MATLAB课程设计报告

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 一一目的意义 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 此次实习课程主要是为了进一步熟悉对matlab软件的使用 以及学会利用matlab对声 音信号这种实际问题进行处理 将理论应用于实际 加深对它的理解 二 实践原理 二 实践原理 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 语音信号的 短时谱 对于非平稳信号 它是非周期的 频谱随时间连续变化 因此由傅里叶变换得到的频谱无法获知其在各个时 刻的频谱特性 如果利用加窗的方法从语音流中取出其中一个短断 再进行傅里叶变换 就可以得到该语音的短时谱 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 x1 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 从图 中可以看出在时域环境下 信号呈现出 6 不规则的信号峰值 通过 freqz 函数绘制原始语音 信号的频率响应图 figure 2 然后对语音信号进行频谱分析 在 Matlab 中可以利用函数 fft 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 给原始信号加上一个高频噪声 在 Matlab 中人为设计一个固定频率 5500Hz 的噪声干扰信号 噪声信号通常为随机序 1 列 在本设计中用正弦序列代替 干扰信号构建命令函数为 d Au sin 2 pi 5500 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 从图中可以看出干扰信号 在 4000Hz 和 6000Hz 频点处有一高 峰 其中 5500Hz 正是本设计所要利用的 3 设计一个滤波器 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 在滤波器的选取时 由于设计方法的侧重点不同 作出比较是困难的 如果 FIR 滤波器情况下 最优的设计将是椭圆滤波器 用双线性变换法设计低通滤波器 的 本设计是用双线性变换法设计 BW 带阻型滤波器 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 用设计好的带阻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 fftfilt 对信号进行滤波 FIR 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 5500Hz 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 三三 实实践践步步骤骤 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 语音信号采样频率为 22050 x1 wavread C Documents and Settings Administrator 桌面 声音文件 wav 读取语音信号的数据 赋给变量 x1 sound x1 22050 播放语音信号 y1 fft x1 1024 对信号做 1024 点 FFT 变换 f fs 0 511 1024 将 0 到 511 步长为 1 的序列的值与 fs 相乘并除以 1024 的值 赋值给 f figure 1 创建图形窗 1 plot x1 做原始语音信号的时域图形 title 原始语音信号 2 xlabel time n x 轴的名字是 time n ylabel fuzhi n y 轴的名字是 fuzhi n figure 2 freqz x1 绘制原始语音信号的频率响应图 title 频率响应图 figure 3 subplot 2 1 1 创建两行一列绘图区间的第 1 个绘图区间 plot abs y1 1 512 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 y1 1 512 abs 是绝对值 plot 是直角坐标下线性刻度曲线 title 原始语音信号频谱 xlabel Hz ylabel 幅值 2 给原始的语音信号加上一个高频余弦噪声 频率为 5500hz 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 fs 22050 x1 wavread C Documents and Settings Administrator 桌面 声音文件 wav 读取语音信号的数据 赋给变量 x1 f fs 0 511 1024 将 0 到 511 步长为 1 的序列的值与 fs 相乘并除以 1024 的值 赋值给 f t 0 1 fs length x1 1 fs 将 0 到 x1 的长度减 1 后的值除以 fs 的值 且步长为 1 fs 的值 的序列的值 赋予 t Au 0 03 噪声幅值 d Au sin 2 pi 5500 t 所加的噪声是正弦信号 x2 x1 d 将正弦信号噪声加在语音信号上 sound x2 22050 播放语音信号 3 y1 fft x1 1024 对信号 y1 做 1024 点 FFT 变换 y2 fft x2 1024 对信号 y2 做 1024 点 FFT 变换 figure 1 创建图形窗 1 plot t x2 做加噪后的信号时域图形 绘出 t 对 x2 的线性图 title 加噪后的信号 xlabel time n x 轴的名字是 time n ylabel fuzhi n y 轴的名字是 fuzhi n figure 2 创建图形窗 2 subplot 2 1 1 创建两行一列绘图区间的第 1 个绘图区间 plot f abs y1 1 512 做原始语音信号的频谱图 title 原始语音信号频谱 xlabel Hz x 轴的名字是 time n ylabel fuzhi y 轴的名字是 fuzhi subplot 2 1 2 创建两行一列绘图区间的第 2 个绘图区间 plot f abs y2 1 512 做加噪后的语音信号的频谱图 abs 是绝对值 plot 是直角坐标下线性刻度曲线 title 加噪后的信号频谱 xlabel Hz x 轴的名字是 time n ylabel fuzhi y 轴的名字是 fuzhi 时域波形和频谱 4 图 4 加噪后的信号时域图 与原始信号对比 区别 先原始信号没加噪音之前 0 到 2000 有幅值 在 4000 到 6000 之间没有幅值 但是在加 了噪音之后 4000 到 6000 之间出现最大幅值 12 超出正常值 如图 5 原始信号与加噪后信 号频谱对比图所示 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 db Rs 15 阻带最大衰减 db Fs 22050 Ts 1 Fs wp1 2 Ts tan wp 2 将模拟指标转换成数字指标 5 ws1 2 Ts tan ws 2 将模拟指标转换成数字指标 N Wn buttord wp1 ws1 Rp Rs s 选择滤波器的最小阶数 估算得到 Butterworth 低通滤波器的最小阶数 N 和 3dB 截止频率 Wc Z P K buttap N 创建 Butterworth 低通滤波器原型 Bap Aap zp2tf Z P K 将零极点增益转换为普遍分子 分母 b a lp2lp Bap Aap Wn 将普遍的分子和分母转换为以 Wn 为截止频率 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 模拟转换为数字 H W freqz bz az 求频率响应 figure 9 plot W Fs 2 pi abs H 绘制 Butterworth 低通滤波器频率响应曲线 grid 添加图格 xlabel 频率 Hz ylabel 频率响应幅度 title Butterworth f1 filter bz az z 利用上面已做好的滤波器 已 bz 和 az 为特征 的滤波器 对 x2 信号进行滤波 赋值给 f1 figure 10 subplot 2 1 1 创建两行一列绘图区间的第 1 绘图区间 plot t z 做加噪后的信号时域图形 title 滤波前的时域波形 subplot 2 1 2 创建两行一列绘图区间的第 2 绘图区间 plot t f1 title 滤波后的时域波形 sound f1 22050 播放语音信号 p length f1 F0 fft f1 p f 0 fs p fs s 1 p figure 11 6 y2 fft z 1024 对信号 y2 做 1024 点 FFT 变换 subplot 2 1 1 创建两行一列绘图区间的第 1 绘图区间 plot f abs y4 title 滤波前的频谱 xlabel Hz x 轴的名字是 Hz ylabel fuzhi y 轴的名字是 fuzhi subplot 2 1 2 F1