2017畢業(yè)論文-基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)錄制采集和分析的程序設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　綜合設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目：語(yǔ)音信號(hào)頻譜分析及濾波簡(jiǎn)介 </p><p>　　班 級(jí)： 08級(jí)電子信息<1>班 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 </p><p>　　成 績(jī)： </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2011年11月16日</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p>　　學(xué)生班級(jí)： 08電子信息

3、<1>班 學(xué)生姓名：畢昌國(guó) 學(xué)號(hào)： 0809121055 </p><p>　　設(shè)計(jì)名稱：應(yīng)用Matlab對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析及濾波簡(jiǎn)介</p><p>　　起止日期： 2011 年11月7日至2011年11月18 日 </p><p>　　指導(dǎo)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(shè)計(jì)要求1</p><p>　　第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案1</p><p>　　第二章 語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪2</p><p>　　第一節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的錄制2</p><p>　　第

5、二節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析3</p><p>　　第三節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)加噪和頻譜分析5</p><p>　　第三章 濾波器設(shè)計(jì)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(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波9</p><p>　　一 濾波器的程序設(shè)計(jì)9</p>

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

7、計(jì)要求</b></p><p>　　要求錄制一段的語(yǔ)音信號(hào)后，在MATLAB軟件中采集語(yǔ)音信號(hào)、回放語(yǔ)音信號(hào)并畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；對(duì)所采集的信號(hào)加入干擾噪聲，對(duì)加入噪聲進(jìn)行播放，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析；對(duì)比及早前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析討論采用什么的濾波器進(jìn)行濾除噪聲。</p><p><b>　　第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案</b></p>

8、<p>　　圖1.1 語(yǔ)音信號(hào)錄制流程圖</p><p>　　首先，錄制一段語(yǔ)音信號(hào)（如圖1.1）；然后，利用MATLAB中的wavread命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個(gè)普通的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行FFT變換實(shí)現(xiàn)頻譜分析；隨后，利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)其頻譜分析。最后；再依據(jù)實(shí)際情況對(duì)它進(jìn)行濾波。對(duì)

9、于波形圖與頻譜圖（包括濾波前后的對(duì)比圖）都可以用 MATLAB畫出。我們還可以通過(guò)sound命令來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，以便在聽(tīng)覺(jué)上來(lái)感受聲音的變化。</p><p>　　第二章 語(yǔ)音信號(hào)的采集及加噪</p><p>　　第一節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)的錄制</p><p>　　利用PC 機(jī)上的聲卡和WINDOWS 操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音輸入插口上,

10、啟動(dòng)錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對(duì)話筒說(shuō)話“語(yǔ)音信號(hào)處理”,說(shuō)完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長(zhǎng)度，點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)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(chǔ)器的后綴默認(rèn)為. wav ,這是WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。具體操作如下：</p><p>　　a.打開(kāi) 開(kāi)始/程序/附件/娛樂(lè)/錄音機(jī)（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(lè)并用MIC對(duì)著耳機(jī)錄音或自已說(shuō)話錄音（按鍵），到10秒時(shí)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(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析</p><p>　　在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用MATLAB中的“wavread”命令來(lái)讀入（采集）語(yǔ)音信號(hào)，將它賦值給某一向量。再對(duì)其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率

13、和采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)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(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　?。?）y=wavread（file，[N1,N2]）；讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　　接下來(lái)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)shijiebei.wav進(jìn)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(yǔ)音信號(hào)加載入Matlab 仿真軟件平臺(tái)中。</p><p>　　然后，畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，再對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計(jì)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(shí)域序列向量，N是DFT變換區(qū)間長(zhǎng)度，當(dāng)N大于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于xn的長(zhǎng)度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)</p><p>　　N= length (y) ; %求出語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)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(hào)波形');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(Y));</p>

19、<p>　　title('原始信號(hào)頻譜')</p><p>　　程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：</p><p>　　圖3.5 原始信號(hào)波形及頻譜</p><p>　　第三節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)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(gè)產(chǎn)生高斯白噪聲的兩個(gè)函數(shù) 。我們可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù)：一個(gè)是WG

20、N，另一個(gè)是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號(hào)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(shè)計(jì)中，我們是利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語(yǔ)音信號(hào)中，模仿語(yǔ)音信號(hào)被污染，并對(duì)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(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩

21、陣，后者產(chǎn)生m×n的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randn（m,n）函數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度</p><p>　　Noi

22、se=0.01*randn(n,2); %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲</p><p>　　Si=y+Noise; %語(yǔ)音信號(hào)加入噪聲 </p><p>　　sound(Si);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(Si);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)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(yǔ)音信號(hào)的頻域波形');</p><p>　　程序運(yùn)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(shè)計(jì)</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(shè)計(jì)方法完全不同。IIR濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的。其設(shè)計(jì)步驟是：先設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即有限沖激響應(yīng)( FIR，F(xiàn)inite Impulse Response)濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)( 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(méi)有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數(shù)H (z)在極點(diǎn)處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達(dá)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(hào)經(jīng)過(guò)fir濾波器后他們的時(shí)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(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算

27、的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)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(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時(shí)，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過(guò)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(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。如下：</p><p>　?。?）根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過(guò)渡帶的指標(biāo)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(jì)窗口長(zhǎng)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(yīng)函數(shù)。</p><p>　?。?）計(jì)算h(n).。</p><p>　?。?）加窗得到設(shè)計(jì)結(jié)果。</p><p>　　接下來(lái)，我們根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　?、俚屯?/p>

30、濾波器的性能指標(biāo)：</p><p>　　fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100db ,Ap=1dB</p><p>　?、诟咄V波器的性能指標(biāo)：</p><p>　　fp=3500Hz，fc=4000Hz，As=100dB，Ap=1dB；</p><p>　?、蹘V波器的性能指標(biāo)：</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(shè)計(jì)FIR濾波器，利用函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器，利用Matlab中的函數(shù)freqz畫出各步步器的頻率響應(yīng)。</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(rèn)為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有Rectangular Barlrtt Hamming Hann Blackman窗，其相應(yīng)的都有實(shí)現(xiàn)函數(shù)。</p><p>　　函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可</p><p>　　第二節(jié) 用FIR濾波

33、器語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　一 濾波器的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　由頻譜圖可以看出信號(hào)能量集中在低頻部分，為了減少無(wú)用的高頻分量我設(shè)計(jì)了以下的FIR低通濾波器將其濾除。</p><p>　　該設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法（漢明窗）來(lái)完成以下指標(biāo)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(hào)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(guò)渡帶寬</p><p>

35、　　%由阻帶最小衰減指標(biāo)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(yīng)<

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(shè)計(jì)</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(yīng)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(hào)比較</p><p><b>　　源程序如下：</b></p><p>　　

39、[x,fs,bits]=wavread(' E:\sheji\shijiebei ');%信號(hào)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(hào)')</p><p><b>　　%繪制輸入信號(hào)</b></p><p>　　subplot(2,1,2)；plot(y) % 繪制輸出信號(hào)</p><p>　　xlabel('時(shí)間/s'),title('輸出信號(hào)&#

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(hào)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(hào)頻譜');grid on;</p><p><b>　　時(shí)域圖如下：</b></p><p>　　圖3.8原信號(hào)與濾波后時(shí)域波形比較</p><p><b>　　頻譜圖如下：</b>&

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

45、后與濾波前存在明顯差別，濾波后的頻譜比加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜清晰，濾波后的聲音顯得比較低沉，因?yàn)樵夹盘?hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，低通濾波器已經(jīng)把信號(hào)高頻部分濾掉了，只剩下低頻部分。</p><p><b>　　第四章 心得體會(huì)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星期，可以說(shuō)是苦多于甜，但是可以學(xué)的到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在

46、書本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的了解，讓我對(duì)它有了更加濃厚的興趣。但是在編寫程序時(shí)，也遇到了不少問(wèn)題，特別是程序語(yǔ)法，總是有錯(cuò)誤，在細(xì)心的檢查下，終于找出了錯(cuò)誤和警告，排除困難后，程序編譯就通過(guò)了，心里終于舒了一口氣。</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能

47、提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)還是比較成功的，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在老師的辛勤的指導(dǎo)下，終于游逆而解，有點(diǎn)小小的成就感，終于覺(jué)得平時(shí)所學(xué)的知識(shí)有了實(shí)用的價(jià)值，達(dá)到了理論與實(shí)際相結(jié)合的目的，不僅學(xué)到了不少知識(shí)，而且鍛煉了自己的能力，使自己對(duì)以后的路有了更加清楚的認(rèn)識(shí)

48、，同時(shí)，對(duì)未來(lái)有了更多的信心。最后，對(duì)給過(guò)我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版設(shè)，2008.1</p><p>　　張文.基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)的濾波與實(shí)現(xiàn)[J].山西電子技術(shù)出版社.2008