2017畢業(yè)論文-基于matlab的語音信號錄制采集和分析的程序設計

1、<p><b>　　綜合設計報告</b></p><p>　　題 目：語音信號頻譜分析及濾波簡介 </p><p>　　班 級： 08級電子信息<1>班 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師：

2、 </p><p>　　成 績： </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2011年11月16日</p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　學生班級： 08電子信息

3、<1>班 學生姓名：畢昌國 學號： 0809121055 </p><p>　　設計名稱：應用Matlab對語音信號進行頻譜分析及濾波簡介</p><p>　　起止日期： 2011 年11月7日至2011年11月18 日 </p><p>　　指導教師： 王銀花 </p><p><b>　　目 錄&

4、lt;/b></p><p><b>　　摘要Ⅱ</b></p><p>　　第一節(jié) 設計要求1</p><p>　　第二節(jié) 設計方案1</p><p>　　第二章 語音信號的采集及加噪2</p><p>　　第一節(jié) 語音信號的錄制2</p><p>　　第

5、二節(jié) 語音信號的時域分析3</p><p>　　第三節(jié) 語音信號加噪和頻譜分析5</p><p>　　第三章 濾波器設計7</p><p>　　第一節(jié) FIR和IIR數(shù)字濾波器的選擇7</p><p>　　第二節(jié) 用FIR濾波器語音信號進行濾波9</p><p>　　一 濾波器的程序設計9</p>

6、;<p>　　二 濾波前后信號比較10</p><p>　　第三節(jié) 比較回放語音信號12</p><p>　　第四章 心得體會13</p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p>　　第一章 課程設計方案提出</p><p><b>　　第一節(jié) 設

7、計要求</b></p><p>　　要求錄制一段的語音信號后，在MATLAB軟件中采集語音信號、回放語音信號并畫出語音信號的時域波形和頻譜圖；對所采集的信號加入干擾噪聲，對加入噪聲進行播放，并進行時域和頻譜分析；對比及早前后的時域圖和頻譜圖，分析討論采用什么的濾波器進行濾除噪聲。</p><p><b>　　第二節(jié) 設計方案</b></p>

8、<p>　　圖1.1 語音信號錄制流程圖</p><p>　　首先，錄制一段語音信號（如圖1.1）；然后，利用MATLAB中的wavread命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個普通的信號，對其進行FFT變換實現(xiàn)頻譜分析；隨后，利用MATLAB中的隨機函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析。最后；再依據(jù)實際情況對它進行濾波。對

9、于波形圖與頻譜圖（包括濾波前后的對比圖）都可以用 MATLAB畫出。我們還可以通過sound命令來對語音信號進行回放，以便在聽覺上來感受聲音的變化。</p><p>　　第二章 語音信號的采集及加噪</p><p>　　第一節(jié) 語音信號的錄制</p><p>　　利用PC 機上的聲卡和WINDOWS 操作系統(tǒng)可以進行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機的語音輸入插口上,

10、啟動錄音機。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“語音信號處理”,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度，點擊放音按鈕,可以實現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“shijiebei”保存入D:\ MATLAB \ work 中。文件存儲器的后綴默認為. wav ,這是WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標準。具體操作如下：</p><p>　　a.打開 開始/程序/附件/娛樂/錄音機（如圖3.1）;</p>

11、;<p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　b.用windows media player播放一首音樂并用MIC對著耳機錄音或自已說話錄音（按鍵），到10秒時停止（按鍵）（如圖3.1）；</p><p>　　圖3.2 圖3.3</p><p>　　c.將錄制文件加

12、存為D:/MATLAB7/work中，文件名為shijiebei.wav（如圖3.2、圖3.3和圖3.4）；</p><p>　　圖3.4 </p><p>　　第二節(jié) 語音信號的時域分析</p><p>　　在MATLAB軟件平臺下，利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進行采樣，記住采樣頻率

13、和采樣點數(shù)。通過使用wavread函數(shù)，可以深入理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念，下面介紹Wavread 函數(shù)幾種調(diào)用格式。</p><p>　?。?）y=wavread（file）；讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。</p><p>　　（2）[y,fs,nbits]=wavread(file) ；采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbits表示采樣位數(shù)。&

14、lt;/p><p>　?。?）y=wavread（file，N）；讀取錢N點的采樣值放在向量y中。</p><p>　?。?）y=wavread（file，[N1,N2]）；讀取從N1到N2點的采樣值放在向量y中。</p><p>　　接下來，對語音信號shijiebei.wav進行采樣。</p><p><b>　　其采樣程序如下：&

15、lt;/b></p><p>　　[y,fs,nbits]=wavered (‘E:\sheji\shijiebei’);</p><p>　　即把語音信號加載入Matlab 仿真軟件平臺中。</p><p>　　然后，畫出語音信號的時域波形，再對語音信號進行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：</

16、p><p>　　Xk=fft(xn,N)</p><p>　　參數(shù)xn為被變換的時域序列向量，N是DFT變換區(qū)間長度，當N大于xn的長度時，fft函數(shù)自動在xn后面補零。，當N小于xn的長度時，fft函數(shù)計算xn的前N個元素，忽略其后面的元素。</p><p>　　在本次設計中，我們利用fft對語音信號進行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。</p>

17、<p><b>　　其程序如下：</b></p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread (' E:\sheji\shijiebei');</p><p>　　sound(y,fs,nbits); %回放語音信號</p><p>　　N= length (y) ; %求出語音信號的長度</

18、p><p>　　Y=fft(y,N); %傅里葉變換</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(y);title('原始信號波形');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(Y));</p>

19、<p>　　title('原始信號頻譜')</p><p>　　程序運行結(jié)果如下圖：</p><p>　　圖3.5 原始信號波形及頻譜</p><p>　　第三節(jié) 語音信號加噪和頻譜分析</p><p>　　MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，有兩個產(chǎn)生高斯白噪聲的兩個函數(shù) 。我們可以直接應用兩個函數(shù)：一個是WG

20、N，另一個是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。也可直接用randn函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。</p><p>　　在本次課程設計中，我們是利用MATLAB中的隨機函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析。Randn函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者產(chǎn)生n×n服從標準高斯分布的隨機數(shù)矩

21、陣，后者產(chǎn)生m×n的隨機數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randn（m,n）函數(shù)。語音信號添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：</p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread (' E:\sheji\shijiebei’);</p><p>　　N = length (y) ; %求出語音信號的長度</p><p>　　Noi

22、se=0.01*randn(n,2); %隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲</p><p>　　Si=y+Noise; %語音信號加入噪聲 </p><p>　　sound(Si);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(Si);title('加噪語音信號的時域波形')

23、;</p><p>　　S=fft(Si); %傅里葉變換</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(S)); title('加噪語音信號的頻域波形');</p><p>　　程序運行結(jié)果如下圖：</p><p>　　圖3.6 加噪后的波形及頻譜分析&

24、lt;/p><p><b>　　第三章 濾波器設計</b></p><p>　　第一節(jié) FIR和IIR數(shù)字濾波器的選擇</p><p>　　IIR濾波器和FIR濾波器的設計方法完全不同。IIR濾波器設計方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設計方法進行的。其設計步驟是：先設計過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)H（s），然后將H（s）按某種方法轉(zhuǎn)換

25、成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。FIR濾波器必須采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對于線性相位濾波器，經(jīng)常采用FIR濾波器。</p><p>　　數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù)其實現(xiàn)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)或者其沖激響應函數(shù)的時域特性，可分為兩種，即有限沖激響應( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無限沖激響應( IIR，Infinite Impulse Respons

26、e)濾波器。</p><p>　　FIR濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數(shù)H (z)在極點處收斂，極點全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過fir濾波器后他們的時間差不變，這是很好的性質(zhì)。FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應也有利于對數(shù)字信號的處理，便于編程，用于計算

27、的時延也小，這對實時的信號處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實現(xiàn)相位控制，允許設計多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點收到人們的青睞。</p><p>　　IIR濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運算組成，可以組合成直接型、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時，IIR數(shù)字濾波器在設計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、

28、契比雪夫和橢圓濾波器等，在設計一個IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。</p><p>　　下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設計FIR濾波器的步驟。如下：</p><p>　?。?）根據(jù)對阻帶衰減及過渡帶的指標要求，選擇串窗數(shù)類型（矩形窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗、凱塞窗等），并估計窗口長度N。先按照阻帶衰減選擇窗函

29、數(shù)類型。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。</p><p>　?。?）構(gòu)造希望逼近的頻率響應函數(shù)。</p><p>　　（3）計算h(n).。</p><p>　?。?）加窗得到設計結(jié)果。</p><p>　　接下來，我們根據(jù)語音信號的特點給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標：</p><p>　?、俚屯?/p>

30、濾波器的性能指標：</p><p>　　fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB</p><p>　?、诟咄V波器的性能指標：</p><p>　　fp=3500Hz，fc=4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；</p><p>　?、蹘V波器的性能指標：</p><p>　　

31、fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB</p><p>　　在Matlab中，可以利用函數(shù)fir1設計FIR濾波器，利用函數(shù)butter,cheby1和ellip設計IIR濾波器，利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各步步器的頻率響應。</p><p>　　hn=fir1(M，wc，window)，可以指定窗

32、函數(shù)向量window。如果缺省window參數(shù)，則fir1默認為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相應的都有實現(xiàn)函數(shù)。</p><p>　　函數(shù)butter,cheby1和ellip設計IIR濾波器時都是默認的雙線性變換法，所以在設計濾波器時只需要代入相應的實現(xiàn)函數(shù)即可</p><p>　　第二節(jié) 用FIR濾波

33、器語音信號進行濾波</p><p>　　一 濾波器的程序設計</p><p>　　由頻譜圖可以看出信號能量集中在低頻部分，為了減少無用的高頻分量我設計了以下的FIR低通濾波器將其濾除。</p><p>　　該設計采用窗函數(shù)法（漢明窗）來完成以下指標的低通濾波器。通帶截頻fp=3000Hz，阻帶截頻fs=3500Hz，通帶最大衰減0.3dB，阻帶最小衰減50dB，采樣

34、頻率fs為信號源采樣頻率22050Hz。源程序如下：</p><p>　　Wp=3000*2*pi;Ws=3500*2*pi;Ap=0.3;As=50;fs=22050;</p><p>　　wp=Wp/fs;ws=Ws/fs; %歸一化通帶截頻，阻帶截頻</p><p>　　wdelta=ws-wp; %過渡帶寬</p><p>

35、　　%由阻帶最小衰減指標確定選用漢明窗，并確定其階數(shù)</p><p>　　N=ceil(6.6*pi/wdelta) </p><p><b>　　Nw=N; </b></p><p><b>　　n=0:N-1;</b></p><p>　　m=n-alpha+eps;%理想濾波器脈沖響應<

36、/p><p>　　wc=(wp+ws)/2; %理想截頻 </p><p>　　hd=sin(wc*m)./(pi*m); %采用漢明窗設計</p><p>　　win=hamming(Nw);</p><p>　　h=hd.*win'; &

37、lt;/p><p><b>　　b=h; </b></p><p>　　[H,f]=freqz(b,1,512,fs); %繪制濾波器的幅頻響應圖</p><p>　　plot(f，20*log10(abs(H)))</p><p>　　xlabel('頻率');ylabel('幅度');&l

38、t;/p><p>　　title(‘濾波器幅頻特性’);grid on;</p><p>　　幅頻特性曲線如下所示：</p><p>　　圖3.7濾波器幅頻特性曲線</p><p>　　二 濾波前后信號比較</p><p><b>　　源程序如下：</b></p><p>　　

39、[x,fs,bits]=wavread(' E:\sheji\shijiebei ');%信號讀取</p><p>　　sound(x,fs);</p><p>　　y=fftfilt(b,y); %濾波輸出</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p&g

40、t;　　subplot(2,1,1)； plot(x),title('輸入信號')</p><p><b>　　%繪制輸入信號</b></p><p>　　subplot(2,1,2)；plot(y) % 繪制輸出信號</p><p>　　xlabel('時間/s'),title('輸出信號&#

41、39;)</p><p>　　sound(y,fs);%輸入輸出頻譜</p><p><b>　　X=fft(x);</b></p><p><b>　　Y=fft(y);</b></p><p>　　figure(3);</p><p>　　subplot(2,1,1);p

42、lot(abs(X));</p><p>　　xlabel('頻率');ylabel('幅度');</p><p>　　title('輸入信號頻譜');grid on;</p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(Y));</p><p>　　xlabel('頻率

43、');ylabel('幅度');</p><p>　　title('輸出信號頻譜');grid on;</p><p><b>　　時域圖如下：</b></p><p>　　圖3.8原信號與濾波后時域波形比較</p><p><b>　　頻譜圖如下：</b>&

44、lt;/p><p>　　圖3.9原信號與濾波后信號頻譜圖比較</p><p>　　第三節(jié) 比較回放語音信號</p><p>　　經(jīng)過以上的加噪聲濾波處理后，可在Matlab中用函數(shù)sound對聲音進行回放。其調(diào)用格式：sound(y,Fs)，sound(y)和sound(y,Fs,bits)?？梢圆煊X濾波前后的聲音有明顯的變化。通過上面的頻譜圖可以很清晰地觀察到經(jīng)過濾波

45、后與濾波前存在明顯差別，濾波后的頻譜比加噪語音信號的頻譜清晰，濾波后的聲音顯得比較低沉，因為原始信號經(jīng)過低通濾波器后，低通濾波器已經(jīng)把信號高頻部分濾掉了，只剩下低頻部分。</p><p><b>　　第四章 心得體會</b></p><p>　　這次課程設計歷時一個星期，可以說是苦多于甜，但是可以學的到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固以前所學過的知識，而且學到了很多在

46、書本上所沒有學到過的知識。通過這次設計，進一步加深了對數(shù)字信號處理的了解，讓我對它有了更加濃厚的興趣。但是在編寫程序時，也遇到了不少問題，特別是程序語法，總是有錯誤，在細心的檢查下，終于找出了錯誤和警告，排除困難后，程序編譯就通過了，心里終于舒了一口氣。</p><p>　　通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能

47、提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。</p><p>　　總的來說，這次課程設計還是比較成功的，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤的指導下，終于游逆而解，有點小小的成就感，終于覺得平時所學的知識有了實用的價值，達到了理論與實際相結(jié)合的目的，不僅學到了不少知識，而且鍛煉了自己的能力，使自己對以后的路有了更加清楚的認識

48、，同時，對未來有了更多的信心。最后，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版設，2008.1</p><p>　　張文.基于MATLAB的語音信號的濾波與實現(xiàn)[J].山西電子技術(shù)出版社.2008