基于 matlab 的語(yǔ)音信號(hào)分析與處理的課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1．課程設(shè)計(jì)目的………………………………………………………………（1）</p><p>　　2．課程設(shè)計(jì)基本要求……………………………………………...………….（1）</p><p>　　3．課程設(shè)計(jì)內(nèi)容………………………………………..……………………..（2）</

2、p><p>　　4．課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)……………………………………………………..…..……………（3）</p><p>　?。?）語(yǔ)音信號(hào)的采集……………………………………………………..（5）</p><p>　?。?）語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析………………………………………………..（6）</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)濾波器和畫(huà)出頻率響應(yīng)…………………

3、……………………..（6）</p><p>　　（4）用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波…………………………………………..（9）</p><p>　?。?）比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及其頻譜…………………………..（9）</p><p>　?。?）回放語(yǔ)音信號(hào)………………………………………………………..（11）</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

4、………………………………………………………..（13）</p><p>　　5、心得體會(huì)……………………………………………..……………………..（14）</p><p>　　6、參考文獻(xiàn)…………………………………….……………………………..（14）</p><p>　　基于 MATLAB 的語(yǔ)音信號(hào)分析與處理的課程設(shè)計(jì)</p><p>&

5、lt;b>　　1．課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念。</p><p>　　1．學(xué)會(huì)MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　2．掌握在Wind

6、ows環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法；</p><p>　　3．掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法；</p><p>　　4．掌握MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法；</p><p>　　5．學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。</p><p>　　2．課程設(shè)計(jì)基本要求</p><p>　?、?學(xué)

7、會(huì) MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計(jì)方法。</p><p>　?、?掌握在 Windows 環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法。</p><p>　?、?掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法。</p><p>　?、?掌握 MATLAB 設(shè)計(jì) FIR 和IIR 數(shù)字濾波器的方法。</p><p>　　⑤ 學(xué)會(huì)用 MATLA

8、B 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理。</p><p><b>　　主要實(shí)驗(yàn)儀器及材料</b></p><p>　　微型計(jì)算機(jī)、Matlab6.5教學(xué)版、TC編程環(huán)境。</p><p><b>　　3．課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的

9、時(shí)域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標(biāo)，采用窗函數(shù)法或雙線性變換設(shè)計(jì)濾波器，并畫(huà)出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；回放語(yǔ)音信號(hào)；最后，用 MATLAB 設(shè)計(jì)一信號(hào)處理系統(tǒng)界面。</p><p>　　要求利用windows下的錄音機(jī)（開(kāi)始—程序—附件—娛樂(lè)—錄音機(jī)，文件—屬性—立即轉(zhuǎn)換—8000KHz，8位

10、，單聲道）或其他軟件，錄制一段自己的話音，時(shí)間控制在1秒左右。然后在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用函數(shù)wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)wavread函數(shù)的使用，要求理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。</p><p>　　wavread函數(shù)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。</

11、p><p>　　[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)。</p><p>　　y=wavread(file,N)，讀取前N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　　y=wavread(file,[N1,N2])，讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><

12、;p><b>　　語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析</b></p><p>　　要求首先畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形；然后對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在MATLAB中，可以利用函數(shù)fft對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速付立葉變換，得到信號(hào)的頻譜特性；從而加深對(duì)頻譜特性的理解。</p><p>　　設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫(huà)出頻率響應(yīng)</p><p>　　根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的

13、性能指標(biāo)：1）低通濾波器性能指標(biāo)，fp=1000Hz，fc=1200 Hz， As=100dB，Ap=1dB；2）高通濾波器性能指標(biāo)，fc=2800 Hz，fp=3000 Hz As=100dB，Ap=1dB；3）帶通濾波器性能指標(biāo)，fp1=1200 Hz，fp2=3000 Hz，fc1=1000 Hz，fc2=3200 Hz，As=100dB，Ap=1dB。要求學(xué)生首先用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)上面要求的三種濾波器，在MATLAB中，可以利用函數(shù)

14、fir1設(shè)計(jì)FIR濾波器，然后在用雙線性變換法設(shè)計(jì)上面要求的三種濾波器；之后再利用函數(shù)butter和cheby1設(shè)計(jì)上面要求的三種IIR濾波器。最后，利用MATLAB中的函數(shù)freqz畫(huà)出各濾波器的頻率響應(yīng)。</p><p>　　用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　比較FIR和IIR兩種濾波器的性能，然后用性能好的各濾波器分別對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，在MATLAB中，F(xiàn)IR濾波器利用

15、函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。</p><p>　　比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜</p><p>　　要求在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后的波形及頻譜。</p><p><b>　　回放語(yǔ)音信號(hào)</b></p><p>　　在MATLAB中，函數(shù)sound可以對(duì)聲音進(jìn)行回

16、放。其調(diào)用格式：</p><p>　　sound(x,fs,bits)；</p><p>　　可以感覺(jué)濾波前后的聲音有變化</p><p>　　關(guān)于用MATLAB設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和濾波處理的程序</p><p>　　程序： %寫(xiě)上標(biāo)題 %設(shè)計(jì)低通濾波器： [N,Wc]=buttord() %估算得到Butterworth低通濾波

17、器的最小階數(shù)N和3dB截止頻率Wc [a,b]=butter(N,Wc); %設(shè)計(jì)Butterworth低通濾波器 [h,f]=freqz(); %求數(shù)字低通濾波器的頻率響應(yīng) figure(2); % 打開(kāi)窗口2 subplot(221); %圖形顯示分割窗口 plot(f,abs(h)); %繪制Butterworth低通濾波器的幅頻響應(yīng)圖 title(巴氏低通濾波器''); grid; %繪制帶網(wǎng)格的圖

18、像 sf=filter(a,b,s); %疊加函數(shù)S經(jīng)過(guò)低通濾波器以后的新函數(shù) subplot(222); plot(t,sf); %繪制疊加函數(shù)S經(jīng)過(guò)低通濾波器以后的時(shí)域圖形 xlabel('時(shí)間 (seconds)'); ylabel('時(shí)間按幅度'); SF=fft(sf,256); %對(duì)疊加函數(shù)S經(jīng)過(guò)低通濾波器以后的新函數(shù)進(jìn)行256點(diǎn)的基—2快速傅立葉變換 w= %新信號(hào)角頻率 s

19、ubplot(223); plot()); </p><p><b>　　4．課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　（1）語(yǔ)音信號(hào)的采集</p><p>　　選取一段語(yǔ)音信號(hào)，然后在matlab軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)使用wavread函數(shù)，理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。</

20、p><p>　　wavread函數(shù)調(diào)用格式</p><p>　　y=wavread（file），讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在響亮y中。</p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread(file)，</p><p>　　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)。</p>&l

21、t;p>　　y=wavread（file，N），</p><p>　　讀取錢(qián)N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　　y=wavread（file，[N1,N2]），</p><p>　　讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。</p><p>　　對(duì)語(yǔ)音信號(hào)ermiao.wav進(jìn)行采樣其程序如下：</p><

22、p>　　[y,fs,nbits]=wavread(‘ermiao’)</p><p><b>　　>></b></p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　fs =</b></p><p><b>　　44100</b

23、></p><p><b>　　nbits =</b></p><p><b>　　16</b></p><p>　　y=wavread（file，[20000,65000]）</p><p><b>　　>></b></p><p>

24、　?。?）語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　首先畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，然后對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。在matlab中利用fft對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號(hào)的頻譜特性。</p><p><b>　　其程序如下：</b></p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread(‘ermiao’， [20000,65000])；&l

25、t;/p><p>　　sound（y，fs，bits）；</p><p>　　Y=fft（y，4096）；</p><p>　　subplot（211）；plot（y）；title（‘原始信號(hào)波形’）；</p><p>　　subplot（212）；plot（abs（Y））；title（‘原始信號(hào)頻譜’）；</p><p>

26、;<b>　　程序結(jié)果如下圖：</b></p><p>　?。?）設(shè)計(jì)濾波器和畫(huà)出頻率響應(yīng)</p><p>　　根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的新能指標(biāo)：</p><p>　　低通濾波器的性能指標(biāo)：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100dB，Ap=1dB； </p><p>　　高通濾波器的性能指標(biāo)：fp

27、=4800Hz，fc=5000Hz，As=100dB，Ap=1dB；</p><p>　　帶通濾波器的性能指標(biāo)：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB；</p><p><b>　　低通</b></p><p>　　用窗函數(shù)設(shè)計(jì)低通濾波器的程序如下：</p&g

28、t;<p>　　fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs=22050;</p><p>　　wc=2*fc/fs;wp=2*fp/fs;</p><p>　　N=ceil((As-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2))+1;</p><p>　　beta=0.1102*(As-8.7);</p><p&

29、gt;　　Win=Kaiser(N+1,beta);</p><p>　　b=fir1(N,wc,Win);</p><p>　　freqz(b,1,512,fs);</p><p>　　程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　用雙線性變換設(shè)計(jì)的低通濾波器的程序如下：</p><p>　　fp=1000;fc=1

30、200;As=100;Ap=1;fs=22050;</p><p>　　wc=2*fc/fs;wp=2*fp/fs;</p><p>　　[n,wn]=ellipord(wp,wc,Ap,As);</p><p>　　[b,a]=ellip(n,Ap,As,wn);</p><p>　　freqz(b,a,512,fs);</p>

31、<p>　　程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：</p><p><b>　　高通</b></p><p>　　高通濾波器的程序如下：</p><p><b>　　ws1=4800;</b></p><p><b>　　wp1=5000;</b></p><

32、;p><b>　　wc=22050;</b></p><p>　　wp=wp1/wc;</p><p>　　ws=ws1/wc;</p><p>　　[N,Wn]=buttord(wp,ws,1,100);</p><p>　　[b,a]=butter(N,Wn,'high')</p>

33、<p>　　freqz(b,a,521,10000)</p><p>　　程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：</p><p><b>　　帶通</b></p><p>　　設(shè)計(jì)帶通濾波器的程序如下：</p><p>　　wp1=[1200 3000];</p><p>　　ws1=[1000 3

34、200];</p><p><b>　　wx=11025;</b></p><p>　　wp=wp1/wc;</p><p>　　ws=ws1/wc;</p><p>　　[n,Wn]=cheb1ord(wp,ws,1,100')</p><p>　　[b,a]=cheby1(n,1,Wn

35、);</p><p>　　freqz(b,a,512,1000)</p><p>　　程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：</p><p><b>　　n =</b></p><p><b>　　24</b></p><p><b>　　Wn =</b></p

36、><p>　　0.0544 0.1361</p><p>　?。?）用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　比較兩種濾波器的性能，然后用性能較好的濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波。在MATLAB中，F(xiàn)IR咯其利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。</p><p>　?。?）比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的

37、波形及其頻譜</p><p>　　要求在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后的波形及其頻譜，</p><p>　　FIR濾波：其程序如下：</p><p>　　x=fftfilt(b,a,y);</p><p>　　X=fft(x,4096);</p><p>　　subplot(221);plot(y);title('原

38、始信號(hào)波形');</p><p>　　subplot(222);plot(abs(Y));title('原始信號(hào)頻譜');</p><p>　　subplot(223);plot(x);title('濾波后信號(hào)的波形');</p><p>　　subplot(224);plot(abs(X));title('濾波后信號(hào)

39、的頻譜');</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下：</b></p><p>　　IIR濾波：其程序如下：</p><p>　　x=filter(b,a,y);</p><p>　　X=fft(x,4096);</p><p>　　subplot(221);plot(y);title(

40、'原始信號(hào)波形');</p><p>　　subplot(222);plot(abs(Y));title('原始信號(hào)頻譜');</p><p>　　subplot(223);plot(x);title('濾波后信號(hào)的波形');</p><p>　　subplot(224);plot(abs(X));title('

41、;濾波后信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下：</b></p><p><b>　?。?）回放語(yǔ)音信號(hào)</b></p><p>　　在MATLAB中，函數(shù)sound可以對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式為:</p><p>　　Sound(x,fs,bits)</p>

42、;<p>　　可以感覺(jué)濾波前后的聲音變換。</p><p><b>　?。?）設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面</b></p><p>　　系統(tǒng)界面-低通濾波器-濾波 后（運(yùn)行結(jié)果）：</p><p><b>　　5、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

43、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)到了很多在書(shū)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。特別是當(dāng)每次編寫(xiě)調(diào)試成功時(shí)，心里特別的開(kāi)心。但是在編寫(xiě)程序時(shí)，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

44、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，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，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，

45、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)，同時(shí)，對(duì)未來(lái)有了更多的信心。</p><p><b>　　6、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1《數(shù)字信號(hào)處理》 程佩

46、青 清華大學(xué)出版社</p><p>　　2《數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐教程》 楊述斌 李永全 華中科技大學(xué)出版社</p><p>　　3《MATLAB實(shí)用教程》 鄭阿奇 電子工業(yè)出版社</p><p>　　4《數(shù)字信號(hào)處理》(第二版) 丁玉美 西安電子科技大學(xué)出版社5《數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及應(yīng)用》 吳湘美 中國(guó)鐵道出版