數(shù)字信號處理語音信號分析與處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

1、山東建筑大學(xué)信電學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書目 錄摘要21 設(shè)計(jì)目的與要求32 設(shè)計(jì)步驟43 設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容5 3.1 理論依據(jù)5 3.2 信號采集6 3.3 構(gòu)造受干擾信號并對其FFT頻譜分析8 3.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)9 3.5 信號處理10總 結(jié)12致 謝13參考文獻(xiàn)14摘 要用MATLAB對語音信號進(jìn)行分析與處理，采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進(jìn)行頻譜分析;并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進(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。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)，用來對信號進(jìn)行過濾、檢測和參數(shù)估計(jì)等處理。IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是給定一組指標(biāo)時(shí)，它的階數(shù)要比相同

2、組的FIR濾波器的低的多。信號處理中和頻譜分析最為密切的理論基礎(chǔ)是傅立葉變換（FT）。離散傅立葉變換（DFT）和數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的最基本內(nèi)容。關(guān)鍵詞：MATLAB;語音信號；加入噪聲；濾波器；濾波1. 設(shè)計(jì)目的與要求（1）待處理的語音信號是一個在20Hz20kHz頻段的低頻信號（2）要求MATLAB對語音信號進(jìn)行分析和處理，采集語音信號后，在MATLAB平臺進(jìn)行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)合適的濾波器進(jìn)行濾除噪聲，恢復(fù)原信號。2. 設(shè)計(jì)步驟（1）選擇一個語音信號或者自己錄制一段語音文件作為分析對象；（2）對語音信號進(jìn)行采樣，并對語音信號進(jìn)

3、行FFT頻譜分析，畫出信號的時(shí)域波形圖和頻譜圖；（3）利用MATLAB自帶的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，對語音信號進(jìn)行回放，對其進(jìn)行FFT頻譜分析；（4）設(shè)計(jì)合適濾波器，對帶有噪聲的語音信號進(jìn)行濾波，畫出濾波前后的時(shí)域波形圖和頻譜圖，比較加噪前后的語音信號，分析發(fā)生的變化；（5）對語音信號進(jìn)行回放，感覺聲音變化。3. 設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容3.1 理論依據(jù)（1）采樣頻率：采樣頻率（也稱采樣速度或者采樣率）定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，它用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。通俗的講，采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個聲

4、音樣本，是描述聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率越高，即采樣的間隔時(shí)間越短，則在單位之間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。（2）采樣位數(shù)：即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)。（3）采樣定理：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號中，最高頻率fmax的2倍時(shí)，即：fs.max>=2fmax，則采樣之后的數(shù)字信號完整的保留了原始信號中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍；采樣頻率又稱乃奎斯特定理。（4）時(shí)域信號的FFT分析：信號的頻譜分析就是計(jì)算信號的傅立葉變換。連續(xù)信號與系統(tǒng)的傅

5、立葉分析顯然不便于直接用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，使其應(yīng)用受到限制。而FFT是一種時(shí)域和頻域均離散化的變換，適合數(shù)值計(jì)算，成為用計(jì)算機(jī)分析離散信號和系統(tǒng)的的有力工具。對連續(xù)信號和系統(tǒng)，可以通過時(shí)域采樣，應(yīng)用DFT進(jìn)行近似譜分析。（5）數(shù)字信號濾波器原理和方法：IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)： 其中H(z)成為N階IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)。IIR濾波器設(shè)計(jì)方法有間接和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的。其步驟是：先設(shè)計(jì)過度模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)Ha（s），然后將Ha（s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。利用有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器設(shè)計(jì)濾波器。有限脈沖響應(yīng)濾波器在保證幅度特性滿足技

6、術(shù)要求的同時(shí)，很容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性。用N表示FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)h（n）的長度，其系統(tǒng)函數(shù)H（z）為 H（z）是z-1的N-1次多項(xiàng)式，它在z平面上有N-1個零點(diǎn)，在原點(diǎn)z=0處有一個N-1重極點(diǎn)。因此，H（z）永遠(yuǎn)穩(wěn)點(diǎn)。穩(wěn)定和線性相位是FIR濾波器最突出的優(yōu)點(diǎn)。（6）各種不同類型濾波器的性能比較：巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性；切比羅夫?yàn)V波器的幅頻特性在通帶或阻帶有等波紋特性，可以提高選擇性；貝塞爾濾波器通帶內(nèi)有有較好的線性相位特性；橢圓濾波器的選擇性相對前三種是最好的，但通帶和阻帶內(nèi)均呈現(xiàn)等波紋幅頻特性，相對特性的非線性稍重。IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是給定一組指標(biāo)時(shí)，

7、它的階數(shù)要比相同組的FIR濾波器的低的多。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法是利用模擬濾波器成熟的理論及設(shè)計(jì)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因而保留了一些典型模擬濾波器的優(yōu)良的幅度特性。（7）離散傅立葉變換 其中WN= ，N為DFT變換空間長度。 3.2 信號采集從網(wǎng)上下載一段wav格式的文件，把文件“marble”保存在MATLAB文件夾下的work文件夾中，以.wav格式保存，這是windows操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件保存的標(biāo)準(zhǔn)。x1,fs,bits=wavread('marble.wav');%把語音信號進(jìn)行加載入MATLAB仿真軟件平臺中，采樣值放在向量x1中，fs表示采樣頻率（Hz），bits表

8、示采樣位數(shù)。x=x1(1:5000,1);%對雙聲道信號取單聲道并取其5000點(diǎn)X=fft(x,4096);%對信號做4096點(diǎn)FFT變換調(diào)用參數(shù)x為被變換的時(shí)域序列向量，變換區(qū)間長度為4096，當(dāng)x小于4096時(shí)，fft函數(shù)自動在x后面補(bǔ)零。函數(shù)返回x的4096點(diǎn)DFT變換結(jié)果X。當(dāng)x大于4096時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算x前面4096個元素構(gòu)成的長序列的4096點(diǎn)DFT，忽略x后面的元素。進(jìn)行圖形分區(qū)，首先畫出語音信號的時(shí)域波形，然后對其進(jìn)行頻譜分析。在MATLAB中利用fft對信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到信號的頻譜特性。magX=abs(X);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模subplot(2,1,

9、1);%圖形分區(qū)plot(x);title('原始信號波形');%繪制波形f=(0:2047)*fs/2/2048;%單位轉(zhuǎn)換subplot(2,1,2);plot(f,magX(1:2048);title('原始信號頻譜');其程序如下：x1,fs,bits=wavread('marble.wav'); %讀取語音信號x=x1(1:5000,1);%對雙聲道信號取單聲道并取其5000點(diǎn)X=fft(x,4096);%對信號做4096點(diǎn)FFT變換magX=abs(X);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模subplot(2,1,1);%圖形分區(qū)plot(x

10、);title('原始信號波形');%繪制波形f=(0:2047)*fs/2/2048;%單位轉(zhuǎn)換subplot(2,1,2);plot(f,magX(1:2048);title('原始信號頻譜');程序結(jié)果如下圖： 圖3.1 原始信號3.3構(gòu)造受干擾信號并對其FFT頻譜分析其程序如下：t=0:0.0001:10;f1=3800;%噪聲信號頻率y1=0.5*sin(2*pi*f1*t);%噪聲信號y2=y1(1,1:5000);%取噪聲信號的5000點(diǎn)長度（1，1:5000）因?yàn)閥1為列向量y=x+y2'%先對噪聲信號轉(zhuǎn)置再把噪聲信號加入原始信號Y=ff

11、t(y2,4096);%求噪聲信號頻譜magY=abs(Y);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模subplot(2,2,1);plot(y2);title('噪聲信號波形');%繪制波形subplot(2,2,2);plot(f,magY(1:2048);title('噪聲信號頻譜');%繪制波形subplot(2,2,3);plot(y);title('加噪后信號波形');%繪制波形Y1=fft(y,4096);%對加噪后的信號做4096點(diǎn)FFT變換magY1=abs(Y1);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模subplot(2,2,4);plot(f,m

12、agY1(1:2048);title('加噪后信號頻譜');%繪制波形程序結(jié)果如下圖： 圖3.2 噪聲及加噪后圖形 由圖3.1和圖3.2可以看出，在500010000之間噪聲明顯，加入噪聲后得到的信號和原始的語音信號有明顯的不同。3.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的任務(wù)就是尋找一個因果穩(wěn)定的線性時(shí)不變系統(tǒng)，并使系統(tǒng)函數(shù)H（z）具有指定的頻率特性。本實(shí)驗(yàn)采用MATLAB工具箱函數(shù)buttord設(shè)計(jì)數(shù)字低通IIR濾波器。低通濾波器的性能指標(biāo)為：f_p=5000;f_s=6500; Rp=3;Rs=25;用伯特沃斯型設(shè)計(jì)濾波器程序如下：f_p=5000;f_s=6500; Rp=3

13、;Rs=25;%設(shè)置濾波器參數(shù)Ws=f_s/(fs/2);Wp=f_p/(fs/2);N,wc=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs);%計(jì)算濾波器階數(shù)N和3dB截止頻率wcb,a=butter(N,wc);%計(jì)算濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)freqz(b,a,1000,fs);%繪制濾波器特性曲線 W 就是j后面的s或z，其實(shí)著看頻譜圖就行，H和W沒什么用n是至你的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)后面還應(yīng)該有個Fs，即采樣率這樣可以講頻譜圖橫軸變成Hz，不然就是個01的*pi/FS比例系數(shù)axis(0 8000 -30 3);程序結(jié)果如下圖： 圖3.3 數(shù)字低通濾波器圖3.5 信號處理巴特沃斯濾波器利用函數(shù)f

14、ilter進(jìn)行濾波。用設(shè)計(jì)的濾波器對含噪聲的語音信號進(jìn)行濾波，對濾波后的信號進(jìn)行FFT進(jìn)行頻譜分析。函數(shù)fft的調(diào)用格式是y=fft(b,x)，低通濾波器：Z=fft(z,4096)；其程序如下：z=filter(b,a,y);%把加噪后的信號濾波subplot(2,1,1);plot(z);title('濾波后的波形');%繪制波形Z=fft(z,4096);%對信號做4096點(diǎn)FFT變換magZ1=abs(Z);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模magZ=magZ1(1:2048);%取點(diǎn)subplot(2,1,2);plot(magZ);title('濾波后的信號頻譜&

15、#39;);%繪制波形程序結(jié)果如下圖： 圖3.4 濾波后的圖形將原始信號波形和濾波后的圖形相比較，大致相同，說明濾波器有效果，濾波成功?？?結(jié)本設(shè)計(jì)采用MATLAB實(shí)現(xiàn)了語音信號的采集，對語音信號的加噪及設(shè)計(jì)濾波器濾除噪聲等一系列工作，從頻率圖可以看出，巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性，通帶內(nèi)是光滑的。我已基本完成設(shè)計(jì)任務(wù)，里面也有很多不足。通過本次教學(xué)實(shí)踐，使我加深了對課堂知識的鞏固和理解，并能掌握語音信號處理中的基本方法、理論應(yīng)用和基于軟硬件平臺的算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過MATLAB中幾個命令函數(shù)的調(diào)用，使得在實(shí)際應(yīng)用和理論知識之間建立了聯(lián)系，為以后的學(xué)習(xí)帶來了非常的幫助。致 謝感謝指導(dǎo)老師

16、的細(xì)心知道，在這幾天里提供給我的支持和幫助。這是我能順利完成這次報(bào)告的主要原因，老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的監(jiān)督我們課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度，耐心的指導(dǎo)我們能夠按時(shí)完成指定的任務(wù)。還要感謝學(xué)校給我們提供了這么好的環(huán)境，為我們的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。在此期間，我不僅學(xué)到了很多新的知識，而且還開拓了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。雖然有很多不足，但對我來說，這絕對是一次寶貴的歷練。從中我切身體會到了現(xiàn)實(shí)和理論的差距，只有真正動手去做才能真正發(fā)現(xiàn)問題。再次感謝所有對我提供幫助的人，謝謝。參考文獻(xiàn)【1】高西全、丁玉美編著.數(shù)字信號處理.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.【2】丁玉美、高西全編著.數(shù)字信號處理學(xué)習(xí)指導(dǎo).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.【3】鄭君里等編.信號與系統(tǒng).北京：高等教育出版社，2000.【4】劉樹棠譯.數(shù)字信號處理使用MATLAB.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.【5】導(dǎo)向科技編著