MATLAB语音信号处理

第 页 共 9 页 基基于于 M MA AT TL LA AB B 的的语语音音信信号号采采集集与与处处理理 一 实验的目的和要求一 实验的目的和要求 1 MATLAB 软件功能简介 MATLAB 的名称源自 Matrix Laboratory 1984 年由美国 Mathworks 公司推向市场 它 是一种科学计算软件 专门以矩阵的形式处理数据 MATLAB 将高性能的数值计算和可视化 集成在一起 并提供了大量的内置函数 从而被广泛的应用于科学计算 控制系统和信息 处理等领域的分析 仿真和设计工作 MATLAB 软件包括五大通用功能 数值计算功能 Nemeric 符号运算功能 Symbolic 数据可视化功能 Graphic 数字图形文字统一处理功能 Notebook 和建 模仿真可视化功能 Simulink 其中 符号运算功能的实现是通过请求 MAPLE 内核计算并 将结果返回到 MATLAB 命令窗口 该软件有三大特点 一是功能强大 二是界面友善 语言 自然 三是开放性强 目前 Mathworks 公司已推出 30 多个应用工具箱 MATLAB 在线性代 数 矩阵分析 数值及优化 数值统计和随机信号分析 电路与系统 系统动力学 次那 好和图像处理 控制理论分析和系统设计 过程控制 建模和仿真 通信系统以及财政金 融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用 MATLAB 在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析 由于信号与系 统课程的许多内容都是基于公式演算 而 MATLAB 借助符号数学工具箱提供的符号运算功能 能基本满足信号与系统课程的需求 例如解微分方程 傅里叶正反变换 拉普拉斯正反变 换和 z 正反变换等 MATLAB 在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析 主要 包括函数波形绘制 函数运算 冲击响应与阶跃响应仿真分析 信号的时域分析 信号的 频谱分析 系统的 S 域分析和零极点图绘制等内容 数值计算仿真分析可以帮助学生更深 入地理解理论知识 并为将来使用 MATLAB 进行信号处理领域的各种分析和实际应用打下基 础 2 本题目的意义 本次课程设计的课题为 基于MATLAB的语音信号采集与处理 学会运用MATLAB 的信号处理功能 采集语音信号 并对语音信号进行滤波及变换处理 观察其时域和频 域特性 加深对信号处理理论的理解 并为今后熟练使用 MATLAB进行系统的分析仿真 和设计奠定基础 二 实验原理 二 实验原理 第 页 共 9 页 1 理论原理 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 2 具体流程 1 语音信号的采集及分析 基于声卡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 说完后停止录音 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 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 下面介绍 Wavread 函数几种调用格式 1 y wavread file 功能说明 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 功能说明 采样值放在向量 y 中 fs 表示采样频率 hz nbits 表示采样位数 3 y wavread file N 功能说明 读取钱 N 点的采样值放在向量 y 中 4 y wavread file N1 N2 功能说明 读取从 N1 到 N2 点的采样值放在向量 y 中 错误说明 如果自己录制的 wav 文件不能读取 可以自己找一段 wav 声音文件 2 给原始信号加上一个高频噪声 在 Matlab 中人为设计一个高频 f 噪声干扰信号 噪声信号通常为随机序列 在本设计 中可用正弦序列代替 干扰信号构建命令函数为 nosie Au sin 2 pi f t 给出的干扰 信号为一个正弦信号 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 在 MATLAB 中把语音信号与噪声信号进行叠加 并对其进行播放 然后对加入噪声后的 语音信号进行频谱分析 在 MATLAB 中可以利用函数 FFT 对信号进行快速傅里叶变换 将原语音信号与 noise 叠加 调用的形式为 s y noise 其中 y 为原语音信号 noise 为所构造的随机高斯噪声 s 即为两者的叠加后的语音 第 页 共 9 页 信号 3 设计一个滤波器 滤除高频噪声 在 MATLAB 中 可以利用函数 butterworth 设计 FIR 滤波器 利用 MATLAB 中的函数 freqz 画出各滤波器的频率响应 用设计好的滤波器对含噪语音信号进行滤波 在 Matlab 中 FIR 滤波器利用函数 filter 对信号进行滤波 3 实验记录 1 通过计算机录音文件采集的一段声音文件 然后使用 wav wavread file 函数读取 该文件 使用 wavfft fft wav 获得原始信号的傅里叶变换 使用 wavfftsh fftshift wavfft 来得到信号的频谱图 使用执行结果如下 分别为声音文件的 时域图形 傅里叶变换和频谱图 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 400 300 200 1000100200300400500 500 400 300 200 100 0 100 200 300 400 500 信 信 信 信 信 信 信 信 信 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 100 200 300 400 500 600 信 信 信 信 信 信 信 信 信 第 页 共 9 页 2 创建一个噪声信号 该噪声信号为 noise 800000000 sin 2 pi fs t 其中噪声信 号 Au 800000000 pi 为圆周率 3 14 fs 为提取的原始声音信号的频率值 时间 t 为 从 0 到 n 1 fs 的每隔 1 fs 取一个值的一个函数 即 t 0 1 fs n 1 fs 其中 n length wav 为原始信号波的长度 时间长度和原始信号的长度一样 获得的噪声不 是一个标准的正弦波 而是一个幅值随时间非线性增大的波 这样的波比较符合现实中嘈 杂的环境 采用步骤 1 中同样的方法获得噪声信号的傅里叶变换和频谱图形 具体波形如 下图所示 3 将噪声信号和原始信号进行叠加 因为原始声音信号 wav 为 n 2 n 行 2 列的矩 阵 而噪声信号为 1 n 1 行 n 列的矩阵 所以要想这两个矩阵相加 必须做一些基本变换 首先对噪声信号进行转置 noiseT noise 然后在对新的信号加上一列空值 即 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 信 信 信 信 10000 8000 6000 4000 2000020004000 8000 6000 4000 2000 0 2000 4000 6000 8000 信 信 信 信 信 信 信 信 信 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 信 信 信 信 信 信 信 信 第 页 共 9 页 wavch noise zeros n 1 其中 n 为声音信号的长度 之后将声音信号和噪声信号叠加 即将两个矩阵相加 wavbo wavch wav 重复 采用步骤 1 中同样的方法获得噪声信号的傅里叶变换和频谱图形 具体波形如下图所示 4 设计滤波器对添加噪声信号的混合信号进行滤波 由于添加的噪声为高频噪声 所以 该滤波器为截止频率为 5kHz 的四阶巴特沃斯低通滤波器 并用此滤波器对录音信号进行滤 波 四阶巴特沃斯低通滤波器的设计格式是 B A butter N Wn 其中 n 为滤波器阶数 Wn 为截止频率参数 这里的 Wn 并不是真正的截止角频率 它与真正角频率的关系是 Wn 因此在 22 05kHz 的取样频率下 截止频率为 5kHz 的低通滤波器 Wn 0 45 对混 s coff f f 2 合信号进行滤波以后 采用同样的方法对滤波后的声音信号进行时域波形的显示 还有声 音图像的傅里叶变换和频谱图像的显示 通过对比可以发现进行滤波后的声音波形 傅里 叶变换以及频谱图和原声音信号基本上相同 说明该滤波器的选取基本上还是比较符合要 求的 具体图形如下 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 信 信 信 信 10000 8000 6000 4000 2000020004000 8000 6000 4000 2000 0 2000 4000 6000 8000 信 信 信 信 信 信 信 信 信 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 信 信 信 信 信 信 信 信 400 300 200 1000100200300400500 500 400 300 200 100 0 100 200 300 400 500 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 2 0 15 0 1 0 05 0 0 05 0 1 0 15 0 2 信 信 信 信 信 信 信 信 信 第 页 共 9 页 4 心得体会 通过这次语音信号处理的课程设计 使我对声波信号 有了一个新的认识 还有生活中听到的各种声波都有了一 个新的了解 我们所听到的各种波 都是不同的波的组合 改变波的频率以及幅值 其发出的声音就会改变 生活中 需要听到很多声音 当然也会有很多噪音出现 有效地滤 除这些噪声 对我们提取特定声音都有很大的帮助 在一 般情况下 我们听到的噪声都是一定频率的波 通过设定 特定的滤波器 我们就可以有效地把这些波滤除掉 从而 提取我们需要的信息 本例中通过对原始声音添加噪声 添加的噪声为频率变化并且音调 也变化的波 和现实生活中的噪声有很大相似性 并且这种噪声是一种高频噪声 所以在 设计滤波器是采用低频滤波器 将信号中的高频噪声滤除掉从而得到我们想要的声音信号 这次设计 是我对声音的波形还有气频率特性有了一个直观的了解 揭开了音波的那份神 秘的面纱 并在对波的处理上提高了一个认识 5 实验源代码 1 提取声音 wav fs Nbits wavread E 软件 WavPro wav n length wav 求出声音长度 t 0 1 fs n 1 fs 时间t 从0到n 1 sound wav fs 对加载的语音信号进行回放 figure 1 plot wav 做原始语音信号的时域图形 00 511 522 533 544 5 x 10 5 0 100 200 300 400 500 600 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 第 页 共 9 页 title 原始语音信号时域波形 傅里叶变换 y1 fft wav n figure 2 plot y1 做原始语音信号的傅里叶变换 title 原始语音傅里叶变换 对原始信号频域分析 y2 fftshift y1 figure 3 plot abs y2 原始信号的频谱图像 title 原始信号的频谱图像 2 噪声信号 为正弦波 noise 800000000 sin 2 pi fs t figure 4 plot noise 噪声信号 title 噪声信号 噪声信号傅里叶变换 sound noise fs 对噪声信号进行回放 noifft fft noise figure 5 plot noifft 做噪声信号傅里叶变换图形 title 噪声信号傅里叶变换 对噪声信号频域分析 noifftsh fftshift noifft figure 6 plot abs noifftsh 做噪声信号频谱分析 title 噪声信号频域分析 3 对噪声进行变换 n2 length noise wavch noise zeros n2 1 对噪声进行变换 转换成为和原始信号一样的矩阵 wavbo wavch wav 噪声叠加 sound wavbo fs figure 7 plot wavbo title 叠加信号 第 页 共 9 页 加入噪声的信号频谱分析 wavbofft fft wavbo n figure 8 plot wavbofft 做混合信号的傅里叶变换 title 混合信号傅里叶分析 混合信号频谱分析 wavbofftshift wavbofft figure 9 plot abs wavbofftshift 混合信号的频谱分析 title 混合信号频谱分析 4 滤波器 低通滤波器 b a butter 4 0 45 wav1 filter b