課程設(shè)計（論文）基于MATLAB的語音信號分析及濾波

1、changzhou institute of technology課程報告題目： 基于matlab的語音信號分析及 濾波二級學(xué)院： 計算機信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 班級： 12通信一 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 12030735 指導(dǎo)教師： 職稱： 講師 評閱教師： 職稱： 講師 2015 年 7 月 基于matlab的語音信號分析及濾波摘要本課題用微軟錄音機采集了一段語音，對其進行了時域分析，頻譜分析,分析語音信號的特性。應(yīng)用matlab平臺對語音信號加入了噪聲，按給定濾波器的性能指標，采用窗函數(shù)或雙線性變換設(shè)計濾波器，設(shè)計數(shù)字濾波器并用窗函數(shù)法，畫出濾波器的頻率響應(yīng)，然后用自己設(shè)計的濾波器

2、對采集語音信號進行濾波處理，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜。然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，分析信號的變化，回放語音信號；最后，用matlab設(shè)計一信號處理系統(tǒng)界面。本次課程設(shè)計的目的是更好地了解信號濾波的過程。關(guān)鍵詞：語音信號；頻域特性; 時域特性; 濾波器voice signal analysis and filtering based on the matlababstractthis topic use microsoft recorder collect a voice signal,do analysis on the time doma

3、in and frequency spectrum, analyze the characteristics of voice signal.using matlab platform to add the noise into the voice signal。following a given performance index of the filter and using window function or bilinear transformation to design filter,design the digital filter .take advantage of win

4、dow function method to draw the frequency response of the filter,then use the filter designed by our own to cope with the voice signal and draw the time domain waveform and spectrum of filtered signal.the time and frequency domain characteristics of the original voice signal and later voice signal a

5、re compared.playing back of noisy voice signal and noise signal, analyzing the signal changes,then play back voice signal.at last,design a signal processing system interface with matlab platform.the purpose of this topic is to learn the process of signal filtering.keywords:voice signal;frequency dom

6、ain characteristics;time domain characteristics;filter目錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計內(nèi)容和要求22.1 設(shè)計內(nèi)容22.2 設(shè)計要求2第3章 課程設(shè)計的具體實現(xiàn)23.1 語音信號的采集23.2 語音信號的時頻分析與頻譜分析23.3 語音信號加噪43.4 設(shè)計fir數(shù)字濾波器63.5 用濾波器對加噪語音信號進行濾波73.6 比較濾波前后語音信號的波形及頻譜93.7回放語音信號103.8設(shè)計系統(tǒng)界面113.8.1 系統(tǒng)界面設(shè)計工具gui概述113.8.2 界面設(shè)計及使用說明11小結(jié)12參考文獻13第1章 緒論數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚?/p>

7、設(shè)備，以數(shù)值計算的方法對信號進行采集、抽樣、變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達到提取信息和便于應(yīng)用的目的。它在語音、雷達、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。具有靈活、精確、抗干擾強、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等優(yōu)點。數(shù)字濾波器, 是數(shù)字信號處理中及其重要的一部分。隨著信息時代和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，受到人們越來越多的重視。數(shù)字濾波器可以通過數(shù)值運算實現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活不存在阻抗匹配問題，可以實現(xiàn)模擬濾波器無法實現(xiàn)的特殊功能。數(shù)字濾波器種類很多，根據(jù)其實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者其沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可分為兩種，即有限沖

8、激響應(yīng)( fir，finite impulse response)濾波器和無限沖激響應(yīng)( iir，infinite impulse response)濾波器。fir濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數(shù)h (z)在處收斂，極點全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達到高的選擇性。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，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過fir濾波器后他們的時間差不變，這是很好的性質(zhì)。fir數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對數(shù)字信號的處理，便于編程，用于計算的時延也小，這對實時的信號處理很重要。 fir濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)

9、定，易實現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點收到人們的青睞。iir濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。iir濾波器運算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運算組成，可以組合成直接型、正準型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時，iir數(shù)字濾波器在設(shè)計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計數(shù)據(jù)或圖表可查，在設(shè)計一個iir數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。濾波器的設(shè)計可以通過軟件或設(shè)計專用的硬件兩種方式來實現(xiàn)。隨著matlab軟件及信號處理工具

10、箱的不斷完善，matlab很快成為應(yīng)用學(xué)科等領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)軟件。它可以快速有效地實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計、分析和仿真，極大地減輕了工作量,有利于濾波器設(shè)計的最優(yōu)化。第2章 課程設(shè)計內(nèi)容和要求2.1 設(shè)計內(nèi)容錄制一段自己的語音信號，并對錄制的信號進行采樣；畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標，采用窗函數(shù)或雙線性變換設(shè)計濾波器，并畫出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計的濾波器對采集語音信號進行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化；回放語音信號；最后，用matlab設(shè)計一信號處理系統(tǒng)界面。2.2 設(shè)計要求1.完成語音信號的采集，利用wi

11、ndows自帶的錄音機或其他軟件，錄制一段語音，時間在1s以內(nèi)（建議用自己的姓名，如“我叫*”）；2.進行語音信號的頻譜分析；3.進行數(shù)字濾波器的設(shè)計，濾波器的性能指標可以根據(jù)實際情況作調(diào)整, 要求用窗函數(shù)法數(shù)字濾波器； 4.對語音信號進行濾波處理；5.對濾波前后的語音信號頻譜進行對比，并對設(shè)計結(jié)果進行獨立思考和分析；6.在基本要求的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)個人對該課程設(shè)計的理解,添加一些新的內(nèi)容,如設(shè)計系統(tǒng)人機對話界面等。第3章 課程設(shè)計的具體實現(xiàn)3.1 語音信號的采集利用pc機進行數(shù)字信號的采集。將話筒輸入計算機的語音輸入插口上,啟動錄音機。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“語音信號處理”,說完后停止

12、錄音,屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點擊放音按鈕,可以實現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。將語音信號保存入計算機中?？梢钥吹?文件存儲器的后綴默認為. wav ,這是windows 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標準。3.2 語音信號的時頻分析與頻譜分析利用matlab中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數(shù)。程序如下：y,fs,nbits=wavread(c:usersidea-paddesktoprec004.wav);sound(y,fs)n=length(y)y_p=fft(y,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;figure(1)su

13、bplot(2,1,1);plot(y);title(原始語音信號時域波形);xlabel(時間軸(s)ylabel(幅度(a)subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2);axis(0 20000 0 150);title(原始語音信號頻譜圖);xlabel(頻率 hz);ylabel(頻率幅度);如圖3-1： 圖3-1 原始語音信號時域波形和頻譜圖3.3 語音信號加噪在本次課程設(shè)計中，我們是利用matlab中的函數(shù)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。在這里，我們選用正弦函數(shù)。語音信號添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：y,fs,nbit

14、s=wavread(c:usersidea-paddesktoprec004.wav);n=1000t=(0:n-1)/100000;f=fs*(0:n/2-1)/n;y1=10*sin(2*pi*2000*t);y2=fft(y1,n);subplot(2,1,1);plot(y1); %噪聲信號的時域波形圖title(噪聲信號時域波形圖);xlabel(時間軸(s);ylabel(幅度(a);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2(1:n/2);title(噪聲信號頻譜圖);xlabel(頻率 （hz）);ylabel(頻率幅度);設(shè)計語音信號加噪后的時域波形和頻譜圖的程

15、序如下：y=wavread(c:usersidea-paddesktoprec004.wav);l=length(y);t=(0:l-1)/8000;a=10;f=4000;d=a*sin(f*pi*t);y_z=y+d;sound(y_z,fs);n=length(y);y_zp=fft(y_z,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;figure(2);subplot(2,1,1);plot(y_z);axis(0 130 -15 15);title (加噪語音信號的時域波形);xlabel(時間軸);ylabel(幅度(a);subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_zp(

16、1:n/2);axis(0 20000 0 2000);title(加噪語音信號頻譜圖);xlabel(頻率 (hz);ylabel(頻率幅度);結(jié)果如圖3-2和3-3： 圖3-2 噪聲信號的時域波形和頻譜圖 圖3-3 加躁語音信號時域波形和頻譜圖3.4 設(shè)計fir數(shù)字濾波器iir濾波器和fir濾波器的設(shè)計方法完全不同。iir濾波器設(shè)計方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法進行的。其設(shè)計步驟是：先設(shè)計過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)h（s），然后將h（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)。fir濾波器比鞥采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法

17、。對于線性相位濾波器，經(jīng)常采用fir濾波器。 對于數(shù)字高通、帶通濾波器的設(shè)計，通用方法為雙線性變換法?？梢越柚谀M濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計一個所需類型的過渡模擬濾波器，再經(jīng)過雙線性變換將其轉(zhuǎn)換策劃那個所需的數(shù)字濾波器。具體設(shè)計步驟如下：（1）確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標。（2）將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為=2/t tan(0.5)(3)將相應(yīng)類型的模擬濾波器技術(shù)指標轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標。（4）設(shè)計模擬低通濾波器。（5）通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器。（6）采用雙線性變換法將相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字

18、濾波器。我們知道，脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點是會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻響偏離模擬濾波器的頻響特性。為了克服之一缺點，可以采用雙線性變換法。下面我們總結(jié)一下利用模擬濾波器設(shè)計iir數(shù)字低通濾波器的步驟：（1）確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標：通帶邊界頻率、通帶最大衰減，阻帶截止頻率、阻帶最小衰減。（2）將數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬低通濾波器的技術(shù)指標。（3）按照模擬低通濾波器的技術(shù)指標設(shè)計及過渡模擬低通濾波器。（4）用雙線性變換法，模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)。如前所述，iir濾波器和fir濾波器的設(shè)計方法有很大的區(qū)別。下面我們著重介紹用窗函數(shù)法設(shè)計fir濾

19、波器的步驟。如下：（1）根據(jù)對阻帶衰減及過渡帶的指標要求，選擇串窗數(shù)類型（矩形窗、三角窗、漢寧窗、哈明窗、凱塞窗等），并估計窗口長度n。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣的窗函數(shù)。（2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)。（3）計算h(n).。（4）加窗得到設(shè)計結(jié)果。接下來，我們根據(jù)語音信號的特點給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標：低通濾波器的性能指標：fp=1000hz，fc=1200hz，as=100db ,ap=1db高通濾波器的性能指標：fp=3500hz，fc=4000hz，as=100db，ap=1db；帶通濾波器的性能指標：fp1=1200hz，fp2

20、=3000hz，fc1=1000hz，fc2=3200hz，as=100db，ap=1db在matlab中，可以利用函數(shù)fir1設(shè)計fir濾波器，利用函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計iir濾波器，利用matlab中的函數(shù)freqz畫出各步步器的頻率響應(yīng)。hn=fir1(m，wc，window)，可以指定窗函數(shù)向量window。如果缺省window參數(shù)，則fir1默認為哈明窗。其中可選的窗函數(shù)有rectangular barlrtt hamming hann blackman窗，其相應(yīng)的都有實現(xiàn)函數(shù)。3.5 用濾波器對加噪語音信號進行濾波用自己設(shè)計的各濾波器分別對加噪的語音信號進行

21、濾波，在matlab中，fir濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波，函數(shù)fftfilt用的是重疊相加法實現(xiàn)線性卷積的計算。調(diào)用格式為：y=fftfilter(h,x,m)。其中，h是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)向量；x是輸入序列向量；y是系統(tǒng)的輸出序列向量；m是有用戶選擇的輸入序列的分段長度，缺省時，默認的輸入向量的重長度m=512。函數(shù)filter的調(diào)用格式：yn=filter(b，a.xn)，它是按照直線型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對xn的濾波。其中xn是輸入信號向量，yn輸出信號向量。濾波器的頻率響應(yīng)程序如下：fp=1000;fc=1200;as=50;ap=1;fs=16000wc=2*pi*fc/fs;wp

22、=2*pi*fp/fs;wdel=wc-wp;beta=0.112*(as-8.7);n=ceil(as-8)/2.285/wdel);wn=kaiser(n+1,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(n,ws,wn);figure(3);freqz(b,1);title(低通濾波器的頻率響應(yīng));低通濾波器的頻率響應(yīng)如圖3-4： 圖3-4 低通濾波器的頻率響應(yīng)3.6 比較濾波前后語音信號的波形及頻譜濾波器對加噪信號濾波前后的波形圖和頻譜圖對比程序：fp=1000;fc=1200;as=50;ap=1;fs=16000wc=2*pi*fc/fs;wp=2*pi*fp/fs;w

23、del=wc-wp;beta=0.112*(as-8.7);n=ceil(as-8)/2.285/wdel);wn=kaiser(n+1,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(n,ws,wn);figure(3);freqz(b,1);title(低通濾波器的頻率響應(yīng));x=fftfilt(b,y_z);x=fft(x,n);figure(4);subplot(2,2,1);plot(f,abs(y_zp(1:n/2);axis(0 2000 0 200);title(濾波前信號的頻譜);subplot(2,2,2);plot(f,abs(x(1:n/2);axis(0 2

24、000 0 200);title(濾波后信號的頻譜);subplot(2,2,3);plot(y_z);title(濾波前信號的波形);axis(0 80 -20 20);subplot(2,2,4);plot(x);axis(0 20000 -0.5 0.5);title(濾波后信號的波形);得到的結(jié)果如圖3-5： 圖3-5 濾波前后波形及其頻譜對比圖3.7回放語音信號 經(jīng)過以上的加噪聲處理后，可在matlab中用函數(shù)sound對聲音進行回放。其調(diào)用格式：sound(y,fs)，sound(y)和sound(y,fs,bits)?？梢圆煊X濾波前后的聲音有明顯的變化。執(zhí)行程序回放語音并顯示語音

25、信號波形圖:y,fs,nbits=wavread(c:usersidea-paddesktoprec004.wav);soundview(y,fs);結(jié)果如圖3-6： 圖3-6 回放語音信號的波形圖3.8設(shè)計系統(tǒng)界面3.8.1 系統(tǒng)界面設(shè)計工具gui概述圖形用戶界面（graphical user interfaces ，gui）則是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象（objects）構(gòu)成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法（如鼠標或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計算機產(chǎn)生某種動作或變化，比如實現(xiàn)計算、繪圖等。在matlab中g(shù)ui是一中包含多種對象的圖形窗口，并為gui開發(fā)提供一個方便高

26、效的集成開發(fā)環(huán)境guide。guide主要是一個界面設(shè)計工具集，maylab將所有g(shù)ui支持度控件都集成在這個環(huán)境中，并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法。guide將設(shè)計好的gui保存在一個fig文件中，同時生成m文件框架。 fig文件：包括gui圖形窗口及其所有后裔的完全描述，包括所有對象屬性的屬性值。它是一個二進制文件調(diào)用hsave課保存圖形窗口時將生車該文件。m文件包括gui設(shè)計、控件函數(shù)以及定義為子函數(shù)的用戶控件回調(diào)函數(shù)，主要用于控制gui展開時的各種特征。 gui創(chuàng)建包括界面設(shè)計和控件編程兩部分，主要步驟如下。第一步：通過設(shè)置guide應(yīng)用程序的選項來運行g(shù)uide；第二步

27、：使用界面設(shè)計編輯器進行面設(shè)計；第三步：編寫控件行為響應(yīng)控制（即回調(diào)函數(shù)）代碼。3.8.2 界面設(shè)計及使用說明首先我們新建一個gui文件：file/new/gui 如圖3-7所示： 圖3-7 新建gui文件界面選擇blank gui(default)。其次，進入gui開發(fā)環(huán)境，布置好各控件以后，可以來為這些控件編寫程序來實現(xiàn)其功能了。最后，使用說明。單擊相應(yīng)的按鈕，便跳出對應(yīng)的界面，如按下按鈕“原始語音信號波形及其頻譜”，就得到如圖3-8所示結(jié)果。 圖3-8 原始信號波形及其頻譜心得體會本設(shè)計圓滿的完成了對加噪聲語音信號的讀取與打開，與課題的要求十分相符；也較好的完成了對原始語音信號和加噪聲后的語音信號的頻譜分析，通過fft變換，得出了語音信號的頻譜圖；在濾波這一部分，課題主要是從巴特沃斯濾波器入手來設(shè)計濾波器等入手，實現(xiàn)了預(yù)期的濾波效果；完成了界面的