器对含噪语音信号进行滤波 在Matlab中IIR滤波器利用函数filter对信号进 行滤波 在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱 从图中可以看出 5000Hz 看到的高峰消失了 语音信号与开始的一样 滤波器成功的滤除了干扰信号 利用MATLAB对语音信号进行分析和处理 采集语音信号后 利用 MATLAB软件 平台进行频谱分析 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 四四 程程序序设设计计及及仿仿真真图图 1 用Matlab对原始语音信号进行分析 画出它的时域波形和频谱 程序 fs 22050 x fs Nbits wavread C 2 wav x fs Nbits wavread C 2 wav t 0 1 22050 length x 1 22050 sound x fs 对加载的语音信号进行回放 精品文档 6欢迎下载 figure 1 plot x 做原始语音信号的时域图形 title 原始语音信号 xlabel time n ylabel fuzhi n figure 2 freqz x 绘制原始语音信号的频率响应图 title 频率响应图 n length x 求出语音信号的长度 y1 fft x n 傅里叶变换 y2 fftshift y1 对频谱图进行平移 f 0 fs n fs n 1 n 得出频点 figure 3 subplot 2 1 1 plot abs y2 做原始语音信号的 FFT 频谱图 title 原始语音信号 FFT 频谱 subplot 2 1 2 plot f abs y2 绘制原始语音信号的频谱图 title 原始语音信号频谱 时域波形和频谱 精品文档 7欢迎下载 2 给原始的语音信号加上一个高频余弦噪声 频率为 2Khz2Khz 对加噪后的语 音进行分析 并画出其信号时域和频谱图 程序 加噪声 k 1 1 n 定义 k 值 噪声与原始语音长度一致 c1 10 sin 2 pi 2000 k 噪声信号的函数 figure 4 plot k c1 title 噪声信号时域图 绘制噪声信号的时域波形图 figure 5 freqz c1 绘制噪声信号的频率响应图 title 噪声信号频率响应图 s length c1 噪声信号的长度 xc fft c1 s 对噪声信号进行频谱变换 xcc fftshift xc f 0 fs s fs s 1 s figure 6 绘制噪声语音的 FFT 频谱图 plot f abs xcc title 噪声信号的频谱图 噪音与原始信号叠加 精品文档 8欢迎下载 z x c1 y3 fft z s 对叠加信号进行频谱变换 y4 fftshift y3 对频谱图平移 f 0 fs s fs s 1 s 得出频点 figure 7 plot f abs y4 绘出加噪语音频谱图 axis 0 8000 0 400 title 含噪语音信号的频谱 figure 8 subplot 2 1 1 plot f abs y2 做原始语音信号的 FFT 频谱图 title 原始语音信号 FFT 频谱 subplot 2 1 2 plot f abs y4 做加噪语音信号的 FFT 频谱图 title 加噪语音信号频谱 时域波形和频谱 精品文档 9欢迎下载 与原始信号对比 区别 3 设计合适的滤波器 滤除高频噪声 绘出滤波后的信号频域和时域波形 程序 用双线性变换法设计巴特沃思低通滤波器 wp 0 25 pi 通带截止频率 ws 0 3 pi 阻带截止频率 Rp 1 通带最大衰减 Rs 15 阻带最小衰减 Fs 22050 Ts 1 Fs wp1 2 Ts tan wp 2 将模拟指标转换成数字指标 ws1 2 Ts tan ws 2 N Wn buttord wp1 ws1 Rp Rs s 选择滤波器的最小阶数 Z P K buttap N 创建 butterworth 模拟滤波器 Bap Aap zp2tf Z P K b a lp2lp Bap Aap Wn bz az bilinear b a Fs 用双线性变换法实现模拟滤波器到数 字滤波器的转换 H W freqz bz az 绘制频率响应曲线 精品文档 10欢迎下载 figure 9 plot W Fs 2 pi abs H grid xlabel 频率 Hz ylabel 频率响应幅度 title Butterworth f1 filter bz az z figure 10 subplot 2 1 1 plot t z 画出滤波前的时域图 title 滤波前的时域波形 subplot 2 1 2 plot t f1 画出滤波后的时域图 title 滤波后的时域波形 sound f1 22050 播放滤波后的信号 p length f1 F0 fft f1 p f 0 fs p fs s 1 p figure 11 y2 fft z 1024 subplot 2 1 1 plot f abs y4 画出滤波前的频谱图 title 滤波前的频谱 xlabel Hz ylabel fuzhi subplot 2 1 2 F1 plot f abs F0 画出滤波后的频谱图 title 滤波后的频谱 xlabel Hz 精品文档 11欢迎下载 ylabel fuzhi x wavread C 2 wav x 为读取原语音文件的数据 一维数组 h ones 1 220 h 为低通滤波器的单位冲激响应 y conv x h 时域卷积 低通滤波 wavwrite y 22050 C su2 wav 将滤波后的数据保存为 wav 文件 时域波形和频谱 与原噪音信号对比 区别 滤波后信号的幅值都偏小于原信号的幅值 五 五 心得体会 心得体会 通过这一个星期的课程设计 我学到了很多的东西 不仅巩固了我以前 所学过的知识 还让我学到很多在书本上所没有学到过的知识 同时进一步加深了对语音信号的了解和熟练了对 Matlab 的使用 让我 对通信原理这门课程有了更加浓厚的兴趣 因为以前都是基于课本上所学 的理论知识 然而通过这次课程设计之后才能真正理解其意义 在这次课程设计的过程中 我遇到不少的问题 比如刚开始 要录音的时 精品文档 12欢迎下载 候 没有选择正确的频率 导致在运行程序的时候 无法调用声音 经过后 来的改正才可以 还有刚开始由于对滤波器的滤波原理