基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理——數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目： 基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理</p><p>　　學(xué)院： 物理與電子信息學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　班級(jí)： </p><p>　　學(xué)號(hào)： <

2、/p><p>　　姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　摘要： </b></p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和語(yǔ)音學(xué)知識(shí)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的新興學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一，通過(guò)語(yǔ)音傳遞信息是人類(lèi)最重要，最有效，

3、最常用和最方便的交換信息手段，所以對(duì)其的研究更顯得尤為重要。</p><p>　　Matlab語(yǔ)言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，它可以將聲音文件變換成離散的數(shù)據(jù)文件，然后用起強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)。這為我們的本次設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大并良好的環(huán)境！</p><p>　　本設(shè)計(jì)要求自己錄制一段自己的語(yǔ)音后，在MATLAB軟件中采集語(yǔ)音信號(hào)、回放語(yǔ)音信號(hào)并畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形

4、和頻譜圖。再在Matlab中分別設(shè)計(jì)不同形式的FIR數(shù)字濾波器。之后對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的濾波器（低通、高通、帶通）后，觀察不同的波形，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜的分析。對(duì)比處理前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析各種濾波器對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)的影響。最后分別收聽(tīng)進(jìn)行濾波后的語(yǔ)音信號(hào)效果，做到了解在怎么樣的情況下該用怎么樣的濾波器。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>

5、　　1.設(shè)計(jì)內(nèi)容……………………………………………………………4</p><p>　　2.設(shè)計(jì)原理……………………………………………………………4</p><p>　　2.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析…………………………………………4</p><p>　　2.2語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析…………………………………………5</p><p>　　3.設(shè)計(jì)過(guò)程……

6、………………………………………………………5</p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)程序源代碼………………………………………………6</p><p>　　3.1.1原語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域、頻域圖………………………………6</p><p>　　3.1.2低通濾波器的設(shè)計(jì)………………………………………6</p><p>　　3.1.3高通濾波器的設(shè)計(jì)………………

7、………………………7</p><p>　　3.1.4帶通濾波器的設(shè)計(jì)………………………………………8</p><p>　　3.1.5語(yǔ)音信號(hào)的回放………………………………………9</p><p>　　3.2調(diào)試結(jié)果描述…………………………………………………10</p><p>　　3.3所遇問(wèn)題及結(jié)果分析…………………………………………15&

8、lt;/p><p>　　3.3.1所遇主要問(wèn)題…………………………………………16</p><p>　　3.3.2結(jié)果分析………………………………………………16</p><p>　　4.體會(huì)與收獲…………………………………………………………17</p><p>　　5.參考文獻(xiàn)……………………………………………………………17</p>

9、;<p><b>　　1.設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　1．首先錄制好一段自己的語(yǔ)音。</p><p>　　2．用Matlab分別設(shè)計(jì)好3種類(lèi)型的濾波器（指標(biāo)自己確定）：低通型、高通型、帶通型。</p><p>　　3．用Matlab將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，并分別將其通過(guò)所設(shè)計(jì)的3種濾波器。</p><p

10、>　　4．用Matlab自帶的語(yǔ)音返回函數(shù)收聽(tīng)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)，分析并比較其與原語(yǔ)音信號(hào)的差異。</p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)原理：</b></p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)時(shí)一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它帶著各種信息。在語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音增強(qiáng)等語(yǔ)音處理中無(wú)一例外需要提取語(yǔ)音中包含的各種信息。語(yǔ)音信號(hào)分析的目的就在于方便有效的提取并表示語(yǔ)音信號(hào)所攜

11、帶的信息。語(yǔ)音信號(hào)處理可以分為時(shí)域和變換域等處理方法，其中時(shí)域分析是最簡(jiǎn)單的方法，直接對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行分析，崎嶇的特征參數(shù)主要有語(yǔ)音的短時(shí)能量，短時(shí)平均過(guò)零率，短時(shí)自相關(guān)函數(shù)等。</p><p>　　2.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析</p><p>　　信號(hào)提取：通過(guò)圖形用戶(hù)界面上的菜單功能按鍵采集電腦上的一段音頻信號(hào)，完成音頻信號(hào)的頻率，幅度等信息的提取，并得到該語(yǔ)音信號(hào)的波形圖。<

12、;/p><p>　　信號(hào)調(diào)整：在設(shè)計(jì)的用戶(hù)圖形界面下對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行各種變化，如變化幅度、改變頻率等操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)整。</p><p>　　2.2語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析</p><p>　　信號(hào)的傅里葉表示在信號(hào)的分析和處理中起著重要的作用。因?yàn)閷?duì)于線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以很方便地確定其對(duì)正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅里葉分析方法能完善地解決許多信號(hào)分析和處理問(wèn)題。

13、另外，傅里葉表示使信號(hào)的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說(shuō)明信號(hào)的各項(xiàng)紅物理現(xiàn)象。</p><p>　　由于語(yǔ)音信號(hào)時(shí)隨著時(shí)間變化的，通常認(rèn)為，語(yǔ)音是一個(gè)受準(zhǔn)周期脈沖或隨機(jī)噪聲源激勵(lì)的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應(yīng)與激勵(lì)源頻譜的乘積。身份到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及激勵(lì)源都是隨時(shí)間變化的，因此一般標(biāo)準(zhǔn)的傅里葉表示雖然適用于周期及平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的表示，但不能直接用于語(yǔ)音信號(hào)。由于語(yǔ)音信號(hào)可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)，近

14、似不變，因而可以采用短時(shí)分析法。</p><p>　　1.信號(hào)變換：在用戶(hù)圖形界面西啊對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行Fourier等變換，并畫(huà)出變換前后的頻譜圖和倒譜圖。</p><p>　　2.信號(hào)濾波：濾除語(yǔ)音信號(hào)中的噪音部分，可以采用抵用濾波、高通濾波、帶通濾波，并比較各種濾波后的效果。</p><p><b>　　3．設(shè)計(jì)過(guò)程：</b></

15、p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)程序源代碼（原語(yǔ)音信號(hào)存放在e:\下）：</p><p>　　3.1.1．原語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域、頻域圖</p><p>　　[x1,fs,bits]=wavread('e:\txwz.wav');</p><p>　　%sound(x1,fs,bits);</p><p>　　figu

16、re(1);</p><p>　　plot(x1);%做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形</p><p>　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)');</p><p>　　xlabel('時(shí)間 t');</p><p>　　ylabel('音量 n');</p><p>　　figure(

17、2);</p><p>　　y1=fft(x1);%做length(x1)點(diǎn)的FFT</p><p>　　y1=fftshift(y1); %平移，是頻率中心為0</p><p>　　derta_fs = fs/length(x1); %設(shè)置頻譜的間隔，分辨率</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs: fs/2-dert

18、a_fs],abs(y1));%畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖</p><p>　　title('原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　3.1.2低通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　%低通濾波：截止頻率4000，阻帶衰減20dB，過(guò)渡帶寬0.1π&

19、lt;/p><p><b>　　fc1=4000;</b></p><p>　　N1=2*pi*0.9/(0.1*pi)</p><p>　　wc1=2*pi*fc1/fs;</p><p>　　if rem(N1,2)==0</p><p><b>　　N1=N1+1;</b>

20、</p><p><b>　　end</b></p><p>　　Window= boxcar (N1+1); %長(zhǎng)度為N1的矩形窗Window</p><p>　　b1=fir1(N1,wc1/pi,Window);</p><p>　　figure(3);</p><p>　　freqz(b1

21、,1,512);</p><p>　　title('低通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　x1_low = filter(b1,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波</p><p>　　figure(4);</p><p>　　plot(x1_low);</p><p>　　title('

22、信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器(時(shí)域)');</p><p>　　figure(5);</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs],abs(fftshift(fft(x1_low))));</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器（頻域）');</p><p>　　3.1

23、.3高通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　%高通濾波：截止頻率4000，阻帶衰減40dB,過(guò)渡帶寬0.1π</p><p><b>　　fc2=4000;</b></p><p>　　N2=2*pi*3.1/(0.1*pi)</p><p>　　wc2=2*pi*fc1/fs;</p><p>　

24、　N2=N2+mod(N2,2);</p><p>　　Window=hanning(N2+1);</p><p>　　b2=fir1(N2,wc2/pi,'high',Window);</p><p>　　figure(6);</p><p>　　freqz(b2,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)</p>&

25、lt;p>　　title('高通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　x1_high = filter(b2,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波</p><p>　　figure(7);</p><p>　　plot(x1_high);</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器(時(shí)域)')

26、;</p><p>　　figure(8);</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs],abs(fftshift(fft(x1_high))));</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器（頻域）')</p><p>　　3.1.4帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p>

27、;<p>　　%帶通濾波：下截止頻率4000，上截止頻率8000，阻帶衰減20dB,過(guò)渡帶寬度0.1π</p><p>　　f1=4000;f2=8000; %帶通濾波器的通帶范圍</p><p>　　w1=2*pi*f1/fs;</p><p>　　w3=w1+0.1*pi;</p><p>　　w2=2*pi*f2/fs

28、;</p><p>　　w4=w2-0.1*pi;</p><p>　　w=[(w1+w3)/2,(w2+w4)/2];</p><p><b>　　B=0.1*pi;</b></p><p>　　N3=ceil(2*0.9*pi/B);</p><p>　　N3=N3+mod(N3,2);<

29、;/p><p>　　Window=boxcar(N3+1);</p><p>　　b3=fir1(N3,w/pi,'stop',Window);%帶通濾波器</p><p>　　figure(9);</p><p>　　freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)</p><p>　　title(&

30、#39;帶通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　x1_daitong = filter(b3,1,x1);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波</p><p>　　figure(10);</p><p>　　plot(x1_daitong);</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器(時(shí)域)');</p>

31、;<p>　　figure(11);</p><p>　　plot([-fs/2:derta_fs:fs/2-derta_fs],abs(fftshift(fft(x1_daitong))));</p><p>　　title('信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器（頻域）');</p><p>　　3.1.5語(yǔ)音信號(hào)的回放（分別執(zhí)行）</p>

32、;<p>　　sound(x1,fs,bits);%原始信號(hào)</p><p>　　sound(x1_low,fs,bits);%經(jīng)過(guò)低通濾</p><p>　　sound(x1_high,fs,bits); %經(jīng)過(guò)高通濾波</p><p>　　sound(x1_daitong,fs,bits);%經(jīng)過(guò)帶通濾波</p><p>&

33、lt;b>　　3.2調(diào)試結(jié)果描述</b></p><p>　　原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形：</p><p><b>　　原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜：</b></p><p>　　低通濾波器的頻率響應(yīng)：</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后的時(shí)域波形：</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后的

34、頻域波形</p><p>　　高通濾波器的頻率響應(yīng)：</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后的時(shí)域波形：</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后的頻域波形：</p><p>　　帶通濾波器的頻率響應(yīng)：</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波后的時(shí)域波形：</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波后的頻

35、域波形：</p><p>　　3.3所遇問(wèn)題及結(jié)果分析</p><p>　　3.3.1所遇主要問(wèn)題</p><p>　　1．在高通與帶通濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)老是報(bào)錯(cuò)，但同樣的用法在低通濾波器中就可以實(shí)現(xiàn)</p><p>　　b2=fir1(N2,wc2/pi,'high',Window);</p><p>　

36、　??? Error using ==> fir1</p><p>　　The window length must be the same as the filter length.</p><p>　　其要求在fir函數(shù)中所選用的窗長(zhǎng)要和濾波器長(zhǎng)度一致。但在參考書(shū)上指出，濾波器階數(shù)必須為窗長(zhǎng)加1。經(jīng)上網(wǎng)查詢(xún)后，原來(lái)高通、帶阻濾波器的階數(shù)應(yīng)該控制為奇數(shù)，因?yàn)槿绻A數(shù)為偶數(shù)，則在π點(diǎn)

37、必有一零點(diǎn)，這對(duì)于高通帶阻來(lái)說(shuō)是不允許的，故取階數(shù)為奇數(shù)，而你FIR1濾波器階數(shù)為M+1階，所以你的M必須為偶數(shù)，所以可以將程序中去窗長(zhǎng)算法由原程序的: </p><p>　　N2=2*pi*0.9/(0.1*pi);</p><p>　　if rem(N2,2)==0</p><p><b>　　N2=N2+1;</b></p>

38、<p><b>　　End</b></p><p><b>　　和: </b></p><p>　　N3=2*pi*0.9/(0.1*pi);</p><p>　　if rem(N3,2)==0</p><p><b>　　N3=N3+1;</b></p>

39、;<p><b>　　End</b></p><p><b>　　改為了：</b></p><p>　　N2=N2+mod(N2,2);</p><p><b>　　和: </b></p><p>　　B=0.1*pi;（B為過(guò)渡帶寬）</p>&l

40、t;p>　　N3=ceil(2*0.9*pi/B);</p><p>　　N3=N3+mod(N3,2);</p><p>　　2.在設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)先是使用的矩形窗，用矩形窗驗(yàn)證出來(lái)的結(jié)果中低頻語(yǔ)音分量依舊很強(qiáng)，不能將其全部抑制在0，之后換窗，選著了最小衰減可以到達(dá)53dB的海明窗，再次試驗(yàn)，非常成功！</p><p><b>　　3.3.2結(jié)果分

41、析</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)回放三個(gè)不同類(lèi)型濾波器輸出的語(yǔ)音信號(hào)，并與原語(yǔ)音信號(hào)對(duì)比得到了如下結(jié)論。</p><p>　　語(yǔ)音高頻成分音質(zhì)非常尖銳，齒音中，聲音有些暗淡。</p><p>　　語(yǔ)音低頻成分音質(zhì)沉穩(wěn)，空間感覺(jué)強(qiáng)，語(yǔ)音渾厚。</p><p>　　語(yǔ)音中頻成分音質(zhì)有力度，有通透感。</p><

42、p><b>　　4．體會(huì)與收獲</b></p><p>　　以往都是通過(guò)課本來(lái)感性的認(rèn)知語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)語(yǔ)音信號(hào)有了一個(gè)較為實(shí)際的認(rèn)識(shí)。于此同時(shí)，讓我再次把數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法重新進(jìn)行了復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)。而對(duì)于Matlab，也再次讓我感受到了其功能的強(qiáng)大。最為重要的是，本次課程設(shè)計(jì)讓我重新審視了學(xué)習(xí)的過(guò)程：只去做實(shí)驗(yàn)是不行的，首先還是要思考，遇到了問(wèn)題查書(shū)籍