語音信號處理課程設計報告

1、<p><b>　　《語音信號處理》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p><b>　　學院：電氣學院</b></p><p><b>　　專業(yè)：電子信息工程</b></p><p><b>　　一

2、 設計內(nèi)容</b></p><p><b>　　1.設計要求</b></p><p>　　本次課程設計要求利用MATLAB對語音信號進行數(shù)字信號處理和分析，要求采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。</p><p>&

3、lt;b>　　2.設計目的</b></p><p>　　通過對課程設計，對信號的采集，處理，傳輸，顯示，存儲和分析等有一個系統(tǒng)的掌握和理解。鞏固和運用在數(shù)字信號處理課程中所學的理論知識和實驗技能，掌握最基本的數(shù)字信號處理的理論和方法，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。</p><p><b>　　3.設計任務</b></p>&l

4、t;p><b>　　1、語音信號的采集</b></p><p>　　利用Windows下的錄音機，錄制一段自己的話音，時間在幾秒內(nèi)，然后在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>　　2、語音信號的頻譜分析</p><p>　　首先畫出語音信號的時域波形，然后對語音信號進行

5、頻譜分析。在Matlab中，可以利用函數(shù)fft對信號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性。</p><p>　　3、用濾波器對語音信號進行濾波</p><p>　　設計濾波器對采集的信號進行濾波，比較濾波前后語音信號的波形及頻譜。要求自己確定濾波器的性能指標，用沖擊響應不變法、雙線性變換法或窗函數(shù)設計低通濾波器。</p><p><b>　　4、回放語音

6、信號</b></p><p>　　在Matlab中，函數(shù)sound中可以對聲音進行回放，其調(diào)用格式：sound(x,fs,bits)</p><p><b>　　二 設計原理</b></p><p><b>　　1、數(shù)字濾波器</b></p><p>　　數(shù)字信號處理的主要研究對象是數(shù)

7、字信號，且是采用運算的方法達到處理的目的的，因此，其實現(xiàn)方法，基本上分成兩種實現(xiàn)方法，即軟件和硬件實現(xiàn)方法。軟件實現(xiàn)方法指的是按照原理和算法，自己編寫程序或者采用現(xiàn)成的程序在通用計算機上實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)指的是按照具體的要求和算法，設計硬件結(jié)構(gòu)圖，用乘法器加法器延時器、控制器、存儲器以及輸入輸出接口部件實現(xiàn)的一種方法。顯然前者靈活，只要改變程序中的有關(guān)參數(shù)，但是運算速度慢，一般達不到實時處理，因此，這種方法適合于科研和教學。后者運算速度快，

8、可以達到實時處理要求，但是不靈活。目前DSP芯片已進入市場，且正在高速發(fā)展，速度高，體積小，性能優(yōu)良，價格也在不斷下降。可以說，用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理，正在變成工程技術(shù)領(lǐng)域的主要方法。用合適的DSP芯片，配有合適的芯片語言及任務要求的軟件，來實現(xiàn)信號處理功能無疑是一種最佳的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。</p><p>　　2、Matlab簡介</p><p>　　MATLAB是matrix&a

9、mp;laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，

10、代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MAT

11、LAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)

12、典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。</p><p><b>　　3、采樣定理</b></p><p>　　1.對連續(xù)信號進行等間隔采樣形成采樣信號，采樣信號的頻譜是原連續(xù)信號頻譜以采樣頻率為周期進行周期性地延拓形成。</p><p>　　X‘（jΩ）=1/2π X（jΩ）*P（jΩ）</p><p>　　=1/T∑

13、（對k進行負無窮到正無窮地累加）X（jΩ-jkΩ）</p><p>　　2.設連續(xù)信號a（t）屬于帶限信號，最高截止頻率為Ω，如果采樣頻率大于或者等于2Ω，那么采樣信號通過一個增益為T，截止頻率為Ω/2地理想低通濾波器，可以唯一回復出原連續(xù)信號，否則會造成頻率混疊現(xiàn)象，不可能無失真還原原信號。</p><p>　　實際上我們在實際應用中考慮到信號的頻譜不是銳截止，最高截止頻率上還有較小的高

14、頻分量，所以實際工程中選用Ω’=（3-4）Ω，不且加入低通濾波器濾去高頻分量。</p><p>　　4、FIR數(shù)字濾波器</p><p>　　給定濾波器的規(guī)一化性能指標（參考指標,實際中依據(jù)每個同學所疊加噪聲情況而定）例如：通帶截止頻率wp=0.25*pi, 阻通帶截止頻率ws=0.3*pi; 通帶最大衰減Rp=1 dB; 阻帶最小衰減Rs=15 dB，可以采用窗函數(shù)法與等波紋法分別設計各

15、型FIR濾波器（低通、高通、帶通、帶阻中的至少3種類型）來對疊加噪聲前后的語音信號進行濾波處理，繪出濾波器的頻域響應，繪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；在相同的性能指標下比較各方法的濾波效果，并從理論上進行分析：FIR濾波器通常采用窗函數(shù)方法來設計。窗設計的基本思想是，首先選擇一個適當?shù)睦硐脒x頻濾波器（它總是具有一個非因果，無限持續(xù)時間脈沖響應），然后截?。哟埃┧拿}沖響應得到線性相位和因果F

16、IR濾波器。因此這種方法的重點是選擇一個合適的窗函數(shù)和理想濾波器。我我們用表示理想的選頻濾波器，它在通帶上具有單位增益和線性相位，在阻帶上具有零響應。一個帶寬的低通濾波器由下式給定：</p><p>　　為了從得到一個FIR濾波器，必須同時在兩邊截取。而要得到一個因果的線性相位濾波器，它的長度為，必須有：</p><p>　　這種操作叫做加窗，可以看作是與窗函數(shù)的乘積：</p>

17、<p><b>　　其中</b></p><p>　　根據(jù)的不同定義，可以得到不同的窗結(jié)構(gòu)。</p><p>　　在頻域中，因果FIR濾波器響應由和窗響應的周期卷積得到，即： </p><p>　　常用的窗函數(shù)有矩形窗、巴特利特（BARTLETT）窗、漢寧（HANNING）窗、海明（HAMMING）窗、布萊克曼（BLACKMAN）

18、窗、凱澤（KAISER）窗等。</p><p><b>　　三 設計過程</b></p><p>　　1、語音信號采集及頻譜分析</p><p>　　用WINDOWS下的錄音機，用單聲道錄制一段音樂或聲帶，時間在5S內(nèi)，然后在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)，對語音信號進行快速傅里葉轉(zhuǎn)換

19、，在一個窗口同時畫出信號的時域波形和頻譜圖，分析語音信號的頻譜特點。</p><p><b>　　信號采集程序如下：</b></p><p>　　syms fs Nbits x y;</p><p><b>　　fs=8000;</b></p><p>　　Nbits=8000;</p>

20、<p>　　[x,fs,Nbits]=wavread('D:\yyy.wav');</p><p>　　sound(x,fs);</p><p>　　plot(x),title('原始語音采樣后時域波形');</p><p><b>　　頻譜分析程序如下：</b></p><p&

21、gt;　　[x,fs,bits]=wavread('D:\yyy.wav');</p><p>　　y=fft(x,1024);</p><p>　　f=fs*(0:511)/1024;</p><p>　　plot(abs(y(1:1024))); </p><p>　　title('原始信號FFT變換后的頻譜圖&#

22、39;);</p><p>　　2、構(gòu)造受干擾信號并對其進行FFT頻譜分析</p><p>　　在MATLAB軟件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：（1）白噪聲；（2）單頻噪色（正弦干擾）；（3）多頻噪聲（多正弦干擾）；（4）其它干擾，可設置為低頻、高頻、帶限噪聲，或Chirp干擾、沖激干擾。繪出疊加噪聲后的語音信號時域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號圖形對比，也可

23、通過Windows播放軟件從聽覺上進行對比，分析并體會含噪語音信號頻譜和時域波形的改變。這里，我們加的是單頻的正弦干擾。</p><p>　　噪聲信號與語音信號合成的程序：</p><p><b>　　fs=8000;</b></p><p>　　Nbits=8000;</p><p><b>　　SNR=10

24、;</b></p><p>　　[x,fs,Nbits]=wavread('D:\yyy.wav');</p><p>　　y = awgn(x,SNR) ;</p><p>　　sound(y,fs);</p><p>　　subplot(2,1,1);plot(y),title('加噪聲語音采樣后時域波

25、形圖');</p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(y(1:1024)));title('加噪聲信號FFT變換后的頻譜圖');</p><p>　　syms fs Nbits x y;</p><p><b>　　fs=8000;</b></p><p>　　Nbits

26、=8000;</p><p>　　[x,fs,Nbits]=wavread('D:\yyy.wav');</p><p>　　sound(x,fs);</p><p>　　plot(x),title('原始語音采樣后時域波形圖');</p><p><b>　　3、數(shù)字濾波器設計</b>&

27、lt;/p><p>　　對于不同類型的濾波器，參數(shù)wp和ws有一些限制：對于低通濾波器，wp<ws；對于高通濾波器，wp>ws； 首先，根據(jù)所錄得音跟所加正弦噪聲合成后的頻譜觀察，確定wp和ws的大致范圍，設定好了wp和ws之后，變可以確定過度帶的大小了，根據(jù)過度帶的及阻帶衰減的指標要求，來選擇窗函數(shù)的類型。根據(jù)前面介紹的錄音噪聲信號跟源信號合成后的頻譜圖可以看出噪聲頻率大概在3KHZ左右，所以就可以設定

28、fp,fs從而確定wp,ws。接著，按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)的類型。根據(jù)以上的分析，選用FIR濾波器。</p><p><b>　　濾波器的程序：</b></p><p>　　fp=2800,fc=3600,rs=90; %設置通帶頻率和阻帶頻率，單位是Hz</p><p>　　wp=2*pi*fp/fs;</p><p&g

29、t;　　ws=2*pi*fc/fs;</p><p>　　Bt=ws-wp; %轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率求過渡帶寬</p><p>　　alph=0.5842*(rs-21)^0.4+0.07886*(rs-21);</p><p>　　M=ceil((rs-8)/2.285/Bt); %求濾波器長度</p><p>　　wc=(wp+ws)/2

30、/pi; %理想濾波器通帶截止頻率 </p><p>　　hn=fir1(M,wc,kaiser(M+1,alph)); %理想低通濾波器脈沖響應并形成了凱塞函數(shù)X=conv(hn,x); %過濾后的信號</p><p>　　x1=fft(x,1024);</p><p>　　f=fs*(0:511)/1024;</p>

31、<p>　　subplot(2,1,1); plot(x),title('加噪聲語音采樣后時域波形圖');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(abs(x1(1:1024))); title('加噪聲信號FFT變換后的頻譜圖');</p><p><b>　　4、回放語音信號</b></p>

32、;<p>　　在Matlab中，函數(shù)sound中可以對聲音進行回放，其調(diào)用格式：sound(x,fs,bits)</p><p>　　sound(x1,fs,bits); %回放含噪音樂</p><p>　　sound(X,fs,bits); %回放去噪聲后音樂</p><p><b>　　四 心得體會</b>

33、</p><p>　　通過此次為期兩周的課程設計，我更多學到的是課本上沒有的東西，特別是程序語法。剛開始時，運行程序代碼總是出現(xiàn)錯誤，不知道錯在哪里，后來通過細心的檢查，一點點地排除了語法錯誤，很快程序編譯就通過了。應用MATLAB進行語音信號的處理是與我們所學課程及專業(yè)緊密相連的，有著很強的實踐性。在錄音過程中，錄制一個wav文件做語音信號處理遇到了一些問題，我在查閱了很多資料，在網(wǎng)上也查閱相關(guān)信息，花費了大量

34、時間也沒找出結(jié)果，最后發(fā)現(xiàn)在WAV格式的語音文件有兩種格式，即PCM格式和IMA  ADPCM格式，而在MATLAB中用wavread函數(shù)進行語音處理時，并不能直接處理IMA ADPCM格式的語音信號，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換之后（選擇PCM格式），我運行出了正確的結(jié)果。通過這次課程設計使我懂得了，平時的理論知識只有通過自己動手做一個課題，從做這個課題的過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，這個學習的過程，會比我們平時只通過課堂上