河北科技大学数字信号课程设计

河北科技大学河北科技大学 课程设计报告 学生姓名 陈超 学 号 14L0751002 专业班级 电信 L141 课程名称 数字信号处理课程设计 学年学期 2016 2017 学年第一学期 指导教师 张秀清 2017 年 1 月 课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表 学生姓名陈超学 号14L0751002成绩 专业班级电信 L141起止时间2016 12 28 至 2017 1 7 设计题目 基于 MATLAB 的语音信号处理 指 导 教 师 评 语 指导教师 年 月 日 目 录 一 绪论 1 二 设计目的 1 三 设计原理 1 四 设计内容与要求 2 五 设计源程序与运行结果 3 六 结论 5 摘要摘要 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 通过语音传递信息是人类最重要 最有效 最常用和最方便的交换信息形式 Matlab 语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件 它可 以将声音文件变换为离散的数据文件 然后利用其强大的矩阵运算能力处理数 据 如数字滤波 傅里叶变换 时域和频域分析 声音回放以及各种图的呈现 等 它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数 利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的 可视化 使人机交互更加便捷 信号处理是 Matlab 重要应用的领域之一 本设计针对现在大部分语音处理软件内容繁多 操作不便等问题 采用 MATLAB7 0 综合运用 GUI 界面设计 各种函数调用等来实现语音信号的变频 变幅 傅里叶变换及滤波 程序界面简练 操作简便 具有一定的实际应用意 义 本次实训是利用 MATLAB 对语音信号进行时域和频域分析 通过 MATLAB 对 语音进行数字处理 关键词 离散傅里叶变换 频谱分析 滤波器 变声 1 绪论绪论 语音是语言的声学表现 是人类交流信息最自然 最有效 最方便的手段 随着社会文化的进步和科学技术的发展 人类开始进入了信息化时代 用现代 手段研究语音处理技术 使人们能更加有效地产生 传输 存储 和获取语音 信息 这对于促进社会的发展具有十分重要的意义 因此 语音信号处理正越 来越受到人们的关注和广泛的研究 1 1 课题背景及意义 语音信号处理是一门比较实用的电子信息工程的专业课程 语音是人类获 取信息的重要来源和利用信息的重要手段 通过语言相互传递信息是人类最重 要的基本功能之一 语言是人类特有的功能 踏实创造和记载几千年人类文明 史的根本手段 没有语言就没有几天的人类文明 语音是演的升学表现 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 1 2 国内外研究现状 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 如熟悉滤 波去 快速傅里叶变换 FFT 等是语音信号数字处理的理论和技术基础 随 着信息科学技术的飞速发展 语音新海处理取得了重大的进展 进入 70 年代之 后 提供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心 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 80 年代初一种新的基于聚类分析的高效数据 压缩技术 矢量量化 VQ 应用于语音信号处理中 近年来人工神经网络 ANN 的研究取得了迅速发展 语音信号的各项课题是促进其发展的重要动 力之一 同时 他的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术之中 一 设计目的一 设计目的 1 掌握利用 MATLAB 语言环境进行数字信号处理的方法 2 综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器的设计 通过 理论推导得出相应结论 3 利用 MATLAB 作为编程工具进行计算机实现 从而加深对所学知识的理 解 建立概念 2 2 设计原理设计原理 数字滤波是常用的音频处理技术 可根据技术指标 先利用 FDATool 工具 设计一个数字滤波器 2 再用 Filter 或 Filter2 函数即可实现滤波处 理 调用的 Filter 函数格式是 Y filte B A X 其中 B 和 A 是滤波器传输 函数的分子和分母系数 X 是输入变量 Y 是实现滤波后的输出变量 如果 处理立体声音频信号 可分开处理 但用 FIR 滤波器时调用 Filter2 函数更 方便 三 设计内容与要求 三 设计内容与要求 设计内容设计内容 用 MATLAB 命令将所需处理的语音信号读入程序 调整采样频率 实现语音信 号的快放 慢放 熟悉各种窗函数 设计 FIR 低通滤波器 运用双线性变换法实现 IIR 高通滤波 器 根据指标要求选择窗函数的形状与长度 N 验证所设计的滤波器是否满足指标要求 设计要求设计要求 学会 MATLAB 的使用 掌握 MATLAB 的程序设计方法 改变数字语音信号的相关指标 实现语音信号的响应变化 熟悉 MATLAB 语言 独立编写程序 4 4 设计的源程序及运行结果 设计的源程序及运行结果 一 源程序 一 源程序 clear clc y fs bits wavread 1 wav sound y fs bits n length y Y fft y n 傅里叶变换 subplot 2 1 1 plot y title 原始信号波形 subplot 2 1 2 plot abs Y title 原始信号频谱 w 1 2 M w fs 慢 快 放 取决于 w 值 sound y M w 0 8 M w fs sound y M wp 0 2 pi ws 0 3 pi width ws wp N ceil 6 6 pi width 1 n 0 N 1 a 1 wc ws wp 2 hd ideal wc N wn hamming N h hd wn k 0 500 w pi 500 k H fr h a w mag abs H db 20 log10 mag eps max mag wth pi 500 rp min db 1 1 wp wth 1 as round max db ws wth 1 1 500 subplot 2 2 1 stem n hd title 理想冲激响应 axis 0 N 1 0 1 0 3 ylabel hd subplot 2 2 2 stem n wn title 海明窗 axis 0 N 1 0 1 1 ylabel wn subplot 2 2 3 stem n h title 实际冲激响应 axis 0 N 1 0 2 0 3 xlabel n ylabel h subplot 2 2 4 plot w pi db title 幅度响应 dB axis 0 1 100 10 grid xlabel 以 pi 为单位的频率 ylabel 分贝数 y 10 y c fftfilt h y sound c fs bits Ft 8000 Fp 5000 Fs 4800 wp1 tan pi Fp Ft 高通到低通滤波器参数转换 ws1 tan pi Fs Ft wp 1 ws wp1 wp ws1 n13 wn13 cheb1ord wp ws 1 200 s 求模拟的低通滤波器阶数和截 止频率 b13 a13 cheby1 n13 1 wn13 s 求 S 域的频率响应的参数 num den lp2hp b13 a13 wn13 将 S 域低通参数转为高通的 num13 den13 bilinear num den 0 5 利用双线性变换实现频率响应 S 域到 Z 域转换 h w freqz num13 den13 plot w 21000 0 5 pi abs h title IIR 高通滤波器 legend 用 cheby1 设计 axis 0 12000 0 1 5 grid w filter num13 den13 y sound w fs bits 5 5 结论结论 在设计课程过程中遇到问题是很正常的 但我们应该将每次遇到的问题记 下来 并分析清楚 以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了 但是从中 学到的知识会让我受益终身 发现 提出 分析 解决问题和实践能力的提高 都会受益于我在以后的学习 工作和生活中 设计过程 好比是我们人类成长 的历程 常有一些不如意 但毕竟这是第一次做 难免会遇到各种各样的问题 在设计的过程中发现了自己的不足之处 对以前所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 我们通过查阅大量有关资料 并在小组中互相讨论 交流经 验和自学 若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师 使自己学到了不少 知识 也经历