MATLAB課程設(shè)計

1、河南理工大學(xué)物理與電子信息學(xué)院MATLA逮礎(chǔ)與應(yīng)用課程論文20162017學(xué)年第二學(xué)期學(xué)生姓名胥守振學(xué)號311508000123專業(yè)班級電科15012017年6月28日教師評語：評定成績:摘要I1 .設(shè)計原理11.1 設(shè)計的目的及要求21.2 課題的研究意義22 .設(shè)計原理32.1 采樣頻率32.2 采樣位數(shù)32.3 采樣定理32.4 時域信號的FFT分析32.5 數(shù)字濾波器設(shè)計原理和方法42.6 各種不同類型濾波器的性能比較43 .設(shè)計內(nèi)容43.1 語音信號的錄入與提取53.2 加噪處理（高頻噪音）63.3 設(shè)計窗函數(shù)帶阻濾波器83.4 濾波處理93.5 加躁處理（低頻噪音）113.6 設(shè)計

2、橢圓函數(shù)高通濾波器濾波處理13參考文獻(xiàn)15摘要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)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。Matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的計算機(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、時域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析以及信號的可視化，使人

3、機(jī)交互更加便捷。信號處理是Matlab重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一。本實(shí)驗設(shè)計用電腦自帶的錄音機(jī)采集了一段語音，對其進(jìn)行了時域分析，頻譜分析,分析語音信號的特性。并應(yīng)用matlab平臺對語音信號加入了不同的噪聲，進(jìn)一步用窗函數(shù)法，橢圓函數(shù)法分別設(shè)計了一個帶阻濾波器和一個高通濾波器，然后對加噪的語音信號進(jìn)行濾波處理。最后對比濾波前后的語音信號的時域和頻域特性，回放加噪語音信號和去噪語音信號。對比研究處理前和處理后的聲音的不同。【關(guān)鍵詞】語音信號；頻域特性；時域特性；濾波器1. 設(shè)計目的和要求1.1 設(shè)計目的及要求本次課程設(shè)計要求利用MATLABt語音信號進(jìn)行處理和分析，要求學(xué)生采集語音信號后，在MATLA

4、B件平臺進(jìn)行頻譜分析，并對速配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)計合適的濾波器濾除噪音，恢復(fù)信號。1.2 課題的研究意義語言是我們?nèi)祟愃赜械墓δ埽莻鞒泻陀涊d人類幾千年文明史，沒有語言就沒有我們今天人類的文明。語音是語言最基本的表現(xiàn)形式，是相互傳遞信息最重要的手段,是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語音信號處理屬于信息科學(xué)的一個重要分支，大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的飛速前進(jìn)，推動了這一技術(shù)的發(fā)展；它是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對語音信號進(jìn)行處理的一門新興學(xué)科，同時又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科，因此我們進(jìn)行語言信號處理具有時

5、代的意義。2. 設(shè)計原理2.1 采樣頻率采樣頻率，也稱為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。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作采樣時問，它是采樣之間的時間問隔。通俗的講采樣頻率是指計算機(jī)每秒鐘采集多少個聲音樣本，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，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機(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。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。這就是說采樣頻率是衡量聲卡

6、采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。2.2 采樣位數(shù)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)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(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)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。2.3 采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率最大值大于信號中最高頻率fmax的2.56倍時，即：fs.max>=2.56fmax,則采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始

7、信號中的信息.2.4 時域信號的FFT分析FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLAB勺信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT,x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長度；若x為一矩陣，則y是對矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果x長度是2的幕次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基-2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。函數(shù)FFT的

8、另一種調(diào)用格式為y=fft(x,N)，式中，x,y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT,若x為向量且長度小于N,則函數(shù)將x補(bǔ)零至長度N;若向量x的長度大于N,則函數(shù)截短x使之長度為N;若x為矩陣，按相同方法對x進(jìn)行處理。2.5 數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和方法數(shù)字濾波是數(shù)字信號分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號的過濾、檢測和參數(shù)的估計等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對

9、信號進(jìn)行變換。2.6 各種濾波器的性能比較IIR濾波器與FIR濾波器的性能比較FIR:FiniteImpulseresponse,有限沖擊響應(yīng)IIR:InfiniteImpulseresponse,無限沖擊響應(yīng)從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性；對于同樣的濾波器設(shè)計指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比

10、IIR濾波器高510倍，結(jié)果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。整體來看，IIR濾波器達(dá)到同樣效果階數(shù)少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；FIR濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大3. 設(shè)計內(nèi)容3.1 語音信號的錄入與提取3.2 所帶的錄音工具錄制一段錄音，時間約為1s,并將聲音保存成擴(kuò)展名為(.wav)格式，并且應(yīng)注意，錄取的聲音應(yīng)為單聲道的，否則圖形會出不來。對采集的信號進(jìn)行FFT分析，并且畫出源信號的時域波形圖形和頻域圖形。fs=16000;x0=wavread

11、('E:xinhao1');t=(0:length(x0)-1)/16000;f=fs*(0:10239)/20480;y1=fft(x0,20480);%畫語音信號時域圖figure(1)subplot(1,1,1);plot(t,x0)gridon;axistight;title('原始語音信號時域);xlabel('time(s)');ylabel('幅度')；%畫語音信號頻域圖figure(2)subplot(1,1,1);plot(f,abs(y1(1:10240);gridon;axis(0,8000,0,20);title(

12、'原始語音信號頻譜);xlabel('Hz');ylabel('幅度')；程序運(yùn)行結(jié)果如下：3.3 加噪處理，對信號加高頻噪音在MATLA瞅件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪聲，繪出加噪聲后的語音信號時域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號圖形對比，也可通過Windows播放軟件從聽覺上進(jìn)行對比，分析并體會含噪語音信號頻譜和時域波形的改變。程序代碼如下：%加噪后語音信號變化d=0.15*cos(2*pi*4000*t)'%力口噪x1=x0+d;y2=fft(x1,20480);勵口噪后語音信號的時域圖figure(3)subplot(1,1,1);p

13、lot(t,x0)gridon;axistight;title('加噪后的信號時域');xlabel('time(s)');ylabel('幅度')；%加噪后語音信號的頻域圖figure(4)subplot(1,1,1);plot(f,abs(y2(1:10240);gridon;axis(0,8000,0,20);title('加噪語音信號頻譜);xlabel('Hz');ylabel('幅度')；程序運(yùn)行結(jié)果如下：加噪聲后，聽起來明顯感覺嘈雜。通過圖形比較也可以看出，時域波形圖的變化不大，但頻譜圖的變化

14、明顯，顯示出加了干擾。3.4 設(shè)計窗函數(shù)帶阻濾波器要對加入噪聲的語音信號進(jìn)行濾波，需設(shè)計合適的濾波器。由圖形可看出，用窗函數(shù)法設(shè)計帶阻濾波器可對對加噪語音信號進(jìn)行濾波。設(shè)計帶阻濾波器，并繪制濾波器的圖形。程序設(shè)計如下:%設(shè)計帶阻濾波器wlp=2850*pi*2/fs;wls=3400*pi*2/fs;wup=4900*pi*2/fs;wus=4600*pi*2/fs;B=(wus-wls);M=ceil(12*pi/B)-1;wp=(wls+wlp)/2/pi,(wus+wup)/2/pi;bz,az=fir1(M,wp,'stop',blackman(M+2);hn=fir1

15、(M,wp,'stop',blackman(M+2);%帶阻濾波器窗函數(shù)圖像figure(5)subplot(1,1,1);freqz(hn);gridon;axistight;title('窗函數(shù)圖像');xlabel('Hz');ylabel('幅度')；程序運(yùn)行結(jié)果如下：ffjinur-e5FileEdirtViewIrkseirtToaIsDesktopWindowHelp，1上X呂總|毆d3包A口El口4000-T-F-一-r-：iF!hiE-iEh-ibiLpi1GODO*0102030A060S0708Nornali

16、zedFrequen-cy(>ttradOsmole)503.5 對信號進(jìn)行濾波處理對加入噪聲的語音信號進(jìn)行濾波用加窗函數(shù)的方法設(shè)計了巴帶阻濾波器對加噪語音信號進(jìn)行濾波，并繪制了加噪語音信號濾波后的時域圖和頻譜圖程序設(shè)計如下：%®濾波后的圖figure(6)freqz(bz,az);gridon;axistight;y3=filter(bz,az,x1);X=fft(y3,20480);%濾波后時域圖subplot(2,1,1);plot(y3);gridon;ylim(-0.03,0.03);title('濾波后信號時域波形');xlabel('tim

17、e(s)');ylabel('幅度')；%濾波后頻譜subplot(2,1,2);plot(abs(X(1:10240);title('濾波后信號頻譜');gridon;ylim(0,20);xlabel('Hz');ylabel('幅度')；程序運(yùn)行結(jié)果如下；經(jīng)過濾波后得出的語音信號相比較，低通濾波后，聲音稍微有些發(fā)悶，但是很接近原來的聲音。3.6 對信號加低頻噪音程序如下：物口低頻噪音d1=0.5*cos(2*pi*200*t)'%力口噪x4=x0+d1;y4=fft(x4,20480);勵口噪后語音信號的時域

18、圖figuresubplot(1,1,1);plot(t,x4)gridon;axistight;title('加噪后的信號時域');xlabel('time(s)');ylabel('幅度')；%加噪后語音信號的頻域圖figure(8)subplot(1,1,1);plot(f,abs(y4(1:10240);gridon;axis(0,8000,0,20);title('加噪語音信號頻譜);xlabel('Hz');ylabel('幅度')；運(yùn)行結(jié)果：口3.7 對加高頻噪音的程序進(jìn)行濾波處理用橢圓濾波器

19、對信號的高頻噪音進(jìn)行濾波，程序如下:%加高通濾波wp1=100*pi*2/fs;ws1=60*pi*2/fs;Rp1=1;As1=100;N1,wso=ellipord(wp1,ws1,Rp1,As1);B1,A1=ellip(N1,Rp1,As1,wso,'high');figure(9)freqz(B1,A1);gridon;ylim(0,1)；y4=filter(B1,A1,x4);X1=fft(y4,20480);%S波后時域圖subplot(2,1,1);plot(y4);gridon;%axistight;ylim(-0.03,0.03);title('濾波

20、后信號時域波形');xlabel('time(s)');ylabel('幅度')；%濾波后頻譜subplot(2,1,2);plot(abs(X1(1:10240);title('濾波后信號頻譜');gridon;%ylim(0,20);axistight;xlabel('Hz');ylabel（'幅度'）;程序運(yùn)行結(jié)果：橢圓高通濾波器圖像%8波器圖像figure(10)hn1=ellip(N1,Rp1,As1,wso,'high');subplot(1,1,1);freqz(hnl);gridon;xlim(0,0.2);%axistight;title('橢圓函數(shù)圖像');xlabel('H