數(shù)字信號處理課程設(shè)計--用matlab對語音信號進行分析及處理

1、<p><b>　　《數(shù)字信號處理》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　用MATLAB對語音信號進行分析及處理</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　MATLAB 語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大

2、的計算機應(yīng)用軟件 ,它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件 , 然后利用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù) ,如數(shù)字濾波 、傅里葉變換 、時域和頻域分析 、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等 , 信號處理是MATLAB 重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一 。 </p><p>　　本課程設(shè)計介紹了基于Matlab的對語音信號采集、處理及濾波器的設(shè)計，并使之實現(xiàn)的過程。理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，用Matlab進行數(shù)字語音

3、信號處理，并闡述了課程設(shè)計的具體方法、步驟和內(nèi)容。綜合運用本課程的理論知識進行頻譜分析以及濾波器設(shè)計，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為工具進行實現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)的理論知識，提高對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，并從實踐上初步實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、設(shè)計目的：4<

4、/b></p><p><b>　　二、設(shè)計內(nèi)容：4</b></p><p><b>　　三、設(shè)計原理：4</b></p><p>　　1)．直接設(shè)計數(shù)字濾波器；5</p><p>　　2)．脈沖響應(yīng)不變法；6</p><p>　　3)．雙線性變換；6<

5、/p><p>　　4). 設(shè)計思路：7</p><p><b>　　四、設(shè)計步驟：7</b></p><p>　　1). 語音信號的采集7</p><p>　　2). 語音信號的頻譜分析8</p><p>　　3). 設(shè)計數(shù)字濾波器，畫出其頻率響應(yīng)曲線10</p><p&

6、gt;　　五、心得體會：13</p><p>　　六、參考文獻：14</p><p><b>　　一、設(shè)計目的：</b></p><p>　　1)．掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法； </p><p>　　2)．掌握MATLAB設(shè)計FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法； </p><p&g

7、t;　　3)．掌握在Windows環(huán)境下語音信號采集以及時域、頻域分析；</p><p>　　4)．學(xué)會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計方法；</p><p>　　5)．學(xué)會用MATLAB對信號進行分析和處理。</p><p><b>　　二、設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　1)．錄制一段自己的語音

8、信號,對錄制的信號進行采樣；</p><p>　　2)．畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖;</p><p>　　3)．給定濾波器的性能指標,采MATLAB設(shè)計數(shù)字濾波器,并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；</p><p>　　4)．然后用自己設(shè)計的濾波器對采集的信號進行濾波,畫出濾波后信號的時域波形和頻譜,并對濾波前后的信號進行對比,分析信號的變化；</p>

9、<p>　　5)．回放語音信號。</p><p><b>　　三、設(shè)計原理：</b></p><p>　　濾波器的設(shè)計原理 設(shè)計數(shù)字濾波器的任務(wù)就是尋求一個因果穩(wěn)定的線性時不變系統(tǒng)，并使系統(tǒng)函數(shù)H(z)具有指定的頻率特性。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。IIR濾波器的特

10、征是，具有無限持續(xù)時間沖激響應(yīng)。這種濾波器一般需要用遞歸模型來實現(xiàn)，因而有時也稱之為遞歸濾波器。FIR濾波器的沖激響應(yīng)只能延續(xù)一定時間，在工程實際中可以采用遞歸的方式實現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實現(xiàn)。</p><p>　　濾波器的性能指標 在設(shè)計一個濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實際的需要確定濾波器的技術(shù)指標。在很多實際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻操作。因此，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。幅度

11、指標主要以兩種方式給出。第一種是絕對指標。它提供對幅度響應(yīng)函數(shù)的要求，一般應(yīng)用于FIR濾波器的設(shè)計。第二種指標是相對指標。它以分貝值的形式給出要求。在工程實際中，這種指標最受歡迎。對于相位響應(yīng)指標形式，通常希望系統(tǒng)在通頻帶中人有線性相位。運用線性相位響應(yīng)指標進行濾波器設(shè)計具有如下優(yōu)點：①只包含實數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運算；②不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲；③長度為N的濾波器（階數(shù)為N-1），計算量為N/2數(shù)量級。下面給出了有關(guān)濾波器的性

12、能指標 1、 低通濾波器的性能指標：Fp=1000Hz，F(xiàn)s=1200Hz，As=50dB，Ap=1dB； 2、 高通濾波器的性能指標：Fp=4000Hz，F(xiàn)s=3500Hz，As=50dB，Ap=1dB； 3、 帶通濾波器的性能指標：Fp1=1200Hz，F(xiàn)p2=3000HZ，F(xiàn)s1=1000Hz， Fs</p><p>　　1)．直接設(shè)計數(shù)字濾波器；&

13、lt;/p><p>　　數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的一個重要組成部分。數(shù)字濾波實際上是一種運算過程，其功能是將一組輸入的數(shù)字序列通過一定的運算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。</p><p>　　數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種是根據(jù)描述數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)模型或信號流圖，用數(shù)字硬件裝配成一臺專門的設(shè)備，構(gòu)成專用的信號處理機；另一種方法就是直接利用通用計算機，將所需要的運算編成程序讓計算機來執(zhí)

14、行，這也是用軟件來實現(xiàn)數(shù)字濾波器。</p><p>　　數(shù)字濾波器是離散時間系統(tǒng)，所處理的信號是離散時間信號。一般時域離散系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)可以用差分方程、單位脈沖響應(yīng)以及系統(tǒng)函數(shù)進行描述。如果輸入、輸出服從N階差分方程</p><p>　　則其系統(tǒng)函數(shù)，即濾波器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　2)．脈沖響應(yīng)不變法；</p><p>　　利用模擬濾

15、波器來設(shè)計數(shù)字濾波器，就是從已知的模擬濾波器傳遞函數(shù)Ha(s)設(shè)計數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。</p><p>　　因此，它歸根結(jié)底是一個由S平面映射到Z平面的變換，這個變換通常是復(fù)變函數(shù)的映射變換，為了保證轉(zhuǎn)換后的H(z)穩(wěn)定且滿足技術(shù)要求，這個映射變換必須滿足以下兩條基本要求：</p><p>　　(1)因果穩(wěn)定的模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器，仍是因果穩(wěn)定的。即 S平面的左半平面必須映

16、射到Z平面單位圓的內(nèi)部。</p><p>　　(2)數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)模仿模擬濾波器的頻 響，s平面的虛軸映射為z平面的單位圓，相應(yīng)的頻率之間成線性關(guān)系。</p><p><b>　　核心原理：</b></p><p>　　通過對連續(xù)函數(shù)ha(t)等間隔采樣得到離散序列ha(nT)。令h(n)= ha(nT) ，T為采樣間隔。它是一種時域上

17、的轉(zhuǎn)換方法。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)換步驟：</b></p><p><b>　　3)．雙線性變換；</b></p><p>　　脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點是頻譜交疊產(chǎn)生的混淆，這是從S平面到Z平面的標準變換的多值對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)致的,為了克服這一缺點，設(shè)想變換分為兩步：</p><p>　　第一步

18、：將整個S平面壓縮到S1平面的一條橫帶里；</p><p>　　第二步：通過標準變換關(guān)系將此橫帶變換到整個Z平面上去。由此建立S平面與Z平面一一對應(yīng)的單值關(guān)系，消除多值性，也就消除了混淆現(xiàn)象。</p><p>　　與脈沖響應(yīng)不變法相比，雙線性變換的主要優(yōu)點：靠頻率的嚴重非線性關(guān)系得到S平面與Z平面的單值一一對應(yīng)關(guān)系，整個jΩ軸單值對應(yīng)于單位圓一周。在零頻率附近，Ω～ω接近于線性關(guān)系，Ω進一

19、步增加時，ω增長變得緩慢， (ω終止于折疊頻率處)，所以雙線性變換不會出現(xiàn)由于高頻部分超過折疊頻率而混淆到低頻部分去的現(xiàn)象。</p><p>　　雙線性變換法的缺點：Ω與ω的非線性關(guān)系，導(dǎo)致數(shù)字濾波器的幅頻響應(yīng)相對于模擬濾波器的幅頻響應(yīng)有畸變，(使數(shù)字濾波器與模擬濾波器在響應(yīng)與頻率的對應(yīng)關(guān)系上發(fā)生畸變)。雙線性變換比脈沖響應(yīng)法的設(shè)計計算更直接和簡單。由于s與z之間的簡單代數(shù)關(guān)系，所以從模擬傳遞函數(shù)可直接通過代數(shù)置

20、換得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　4). 設(shè)計思路：</b></p><p>　　首先將數(shù)字高通濾波器的技術(shù)指標轉(zhuǎn)化為模擬濾波器的技術(shù)指標，再采用Buttetworth逼近的方法求得其系統(tǒng)函數(shù)H(S)，再利用沖激響應(yīng)不變法將模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(s)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(Z)，然后用MATALB進行仿真，然后確定數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)。

21、</p><p><b>　　四、設(shè)計步驟：</b></p><p>　　1). 語音信號的采集</p><p>　　采集一小段語音信號保存為wav音頻文件格式，放到c目錄下待用。并且在Matlab軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù)。</p><p>　　圖1 語音采集流程圖&l

22、t;/p><p><b>　　程序為：</b></p><p>　　[y,fs,bite]=wavread('7.wav');</p><p><b>　　sound(y);</b></p><p>　　wavrecord(2*fs,fs);</p><p>&l

23、t;b>　　fft(y);</b></p><p><b>　　Y=fft(y);</b></p><p><b>　　fp=1000;</b></p><p>　　fr=1200;as=40;ap=1;</p><p>　　[N, Wn] = BUTTORD(2*fp/fs, 2

24、*fr/fs, ap, as);</p><p>　　[B,A] = BUTTER(N,Wn);</p><p>　　2). 語音信號的頻譜分析</p><p>　　要求畫出語音信號的時域波形;然后對語音號進行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜特性。</p><p><b>　　程序為：</b></p><

25、;p>　　[y,fs,bite]=wavread('7.wav');</p><p><b>　　sound(y);</b></p><p><b>　　Y=fft(y);</b></p><p>　　mag=abs(Y);</p><p>　　phase=angle(Y);&

26、lt;/p><p>　　phase=phase*180/pi;</p><p>　　dB=20*log10(abs(Y)+eps);</p><p>　　t=(0:length(y)-1)/fs;</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　subplot(221);p

27、lot(t,y);title('波形圖');xlabel('時間(s)');ylabel('幅度');</p><p>　　f=(1:length(Y))*fs/length(Y);</p><p>　　subplot(222);plot(f,mag);title('幅度譜');xlabel('頻率(Hz)')

28、;ylabel('頻譜幅度');</p><p>　　subplot(223);plot(f,phase);title('相位譜');xlabel('頻率(Hz)');ylabel('頻譜相位');</p><p>　　subplot(224);plot(f,dB);title('對數(shù)幅度譜');xlabel(

29、'頻率(Hz)');ylabel('頻譜幅度(dB)');</p><p><b>　　顯示為：</b></p><p>　　3). 設(shè)計數(shù)字濾波器，畫出其頻率響應(yīng)曲線</p><p>　　各濾波器的性能指標：</p><p>　　1).低通濾波器性能指標 fp＝1000Hz, fs＝1

30、200Hz, As＝40dB, Ap＝1dB</p><p>　　2).高通濾波器性能指標　fs＝4000Hz, fp＝4300Hz, As＝40dB, Ap＝1dB</p><p>　　3).帶通濾波器性能指標　fp1＝1200 Hz, fp2＝3 000 Hz, fs1＝1000 Hz, fs2＝3200Hz, As＝40dB, Ap＝1dB。</p><p>

31、　　（頻率變換法設(shè)計IIR濾波器）</p><p><b>　?、俚屯V波器</b></p><p><b>　　程序為：</b></p><p><b>　　clc</b></p><p>　　[I,Fs,bits]=wavread('7.wav');%讀取語

32、音信號7.wav</p><p>　　fp=1000; %通帶截止頻率</p><p>　　fr=1200; %阻帶角頻率</p><p>　　ap=1; %通帶紋波</p><p>　　as=40;

33、 %阻帶衰減</p><p>　　[n,fn]= buttord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,'z'); %巴特沃斯濾波器</p><p>　　[b,a]=butter(n,fn); %巴特沃斯IIR濾波器</p><p>　　[h,w]=freqz(b,a); %濾波器

34、的頻率響應(yīng)</p><p>　　I1=filter(b,a,I); %1維數(shù)字濾波器</p><p>　　I2=fftfilt(b,I); %FFT的FIR濾波</p><p>　　subplot(321),plot(I);title('原始語音信號');</p><p>　　subp

35、lot(322);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h));title('巴特沃斯低通濾波');</p><p>　　subplot(323);plot(I1);title('巴特沃斯IIR濾波后語音信號');</p><p>　　subplot(324);plot(I2);title('巴特沃斯FIR濾波后語音信號');</p

36、><p>　　subplot(325);plot([h,w]);title('濾波器頻率響應(yīng)');</p><p>　　sound(I1,Fs,bits); %重放語音</p><p><b>　　顯示為：</b></p><p><b>　　②高通濾波器</b><

37、;/p><p><b>　　程序為：</b></p><p><b>　　clc;</b></p><p>　　[I,Fs,bits]=wavread('7.wav'); %讀取語音信號7.wav</p><p>　　fp=4300; %通帶截止

38、頻率</p><p>　　fr=4000; %阻帶角頻率</p><p>　　ap=1; %通帶紋波</p><p>　　as=40; %阻帶衰減</p><p>　　[n,fn]=cheb1ord(fp/(Fs/2),

39、fr/(Fs/2),ap,as,'z');%切比雪夫I型濾波器</p><p>　　[b,a]=cheby1(n,ap,fn,'high'); %I型切比雪夫IIR濾波器</p><p>　　[h,w]=freqz(b,a); %濾波器的頻率響應(yīng)</p><p>　　I1=filter(b,a,I);

40、 %1維數(shù)字濾波器</p><p>　　I2=fftfilt(b,I); %FFT的FIR濾波</p><p>　　subplot(321),plot(I);title('原始語音信號');</p><p>　　subplot(322);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h));title(&#

41、39;切比雪夫1高通濾波');</p><p>　　subplot(323);plot(I1);title('切比雪夫1IIR濾波后語音信號');</p><p>　　subplot(324);plot(I2);title('切比雪夫1FIR濾波后語音信號');</p><p>　　subplot(325);plot([h,w

42、]);title('濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　sound(I1,Fs,bits); %重放語音</p><p><b>　　顯示為：</b></p><p><b>　?、蹘V波器</b></p><p><b>　　程序為：&l

43、t;/b></p><p>　　[I,Fs,bits]=wavread('7.wav');%讀取語音信號7.wav</p><p>　　fp1=1200; %通帶截止頻率</p><p>　　fp2=3000; %通帶截止頻率</p><p>　

44、　fp=[fp1,fp2]; %通帶截止頻率</p><p>　　fr1=1000; %阻帶角頻率</p><p>　　fr2=3200; %阻帶角頻率</p><p>　　fr=[fr1,fr2]; %阻帶角頻率</p>

45、;<p>　　ap=1; %通帶紋波</p><p>　　as=40; %阻帶衰減</p><p>　　[n,fn]=ellipord(fp/(Fs/2),fr/(Fs/2),ap,as,'z');%最小橢圓濾波器</p><p>　　[b,a]=

46、ellip(n,ap,as,fn); %橢圓濾波器</p><p>　　[h,w]=freqz(b,a); %波器的頻率響應(yīng)</p><p>　　I1=filter(b,a,I); %1維數(shù)字濾波器</p><p>　　I2=fftfilt(b,I); %FFT的FIR濾波</p><p>　　

47、subplot(321),plot(I);title('原始語音信號');</p><p>　　subplot(322);plot(w*Fs/(2*pi),abs(h));title('橢圓帶通濾波');</p><p>　　subplot(323);plot(I1);title('橢圓IIR濾波后語音信號');</p><

48、;p>　　subplot(324);plot(I2);title('橢圓FIR濾波后語音信號');</p><p>　　subplot(325);plot([h,w]);title('濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　sound(I1,Fs,bits); %重放語音</p><p><b>

49、　　顯示為：</b></p><p><b>　　五、心得體會：</b></p><p>　　以往都是通過課本來感性的認知語音信號，通過本次的課程設(shè)計，讓我對語音信號有了一個較為實際的認識。于此同時，讓我再次把數(shù)字信號處理及數(shù)字濾波器的設(shè)計方法重新進行了復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)。而對Matlab，也再次讓我感受到了其功能的強大。最為重要的是，本次課程設(shè)計讓我重新審視了學(xué)

50、習(xí)的過程：只去做實驗是不行的，首先還是要思考，遇到了問題查書籍，百度搜索也只是一種手段，更加重要的是想，再理解，只有這樣才能真正的做好實驗。</p><p><b>　　六、參考文獻：</b></p><p>　　1. 陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.北京電子工業(yè)出版社.2008.1 </p><p>　　2. 張文.基于MATL

51、AB的語音信號的濾波域?qū)崿F(xiàn).山西電子技術(shù).2008.2 </p><p>　　3. 徐靖濤.基于MATLAB的語音信號分析與處理.重慶科技學(xué)院學(xué)報.2008.1 </p><p>　　4. 程佩青. 數(shù)字信號處理教程第三版.清華大學(xué)出版社. 2007.2 </p><p>　　5. 陳后金. 數(shù)字信號處理第2版.高等教育出版社. 2008.11</p>