基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)的采集和處理

1、電子科技大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱(chēng)： 信號(hào)與系統(tǒng) 設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 語(yǔ)音信號(hào)的采集和處理 姓 名： 肖燕平 學(xué) 號(hào): 2011019090028 班 級(jí)： 通信九班 指導(dǎo)教師： 何春 起止日期： 2012.12.15-2012.12.20 基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)的采集和處理摘要：本文介紹了一種基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)的采集和處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生，以聲波的形式在介質(zhì)中傳播，介質(zhì)主要可分為固 體， 液體以及氣體。 聲波振動(dòng)內(nèi)耳的聽(tīng)小骨， 這些振動(dòng)被轉(zhuǎn)化為微小的電子腦波， 它就是我們覺(jué)察到的聲音。 內(nèi)耳采用的原理與麥克風(fēng)捕獲聲波或揚(yáng)聲器的發(fā)音一 樣，它是移動(dòng)的機(jī)械部分與氣

2、壓波之間的關(guān)系。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，人聲的頻率范圍 是 300Hz3400Hz，不同的人或樂(lè)器產(chǎn)生的聲音頻率不一致，通過(guò)對(duì)聲音信號(hào)的 研究能夠更好的處理聲音信號(hào)的處理以及傳輸。Matlab 作為一款主要面對(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)算軟件，能夠很好的完成對(duì)聲音信 號(hào)的分析和處理，快速的得出聲音信號(hào)的時(shí)域圖以及頻域圖。關(guān)鍵字：聲音|、頻率、時(shí)域圖、頻域圖1緒 論1.1課題研究目的及意義 掌握語(yǔ)音信號(hào)采集的方法 掌握一種語(yǔ)音信號(hào)基音周期提取方法 了解Matlab的編程方法 1.2本課題的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方案概述一：使用wavrecord錄入自己的語(yǔ)音信號(hào)，使用save函數(shù)進(jìn)行保存后使用

3、wavplay 函數(shù)進(jìn)行播放。二：使用plot再畫(huà)出該語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形，對(duì)原始波形進(jìn)行用fft函數(shù)傅里葉 變換后，使用plot畫(huà)出其頻譜。三：設(shè)計(jì)切比雪夫的低通，高通，帶通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波。四： 畫(huà)出濾波后的信號(hào)時(shí)域、頻域圖五：考慮到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)人聲的頻率范圍在300Hz3400Hz，于是給原始語(yǔ)音信號(hào)加入 3800hz的正弦高頻噪聲，再分析語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)。六：設(shè)計(jì)低通計(jì)濾波器將高頻噪聲濾除。2設(shè)計(jì)過(guò)程2.1本課題的設(shè)計(jì)要求1，使用wavrecord錄入自己的語(yǔ)音信號(hào)，保存到一個(gè)數(shù)組后，再使用save函數(shù)進(jìn)行保存文件，后使用wavplay函數(shù)進(jìn)行播放。程序?qū)崿F(xiàn)如下：fs=8000;%采樣

4、頻率為8000hzy=wavrecord(3*fs,fs);%錄入3s的聲音wavplay(y,fs);%播放已錄入的聲音信號(hào)file='voice.mat'%創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)文件，且賦給變量filesave('voice.mat','y');%將語(yǔ)音數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)文件voice.mat中l(wèi)oad voice.mat; %讀出voicet.mat的語(yǔ)音數(shù)據(jù)2，使用plot再畫(huà)出該語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形程序代碼為：subplot(211);%對(duì)圖形窗口進(jìn)行分割plot(y);xlabel('time n');ylabel('ampl

5、itude');title('原始語(yǔ)音信號(hào)');%標(biāo)出橫縱坐標(biāo)和圖像名稱(chēng)再對(duì)原始波形進(jìn)行用fft函數(shù)傅里葉變換后得到向量，使用plot畫(huà)出其頻譜。因?yàn)橹苯佑胒ft得出的數(shù)據(jù)與頻率不是對(duì)應(yīng)的，由于fftshift可以將fft的直流分量移到頻譜中心，即讓正半軸部分和負(fù)半軸部分的圖像分別關(guān)于各自的中心對(duì)稱(chēng)。故再使用fftshift對(duì)fft進(jìn)行變換。程序代碼為：a=fftshift(fft(y,l)/l);%對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換，且將fft的直流分量移到頻譜中心fd=fs/l;fx=fd*(-l/2:l/2-1);%將橫軸變?yōu)轭l率軸fy=abs(a);%將縱軸變?yōu)轭l

6、率幅度軸subplot(212);plot(fx,fy);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('原始信號(hào)頻譜');如圖所示：3，設(shè)計(jì)切比雪夫?yàn)V波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，利用cheb1ord計(jì)算濾波器階數(shù)：N, Wn =cheb1ord(Wp, Ws, Rp, Rs)；利用cheby1計(jì)算濾波器系數(shù)：b,a = cheby1(N,Wn)。其中設(shè)計(jì)了通帶截止頻率為1000hz,阻帶截止頻率為1200hz的低通濾波器，如圖所示 程序?yàn)椋篺ph=1000; fsh=1200; rp=2; rs=15; omegaph=fp

7、h/(fs/2); %歸一化 omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'low'); yl=filter(BZ,AZ,y);subplot(211);plot(yl);xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('低通濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');al=fftshift(fft(yl,l)/l;%對(duì)低通濾波后信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換fdl=fs/l;fxl=fdl*(-l/2:l/

8、2-1);fyl=abs(al);subplot(212);plot(fxl,fyl);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('低通濾波后信號(hào)頻譜');設(shè)計(jì)了通帶截止頻率為2000hz,阻帶截止頻率為1600hz的高通濾波器，如圖所示 fph=2000; fsh=1600; rp=2; rs=15; omegaph=fph/(fs/2); omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'high&#

9、39;); %計(jì)算切比雪夫高通濾波器系數(shù) yh=filter(BZ,AZ,y);subplot(211);plot(yh);xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('高通濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');ah=fftshift(fft(yh,l)/l;fdh=fs/l;fxh=fdh*(-l/2:l/2-1);fyh=abs(ah); subplot(212);plot(fxh,fyh);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('高通濾波后

10、信號(hào)頻譜');設(shè)計(jì)了截止頻率Wp1000Hz 2000Hz；阻帶截止頻率Ws800Hz 2500Hz；的帶通濾波器，如圖所示程序?yàn)椋?fph=1000,2000; fsh=800,2500; rp=3; rs=20; omegaph=fph/(fs/2); omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'bandpass'); yb=filter(BZ,AZ,y); subplot(211);plot(yb);xlabel('time n');

11、ylabel('amplitude');title('帶通濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');ab=fftshift(fft(yb,l)/l;fdb=fs/l;fxb=fdb*(-l/2:l/2-1);fyb=abs(ab);subplot(212);plot(fxb,fyb);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('帶通濾波后信號(hào)頻譜');4，使用wavplay函數(shù)播放濾波前后的語(yǔ)音信號(hào)程序?yàn)椋簑avplay(y,fs); %播放原始語(yǔ)音信號(hào)wavplay(yl,fs); %播放低通濾波后語(yǔ)

12、音信號(hào)wavplay(yh,fs); %播放高通濾波后語(yǔ)音信號(hào)wavplay(yb,fs); %播放帶通濾波后語(yǔ)音信號(hào)可以明顯地聽(tīng)到經(jīng)過(guò)低通后聲音明顯較先前低沉但音量減小，如下一、二圖所示，低通濾波后信號(hào)高頻部分明顯大幅衰，即信號(hào)只剩余低音部分；經(jīng)過(guò)高通濾波后聲音較原始信號(hào)刺耳但音量減小，如下一、三圖所示，高通濾波后信號(hào)低頻部分明顯大幅衰，剩下高頻部分，即信號(hào)只剩余高音部分；經(jīng)過(guò)帶通濾波后聲音較原始信號(hào)無(wú)明顯區(qū)別但音量明顯減小，如下一、四圖所示，帶通濾波后信號(hào)低頻和高頻部分明顯大幅衰，剩下中頻部分，即信號(hào)只剩余中音部分；如圖所示，分別為原始信號(hào)，低濾波后信號(hào)，高通濾波后信號(hào)，帶通濾波后信號(hào)頻譜

13、5，考慮到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)人聲的頻率范圍在300Hz3400Hz，于是給原始語(yǔ)音信號(hào)加入頻率為3800hz的正弦高頻噪聲，如圖所示，為加入高頻噪聲后的信號(hào)時(shí)域波形和頻譜圖，由圖可以看出，加入信號(hào)后的時(shí)域波形明顯幅度加大，使用wavplay函數(shù)播放也可明顯聽(tīng)到明顯滴聲，頻譜圖中也可看到較原信號(hào)而言，加噪聲后頻譜在3800hz和-3800hz處增加了一高峰。程序?yàn)椋篈u=1;t=0:1/fs:(l-1)/fs;d=Au*sin(2*pi*3800*t); %構(gòu)造頻率為3800hz的正弦信號(hào)，且取其一段d=d'yy=y+d; %將所得噪音信號(hào)加入原始信號(hào)中subplot(211);plot(yy);

14、 %繪制加入噪音后波形xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('加入噪音后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');ay=fftshift(fft(yy,l)/l;fdy=fs/l;fxy=fdy*(-l/2:l/2-1);fyy=abs(ay);subplot(211);plot(yy);%繪制加入噪音后頻譜xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('加入噪音后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');6，設(shè)計(jì)阻帶截止頻率為3600，通帶截止頻率為

15、3400的切比雪夫低通計(jì)濾波器將高頻噪聲濾除。所得信號(hào)時(shí)域波形及頻譜圖如下：程序?yàn)椋篺ph=3400; fsh=3600; rp=2; rs=60; omegaph=fph/(fs/2); omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'low'); yyy=filter(BZ,AZ,yy);subplot(211);plot(yyy);xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('對(duì)加

16、噪信號(hào)濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');ayy=fftshift(fft(yyy,l)/l);fdyy=fs/l;fxyy=fdyy*(-l/2:l/2-1);fyyy=abs(ayy);subplot(212);plot(fxyy,fyyy);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('加入噪音濾波后信號(hào)頻譜');3本課題的設(shè)計(jì)原理1、采樣定理： 在進(jìn)行模擬與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣大于最高頻率的 2 倍 時(shí)，則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整的保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際 應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的 510

17、倍。 2、采樣頻率： 采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采樣多少個(gè)聲音樣本， 是描述聲音文件 的音質(zhì)、音頻、衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率越高，即采 樣的時(shí)間間隔越短，則在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)越多，對(duì)聲音波形的表示也越準(zhǔn)確。 3、采樣位數(shù)與采樣頻率： 采樣位數(shù)即采樣值或取樣值,用來(lái)衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù),是指 聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。 采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對(duì)聲音信號(hào)的采樣次數(shù),采樣頻率越高聲 音的還原就越真實(shí)越自然。 采樣位數(shù)和采樣率對(duì)于音頻接口來(lái)說(shuō)是最為 重要的兩個(gè)指標(biāo)。無(wú)論采樣頻率如何,理論上來(lái)說(shuō)采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍

18、。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號(hào)越精確。 4、利用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析 和處理： 采集語(yǔ)音信號(hào)后，利用MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行頻譜分析；并對(duì)所采集的語(yǔ)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)。4 總結(jié)和心得體會(huì)在為期一周的設(shè)計(jì)中我遇到不少的問(wèn)題，主要有以下兩點(diǎn)：1，剛開(kāi)始時(shí)對(duì)fft函數(shù)的本質(zhì)不是很了解，導(dǎo)致畫(huà)出的波形有一半是人聲無(wú)法發(fā)出的高頻。后來(lái)經(jīng)過(guò)復(fù)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)的課本，與同學(xué)討論后才發(fā)現(xiàn)這部分看起來(lái)是高頻的成分實(shí)際是-w,因?yàn)橹苯佑胒ft得出的數(shù)據(jù)與頻率不是對(duì)應(yīng)的，由于fftshift可以將fft的直流分量移到頻譜中心，即讓正半軸部分和

19、負(fù)半軸部分的圖像分別關(guān)于各自的中心對(duì)稱(chēng)。故再使用fftshift對(duì)fft進(jìn)行變換。2,加入噪聲時(shí)發(fā)現(xiàn)直接加入頻率為5500hz的正弦信號(hào)后所得信號(hào)頻率不再是實(shí)際的5500hz,再次翻閱書(shū)本才回憶起采樣的原則是Ws>2Wm，若采樣頻率為fs=8000,則5000hz頻譜將會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，信號(hào)無(wú)法恢復(fù)，即所得噪音信號(hào)頻率改變，考慮到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)人聲的頻率范圍在300Hz3400Hz，于是改為給原始語(yǔ)音信號(hào)加入頻率為3800hz的正弦高頻噪聲。通過(guò)這一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)， 同時(shí)我學(xué)到了很多的東西,不僅鞏固了我以前所 學(xué)過(guò)的知識(shí), 還讓我學(xué)到很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。 同時(shí)進(jìn)一步加深了對(duì)語(yǔ)音信號(hào)

20、的了解和熟練了對(duì) Matlab 的使用。 也深深地體會(huì)到作為工科女獨(dú)有的驕傲，因?yàn)橐郧岸际腔谡n本上所學(xué)的理論知識(shí)，很少將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，而通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)之后更加感覺(jué)到只是會(huì)做題并不代表真正理解了課本的知識(shí)，必須要在實(shí)際中才能真正地理解。同時(shí)，這次設(shè)計(jì)也讓我感受到了書(shū)本的知識(shí)也很重要，做任何一個(gè)工程，再小都需要足夠的理論知識(shí)作為墊腳石。 5參考文獻(xiàn)【1】Alan.V.Oppenheim，Signal and System，電子工業(yè)出版社，2009.【2】數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)講義，電子科技大學(xué)出版社，2010.【3】劉樹(shù)棠， 信號(hào)與系統(tǒng)計(jì)算機(jī)練習(xí)利用 MATLAB，西安交通大學(xué)出版社，2006【4】

21、謝云蓀，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)出版社，1999.【5】蘇金明，MATLAB 實(shí)用教程，電子工業(yè)出版社，2005.【6】徐全智，概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)，高等教育出版社,2004. 【7】楊克昌，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)典型例題精解，國(guó)防科技大學(xué)出版社程序清單fs=8000;%采樣頻率為8000hzy=wavrecord(3*fs,fs);%錄入3s的聲音wavplay(y,fs);%播放已錄入的聲音信號(hào)file='voice.mat'%創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)文件，且賦給變量filesave('voice.mat','y');%將語(yǔ)音數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)文件voice.mat中l(wèi)oad v

22、oice.mat; %讀出voicet.mat的語(yǔ)音數(shù)據(jù)subplot(211);%對(duì)圖形窗口進(jìn)行分割plot(y);xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('原始語(yǔ)音信號(hào)');%標(biāo)出橫縱坐標(biāo)和圖像名稱(chēng)a=fftshift(fft(y,l)/l);%對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換，且將fft的直流分量移到頻譜中fd=fs/l;fx=fd*(-l/2:l/2-1);%將橫軸變?yōu)轭l率軸fy=abs(a);%將縱軸變?yōu)轭l率幅度軸subplot(212);plot(fx,fy);%畫(huà)出原始信號(hào)頻譜圖xlab

23、el('頻率Hz');ylabel('幅度');title('原始信號(hào)頻譜');fph=1000; %低通濾波程序開(kāi)始 fsh=1200; rp=2; rs=15; omegaph=fph/(fs/2); %歸一化 omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); %計(jì)算濾波器階數(shù) BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'low');%計(jì)算濾波器系數(shù) yl=filter(BZ,AZ,y);%對(duì)原始信號(hào)低通濾波subplot(211);plot(yl);xlabe

24、l('time n');ylabel('amplitude');title('低通濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');al=fftshift(fft(yl,l)/l);%對(duì)低通濾波后信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換fdl=fs/l;fxl=fdl*(-l/2:l/2-1);fyl=abs(al);subplot(212);plot(fxl,fyl);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('低通濾波后信號(hào)頻譜');fph=2000; %高通濾波程序開(kāi)始 fsh=1600; rp=2; rs=1

25、5; omegaph=fph/(fs/2); omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'high'); %計(jì)算切比雪夫高通濾波器系數(shù) yh=filter(BZ,AZ,y);subplot(211);plot(yh);xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('高通濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');ah=fftshift(fft(yh,l)/l);fdh=fs/l;fxh=fdh

26、*(-l/2:l/2-1);fyh=abs(ah); subplot(212);plot(fxh,fyh);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('高通濾波后信號(hào)頻譜');fph=1000,2000; %帶通濾波程序開(kāi)始 fsh=800,2500; rp=3; rs=20; omegaph=fph/(fs/2); omegash=fsh/(fs/2); N,wn=cheb1ord(omegaph,omegash,rp,rs); BZ,AZ=cheby1(N,rp,wn,'bandpass'); yb=

27、filter(BZ,AZ,y); subplot(211);plot(yb);xlabel('time n');ylabel('amplitude');title('帶通濾波后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');ab=fftshift(fft(yb,l)/l);fdb=fs/l;fxb=fdb*(-l/2:l/2-1);fyb=abs(ab);subplot(212);plot(fxb,fyb);xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');title('帶通濾波后信號(hào)頻譜');wavplay(y,fs); %播放原始語(yǔ)音信號(hào)wavplay(yl,fs); %播放低通濾波后語(yǔ)音信號(hào)wavplay(yh,fs); %播放高通濾波后語(yǔ)