数字信号处理在语音信号分析中的应用

1 数字信号处理 课程设计报告课程设计报告 数字信号处理在语音信号分析中的应用数字信号处理在语音信号分析中的应用 专业班级 专业班级 姓姓 名 名 学学 号 号 2 目目 录录 摘 要 3 1 绪论 3 2 课程设计的具体内容 4 2 1 1 读取语音信号的任务 4 2 1 2 任务分析和解决方案 5 2 1 4 运行结果和相应的分析 5 2 2 IIR 滤波器设计和滤波处理 6 2 2 1 设计任务 6 2 2 2 任务分析和解决方案 7 2 2 3 编程得到的 MATLAB 代码 7 2 2 4 运行结果和相应的分析 7 2 3 FIR 滤波器设计和滤波处理 9 2 3 1 设计任务 9 2 3 2 任务分析和解决方案 9 2 3 3 编程得到的 MATLAB 代码 9 2 3 4 运行结果和相应的分析 11 3 总结 13 4 存在的不足及建议 13 5 参考文献 13 3 数字信号处理设计任务书数字信号处理设计任务书 摘摘 要要 语音信号滤波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 本设计通过录制一段语音 对其进行了时域分析 频谱分析 分析语音 信号的特性 并应用 matlab 平台对语音信号进行加噪然后再除去噪声 进一步设计两种种 滤波器即高通滤波器 带通滤波器 基于这两种滤波器设计原理 对含加噪的语音信号进 行滤波处理 最后对比滤波前后的语音信号的时域和频域特性 回放含噪语音信号和去噪 语音信号 论文从理论和实践上比较了不同数字滤波器的滤波效果 1 1 绪论绪论 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 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 号处理技术走人人们的日常生活当中 并不断朝更高目标而努力 数字滤波器是数字信号 4 处理的基础 用来对信号进行过滤 检测和参数估计等处理 IIR 数字滤波器最大的优点是 给定一组指标时 它的阶数要比相同组的 FIR 滤波器的低的多 信号处理中和频谱分析最 为密切的理论基础是傅立叶变换 FT 离散傅立叶变换 DFT 和数字滤波是数字信号处 理的最基本内容通过数字信号处理的课程设计 使学生对信号的采集 处理 传输 显示 存储和分析等有一个系统的掌握和理解 巩固和运用数字信号处理课程中的理论知识和实 验技能 掌握最基本的数字信号处理的理论和方法 培养学生发现问题 分析问题和解决 问题的能力 2 2 课程设计的具体内容 课程设计的具体内容 用 MATLAB 对语音信号进行分析与处理 采集语音信号后 在 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 对一段语音信号进行采样 画出采样后语音信号的时域波形和频谱图 用自己设计的 滤波器对采集的信号进行滤波 画出滤波后信号的时域波形和频谱 并对滤波前后的信号 进行对比 分析信号的变化 回放语音信号 最后 设计一个信号处理系统界面 设计内容 采样一段语音信号 画出语音信号的时域波形和频谱图 给定滤波器的性 能指标 设计数字滤波器 并画出滤波器的频率响应 然后用设计的滤波器对采集的信号 进行滤波 画出滤波后信号的时域波形和频谱 关键技术 频谱图的理解 设计数字滤波器 数字滤波的方法 解决思路 对语音号进行快速傅里叶变换 得到信号的频谱特性 在 MATLAB 环境中 可以利用函数 fir 设计 FIR 滤波器 可以利用函数 butter 设计 IIR 滤波器 利用 MATLAB 中 的函数 freqz 画出各滤波器的频率响应 2 1 1 读取语音信号的任务 读取语音信号的任务 自制一段语音信号 要求 我叫 学号 是东莞理工学院电子信息工程学院 2012 级电子卓越班的学生 2 1 2 任务分析和解决方案 任务分析和解决方案 在 MATLAB 软件平台下 利用函数 wavread 对语音信号进行采样 记住采样频率和采 样点数 通过 wavread 函数的使用 要求理解掌握采样频率 采样位数等概念 2 1 3 编程得到的 编程得到的 MATLAB 代码代码 z1 Fs audioread F cjl chenjunlin wma sound z1 Fs 播放语音信号 figure 1 plot z1 5 figure 1 plot z1 title 时域图 xlabel 时间 n ylabel 幅值 n 频域程序 z2 Fs audioread F cjl chenjunlin wma y1 fft z2 y1 fftshift y1 sound z2 Fs 播放语音信号 figure 2 derta Fs Fs length z2 plot Fs 2 derta Fs Fs 2 derta Fs abs y1 title 频谱图 xlabel 时间 n ylabel 幅值 n 2 1 4 运行结果和相应的分析 运行结果和相应的分析 6 由图可知人的声音分布在低频 而声音比较底和深沉 2 2 IIR 滤波器设计和滤波处理滤波器设计和滤波处理 2 2 1 设计任务 设计任务 要求用自己设计的各种滤波器 高通 低通 分别对采集的信号进行滤波 2 2 2 任务分析和解决方案 任务分析和解决方案 在 MATLAB 中 利用函数 filter 对信号进行滤波 利用 MATLAB 中的函数 freqz 画出各 滤波器的频率响应 2 2 3 编程得到的 编程得到的 MATLAB 代码代码 IIR 数字低通滤波器数字低通滤波器 fs 22050 z3 Fs audioread F cjl chenjunlin wma Ts 1 fs R1 10 wp 2 pi 1000 fs 通带截止频率 ws 2 pi 1200 fs 阻带截止频率 Rp 1 通带衰减 Rl 100 阻带衰减 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 R1 s 选择滤波器的最小阶数 Z P K buttap N 创建 butterworth 模拟低通滤波器 Bap Aap zp2tf Z P K b a lp2lp Bap Aap Wn 将模拟原型低通滤波器转换为低通滤波器 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 figure 1 plot W fs 2 pi abs H grid xlabel 频率 Hz 7 ylabel 频率响应幅度 title IIR 低通滤波器 f1 filter bz az z3 figure 2 subplot 2 1 1 plot z3 画出滤波前的时域图 title IIR 低通滤波器滤波前的时域波形 subplot 2 1 2 plot f1 画出滤波后的时域图 title IIR 低通滤波器滤波后的时域波形 sound f1 44100 播放滤波后的信号 F0 fft f1 f fs 0 511 1024 figure 3 y2 fft z3 subplot 2 1 1 derta Fs Fs length z3 plot Fs 2 derta Fs Fs 2 derta Fs abs y2 画出滤波前的频谱图 title IIR 低通滤波器滤波前的频谱 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 subplot 2 1 2 derta Fs Fs length z2 plot Fs 2 derta Fs Fs 2 derta Fs abs F0 画出滤波后的频谱图 title IIR 低通滤波器滤波后的频谱 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 IIR 数字高通滤波器数字高通滤波器 fc1 4000 z2 Fs audioread F cjl chenjunlin wma N2 2 pi 3 1 0 1 pi wc2 2 pi fc1 fs N2 N2 mod N2 2 Window hanning N2 1 b2 fir1 N2 wc2 pi high Window x1 high filter b2 1 x1 对信号进行高通滤波 figure 1 plot x1 high title 信号经过高通滤波器 时域 figure 2 derta fs fs length z2 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs fftshift fft x1 high title 信号经过高通滤波器 频域 2 2 4 运行结果和相应的分析 运行结果和相应的分析 8 语音高频成分音质非常尖锐 齿音中 声音有些暗淡 语音低频成分音质沉稳 空间 感觉强 语音浑厚 IIR 的设计理念是这样的 根据所要设计滤波器的参数去确定一个模拟 滤波器的传输函数 然后再根据这个传输函数 通过双线性变换 或脉冲响应不变法来进 行数字滤波器的设计 它的设计比较复杂 复杂在于它的模拟滤波器传输函数 H s 的确 定 这一点我们可以让软件来实现 然后 我们说一下它的具体实现步骤 首先你要先确 定你需要一个什么样的滤波器 巴特沃斯型 切比雪夫型 还是其它什么型的滤波器 当 你选定一个型号后 你就可以根据设计参数和这个滤波器的计算公式来确定其阶数 传输 函数的表达式 通常这个过程中还存在预扭曲的问题 IIR 数字低通滤波器波形数字低通滤波器波形 9 IIR 数字高通滤波器波形数字高通滤波器波形 10 2 3 FIR 滤波器设计和滤波处理滤波器设计和滤波处理 2 3 1 设计任务 设计任务 要求用自己设计的各种滤波器 高通 低通 分别对采集的信号进行滤波 2 3 2 任务分析和解决方案 任务分析和解决方案 在 MATLAB 中 FIR 滤波器利用函数 fftfilt 对信号进行滤波 IIR 滤波器利用函数 filter 对信号进行滤波 利用 MATLAB 中的函数 freqz 画出各滤波器的频率响应 2 3 3 编程得到的 编程得到的 MATLAB 代码代码 FIR 低通滤波器低通滤波器 fs 10000 x1 Fs audioread F cjl chenjunlin wma wp 2 pi 1000 fs ws 2 pi 1200 fs sound x1 Fs Rp 1 Rs 100 wdelta ws wp N ceil 8 pi wdelta 取整 wn wp ws 2 b a fir1 N wn pi hamming N 1 选择窗函数 并归一化截止频率 figure 1 freqz b a 512 title FIR 低通滤波器 f2 filter b a x1 figure 2 subplot 2 1 1 plot x1 title FIR 低通滤波器滤波前的时域波形 subplot 2 1 2 11 plot f2 title FIR 低通滤波器滤波后的时域波形 sound f2 44100 播放滤波后的语音信号 F0 fft f2 f fs 0 511 1024 figure 3 y2 fft x1 subplot 2 1 1 derta Fs Fs length x1 plot Fs 2 derta Fs Fs 2 derta Fs abs y2 title FIR 低通滤波器滤波前的频谱 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 subplot 2 1 2 derta Fs Fs length x1 plot Fs 2 derta Fs Fs 2 derta Fs abs F0 title FIR 低通滤波器滤波后的频谱 xlabel 频率 Hz ylabel 幅值 FIR 高通滤波器高通滤波器 y Fs audioread F cjl chenjunlin wma sound y Fs 播放语音信号 y after fir filter b 1 y figure plot y after fir sound y after fir 44100 播放滤波后的语音信号 title 滤波后信号时域 xlabel t s ylabel 幅度 fft y1 fftshift fft y after fir figure derta Fs Fs length y plot Fs 2 derta Fs Fs 2 derta Fs abs fftshift fft y after fir title 滤波后信号频谱 xlabel f Hz ylabel 幅度 FIR 低通滤波器波形低通滤波器波形 12 13 FIR 高通滤波器波形高通滤波器波形 14 2 3 4 运行结果和相应的分析 运行结果和相应的分析 FIR 滤波的效果不如 IIR 因为其滤波后还能听到很多噪声 FIR 有限脉冲响应滤波器 有 限说明其脉冲响应是有限的 与 IIR 相比 它具有线性相位 容易设计的优点 这也就说明 IIR 滤波器具有相位不线性 不容易设计的缺点 而另一方面 IIR 却拥有 FIR 所不具有的缺 点 那就是设计同样参数的滤波器 FIR 比 IIR 需要更多的参数 这也就说明 要增加 DSP 的计算量 DSP 需要更多的计算时间 对 DSP 的实时性有影响 以下都是低通滤波器的设计 FIR 滤波器的设计