數(shù)字信號處理期末實(shí)驗-語音信號分析與處理

1、語音信號分析與處理摘 要用MATLAB對語音信號進(jìn)行分析與處理，采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進(jìn)行頻譜分析;并對所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聲，恢復(fù)原信號。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)，用來對信號進(jìn)行過濾、檢測和參數(shù)估計等處理。IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是給定一組指標(biāo)時，它的階數(shù)要比相同組的FIR濾波器的低的多。信號處理中和頻譜分析最為密切的理論基礎(chǔ)是傅立葉變換（FT）。離散傅立葉變換（DFT）和數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的最基本內(nèi)容。關(guān)鍵詞：MATLAB;語音信號；加入噪聲；濾波器；濾波 設(shè)計目的與要求（1）待處理的語音信號是一個在

2、20Hz20kHz頻段的低頻信號。（2）要求MATLAB對語音信號進(jìn)行分析和處理，采集語音信號后，在MATLAB平臺進(jìn)行頻譜分析；并對所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)計合適的濾波器進(jìn)行濾除噪聲，恢復(fù)原信號。設(shè)計步驟（1）選擇一個語音信號或者自己錄制一段語音文件作為分析對象；（2）對語音信號進(jìn)行采樣，并對語音信號進(jìn)行FFT頻譜分析，畫出信號的時域波形圖和頻譜圖；（3）利用MATLAB自帶的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，對語音信號進(jìn)行回放，對其進(jìn)行FFT頻譜分析；（4）設(shè)計合適濾波器，對帶有噪聲的語音信號進(jìn)行濾波，畫出濾波前后的時域波形圖和頻譜圖，比較加噪前后的語

3、音信號，分析發(fā)生的變化；（5）對語音信號進(jìn)行回放，感覺聲音變化。設(shè)計原理及內(nèi)容理論依據(jù)（1）采樣頻率：采樣頻率（也稱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。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。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，則在單位之間內(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。（2）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)。（3）采樣定理：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信

4、號的的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號中，最高頻率fmax的2倍時，即：fs.max>=2fmax，則采樣之后的數(shù)字信號完整的保留了原始信號中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍；采樣頻率又稱乃奎斯特定理。（4）時域信號的FFT分析：信號的頻譜分析就是計算信號的傅立葉變換。連續(xù)信號與系統(tǒng)的傅立葉分析顯然不便于直接用計算機(jī)進(jìn)行計算，使其應(yīng)用受到限制。而FFT是一種時域和頻域均離散化的變換，適合數(shù)值計算，成為用計算機(jī)分析離散信號和系統(tǒng)的的有力工具。對連續(xù)信號和系統(tǒng)，可以通過時域采樣，應(yīng)用DFT進(jìn)行近似譜分析。（5）數(shù)字信號濾波器原理和方法：IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)

5、函數(shù)： 其中H(z)成為N階IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)。IIR濾波器設(shè)計方法有間接和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法進(jìn)行的。其步驟是：先設(shè)計過度模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù)Ha（s），然后將Ha（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)。利用有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器設(shè)計濾波器。有限脈沖響應(yīng)濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時，很容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性。用N表示FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)h（n）的長度，其系統(tǒng)函數(shù)H（z）為 H（z）是z-1的N-1次多項式，它在z平面上有N-1個零點(diǎn)，在原點(diǎn)z=0處有一個N-1重極點(diǎn)。因此，H（z）永遠(yuǎn)穩(wěn)點(diǎn)。穩(wěn)定和線性相位是FIR濾波器最突出

6、的優(yōu)點(diǎn)。（6）各種不同類型濾波器的性能比較：巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性；切比羅夫濾波器的幅頻特性在通帶或阻帶有等波紋特性，可以提高選擇性；貝塞爾濾波器通帶內(nèi)有有較好的線性相位特性；橢圓濾波器的選擇性相對前三種是最好的，但通帶和阻帶內(nèi)均呈現(xiàn)等波紋幅頻特性，相對特性的非線性稍重。IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是給定一組指標(biāo)時，它的階數(shù)要比相同組的FIR濾波器的低的多。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法是利用模擬濾波器成熟的理論及設(shè)計圖進(jìn)行設(shè)計的，因而保留了一些典型模擬濾波器的優(yōu)良的幅度特性。（7）離散傅立葉變換 其中WN= ，N為DFT變換空間長度。 信號采集從網(wǎng)上下載一段wav格式的文件，把文件“

7、000.wav”保存在MATLAB文件夾下的work文件夾中，以.wav格式保存，這是windows操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件保存的標(biāo)準(zhǔn)。x1,fs=audioread('000.wav');%把語音信號進(jìn)行加載入MATLAB仿真軟件平臺中，采樣值放在向量x1中，fs表示采樣頻率（Hz）x=x1(1:5000,1);%對雙聲道信號取單聲道并取其5000點(diǎn)X=fft(x,4096);%對信號做4096點(diǎn)FFT變換調(diào)用參數(shù)x為被變換的時域序列向量，變換區(qū)間長度為4096，當(dāng)x小于4096時，fft函數(shù)自動在x后面補(bǔ)零。函數(shù)返回x的4096點(diǎn)DFT變換結(jié)果X。當(dāng)x大于4096時，fft函

8、數(shù)計算x前面4096個元素構(gòu)成的長序列的4096點(diǎn)DFT，忽略x后面的元素。進(jìn)行圖形分區(qū)，首先畫出語音信號的時域波形，然后對其進(jìn)行頻譜分析。在MATLAB中利用fft對信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到信號的頻譜特性。magX=abs(X);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模subplot(2,1,1);%圖形分區(qū)plot(x);title('原始信號波形');%繪制波形f=(0:2047)*fs/2/2048;%單位轉(zhuǎn)換subplot(2,1,2);plot(f,magX(1:2048);title('原始信號頻譜');其程序如下：x1,fs=audioread('

9、;000.wav'); %讀取語音信號x=x1(1:5000,1);%對雙聲道信號取單聲道并取其5000點(diǎn)X=fft(x,4096);%對信號做4096點(diǎn)FFT變換magX=abs(X);%把傅里葉變換后的復(fù)數(shù)值取模subplot(2,1,1);%圖形分區(qū)plot(x);title('原始信號波形');%繪制波形f=(0:2047)*fs/2/2048;%單位轉(zhuǎn)換subplot(2,1,2);plot(f,magX(1:2048);title('原始信號頻譜'); sound(x1,fs)程序結(jié)果如下圖： 加噪語音信號并對其FFT頻譜分析其程序如下：x,

10、fs=audioread('000.wav');n=length(x);x_p=fft(x,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;figure(1)subplot(2,1,1); plot(x); title('原始語音信號采樣后的時域波形'); xlabel('時間軸')ylabel('幅值A(chǔ)') subplot(2,1,2); plot(f,abs(x_p(1:n/2); title('原始語音信號采樣后的頻譜圖'); xlabel('頻率Hz'); ylabel('頻率幅值'

11、);L=length(x);noise=(cos(6000/fs*pi*n)+cos(10000/fs*pi*n)+cos(15000/fs*pi*n)*0.5;x_z=x+noise'sound(x_z,fs)n=length(x);x_zp=fft(x_z,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;figure(2)subplot(2,1,1);plot(x_z); title('加噪語音信號時域波形');xlabel('時間軸')ylabel('幅值A(chǔ)')subplot(2,1,2); plot(f,abs(x_zp(1:n/2);t

12、itle('加噪語音信號頻譜圖'); xlabel('頻率Hz'); ylabel('頻率幅值');sound(x_z,fs)程序結(jié)果如下圖： 加入噪聲后得到的信號和原始的語音信號有明顯的不同。數(shù)字濾波器設(shè)計設(shè)計數(shù)字濾波器的任務(wù)就是尋找一個因果穩(wěn)定的線性時不變系統(tǒng)，并使系統(tǒng)函數(shù)H（z）具有指定的頻率特性。本實(shí)驗采用MATLAB工具箱函數(shù)buttord設(shè)計數(shù)字低通IIR濾波器。fp=800;fs=1300;rs=35;rp=0.5;Fs=44100; wp=2*Fs*tan(2*pi*fp/(2*Fs);ws=2*Fs*tan(2*pi*fs/(2

13、*Fs); n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs,'s'); b,a=butter(n,wn,'s'); num,den=bilinear(b,a,Fs); h,w=freqz(num,den,512,Fs); figure(1) %subplot(3,1,1) plot(w,abs(h); xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值'); title('巴特沃斯低通濾波器幅度特性'); axis(0,5000,0,1.2); grid on; figure(2) %subplot(3,1,2

14、) plot(w,20*log10(abs(h); xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值db'); title('巴特沃斯低通濾波器幅度特性db'); axis(0,5000,-90,10); grid on; figure(3) plot(w,180/pi*unwrap(angle(h); xlabel('頻率/Hz');ylabel('相位'); title('巴特沃斯低通濾波器相位特性'); axis(0,5000,-1000,10) ;grid on; s1,Fs=audio

15、read('000.wav'); x1=s1(:,1);sound(x1,Fs); N1=length(x1); Y1=fft(x1,N1); f1=Fs*(0:N1-1)/N1; t1=(0:N1-1)/Fs; figure(4) plot(f1,abs(Y1) xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅度');title('原始信號頻譜'); grid on;axis(0 6000 0 400) y=filter(num,den,x1); sound(y,Fs);N2=length(y); Y2=fft(y,N2);

16、f2=Fs*(0:N2-1)/N2; t2=(0:N2-1)/Fs; figure(5) plot(f2,abs(Y2) xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅度');title('過濾后信號的頻譜'); grid on;axis(0 6000 0 100)程序結(jié)果如下圖：信號處理巴特沃斯濾波器利用函數(shù)filter進(jìn)行濾波。用設(shè)計的濾波器對含噪聲的語音信號進(jìn)行濾波。其程序如下：x,fs=audioread('000.wav'); x1=x(:,1); %獲取單列語音信號并對其做FFT變換 N1=length(x1);

17、fx1=fft(x1); w1=2/N1*0:N1/2-1; n=0:N1-1;y=0.05*(cos(2*pi*n*3000/fs)+cos(2*pi*n*5000/fs)+cos(2*pi*n*8000/fs); %設(shè)計三余弦混合噪聲信號 N2=length(y); %對三余弦混合噪聲信號做FFT變換 fy=fft(y);w2=2/N2*(0:N2/2-1)*fs/2; hdx=x1+y' %產(chǎn)生加噪后的語音信號并對其做FFT變換 M=length(hdx); fhdx=fft(hdx); w3=2/M*(0:M/2-1); figure %畫出單列信號語音信號的頻譜圖、三余弦混合

18、噪聲信號的離散信號圖 %及其頻譜圖和加噪后語音信號的頻譜圖 subplot(2,2,1);plot(w1,abs(fx1(1:N1/2);subplot(2,2,2);stem(0:127),y(1:128); abs(fy(1:N2/2); subplot(2,2,3);plot(w3,abs(fhdx(1:M/2); sound(hdx,fs); % 語音信號有電流聲，而且噪聲比較明顯。 pausewp=0.1;ws=0.15;rp=1;rs=50; %設(shè)計巴特沃斯濾波器 N4,Wc=buttord(wp,ws,rp,rs);B,A=butter(N4,Wc); Hd,w=freqz(B,

19、A); lohdx=filter(B,A,hdx); %利用巴特沃斯濾波器對加噪后語音信號進(jìn)行濾波并對其 做%FFT變換 M1=length(lohdx);flohdx=fft(lohdx); w4=2/M1*(0:M1/2-1); figure %畫出加噪后語音信號的音頻圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線 %和濾波后語音信號的頻譜圖 subplot(3,1,1);plot(hdx); subplot(3,1,2);plot(w/pi,abs(Hd); subplot(3,1,3);plot(w4,abs(flohdx(1:M1/2); sound(lohdx,fs); %濾波后語音信號比較低沉，較清晰。程序結(jié)果如下圖：將原始信號波形和濾波后的圖形相比較，大致相同，說明濾波器有效果，濾波成功?？?結(jié)本設(shè)計采用MA