基于MATLAB的語音信號錄制采集和窗函數(shù)法濾波器設(shè)計(jì)

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書題目：基于MATLAB的語音信號錄制采集和窗函數(shù)法濾波器設(shè)計(jì)姓 名： xxxx 院 （系）： 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電子信息工程 學(xué) 號： xxxxxxxxxxxx 指導(dǎo)教師： xxxx 成 績： 時間：2014年6月09日至 2014年6月13日 鄭州輕工業(yè)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 題目 基于MATLAB的語音信號錄制采集和窗函數(shù)法濾波器設(shè)計(jì) 專業(yè)、班級 學(xué)號姓名 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容：要求學(xué)生利用Windows下的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音“你好”。然后在Matlab軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣，記住

2、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。要求學(xué)生首先畫出語音信號的時域波形；然后對語音號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜圖；最后用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)一個數(shù)字低通濾波器，并畫出其頻率響應(yīng)，用該濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波并比較濾波前后語音信號的時域波形及頻譜?；疽螅?、 學(xué)會 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計(jì)方法。 2、掌握在 Windows 環(huán)境下語音信號錄制的方法。 3、掌握在MATLAB環(huán)境下語音信號的采集方法。4、掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法。5、利用MATLAB環(huán)境采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器濾出高頻成分。6、學(xué)會用 MATLAB 對信號進(jìn)行分析和處理。 主要參考資料：1

3、、徐靖濤.基于MATLAB的語音信號分析與處理J.重慶科技學(xué)院2008,12、張文.基于MATLAB的語音信號的濾波與實(shí)現(xiàn)J.山西電子技術(shù).2008,2 完 成 期 限： 2014.6.092014.6.13 指導(dǎo)教師簽名： 課程負(fù)責(zé)人簽名： 2014年 6月 04日 摘要1第一章 設(shè)計(jì)目的、要求和背景31. 語音信號處理介紹32.設(shè)計(jì)目的33.設(shè)計(jì)要求34設(shè)計(jì)背景3第二章 設(shè)計(jì)過程41.設(shè)計(jì)原理分析42.語音信號的獲取 53.語音信號的時域頻域分析54數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)并對加噪信號進(jìn)行濾波處理5第三章 信號變化分析61 原始語音信號的程序?qū)崿F(xiàn)和時域頻域圖62設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器83濾波前

4、后時域比較分析94 濾波前后頻譜分析10第四章 心得體會 12參考文獻(xiàn)： 13基于MATLAB的語音信號錄制采集和窗函數(shù)法濾波器設(shè)計(jì)摘要 本文論述了利用MATLAB的圖形處理功能、符號運(yùn)算功能和數(shù)值計(jì)算功能，完成對語音信號分析處理和仿真實(shí)現(xiàn)。 并且以窗函數(shù)濾波法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器，利用MATLAB分析該語音信號的時域波形及頻域波形，完成濾波前后的比較分析。關(guān)鍵字：MATLAB   語音信號 數(shù)字低通濾波器 設(shè)計(jì)目的、要求和背景1. 語音信號處理介紹語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)和語音學(xué)知識對語音信號進(jìn)行處理的新興的學(xué)科，是目前發(fā)

5、展最為迅速的信息科學(xué)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。同時，語言也是人與機(jī)器之間進(jìn)行通信的重要工具，它是一種理想的人機(jī)通信方式，因而可為信息處理系統(tǒng)建立良好的人機(jī)交互環(huán)境，進(jìn)一步推動計(jì)算機(jī)和其他智能機(jī)器的應(yīng)用，提高社會的信息化程度。2.設(shè)計(jì)目的2.1學(xué)會 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序設(shè)計(jì)方法。 2.2掌握在 Windows 環(huán)境下語音信號錄制的方法。 2.3掌握在MATLAB環(huán)境下語音信號的采集方法。2.4掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法。2.5利用MATLAB環(huán)境采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器濾出高頻成分

6、。2.6學(xué)會用 MATLAB 對信號進(jìn)行分析和處理。3.設(shè)計(jì)要求3.1利用Windows下的錄音機(jī)，錄制一段自己的話音“你好”。然后在Matlab軟件平臺下，利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。 3 .2首先畫出語音信號的時域波形；然后對語音號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜圖；3.3最后用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)一個數(shù)字低通濾波器，并畫出其頻率響應(yīng)，用該濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波并比較濾波前后語音信號的時域波形及頻譜。4設(shè)計(jì)背景20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號處理的理論和算法，如數(shù)字濾波器、快速傅立葉變換（FFT）等是語音信號數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。隨著信息科學(xué)

7、技術(shù)的飛速發(fā)展，語音信號處理取得了重大的進(jìn)展：進(jìn)入70年代之后，提出了用于語音信號的信息壓縮和特征提取的線性預(yù)測技術(shù)（LPC），并已成為語音信號處理最強(qiáng)有力的工具，廣泛應(yīng)用于語音信號的分析、合成及各個應(yīng)用領(lǐng)域，以及用于輸入語音與參考樣本之間時間匹配的動態(tài)規(guī)劃方法；80年代初一種新的基于聚類分析的高效數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)矢量量化（VQ）應(yīng)用于語音信號處理中；而用隱馬爾可夫模型（HMM）描述語音信號過程的產(chǎn)生是80年代語音信號處理技術(shù)的重大發(fā)展，目前HMM已構(gòu)成了現(xiàn)代語音識別研究的重要基石。近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的研究取得了迅速發(fā)展，語音信號處理的各項(xiàng)課題是促進(jìn)其發(fā)展的重要動力之一，同時，它的許多成

8、果也體現(xiàn)在有關(guān)語音信號處理的各項(xiàng)技術(shù)之中。第二章 設(shè)計(jì)過程1.設(shè)計(jì)原理分析本設(shè)計(jì)主要是對語音信號的時頻進(jìn)行分析，并對語音信號加噪后設(shè)計(jì)濾波器對其進(jìn)行濾波處理，對話音信號加噪聲前后的頻譜進(jìn)行比較分析，對合成語音信號濾波前后進(jìn)行頻譜的分析比較。 首先用PC機(jī)WINDOWS下的錄音機(jī)錄制一段語音信號，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音信號用wavread函數(shù)加載入MATLAB仿真軟件的工作環(huán)境中，輸入命令對語音信號進(jìn)行時域，頻譜變換。 對該段合成的語音信號，用命令在MATLAB中設(shè)計(jì)一個恰當(dāng)?shù)臑V波器對其進(jìn)行濾波處理，此處用低通濾波器對其進(jìn)

9、行濾波，濾波后用命令可以繪制出其頻譜圖，回放語音信號。對原始語音信號、合成的語音信號和經(jīng)過濾波器處理的語音信號進(jìn)行頻譜的比較分析。2.語音信號的獲取 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)字信號的采樣。打開電腦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1所示。使用錄音機(jī)錄制一小段聲音片段“你好”，然后保存文件名為“你好.wav”，如下圖2。在Matlab中，y,fs,bits=wavread('Blip',N1 N2);用于讀取語音，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

10、0;N2表示讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的值（若只有一個N的點(diǎn)則表示讀取前N點(diǎn)的采樣值）。 sound(x,fs,bits);用于對聲音的回放。向量y則就代表了一個信號（也即一個復(fù)雜的函數(shù)表達(dá)式”）也就是說可以像處理一個信號表達(dá)式一樣處理這個聲音信號。3.語音信號的時域頻域分析在Matlab軟件平臺下可以利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣,得到了聲音數(shù)據(jù)變量y,同時把y的采樣頻率Fs=44100Hz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軟件中畫出語音信號的時域波形(圖3),回放錄入聲音。從圖中可以看出在時域環(huán)境下,信號呈現(xiàn)出3個不規(guī)則的信號峰

11、值。然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析,在Matlab中可以利用函數(shù)fft對信號行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜圖如圖3所示。4數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)并對加噪信號進(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。針對以上語音信號設(shè)定濾波器的性能指標(biāo)用hamming窗設(shè)計(jì)低通濾波器。用設(shè)計(jì)好的數(shù)字低通濾波器對含噪語音信號進(jìn)行濾波,在Matlab中FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波,FIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(jìn)行濾波。在一個窗口同時畫出濾波前后的波形

12、及頻譜如圖7所示。第三章 信號變化分析1 原始語音信號的程序?qū)崿F(xiàn)和時域頻域圖原始信號是錄制的一個語音信號（“大家好”），時域分析如圖3，然后在MATLAB軟件中用函數(shù)調(diào)用，程序如下：y,fs,bits=wavread('D:luyin錄音3.wav');%sound(y,fs) % 回放語音信號n=length(y) %選取變換的點(diǎn)數(shù) y_p=fft(y,n); %對n點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換到頻域f=fs*(0:n/2-1)/n; % 對應(yīng)點(diǎn)的頻率figure(1)subplot(2,1,1);plot(y); %語音信號的時域波形圖title('原始語音信號采樣后時域波形&

13、#39;);xlabel('時間軸')ylabel('幅值 A')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2); %語音信號的頻譜圖axis(0 20000 0 600);title('原始語音信號采樣后頻譜圖');xlabel('頻率Hz');ylabel('頻率幅值');上述程序是在Matlab軟件中畫出語音信號的時域波形,回放錄入聲音。從圖中可以看出在時域環(huán)境下,信號呈現(xiàn)出3個不規(guī)則的信號峰值。然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析,在Matlab中可以利用函數(shù)fft對信號行快速傅里葉變換,得

14、到信號的頻譜圖所示。2設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器wp=2*pi*1000/fs;ws=2*pi*1200/fs;Rp=1;Rs=53;wdelta=ws-wp;N=ceil(8*pi/wdelta);%取整 wn=(wp+ws)/2;b,a=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1);%選擇窗函數(shù)，并歸一化截止頻率 figure(2)freqz(b,a,512);title('FIR低通濾波器');3濾波前后時域比較分析f2=filter(b,a,y);figure(3)subplot(2,1,1);plot(y);title('FIR低通濾波器濾波

15、前的時域波形');subplot(2,1,2);plot(f2);title('FIR低通濾波器濾波后的時域波形');4 濾波前后頻譜分析F0=fft(f2,1024);f=fs*(0:511)/1024;figure(4)y2=fft(y,1024);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);title('FIR低通濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');subplot(2,1,2)F2=plot(f,abs(F0(1:512);title('

16、FIR低通濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');濾波前后頻譜圖                  與原噪音信號對比，區(qū)別： 通過對比分析可知，濾波后的輸出波形和原始語音加噪聲信號的圖形發(fā)生了一些變化，在3000-6000Hz之間的信號消失，出現(xiàn)0-1000和7000-8000之間的信號。濾波后的輸出波形明顯在對應(yīng)時間幅度比原語音加噪聲信

17、號的要小，而且濾波的效果也與濾波器的選擇有關(guān)，可以看出濾波器的性能差異以及參數(shù)的調(diào)節(jié)會對濾波器產(chǎn)生一定的影響，并且通過回放可以發(fā)現(xiàn)濾波前后的聲音有變化.低通濾波后,已很接近原來的聲音，人耳幾乎辨別不出 。從頻譜圖中我們還可以看出聲音的能量信號主要集中在低頻部分，說明高頻語音信號被濾出，濾波器達(dá)到既定要求。  第四章 心得體會 正所謂“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的。因此在學(xué)期末來臨之際，我們迎來了MATLAB課程設(shè)計(jì)。    通過為期一周半的MATLAB課

18、程設(shè)計(jì)，我對MATLAB這個仿真軟件有了更進(jìn)一步的認(rèn)識和了解。在這一周半時間里，我通過自己摸索，查閱資料，并且在指導(dǎo)老師田老師的指導(dǎo)下完成了：語音信號的采集及分析；設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器；實(shí)現(xiàn)對語音信號的處理分析；并最終將課程設(shè)計(jì)報(bào)告總結(jié)完畢。 在整個設(shè)計(jì)過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)的能力，樹立了對知識應(yīng)用的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作和生活有非常大的幫助，并且提高了自己的動手實(shí)踐操作能力， 使自己充分體會到了在設(shè)計(jì)過程中的成功喜悅。雖然這個設(shè)計(jì)做的不怎么好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 在沒有做課程設(shè)計(jì)以前，覺得課程設(shè)計(jì)只是對知識的單純總結(jié)，但是通過這次課程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面，課程設(shè)計(jì)不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，也是對自己能力的一種提高，通過這次課程設(shè)計(jì)使自己明白了原來的那點(diǎn)知識是非常欠缺的，要學(xué)習(xí)的東西還很多，通過這次課程設(shè)計(jì)，明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作和生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己的知識和綜合素質(zhì)。希望以后像這樣的課程設(shè)計(jì)在多一點(diǎn)。  參