語音信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　《語音信號(hào)處理》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　學(xué)院：電氣學(xué)院</b></p><p><b>　　專業(yè)：電子信息工程</b></p><p><b>　　一

2、 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)要求利用MATLAB對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和分析，要求采集語音信號(hào)后，在MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行頻譜分析；并對(duì)所采集的語音信號(hào)加入干擾噪聲，對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號(hào)。</p><p>&

3、lt;b>　　2.設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　通過對(duì)課程設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)的采集，處理，傳輸，顯示，存儲(chǔ)和分析等有一個(gè)系統(tǒng)的掌握和理解。鞏固和運(yùn)用在數(shù)字信號(hào)處理課程中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，掌握最基本的數(shù)字信號(hào)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(shè)計(jì)任務(wù)</b></p>&l

4、t;p><b>　　1、語音信號(hào)的采集</b></p><p>　　利用Windows下的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音，時(shí)間在幾秒內(nèi)，然后在Matlab軟件平臺(tái)下，利用函數(shù)wavread對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　2、語音信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　首先畫出語音信號(hào)的時(shí)域波形，然后對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行

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

6、信號(hào)</b></p><p>　　在Matlab中，函數(shù)sound中可以對(duì)聲音進(jìn)行回放，其調(diào)用格式：sound(x,fs,bits)</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b>　　1、數(shù)字濾波器</b></p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理的主要研究對(duì)象是數(shù)

7、字信號(hào)，且是采用運(yùn)算的方法達(dá)到處理的目的的，因此，其實(shí)現(xiàn)方法，基本上分成兩種實(shí)現(xiàn)方法，即軟件和硬件實(shí)現(xiàn)方法。軟件實(shí)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(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，硬件實(shí)現(xiàn)指的是按照具體的要求和算法，設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖，用乘法器加法器延時(shí)器、控制器、存儲(chǔ)器以及輸入輸出接口部件實(shí)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(yùn)算速度慢，一般達(dá)不到實(shí)時(shí)處理，因此，這種方法適合于科研和教學(xué)。后者運(yùn)算速度快，

8、可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理要求，但是不靈活。目前DSP芯片已進(jìn)入市場(chǎng)，且正在高速發(fā)展，速度高，體積小，性能優(yōu)良，價(jià)格也在不斷下降?？梢哉f，用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(wù)要求的軟件，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能無疑是一種最佳的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。</p><p>　　2、Matlab簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB是matrix&a

9、mp;laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)）。是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)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(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，

10、代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)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(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)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(dá)式與數(shù)學(xué)、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(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)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(shí)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(jìn)行下載就可以用。</p><p><b>　　3、采樣定理</b></p><p>　　1.對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣形成采樣信號(hào)，采樣信號(hào)的頻譜是原連續(xù)信號(hào)頻譜以采樣頻率為周期進(jìn)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(duì)k進(jìn)行負(fù)無窮到正無窮地累加）X（jΩ-jkΩ）</p><p>　　2.設(shè)連續(xù)信號(hào)a（t）屬于帶限信號(hào)，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(hào)通過一個(gè)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(fù)出原連續(xù)信號(hào)，否則會(huì)造成頻率混疊現(xiàn)象，不可能無失真還原原信號(hào)。</p><p>　　實(shí)際上我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中考慮到信號(hào)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(shí)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(biāo)（參考指標(biāo),實(shí)際中依據(jù)每個(gè)同學(xué)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(shè)計(jì)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(duì)疊加噪聲前后的語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，繪出濾波器的頻域響應(yīng)，繪出濾波后信號(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；在相同的性能指標(biāo)下比較各方法的濾波效果，并從理論上進(jìn)行分析：FIR濾波器通常采用窗函數(shù)方法來設(shè)計(jì)。窗設(shè)計(jì)的基本思想是，首先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)睦硐脒x頻濾波器（它總是具有一個(gè)非因果，無限持續(xù)時(shí)間脈沖響應(yīng)），然后截?。哟埃┧拿}沖響應(yīng)得到線性相位和因果F

16、IR濾波器。因此這種方法的重點(diǎn)是選擇一個(gè)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(yīng)。一個(gè)帶寬的低通濾波器由下式給定：</p><p>　　為了從得到一個(gè)FIR濾波器，必須同時(shí)在兩邊截取。而要得到一個(gè)因果的線性相位濾波器，它的長(zhǎng)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(yīng)由和窗響應(yīng)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(shè)計(jì)過程</b></p><p>　　1、語音信號(hào)采集及頻譜分析</p><p>　　用WINDOWS下的錄音機(jī)，用單聲道錄制一段音樂或聲帶，時(shí)間在5S內(nèi)，然后在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用函數(shù)WAVREAD對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換

19、，在一個(gè)窗口同時(shí)畫出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，分析語音信號(hào)的頻譜特點(diǎn)。</p><p><b>　　信號(hào)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(shí)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(hào)FFT變換后的頻譜圖&#

22、39;);</p><p>　　2、構(gòu)造受干擾信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行FFT頻譜分析</p><p>　　在MATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)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(shè)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(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號(hào)圖形對(duì)比，也可

23、通過Windows播放軟件從聽覺上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語音信號(hào)頻譜和時(shí)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(hào)與語音信號(hào)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(shí)域波

25、形圖');</p><p>　　subplot(2,1,2);plot(abs(y(1:1024)));title('加噪聲信號(hào)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(shí)域波形圖');</p><p><b>　　3、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)</b>&

27、lt;/p><p>　　對(duì)于不同類型的濾波器，參數(shù)wp和ws有一些限制：對(duì)于低通濾波器，wp<ws；對(duì)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(shè)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(biāo)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(hào)跟源信號(hào)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(shè)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(shè)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(zhǎng)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(yīng)并形成了凱塞函數(shù)X=conv(hn,x); %過濾后的信號(hào)</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(shí)域波形圖');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(abs(x1(1:1024))); title('加噪聲信號(hào)FFT變換后的頻譜圖');</p><p><b>　　4、回放語音信號(hào)</b></p>

32、;<p>　　在Matlab中，函數(shù)sound中可以對(duì)聲音進(jìn)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(huì)</b>

33、</p><p>　　通過此次為期兩周的課程設(shè)計(jì)，我更多學(xué)到的是課本上沒有的東西，特別是程序語法。剛開始時(shí)，運(yùn)行程序代碼總是出現(xiàn)錯(cuò)誤，不知道錯(cuò)在哪里，后來通過細(xì)心的檢查，一點(diǎn)點(diǎn)地排除了語法錯(cuò)誤，很快程序編譯就通過了。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行語音信號(hào)的處理是與我們所學(xué)課程及專業(yè)緊密相連的，有著很強(qiáng)的實(shí)踐性。在錄音過程中，錄制一個(gè)wav文件做語音信號(hào)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(fèi)了大量

34、時(shí)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(jìn)行語音處理時(shí)，并不能直接處理IMA ADPCM格式的語音信號(hào)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換之后（選擇PCM格式），我運(yùn)行出了正確的結(jié)果。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了，平時(shí)的理論知識(shí)只有通過自己動(dòng)手做一個(gè)課題，從做這個(gè)課題的過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，這個(gè)學(xué)習(xí)的過程，會(huì)比我們平時(shí)只通過課堂上