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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p> 課 題 :語(yǔ)音信號(hào)的處理與濾波</p><p> 系 別:計(jì)算機(jī)工程系</p><p><b> 班 級(jí):</b></p><p><b> 學(xué) 號(hào): </b></p><p>&
2、lt;b> 學(xué)生姓名:</b></p><p><b> 指導(dǎo)教師:</b></p><p><b> 目錄</b></p><p> 摘要·············&
3、#183;···················</p><p> 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容············
4、·············</p><p> 二、設(shè)計(jì)原理···················
5、;······</p><p> 三、設(shè)計(jì)步驟·························<
6、/p><p> 1.語(yǔ)音信號(hào)的采集·····················</p><p> 2. 分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析···
7、;···</p><p> 3.濾波器設(shè)計(jì)························</p><p> 4.對(duì)語(yǔ)
8、音信號(hào)進(jìn)行濾波·················</p><p> 5.把處理后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為聲音文件與原始聲音進(jìn)行比較·</p><p> 四、總結(jié)體會(huì)····
9、3;·····················</p><p> 五、參考文獻(xiàn)··········
10、83;··············</p><p><b> 摘要:</b></p><p> 本文主要介紹的是:通過運(yùn)用MATLAB編程的方法來對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理與濾波。在MATLAB環(huán)境中,使用聲音相關(guān)函數(shù)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行采集、
11、播放、存儲(chǔ)和讀取。然后對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到幅度和相位譜,比較二者異同并分析原因。接著,針對(duì)電話信道,設(shè)計(jì)一個(gè)IIR濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波,并進(jìn)行頻譜分析,得到幅度和相位譜。最后,把處理后的所有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為聲音文件,與原始聲音進(jìn)行比較。</p><p><b> 一.設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p> 設(shè)計(jì)課題:語(yǔ)音
12、信號(hào)的處理與濾波(難度系數(shù):0.8)</p><p> 1.熟悉并掌握MATLAB中有關(guān)聲音(wave)錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取的函數(shù)。</p><p> 2.在MATLAB環(huán)境中,使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制2秒左右自己的聲音,抽樣率是8000Hz/s。(考慮如何解決一個(gè)實(shí)際問題:錄制剛開始時(shí),常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際發(fā)出聲音落后錄制動(dòng)作半拍的現(xiàn)象,如何排除對(duì)這些無效點(diǎn)的采樣?)</p>&
13、lt;p> 3.分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到幅度和相位譜,比較二者異同并分析原因。</p><p> 4.針對(duì)電話信道(最高3500Hz),設(shè)計(jì)一個(gè)FIR或IIR濾波器進(jìn)行濾波,把抽樣率轉(zhuǎn)變?yōu)?000Hz/s,并進(jìn)行頻譜分析,得到幅度和相位譜。</p><p> 5.把處理后的所有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為聲音文件,與原始聲音進(jìn)行比較。</p><p
14、><b> 二.設(shè)計(jì)原理</b></p><p><b> 1.語(yǔ)音采集原理</b></p><p> 在MATLAB環(huán)境中,我們可以通過多種編程方法來驅(qū)動(dòng)聲卡,實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音的采集和播放,它的信號(hào)處理與分析工具箱為語(yǔ)音信號(hào)分析提供了十分豐富的功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語(yǔ)音信號(hào)的處理和分析。</p><p>&
15、lt;b> 2.信號(hào)抽樣原理</b></p><p> 在對(duì)模擬信號(hào)的采樣過程中應(yīng)滿足奈奎斯特定律,否則會(huì)發(fā)生混疊現(xiàn)象,還原不出原始的信號(hào)。奈奎斯特定律的內(nèi)容為:要從抽樣信號(hào)中無失真地恢復(fù)原信號(hào),抽樣頻率fs應(yīng)大于2倍信號(hào)最高頻率fmax,即:fs>=2fmax。當(dāng)抽樣頻率小于2倍頻譜最高頻率時(shí),信號(hào)的頻譜會(huì)有混疊,在還原出原始信號(hào)時(shí)將會(huì)失真。當(dāng)抽樣頻率大于2倍頻譜最高頻率時(shí),信號(hào)的頻
16、譜無混疊,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)可以完整地保留了原始信號(hào)中的信息,能夠無失真的還原出原始信號(hào)。</p><p> 3.?dāng)?shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理</p><p> 數(shù)字濾波器是一種用來過濾時(shí)間離散信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng),通過對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的。根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類:無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。與IIR濾波器相比,F(xiàn)IR的實(shí)現(xiàn)是
17、非遞歸的,總是穩(wěn)定的;更重要的是,F(xiàn)IR濾波器在滿足幅頻響應(yīng)要求的同時(shí),可以獲得嚴(yán)格的線性相位特性。因此,它在高保真的信號(hào)處理,如數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。</p><p> ?、買IR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理:采用雙線性變換法。</p><p> 雙線性變換法的思想是:將模擬濾波器的傳遞函數(shù)形式化為完全以積分器(1/s)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)形式。然后由數(shù)字網(wǎng)絡(luò)來代
18、替模擬積分器,從而整個(gè)濾波器網(wǎng)絡(luò)都轉(zhuǎn)化成了數(shù)字的。</p><p> 雙線性變換法的設(shè)計(jì)過程如下:</p><p> 1、由積分器構(gòu)成的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)形式;</p><p> 2、對(duì)數(shù)字式積分器的差分方程兩邊進(jìn)行Z變換,可得數(shù)字式積分器的傳遞函數(shù):</p><p> 已知:u(t) 1/s ,若積分器的輸入輸出為xa(t)、
19、 ya(t),則有:</p><p> 當(dāng)T足夠小的時(shí)候,信流圖當(dāng)中的模擬積分器傳遞函數(shù)就可以由數(shù)字積分器傳函代替。從而得到性能與模擬濾波器相近數(shù)字濾波器。</p><p> 從而可得模擬濾波器的復(fù)頻率與數(shù)字濾波器的復(fù)頻率之間的關(guān)系:</p><p> 所以,用雙線性變換法來設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器,只需將給出的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)當(dāng)中的s替換為一個(gè)關(guān)于z成雙
20、線性關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)即可。</p><p> ?、?#160;FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理:采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法。 </p><p> FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有許多種,如窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、頻率采樣設(shè)計(jì)法和最優(yōu)化設(shè)計(jì)法等。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本原理是用一定寬度窗函數(shù)截取無限脈沖響應(yīng)序列獲得有限長(zhǎng)的脈沖響應(yīng)序列,主要設(shè)計(jì)步驟為: (1)
21、0;通過傅里葉逆變換獲得理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)hd(n)。</p><p> (2) 由性能指標(biāo)確定窗函數(shù)W(n)和窗口長(zhǎng)度N。 (3) 求得實(shí)際濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n), h(n)即為所設(shè)計(jì)FIR濾波器系數(shù)向量b(n)。 </p><p> 窗函數(shù)有截短和平滑的作用,窗函數(shù)選擇的好,可以在相同階次的情況下,提高濾波器的性
22、能,或是在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,減少濾波器階數(shù)。所以,窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器選窗是有一定標(biāo)準(zhǔn)的,具體為:</p><p> 1、較低的旁瓣幅度,尤其是第一旁瓣; </p><p> 2、旁瓣幅度要下降得快,以利于增加阻帶衰減; </p><p> 3、主瓣寬度要窄,這樣濾波器過渡帶較窄。 </p><p> 但這三點(diǎn)難以同時(shí)滿足,當(dāng)
23、選用主瓣寬度較窄時(shí),雖然得到的幅頻特性較陡峭,但通帶、阻帶波動(dòng)會(huì)明顯增加;當(dāng)選用較低的旁瓣幅度時(shí),雖然得到的幅頻特性較平緩勻滑,但過渡帶變寬。因此,實(shí)際的選擇往往是取折衷。 一般選這幾個(gè)窗之一:矩形窗、三角窗、漢寧窗、海明窗、布拉克曼窗、凱澤窗,可以查查資料比較他們的旁瓣幅度,過渡帶寬度和阻帶最小衰減后再進(jìn)行選擇。</p><p><b> 三.設(shè)計(jì)步驟</b></p>&l
24、t;p><b> 1.語(yǔ)音信號(hào)的采集</b></p><p> 在MATLAB中有關(guān)聲音的函數(shù)有:wavrecord(), wavwrite(),wavread(),sound(),soundsc(),wavplay(),前面三個(gè)分別用來進(jìn)行聲音的錄制,存儲(chǔ)和讀取,后面三個(gè)都是可以用來播放所錄制的聲音的。語(yǔ)音信號(hào)采集過程的代碼如下:</p><p> fs
25、=8000; %抽樣頻率</p><p> channel=1; %1信道</p><p> time=2; %設(shè)定錄音時(shí)間</p><p> fprintf(
26、9;按任意鍵后開始錄音·····'); </p><p><b> pause;</b></p><p> fprintf('\n正在錄音······'); %提示錄音進(jìn)行中</p>&l
27、t;p> x=wavrecord(time*fs, fs,channel,'double'); %錄制自己的聲音信號(hào),</p><p> fprintf('\n錄音完成\n'); %提示錄音完成</p><p> wavwrite(x,fs,'E:\黃里\黃里.wav');
28、 %保存錄音文件</p><p> fprintf('按任意鍵回放錄音:');</p><p><b> pause;</b></p><p> wavplay(x,fs); %播放錄制的聲音</p><p><b>
29、 plot(x);</b></p><p> xlabel('時(shí)間'); </p><p> ylabel('時(shí)域');</p><p><b> grid;</b></p><p> 運(yùn)行得出的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖如下所示:</p><p> 結(jié)
30、果分析:從上圖可以看出,在約0.5秒以前的錄制是沒有聲音的,即是這樣一個(gè)現(xiàn)象:錄制剛開始時(shí),出現(xiàn)實(shí)際發(fā)出的聲音會(huì)落后錄制動(dòng)作半拍的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是在錄音開始時(shí),人的反應(yīng)慢了半拍而導(dǎo)致的,因此會(huì)在時(shí)域圖中出現(xiàn)了一些無效點(diǎn)。這些無效點(diǎn)我們是可以去掉的。要去掉這些無效點(diǎn),我們可以用下面的程序代碼實(shí)現(xiàn):</p><p> y=wavread('E:\黃里\黃里.wav'); %讀取原始
31、錄音文件</p><p> subplot(2,1,1); </p><p> plot(y); %顯示時(shí)域圖</p><p> title('時(shí)域圖'); </p><p> xlabel('采樣點(diǎn)數(shù)'); ylabel('振幅'
32、); %x,y軸說明</p><p> grid; %對(duì)圖形添加網(wǎng)格</p><p> m=wavread('E:\黃里\黃里.wav', [2000 10000]); </p><p> %解決播放聲音比錄制動(dòng)作慢半拍的現(xiàn)象,從2000點(diǎn)截取到10000</p><p&g
33、t; subplot(2,1,2); </p><p> plot(m); %顯示濾除無效點(diǎn)后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形圖</p><p> title('濾除無效點(diǎn)后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖');</p><p> xlabel('采樣點(diǎn)數(shù)'); ylabel
34、('振幅'); %x,y軸說明</p><p><b> grid;</b></p><p> wavwrite(m,'E:\黃里\黃里.wav'); %存儲(chǔ)濾除無效點(diǎn)后的語(yǔ)音信號(hào)</p><p> 運(yùn)行后可以得出以下的圖形:</p><p> 結(jié)果分析:由以上的圖
35、形可以看出,約3000個(gè)的無效點(diǎn)已被去掉了,即以上的代碼解決了我們?cè)阡浿七^程中遇到的問題。</p><p> 2.對(duì)采集得的語(yǔ)音信號(hào)分別取8000個(gè)和16000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到幅度和相位譜,比較二者異同并分析原因。</p><p> %取8000點(diǎn)頻譜分析</p><p> x=wavread('E:\黃里\黃里.wav');
36、 %讀取原始語(yǔ)音信號(hào)</p><p> a=fft(x,8000); %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做8000點(diǎn)的FFT變換</p><p> subplot(2,1,1); %分割窗口</p><p> title('8000點(diǎn)的頻域幅度譜');</p><p>
37、 plot(abs(a)); %繪出語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜圖</p><p> xlabel('頻率'); ylabel('振幅'); %x,y軸說明</p><p> grid; %添加網(wǎng)格</p><p>
38、subplot(2,1,2); %分割窗口</p><p> title('8000點(diǎn)的頻域相位譜');</p><p> plot(angle(a)); %繪出語(yǔ)音信號(hào)的相位譜圖</p><p> xlabel('頻率'); ylabel(
39、39;相位'); %x,y軸說明</p><p> grid; %添加網(wǎng)格</p><p> 運(yùn)行得到的8000點(diǎn)的幅度譜與相位譜如下圖所示:</p><p> %取16000點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析</p><p> b=fft(x,16000);
40、 %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做16000點(diǎn)的FFT變換</p><p> subplot(2,1,1); %分割窗口 </p><p> title('16000點(diǎn)的頻域幅度譜');</p><p> plot(abs(b)); %顯示語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜圖
41、</p><p> xlabel('頻率'); ylabel('振幅'); %x,y軸說明</p><p> grid; %添加網(wǎng)格</p><p> subplot(2,1,2); %分割窗口</p>
42、;<p> title('16000點(diǎn)的頻域相位譜'); </p><p> plot(angle(b)); %顯示語(yǔ)音信號(hào)的相位譜圖 </p><p> xlabel('頻率'); ylabel('相位'); %x,y軸說明</p><p
43、> grid; %添加網(wǎng)格</p><p> 運(yùn)行得到的16000點(diǎn)的幅度譜與相位譜如下圖所示:</p><p> 結(jié)果分析:通過比較8000點(diǎn)的幅度譜與相位譜和16000點(diǎn)的幅度譜與相位譜圖可以看出,兩種情況下所得的幅度譜和相位譜的圖形形狀基本上是相同的,不同之處就是8000點(diǎn)圖形線比16000點(diǎn)的圖形線梳,原因是:譜
44、線的疏密程度是與分析時(shí)所取的點(diǎn)數(shù)是有關(guān)的,在同樣的抽樣頻率下,對(duì)不同點(diǎn)數(shù)進(jìn)行頻譜分析時(shí)得出的幅度譜和相位譜線疏密程度是不同的,點(diǎn)數(shù)越多,譜線越密,且單位時(shí)間內(nèi)取點(diǎn)越多,描述出來的波形就越精確,這個(gè)尺度就是“采樣速率”。</p><p><b> 3.濾波器的設(shè)計(jì)</b></p><p> 針對(duì)電話信道(最高3500Hz),下面我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)IIR巴特沃茲型低通濾波器
45、語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波,抽樣率轉(zhuǎn)變?yōu)?000Hz/s。所設(shè)計(jì)的濾波器代碼如下:</p><p> wp=2*1200/7000; %歸一化通帶數(shù)字頻率wp</p><p> ws=2*2000/7000; %歸一化阻帶數(shù)字截止頻率ws</p><p> Rp=0.5;
46、 %通帶波紋系數(shù)Rp</p><p> Rs=60; %最小阻帶衰減Rs</p><p> [N,Wn]=buttord(wp,ws,Rp,Rs); %求階數(shù)N和濾波器截止頻率Wn</p><p> [num,den]=butter(N,Rp); %傳輸分子和分母的系數(shù)</p>
47、<p> [h,w]=freqz(num,den); %求頻率響應(yīng)</p><p> subplot(2,1,1); %窗口分割</p><p> plot(w/pi,abs(h)); %二維連續(xù)圖形</p><p> grid;
48、 %添加網(wǎng)格</p><p> title('巴特沃茲型低通濾波器的幅頻響應(yīng)'); %加圖形說明</p><p> xlabel('\omega/\pi'); ylabel('振幅(幅值)'); </p><p> %X,Y軸說明(/后表示轉(zhuǎn)義字符)</p>
49、<p> subplot(2,1,2); %窗口分割</p><p> plot(w/pi,20*log10(abs(h))); %二維連續(xù)圖形</p><p> grid; %添加網(wǎng)格</p><p> title('巴特沃茲型低通濾波
50、器的幅頻響應(yīng)'); %加圖形說明</p><p> xlabel('\omega/\pi');ylabel('振幅(分貝)'); %X,Y軸說明</p><p> 4.對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波:</p><p> 下面我們用以上所設(shè)計(jì)的IIR契比雪夫低通濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波,濾波過程的具體代碼如下:</p>
51、;<p> fs=7000; %抽樣頻率</p><p> Wp=2*1200/fs; %歸一化通帶數(shù)字截止頻率wp</p><p> Ws=2*2000/fs; %歸一化阻帶數(shù)字截止頻率ws</p><p> Rp=0
52、.4; %通帶波紋系數(shù)Rp</p><p> Rs=80; %最小阻帶衰減Rs</p><p> [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs); %求階數(shù)N和濾波器截止頻率Wn</p><p> [num,den]=cheby1(N,R
53、p,Wn); %傳輸分子和分母的系數(shù)</p><p> [h,w]=freqz(num,den); %求頻率響應(yīng)</p><p> subplot(2,1,1);</p><p> plot(w/pi,abs(h)); %二維連續(xù)圖形</p><p>
54、 title('契比雪夫Ⅰ型低通濾波器的幅頻響應(yīng)');</p><p> xlabel('\omega/\pi'); % /后表示轉(zhuǎn)義字符</p><p> ylabel('振幅(幅值)');</p><p><b> grid;</b></p>
55、;<p> subplot(2,1,2);</p><p> plot(w/pi,20*log10(abs(h)));</p><p> title('契比雪夫Ⅰ型低通濾波器的幅頻響應(yīng)');</p><p> xlabel('\omega/\pi'); % /后表示轉(zhuǎn)義字符&l
56、t;/p><p> ylabel('振幅(分貝)');</p><p> grid; %顯示經(jīng)過濾波后的語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜和相位譜圖形</p><p> n=wavread('E:\黃里\黃里.wav'); %讀取原始語(yǔ)音信號(hào)</p><p> x=filter(num,den,
57、n); %對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p> y=fft(x,2048); %對(duì)濾波后所得信號(hào)進(jìn)行FFT變換</p><p> subplot(2,1,1) %窗口分割</p><p> plot(abs(y));
58、 %顯示濾波后的幅度譜圖</p><p> title('濾波后的幅度譜');</p><p> xlabel('頻率'); ylabel('振幅'); %x,y軸說明</p><p><b> grid;</b></p><
59、;p> subplot(2,1,2) %窗口分割</p><p> plot(angle(y)); %顯示濾波后的相位譜圖</p><p> title('濾波后的相位譜');</p><p> xlabel('頻率'); ylabe
60、l('相位'); %x,y軸說明</p><p><b> grid;</b></p><p> wavwrite(x,fs,'E:\黃里\黃里濾波后.wav');%保存過濾波后的語(yǔ)音信號(hào)</p><p> 分析:由上圖可以看出,經(jīng)過濾波器濾波后,信號(hào)的部分頻率成分已經(jīng)被濾除了。<
61、/p><p> 5.把處理后的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為聲音文件,與原始聲音進(jìn)行比較</p><p><b> fs=8000;</b></p><p> y=wavread(' E:\黃里\黃里.wav'); %采集已錄聲音信號(hào)</p><p> y1=wavread(' E:\黃里\黃里濾波后.wav
62、'); %讀取濾波后語(yǔ)音信號(hào)</p><p> yx=fft(y);</p><p> yx1=fft(y1);</p><p> subplot(2,1,1)</p><p> plot(20*log10(abs(yx))); </p><p>
63、; title('濾波前的相對(duì)幅度譜');</p><p> subplot(2,1,2);</p><p> plot(20*log10(abs(yx1))); </p><p> title('濾波后的相對(duì)幅度譜');</p><p> 運(yùn)行后可得濾波
64、前的相對(duì)幅度譜與濾波后的相對(duì)幅度譜如下圖所示:</p><p> 結(jié)果分析:濾波前后兩信號(hào)的比較,通過上面的頻譜圖可以很清晰地觀察到經(jīng)過濾波后與濾波前存在一些差別,濾波后的圖比較平穩(wěn),原始語(yǔ)音信號(hào)比濾波后的信號(hào)清晰,濾波后的聲音顯得比較低沉,因?yàn)樵夹盘?hào)經(jīng)過低通濾波器后,低通濾波器已經(jīng)把信號(hào)高頻部分濾掉了,只剩下低頻部分。</p><p><b> 四.總結(jié)</b>
65、;</p><p> 通過本次課程設(shè)計(jì),我學(xué)會(huì)了如何用MATLAB編程的方法對(duì)聲音(wave)進(jìn)行錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取,并從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)了用MATLAB作為工具來對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中,錄音。讀取錄音的過程失敗了不少次,好不容易快做完了整個(gè)實(shí)驗(yàn),結(jié)果最后不小心把錄好的音頻信號(hào)刪除了,結(jié)果不得不重新錄音重做,通過本次實(shí)踐,加強(qiáng)了我和同學(xué)們之間的互相交流,不懂的地方可以互相交流,這應(yīng)該就是本次實(shí)踐
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