基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理和程序設(shè)計(jì)

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目: 基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理和程序設(shè)計(jì) 姓 名 ： 院 （系）： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 時(shí)間：2014年6月09日至2014年6月13日基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)濾波處理和程序設(shè)計(jì)摘 要 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為離散的數(shù)據(jù)文件 , 然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù) ,如數(shù)字濾波 、傅里葉變換 、時(shí)域和頻域分析 、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等 , 信號(hào)處理是MATLAB 重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一 。本課程設(shè)計(jì)介紹了基于Matlab的對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采集、處理及濾波器的設(shè)計(jì)，并

2、使之實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，用Matlab進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理，并闡述了課程設(shè)計(jì)的具體方法、步驟和內(nèi)容。綜合運(yùn)用本課程的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析以及濾波器設(shè)計(jì)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)的理論知識(shí)，提高對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，并從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。關(guān)鍵詞： MATLAB工具/信號(hào)語(yǔ)音采集/濾波目 錄摘 要I目 錄II1 設(shè)計(jì)目的、要求和背景11.1 語(yǔ)音信號(hào)處理簡(jiǎn)介11.2 語(yǔ)音信號(hào)處理的背景和意義11.3 設(shè)計(jì)目的22 整體設(shè)計(jì)過(guò)程32.1原理分析32.2 語(yǔ)音信號(hào)的獲取42.3 語(yǔ)音

3、信號(hào)的時(shí)域頻域分析42.4 干擾信號(hào)的構(gòu)建53 信號(hào)變化分析53.1 原始語(yǔ)音信號(hào)的程序?qū)崿F(xiàn)和時(shí)域頻域圖53.2 干擾信號(hào)在MATLAB軟件中的實(shí)現(xiàn)73.3 對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)加入干擾信號(hào)8心得體會(huì)13致 謝14III1 設(shè)計(jì)目的、要求和背景1.1 語(yǔ)音信號(hào)處理簡(jiǎn)介信號(hào)處理是現(xiàn)代信息處理的基本內(nèi)容，數(shù)字信號(hào)的處理更是重中之重。數(shù)字信號(hào)處理的研究?jī)?nèi)容主要是語(yǔ)音信號(hào)和圖像信號(hào)，而研究語(yǔ)音信號(hào)對(duì)于現(xiàn)代語(yǔ)音通信有著積極的意義。研究語(yǔ)音信號(hào)又分為時(shí)域和頻域兩個(gè)方面。（1）語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析處理：語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。進(jìn)行語(yǔ)音分析時(shí)，最先接觸到并且也是最直觀的是它的時(shí)域波形。語(yǔ)音

4、信號(hào)本身就是時(shí)域信號(hào)，因而時(shí)域分析是最早使用，也是應(yīng)用最廣泛的一種分析方法，這種方法直接利用語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形。時(shí)域分析通常用于最基本的參數(shù)分析及應(yīng)用，如語(yǔ)音的分割、預(yù)處理、大分類等。這種分析方法的特點(diǎn)是：表示語(yǔ)音信號(hào)比較直觀、物理意義明確。實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)算且少?？梢缘玫秸Z(yǔ)音的一些重要的參數(shù)。只使用示波器等通用設(shè)備，使用較為簡(jiǎn)單等。（2）語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析處理：語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析就是分析語(yǔ)音信號(hào)的頻域持征。從廣義上講，語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析包括語(yǔ)音信號(hào)的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜包絡(luò)分析等，而常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變換法等幾種。本文介紹的是語(yǔ)音信號(hào)的傅里葉分析法。因?yàn)檎Z(yǔ)音

5、波是一個(gè)非平穩(wěn)過(guò)程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能用來(lái)直接表示語(yǔ)音信號(hào)，而應(yīng)該用短時(shí)傅里葉變換對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜稱為“短時(shí)譜 ”。本設(shè)計(jì)是用MATLAB仿真軟件設(shè)計(jì)濾波器對(duì)受干擾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)各部分進(jìn)行頻譜分析。1.2 語(yǔ)音信號(hào)處理的背景和意義語(yǔ)音信號(hào)處理是一門(mén)研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的學(xué)科，處理的目的是用于得到的某些參數(shù)以便高效傳輸和存儲(chǔ)；或者應(yīng)用于人工合成、語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音增強(qiáng)等。同時(shí)也是以生理學(xué)、心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)以及聲學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，以信息論、控制論、系統(tǒng)論的理論做指導(dǎo)，通過(guò)應(yīng)用信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析、模式識(shí)別等現(xiàn)

6、代技術(shù)手段而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性學(xué)科。它與語(yǔ)音學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、聲學(xué)，認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)等許多學(xué)科也有著非常密切的聯(lián)系。它包括語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別與理解等三個(gè)主要分支。語(yǔ)音編碼的目的是將模擬的語(yǔ)音信號(hào)用盡可能少的比特實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,使被編碼和壓縮后的信更有效地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸或記錄在存儲(chǔ)器中語(yǔ)音合成的目的是讓機(jī)器生成人類的自然語(yǔ)言語(yǔ)音識(shí)別的目的是使機(jī)器能識(shí)別人類的語(yǔ)言,從而能夠按用戶的語(yǔ)音指令完成有關(guān)的動(dòng)作或提供有關(guān)的信息服務(wù)。語(yǔ)言是從千百萬(wàn)人的言語(yǔ)中歷史地概括總結(jié)出來(lái)的規(guī)律符號(hào)系統(tǒng)，使人們用以進(jìn)行思維、交際的形式。人的思考常常是用語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行,語(yǔ)言是人類特有的功能，它創(chuàng)造和記載了幾

7、千年的人類文明歷史。語(yǔ)音是聲音和意義的結(jié)合體，也是信息的載體，是把語(yǔ)言表述出來(lái)的物理形式，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。 當(dāng)今世界正處于信息時(shí)代,計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展,推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入了信息社會(huì)。因特網(wǎng)和移動(dòng)通信的普及、電子購(gòu)物的興起、多媒體通信及其應(yīng)用的蓬勃發(fā)展,改變了人類生活、工作、娛樂(lè)的方式。自計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，通過(guò)語(yǔ)音與計(jì)算機(jī)交互一直是人類的夢(mèng)想，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，這不僅對(duì)語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理提出了越來(lái)越高越來(lái)越迫切的需求，如實(shí)現(xiàn)用語(yǔ)音輸入代替鍵盤(pán)輸入實(shí)現(xiàn)人工智能和交互，同時(shí)也為語(yǔ)音信號(hào)處理提供了高效軟硬件實(shí)現(xiàn)的可能性

8、。 簡(jiǎn)而言之,語(yǔ)音信號(hào)處理的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)人一人、人一機(jī)器和機(jī)器一人的通信,是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)。1.3 設(shè)計(jì)目的1.了解語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生、采集，能繪制語(yǔ)音信號(hào)的頻率響應(yīng)曲線及頻譜圖； 2.學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析和處理； 3.掌握用濾波器去除語(yǔ)音信號(hào)噪聲的方法，觀察去噪前后的語(yǔ)音信號(hào)。1.4 設(shè)計(jì)要求1.掌握在Windows環(huán)境下的語(yǔ)音信號(hào)錄制的方法2.掌握在MATLAB環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)的采集3.構(gòu)建的干擾信號(hào)為f(t)=10sin(4000t)4.掌握數(shù)字信號(hào)的處理的基本概念、基本理論和基本方法5.利用MATLAB設(shè)計(jì)濾波器對(duì)干擾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波6.

9、掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法1.5 設(shè)計(jì)步驟1利用windows下的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音“大家好”2利用MATLAB對(duì)所錄制的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析3構(gòu)建一個(gè)干擾信號(hào)，把語(yǔ)音信號(hào)和干擾信號(hào)疊加，并且利用MATLAB對(duì)干擾后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析4對(duì)干擾后的信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后的信號(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.2 整體設(shè)計(jì)過(guò)程2.1原理分析本設(shè)計(jì)主要是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻進(jìn)行分析，并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)加噪后設(shè)計(jì)濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波處理，對(duì)話音信號(hào)加噪聲前后的頻譜進(jìn)行比較分析，對(duì)合成語(yǔ)音信號(hào)濾波前后進(jìn)行頻譜的分析比較。 首先用PC機(jī)WINDOWS

10、下的錄音機(jī)錄制一段語(yǔ)音信號(hào)，并保存入MATLAB軟件的根目錄下，再運(yùn)行MATLAB仿真軟件把錄制好的語(yǔ)音信號(hào)用wavread函數(shù)加載入MATLAB仿真軟件的工作環(huán)境中，輸入命令對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域，頻譜變換。利用正弦信號(hào)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，模擬信號(hào)sint經(jīng)過(guò)采樣，并且采樣的長(zhǎng)度必須要和原始語(yǔ)音信號(hào)長(zhǎng)度一樣長(zhǎng)，才可以實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)與原始語(yǔ)音信號(hào)的疊加。 把噪聲信號(hào)加入到錄制的語(yǔ)音信號(hào)中，用命令可以得到其頻譜圖。對(duì)該段合成的語(yǔ)音信號(hào)，用命令在MATLAB中設(shè)計(jì)一個(gè)恰當(dāng)?shù)臑V波器對(duì)其進(jìn)行濾波處理，此處用低通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波，濾波后用命令可以繪制出其頻譜圖，回放語(yǔ)音信號(hào)。對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)、合成的語(yǔ)音信

11、號(hào)和經(jīng)過(guò)濾波器處理的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜的比較分析。2.2 語(yǔ)音信號(hào)的獲取利用PC機(jī)上的硬件和WINDOWS操作系統(tǒng)可以很方便地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采樣。打開(kāi)電腦Windows窗口菜單中的附錄子菜單里的錄音機(jī)軟件，錄音機(jī)界面如圖圖（1）所示。使用錄音機(jī)錄制一小段聲音片段“大家好”，然后保存文件名為“l(fā)gh.wav”，如下圖2。圖（2）在Matlab中，y,fs,bits=wavread('Blip',N1 N2);用于讀取語(yǔ)音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。N1 N2表示讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的值（若只有一個(gè)N的點(diǎn)則表示讀取前N點(diǎn)的

12、采樣值）。 sound(x,fs,bits);用于對(duì)聲音的回放。向量y則就代表了一個(gè)信號(hào)（也即一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)表達(dá)式”）也就是說(shuō)可以像處理一個(gè)信號(hào)表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。2.3 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域頻域分析在Matlab軟件平臺(tái)下可以利用函數(shù)wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣,得到了聲音數(shù)據(jù)變量y,同時(shí)把y的采樣頻率Fs=8000Hz和數(shù)據(jù)位Nbits=8Bit放進(jìn)了MATALB的工作空間。上述程序是在Matlab軟件中畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形(圖3),回放錄入聲音。從圖中可以看出在時(shí)域環(huán)境下,信號(hào)呈現(xiàn)出3個(gè)不規(guī)則的信號(hào)峰值。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

13、號(hào)行快速傅里葉變換,得到信號(hào)的頻譜圖如圖3所示。2.4 干擾信號(hào)的構(gòu)建在Matlab中人為設(shè)計(jì)一固定頻率的噪聲干擾信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中用正弦序作為干擾信號(hào)。干擾信號(hào)為：f(t)=10sin(4000t)。2.5 信號(hào)合成在Matlab中把語(yǔ)音信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行疊加。對(duì)其進(jìn)行播放,并畫(huà)出其頻譜圖如圖5所示,從圖中可以看出,在該語(yǔ)音信號(hào)的12000Hz處有一高峰,這正是干擾所造成的。2.6 數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)并對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行濾波處理數(shù)字濾波器分為FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種,可以用硬件和軟件來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)主要有脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法、窗口函數(shù)法。本設(shè)計(jì)是用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR低通濾波器

14、。針對(duì)以上語(yǔ)音信號(hào)設(shè)定濾波器的性能指標(biāo)用kaiser窗設(shè)計(jì)低通濾波器。用設(shè)計(jì)好的帶阻濾波器對(duì)含噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波,在Matlab中FIR濾波器利用函數(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。在一個(gè)窗口同時(shí)畫(huà)出濾波前后的波形及頻譜如圖7所示。3 信號(hào)變化分析3.1 原始語(yǔ)音信號(hào)的程序?qū)崿F(xiàn)和時(shí)域頻域圖在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。wavread函數(shù)調(diào)用格式y(tǒng)=wavread(file)，讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。

15、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)。y=wavread（file，N），讀取錢(qián)N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。y=wavread（file，N1,N2），讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)“l(fā)gh.wav”進(jìn)行采樣其程序如下： y,fs,bits=wavread('E:MATLAB7worklgh.wav');sound(y,fs)n=length(y)y_p=fft(y,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;figure(1)subplot(2,1,1);plot(y);title

16、('原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');xlabel('時(shí)間軸(s)')ylabel('幅度(A)')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2);axis(0 20000 0 2000);title('原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜圖');xlabel('頻率 HZ');ylabel('頻率幅度');圖（3）原始信號(hào)時(shí)域、頻域圖從上圖可看出，在時(shí)域內(nèi)，語(yǔ)音信號(hào)具有短時(shí)性的特點(diǎn)，而在頻域內(nèi)，語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分量主要集中在0-4000HZ的范圍內(nèi)。3.2 干擾信號(hào)在MATLAB軟件中的實(shí)現(xiàn)我們對(duì)原始

17、信號(hào)加入的干擾信號(hào)是f(t)=10sin(4000t)如圖4，其程序如下：y,fs,bits=wavread('E:MATLAB7worklgh.wav');n=1000t=(0:n-1)/100000;f=fs*(0:n/2-1)/n;y1=10*sin(2*pi*2000*t);y2=fft(y1,n);subplot(2,1,1);plot(y1)%噪音信號(hào)的時(shí)域波形圖title('噪聲信號(hào)時(shí)域波形圖');xlabel('時(shí)間軸(s)')ylabel('幅度(A)')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2(

18、1:n/2);title('噪音信號(hào)頻譜圖');xlabel('頻率 (HZ)');ylabel('頻率幅度(A)');圖（4）噪聲信號(hào)時(shí)域、頻域圖3.3 對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)加入干擾信號(hào)加入噪聲后回放的聲音與原始的語(yǔ)音信號(hào)有明顯的不同,其伴隨較尖銳的干擾嘯叫聲。從含噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖中可以看出是含噪的語(yǔ)音信號(hào)的頻譜,在1000Hz處有上高峰,這正是干擾所造成的。程序如下：L=length(y)%計(jì)算音頻信號(hào)的長(zhǎng)度t=(0:L-1)/8000;A=10;f=4000;d=A*sin(f*pi*t)' %產(chǎn)生等長(zhǎng)度的正弦噪聲信號(hào)y_z=y+d d

19、; %將兩個(gè)信號(hào)疊加成一個(gè)新的信號(hào)sound(y_z,fs); %對(duì)加噪后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析n=length(y); %選取變換的點(diǎn)數(shù) y_zp=fft(y_z,n); %對(duì)n點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換到頻域f=fs*(0:n/2-1)/n; % 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率figure(2)subplot(2,1,1);plot(y_z); %加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形圖axis(0 130 -15 15);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形圖');xlabel('時(shí)間軸')ylabel('幅度(A)')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_zp(1:n

20、/2); %加噪語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖axis(0 20000 0 2000);title('加噪語(yǔ)音信號(hào)頻譜圖');xlabel('頻率(HZ)');ylabel('頻率幅度');圖（5）加噪語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域、頻域圖3.4 用低通濾波器對(duì)加噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理當(dāng)用低通濾波器（如圖6）濾波后的含噪聲語(yǔ)音信號(hào),從圖上可看出，干擾信號(hào)被成功濾除了。具體程序如下：fp=1500;fc=1700;As=100;Ap=1; %(以上為低通濾波器的性能指標(biāo)）wc=2*pi*fc/fs;wp=2*pi*fp/fs;wdel=wc-wp;beta=0.112*(As-8

21、.7);N=ceil(As-8)/2.285/wdel);wn=kaiser(N+1,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(N,ws,wn);figure(3);freqz(b,1); %（此前為低通濾波器設(shè)計(jì)階段）接下來(lái)為去除噪聲信號(hào)的程序x=fftfilt(b,y,z);X=fft(x,n);figure(4);subplot(2,2,1);plot(f,abs(y_zp(1:n/2);axis(0 20000 0 2000);title('濾波前信號(hào)的頻譜');subplot(2,2,2);plot(f,abs(X(1:n/2);axis(0 20000 0 2000);title('濾波后信號(hào)頻譜');subplot(2,2,3);plot(y_z);title('濾波前信號(hào)的波形')axis(0 200000 -15 15);subplot(2,2,4);plot(x);axis(0 200000 -1 1);title('濾波后信號(hào)的波形')圖（6）數(shù)字濾波圖（7）濾波前后的時(shí)域、頻域比較心得體會(huì) 為期一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，我從中學(xué)到了很多東西，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)MATLAB軟件有了更清楚熟練度的了解