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)(優(yōu)秀篇)

PAGEword文檔可自由復(fù)制編輯PAGE1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：院（系）：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級：電子信息工程11-1班學(xué)號：指導(dǎo)教師：成績：摘要隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，成為信息科學(xué)的重要組成部分，在語音處理、雷達(dá)、圖像處理、通信、生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。Matlab語言是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級語言，Matlab功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)、編程效率高，深受廣大科技工作者的喜愛。特別是Matlab還具有信號分析工具箱，不需具備很強(qiáng)的編程能力，就可以很方便地進(jìn)行語音信號分析、處理和設(shè)計(jì)。語音信號的抽樣、頻譜分析，濾波討論分析，通過數(shù)字信號處理課程的理論知識的綜合運(yùn)用。從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。關(guān)鍵詞：語音處理抽樣頻譜分析濾波器word文檔可自由復(fù)制編輯目錄TOC\o"1-3"\h\u17091緒論 122875第一章課程設(shè)計(jì)方案提出 219610第一節(jié)設(shè)計(jì)要求 27516第二節(jié)設(shè)計(jì)方案 223875第二章語音信號的采集及加噪 312789第一節(jié)語音信號的錄制 313791第二節(jié)語音信號的時(shí)域分析 49879第三節(jié)語音信號加噪和頻譜分析 66074第三章濾波器的選擇 74187第一節(jié)濾波器的基本概念 716523一濾波器的功能 710035二四種基本的濾波器 732068第二節(jié)數(shù)字濾波器的基本知識 819946一FIR數(shù)字濾波器 820633二IIR數(shù)字濾波器 925362第三節(jié)數(shù)字濾波器的選取 912999第四章心得體會 1027197參考文獻(xiàn) 11緒論MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室），是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。第一章課程設(shè)計(jì)方案提出第一節(jié)設(shè)計(jì)要求要求錄制一段自己的語音信號后，在MATLAB軟件中采集語音信號、回放語音信號并畫出語音信號的時(shí)域波形和頻譜圖；對所采集的信號加入干擾噪聲，對加入噪聲進(jìn)行播放，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析；對比及早前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析討論采用什么的濾波器進(jìn)行濾除噪聲。第二節(jié)設(shè)計(jì)方案Windows自帶的錄音機(jī)Windows自帶的錄音機(jī)聲音麥克風(fēng)聲卡濾波采樣A/D轉(zhuǎn)換Wav首先，錄制一段語音信號（如圖1.1）；然后，利用MATLAB中的wavread命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個(gè)普通的信號，對其進(jìn)行FFT變換實(shí)現(xiàn)頻譜分析；隨后，利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析，在討論用什么濾波器去除噪聲。

第二章語音信號的采集及加噪第一節(jié)語音信號的錄制利用PC機(jī)上的聲卡和WINDOWS操作系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語音輸入插口上,啟動錄音機(jī)。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“語音信號處理”,說完后停止錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度，點(diǎn)擊放音按鈕,可以實(shí)現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。以文件名“shijiebei”保存入D:\MATLAB\work中。文件存儲器的后綴默認(rèn)為.wav,這是WINDOWS操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。具體操作如下：a.打開開始/程序/附件/娛樂/錄音機(jī)（如圖2.1）;圖2.1b.用windowsmediaplayer播放一首音樂并用MIC對著耳機(jī)錄音或自已說話錄音（按鍵），到10秒時(shí)停止（按鍵）（如圖2.2）；圖2.2c.將錄制文件加存為D:/MATLAB7/work中，文件名為shijiebei.wav（如圖2.2、圖2.3）；圖2.3第二節(jié)語音信號的時(shí)域分析在MATLAB軟件平臺下，利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過使用wavread函數(shù)，可以深入理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念，下面介紹Wavread函數(shù)幾種調(diào)用格式。（1）y=wavread（file）；讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。（2）[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)。（3）y=wavread（file，N）；讀取錢N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。（4）y=wavread（file，[N1,N2]）；讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。接下來，對語音信號shijiebei.wav進(jìn)行采樣。其采樣程序如下：[y,fs,nbits]=wavered(‘E:\sheji\shijiebei’);即把語音信號加載入Matlab仿真軟件平臺中。然后，畫出語音信號的時(shí)域波形，再對語音信號進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計(jì)算DFT的函數(shù)fft,其調(diào)用格式如下：Xk=fft(xn,N)參數(shù)xn為被變換的時(shí)域序列向量，N是DFT變換區(qū)間長度，當(dāng)N大于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)自動在xn后面補(bǔ)零。，當(dāng)N小于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用fft對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。其程序如下：[y,fs,nbits]=wavread('shijiebei');sound(y,fs,nbits);%回放語音信號N=length(y);%求出語音信號的長度Y=fft(y,N);%傅里葉變換subplot(2,1,1);plot(y);title('原始信號波形');subplot(2,1,2);plot(abs(Y));title('原始信號頻譜')程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：圖2.4原始信號波形及頻譜第三節(jié)語音信號加噪和頻譜分析MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，有兩個(gè)產(chǎn)生高斯白噪聲的兩個(gè)函數(shù)。我們可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù)：一個(gè)是WGN，另一個(gè)是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。也可直接用randn函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們是利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)(rand或randn)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析。Randn函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者產(chǎn)生n×n服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的隨機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生m×n的隨機(jī)數(shù)矩陣。在這里，我們選用Randn（m,n）函數(shù)。語音信號添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：[y,fs,nbits]=wavread('shijiebei’);N=length(y);%求出語音信號的長度Noise=0.01*randn(n,2); %隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲Si=y+Noise;%語音信號加入噪聲sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title('加噪語音信號的時(shí)域波形');S=fft(Si);%傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(S));title('加噪語音信號的頻域波形');程序運(yùn)行結(jié)果如下圖：圖2.5加噪后的波形及頻譜分析第三章濾波器的選擇第一節(jié)濾波器的基本概念1、濾波器的功能濾波器的功能是對輸入信號進(jìn)行濾波以增強(qiáng)所需信號部分，抑制不要的部分。2、四種基本的濾波器四種基本濾波器為低通（LP）、高通(HP)、帶通(BP)和帶阻濾波器(BRP)，這四種濾波器特性如下圖3-1所示：圖3.1第二節(jié)數(shù)字濾波器的基本知識數(shù)字濾波器分為FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種，即有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR，F(xiàn)initeImpulseResponse）濾波器和無線沖激響應(yīng)（IIR，InfiniteImpulseResponse）濾波器。1、FIR數(shù)字濾波器（1）FIR的特點(diǎn)：（3-1）不存在極點(diǎn)（z=0除外），系統(tǒng)函數(shù)|z>0|處收斂。系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)在有限個(gè)n值處不為零。結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋。故只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位即不同頻率分量的信號經(jīng)過FIR數(shù)字濾波器后他們的時(shí)間差不變。FIR數(shù)字濾波器具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多帶通濾波器等優(yōu)點(diǎn)。（2）FIR結(jié)構(gòu)FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)有四種：橫截性；級聯(lián)型結(jié)構(gòu)；頻率采樣型結(jié)構(gòu)；線性相位FIR濾波器的結(jié)構(gòu)。二IIR數(shù)字濾波器1、IIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)電位沖激響應(yīng)h(n)是無限長的；系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限z平面上（0<|z|<∞）有極點(diǎn)存在；結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成。2、有限階IIR的表達(dá)式：（3-2）（3-3）3、IIR濾波器的四種結(jié)構(gòu)IIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)也有四種：直接I型；直接II型—典范型；級聯(lián)型；并聯(lián)型。第三節(jié)數(shù)字濾波器的選取由圖2.4和圖2.5可以看出，語音信號的能量集中在低頻部分，所以根據(jù)濾波器的特性和功能，所選擇的濾波器應(yīng)該具有濾除無用的高頻成分的作用，所以可以選用低通濾波器。又由于IIR數(shù)字濾波器的輸出不但取決于過去和現(xiàn)在的輸入，還取決于過去的輸出，所以，選擇IIR數(shù)字濾波器比選擇FIR數(shù)字濾波器要好。通過徐靖濤.基于MATLAB的語音信號分析與處理[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)2008,1中的2.4的閱讀，可知，本語音信號的濾波選取橢圓型數(shù)字低通濾波器效果最好。第四章心得體會這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星期，可以說是苦多于甜，但是可以學(xué)的到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書