MATLAB課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 基于MATLAB的語音信號(hào)采集與處理一目的意義 本次課程設(shè)計(jì)的課題為基于MATLAB的語音信號(hào)采集與處理，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB的信號(hào)處理功能，采集語音信號(hào)，并對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行濾波及變換處理，觀察其時(shí)域和頻域特性，加深對(duì)信號(hào)處理理論的理解，并為今后熟練使用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)的分析仿真和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 此次實(shí)習(xí)課程主要是為了進(jìn)一步熟悉對(duì)matlab軟件的使用，以及學(xué)會(huì)利用matlab對(duì)聲音信號(hào)這種實(shí)際問題進(jìn)行處理，將理論應(yīng)用于實(shí)際，加深對(duì)它的理解。二、實(shí)踐原理：1.理論原理利用MATLAB對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分析和處理，采集語音信號(hào)后，利用MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行頻譜分析；并對(duì)所采集的語音信號(hào)加入干擾

2、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)。語音信號(hào)的“ 短時(shí)譜”對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào), 它是非周期的, 頻譜隨時(shí)間連續(xù)變化, 因此由傅里葉變換得到的頻譜無法獲知其在各個(gè)時(shí)刻的頻譜特性。如果利用加窗的方法從語音流中取出其中一個(gè)短斷, 再進(jìn)行傅里葉變換, 就可以得到該語音的短時(shí)譜。2. 具體流程(1). 語音信號(hào)的采集及分析基于聲卡進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。將話筒插入計(jì)算機(jī)的語音輸入插口上,啟動(dòng)錄音機(jī)。按下錄音按鈕，對(duì)話筒說話,說完后停止錄音。要保存文件時(shí),利用了計(jì)算機(jī)上的A/D轉(zhuǎn)換器,把模擬的聲音信號(hào)變成了離散的量化了的數(shù)字信號(hào),放音時(shí),它又通過D/A轉(zhuǎn)換器,把保存的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

3、恢復(fù)為原來的模擬的聲音信號(hào)。在 Matlab軟件平臺(tái)下可以利用函數(shù)wavread對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣,得到了聲音數(shù)據(jù)變量x1,同時(shí)把x1的采樣頻率fs=22050Hz和數(shù)據(jù)位Nbits=16Bit放進(jìn)了MATALB的工作空間。圖figure 1為原始語音信號(hào)的時(shí)域圖形。從圖中可以看出在時(shí)域環(huán)境下,信號(hào)呈現(xiàn)出6不規(guī)則的信號(hào)峰值。通過freqz函數(shù)繪制原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖figure 2 。然后對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,在Matlab中可以利用函數(shù)fft對(duì)信號(hào)行快速傅里葉變換,得到信號(hào)的頻譜圖figure 3，從圖中可以看出對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)上的隨機(jī)信號(hào)在頻域進(jìn)行抽樣 ,抽樣頻率為 22050Hz。(2)

4、. 給原始信號(hào)加上一個(gè)高頻噪聲在Matlab中人為設(shè)計(jì)一個(gè)固定頻率5500Hz的噪聲干擾信號(hào)。噪聲信號(hào)通常為隨機(jī)序列,在本設(shè)計(jì)中用正弦序列代替,干擾信號(hào)構(gòu)建命令函數(shù)為d=Au*sin(2*pi*5500*t),給出的干擾信號(hào)為一個(gè)正弦信號(hào)，針對(duì)上面的語音信號(hào) ,采集了其中一段。再對(duì)噪音信號(hào)進(jìn)行頻譜變換得到其頻譜圖,從圖中可以看出干擾信號(hào)，在4000Hz和 6000Hz頻點(diǎn)處有一高峰 ,其中 5500Hz 正是本設(shè)計(jì)所要利用的。(3). 設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，濾除高頻噪聲由模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器時(shí),采用的是雙線性變換法, 它保留的是從模擬到數(shù)字域的系統(tǒng)函數(shù)表示。在濾波器的選取時(shí), 由于設(shè)計(jì)方法的側(cè)

5、重點(diǎn)不同, 作出比較是困難的。如果FIR濾波器情況下,最優(yōu)的設(shè)計(jì)將是橢圓濾波器。用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器。的本設(shè)計(jì)是用雙線性變換法設(shè)計(jì)BW帶阻型濾波器。在 MATLAB中 ,可以利用函數(shù) butterworth,設(shè)計(jì)FIR濾波器,利用 MATLAB 中的函數(shù)freqz 畫出各濾波器的頻率響應(yīng)。用設(shè)計(jì)好的帶阻濾波器對(duì)含噪語音信號(hào)進(jìn)行濾波,在Matlab中 FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,FIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。在一個(gè)窗口同時(shí)畫出濾波前后的波形及頻譜。從圖中可以看出 ,5500Hz看到的高峰消失了 ,語音信號(hào)與開始的一樣 ,濾波器成功的濾除了干擾信號(hào)。

6、利用MATLAB對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分析和處理，采集語音信號(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)。三、實(shí)踐步驟1用MATLAB對(duì)原始語音信號(hào)進(jìn)行分析，畫出它的時(shí)域波形和頻譜程序：fs=22050; %語音信號(hào)采樣頻率為22050x1=wavread(D:Matlab7toolboxvrvrealmprogramworldstutorialex7audiowaterrun.wav); %讀取語音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量x1，sound(x1,22050); %播放語音信號(hào)y1=fft(x1,1024)

7、; %對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)FFT變換f=fs*(0:511)/1024; %將0到511，步長為1的序列的值與fs相乘并除以1024的值，賦值給ffigure(1) %創(chuàng)建圖形窗1plot(x1) %做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖形title(原始語音信號(hào));xlabel(time n); %x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi n); %y軸的名字是“fuzhi n”figure(2)freqz(x1) %繪制原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖title(頻率響應(yīng)圖)figure(3)subplot(2,1,1); %創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1個(gè)繪圖區(qū)間 plot(abs(y1(1:512) %

8、做原始語音信號(hào)的FFT頻譜圖title(原始語音信號(hào)FFT頻譜)subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512); %abs是絕對(duì)值，plot是直角坐標(biāo)下線性刻度曲線title(原始語音信號(hào)頻譜)xlabel(Hz);ylabel(幅值); 2. 給原始的語音信號(hào)加上一個(gè)高頻余弦噪聲，頻率為5500hz。對(duì)加噪后的語音進(jìn)行分析，并畫出其信號(hào)時(shí)域和頻譜圖。程序：fs=22050; x1=wavread(C:Documents and SettingsAdministrator桌面聲音文件.wav); %讀取語音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量x1f=fs*(0:511)/1024; %

9、將0到511，步長為1的序列的值與fs相乘并除以1024的值，賦值給ft=0:1/fs:(length(x1)-1)/fs; %將0到x1的長度減1后的值除以fs的值，且步長為1/fs的值，的序列的值，賦予tAu=0.03; %噪聲幅值d=Au*sin(2*pi*5500*t); %所加的噪聲是正弦信號(hào)x2=x1+d; %將正弦信號(hào)噪聲加在語音信號(hào)上sound(x2,22050); %播放語音信號(hào)y1=fft(x1,1024); %對(duì)信號(hào)y1做1024點(diǎn)FFT變換y2=fft(x2,1024); %對(duì)信號(hào)y2做1024點(diǎn)FFT變換figure(1); %創(chuàng)建圖形窗1plot(t,x2); %做

10、加噪后的信號(hào)時(shí)域圖形（繪出t對(duì)x2的線性圖）title(加噪后的信號(hào));xlabel(time n); %x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi n); %y軸的名字是“fuzhi n”figure(2) %創(chuàng)建圖形窗2subplot(2,1,1); % 創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1個(gè)繪圖區(qū)間plot(f,abs(y1(1:512); %做原始語音信號(hào)的頻譜圖title(原始語音信號(hào)頻譜);xlabel(Hz); %x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi); % y軸的名字是“fuzhi”subplot(2,1,2); %創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第2個(gè)繪圖區(qū)間plot(

11、f,abs(y2(1:512); %做加噪后的語音信號(hào)的頻譜圖（abs是絕對(duì)值，plot是直角坐標(biāo)下線性刻度曲線）title(加噪后的信號(hào)頻譜);xlabel(Hz); %x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi); % y軸的名字是“fuzhi”時(shí)域波形和頻譜： 圖4 加噪后的信號(hào)時(shí)域圖與原始信號(hào)對(duì)比，區(qū)別：先原始信號(hào)沒加噪音之前0到2000有幅值，在4000到6000之間沒有幅值，但是在加了噪音之后4000到6000之間出現(xiàn)最大幅值12，超出正常值。如圖5原始信號(hào)與加噪后信號(hào)頻譜對(duì)比圖所示。3. 設(shè)計(jì)合適的濾波器，濾除高頻噪聲，繪出濾波后的信號(hào)頻域和時(shí)域波形：程序：%用雙線性變

12、換法設(shè)計(jì)巴特沃思低通濾波器wp=0.25*pi; %通帶截止頻率ws=0.3*pi; %阻帶截止頻率Rp=1; %通帶最大衰減（db）Rs=15; %阻帶最大衰減（db）Fs=22050;Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2); %將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)ws1=2/Ts*tan(ws/2); %將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,s); %選擇濾波器的最小階數(shù)（估算得到Butterworth低通濾波器的最小階數(shù)N和3dB截止頻率Wc）Z,P,K=buttap(N); %創(chuàng)建Butterworth低通濾波器原型Bap,Aap=zp2tf(

13、Z,P,K); %將零極點(diǎn)增益轉(zhuǎn)換為普遍分子，分母b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); %將普遍的分子和分母轉(zhuǎn)換為以Wn為截止頻率bz,az=bilinear(b,a,Fs); %用雙線性變換法實(shí)現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換（模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字）H,W=freqz(bz,az); %求頻率響應(yīng)figure(9)plot(W*Fs/(2*pi),abs(H) %繪制Butterworth低通濾波器頻率響應(yīng)曲線grid %添加圖格xlabel(頻率Hz)ylabel(頻率響應(yīng)幅度)title(Butterworth)f1=filter(bz,az,z); %利用上面已做好的濾波器（已bz和a

14、z為特征的濾波器）對(duì)x2信號(hào)進(jìn)行濾波，賦值給f1figure(10)subplot(2,1,1) %創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1繪圖區(qū)間plot(t,z) %做加噪后的信號(hào)時(shí)域圖形title(濾波前的時(shí)域波形);subplot(2,1,2) %創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第2繪圖區(qū)間plot(t,f1); title(濾波后的時(shí)域波形);sound(f1,22050); %播放語音信號(hào)p=length(f1);F0=fft(f1,p);f=0:fs/p:fs*(s-1)/p;figure(11)y2=fft(z,1024); %對(duì)信號(hào)y2做1024點(diǎn)FFT變換subplot(2,1,1); %創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1繪圖區(qū)間plot(f,abs(y4); title(濾波前的頻譜)xlabel(Hz); %x軸的名字是“Hz”ylabel(fuzhi); %y軸的名字是“fuzhi”subplot(2,1,2)F1=plot(f