基于MATLAB的語音信號的時(shí)、頻域分析課程設(shè)計(jì)

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院MATLAB課程設(shè)計(jì)說明書 摘要用MATLAB寸于語音信號進(jìn)行分析和處理，采集語音信號后，在 MATLAB件 平臺(tái)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(jì)合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。本次設(shè)計(jì)介紹了基于 MATLAB勺對語音信號的采集，處理及濾波器的設(shè)計(jì)，并使之實(shí)現(xiàn)的過程。關(guān)鍵詞：MATLAB語音信號；濾波器；加噪；除噪目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 摘要1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1 設(shè)計(jì)

2、原理1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1理論原理1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1.1 采樣頻率11.1.2采樣位數(shù)11.1.3采樣定理11.1.4時(shí)域信號的FFT分析1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.1.5數(shù)字信號的濾波器原理和方法 2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1.6各種不同類型濾波器的性能比較 2 HYPERLINK l bookmark12 o Curren

3、t Document 1.1.7離散傅立葉變換 3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2信號采集及讀取33構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行 FFT頻譜分析.6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 4數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 4.1用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)IIR帶通濾波器 64.2用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR低通濾波器 8 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 5信號處理10 HYPERLINK l bo

4、okmark64 o Current Document IIR帶通濾波10 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document FIR低通濾波12 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 6心得體會(huì)14 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 7參考文獻(xiàn):15鄭州輕工業(yè)學(xué)院MATLAB課程設(shè)計(jì)說明書 1設(shè)計(jì)原理1.1理論原理1.1.1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(gè)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

5、器， 對于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。通俗的講采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每 秒鐘采集多少個(gè)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(shí)間越短，則在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)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。1.1.2采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放 聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。113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fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(shí)(fs.max=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留 了原始信號中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采

6、樣頻率為信號最高頻率的510倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。1.1.4時(shí)域信號的FFT分析信號的頻譜分析就是計(jì)算信號的傅立葉變換。連續(xù)信號與系統(tǒng)的傅立葉 分析顯然不便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，使其應(yīng)用受到限制。而FFT是一種時(shí)域和頻域均離散化的變換，適合數(shù)值運(yùn)算，成為用計(jì)算機(jī)分析離散信號和 系統(tǒng)的有力工具。對連續(xù)信號和系統(tǒng)，可以通過時(shí)域采樣，應(yīng)用DFT進(jìn)行近似譜分析。1.1.5數(shù)字信號的濾波器原理和方法IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)：M送bjZH(z)=j-N(1.1 )1 +E akZ上k 4其中H(z)稱為N階IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)。IIR濾波器設(shè)計(jì)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(jì)

7、方法進(jìn)行的。其步驟是： 先設(shè)計(jì)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)設(shè)計(jì)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(shí)，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N -1H(z)八 h(n)z(1.2 )n士H ( z )是z-1的N-1次多項(xiàng)式，它在 z平面上有N-1個(gè)零點(diǎn)，在原點(diǎn) z=0 處有一個(gè)N-1重極點(diǎn)。因此，H(z)永遠(yuǎn)穩(wěn)定。穩(wěn)定和線性相位是FIR濾波器最突出的優(yōu)點(diǎn)。1.1.6各種不同類型濾波器的性能比較巴特沃斯濾波器具

8、有單調(diào)下降的幅頻特性；切比雪夫?yàn)V波器的幅頻特性在通帶或阻帶有波紋特性，可以提高選擇性；貝塞爾濾波器通帶內(nèi)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，線性特性的非線性稍重。IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是給定一組指標(biāo)時(shí)，它的階數(shù)要比相同組的 FIR濾波器低得多。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法是利用模擬濾波器成熟的理 論及設(shè)計(jì)圖進(jìn)行的，因而保留了一些典型模擬濾波器優(yōu)良的幅度特性。但 設(shè)計(jì)中只考慮了幅度特性，沒考慮相位特性，所設(shè)計(jì)的濾波器一般是某種 確定的非線性相位特性。為了得到線性相位特性，對IIR濾波器必須另外增加相位校正網(wǎng)絡(luò)。FIR濾波器在保證幅

9、度特性滿足技術(shù)要求的同時(shí)，很容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性。穩(wěn)定和線性相位是FIR濾波器最突出的優(yōu)點(diǎn)。1.1.7離散傅立葉變換N_J knX(k) =DFTx(n)=為 x(n)WN1.3n=0其中W =e N ,N為DFT變換的區(qū)間長度2信號采集及讀取用錄音工具錄一段自己的聲音，轉(zhuǎn)化為wav格式的文件，然后保存到MATLAB的文件夾下的 work文件夾中。在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用 wavread 函數(shù)對語音信號進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。Wavread函數(shù)調(diào)用格式:y=wavread(file), 中。讀取file 所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量yy,fs,nbits=wa

10、vread(1.wav);把語音信號進(jìn)行載 MATLA仿真軟件平臺(tái)中，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)。sou nd( 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);傅立葉變換調(diào)用函數(shù)y為被變換的時(shí)域系列向量，N是DFT變換區(qū)間長度，當(dāng)N大于y 的長度時(shí)，fft函數(shù)自動(dòng)在y后面補(bǔ)零，函數(shù)返回y的N點(diǎn)DFT變換結(jié)果向量丫。 當(dāng)N小于y的長度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算y的前面N個(gè)元素構(gòu)成的N點(diǎn)DFT忽略y 后面的元素。首先畫出語音信號的時(shí)域波形， 然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析。 在 MATLAB利用fft對新號進(jìn)行快

11、速傅立葉變換，得到信號的頻譜特性。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)；程序如下:y,fs, nbits=wavread(1.wav);soun d(y,fs ,n bits);N=le ngth(y);Y=fft(y,N);subplot(2,1,1);plot(y);title(原始信號波形);xlabel(時(shí)間);ylabel(幅度);subplot(2,1,2);plot(abs(Y);title(原始信號頻譜);xlabel(時(shí)間);ylabel(幅度);程序結(jié)果如下

12、圖：原始信號波形原抬信啟頻譜時(shí)間x 104求出語音信號的長度%隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生噪聲語音信號加入噪聲);xlabel( 時(shí)間);ylabel( 幅度);傅里葉變換);xlabel( 時(shí)間);ylabel( 幅度);3構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻譜分析程序如下：y,fs, nbits=wavread (1.wav);N = len gth (y) ;%noise=0.2*ra ndn (N,1);Si=y+no ise;%soun d(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title(加噪語音信號的時(shí)域波形S=fft(Si);%subplot(2,1,2);plot(abs(S)

13、;title(加噪語音信號的頻域波形程序結(jié)果如下圖:加噪語詐號的葉域波形21111”2II|II 00,51 t5 22.534數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)4.1用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)IIR帶通濾波器程序如下:wp=0.2*pi; ws=0.3*pi; %性能指標(biāo)濾波器長度，朝正無窮方向舍入wdelta=ws-wp; %過渡帶寬度M=ceil(3.32*pi/wdelta); %N=2*M+1;% 窗口長度wc=(ws+wp)/2;%截止頻率wi n=hammi ng(N);%因?yàn)樗p不小于50dB,所以選擇海明窗，這里得到海明窗的時(shí)域響應(yīng)b=fir1(N-1,wc/pi,wi n);n=0:1:N;hi t=im

14、pz(b,1, n);%得到脈沖響應(yīng)hf w=freqz(b,1,512); %得到頻率響應(yīng)subplot(3,1,1); stem( n,hi);xlabel(n); ylabel(幅度);title( 脈沖響應(yīng));subplot(3,1,2); plot(w/pi,20*log10(abs(hf);xlabel(頻率(Hz); ylabel( 幅度(dB);title(頻率響應(yīng));subplot(3,1,3); plot(w/pi,180/pi*u nwrap(a ngle(hf); xlabel(頻率(Hz); ylabel( 相位(degrees); title( 頻率響應(yīng));程序結(jié)果

15、如下圖：脈沖響應(yīng)頻率響應(yīng)0020.10.2030.40.50.60.70.30.91頻率陸）頻率響血n- nunu20.10.2030.40.50.60.70.30.91頻率陀）4.2用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR低通濾波器程序如下：Ft=8000;Fp=1OOO;Fs=1200; wp=2*Fp/Ft; ws=2*Fs/Ft;rp=1;rs=50;p=1-10.(rp/20);s=10.A(-rs/20);fpts=wp,ws;mag=1,0;dev=p,s;n 21,w n21,beta,ftype=kaiserord(fpts,mag,dev);b21=fir1( n21,w n21,kaiser

16、( n21+1,beta);h,w=freqz(b21,1);plot(w/pi,abs(h);title(FIR低通濾波器);grid;其程序結(jié)果如下圖：FIR低通濾波器5信號處理用設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器對含噪聲的語音信號進(jìn)行濾波，在MATLAB中FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進(jìn)行濾波，IIR濾波器利用函數(shù)filter對信號進(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如下圖 。5.1 IIR帶通濾波程序如下：y,fs, nbits=wavread(1.wav);N=le ngth(y);Noise=0.2*ra ndn (N,1);Si=y+Noise; %語音信號加入噪聲nn=

17、0:1:50;y=filter(b,1,Si);subplot(2,1,1); stem(Si);xlabel( n); ylabel(幅度);title(濾波前信號頻譜);axis(0 50 -2 2);subplot(2,1,2); stem(out);xlabel( n); ylabel(幅度);title(濾波后信號頻譜);axis(0 50 -1 1);soun d(y);程序結(jié)果如下圖：濾波前信號頻譜濾波后信號頻譜5.2 FIR低通濾波程序如下：y,fs, nbits=wavread(1.wav);N = len gth (y);noise=0.2*ra ndn (N,1);Si=

18、y+no ise;S=fft(Si);z21=fftfilt(b21,Si);sou nd(z21);m2仁fft(z21);subplot(2,2,1);plot(abs(S),g);title(濾波前信號的頻譜);xlabel( 時(shí)間);ylabel(grid;subplot(2,2,2);plot(abs(m21),r);title(濾波后信號頻譜);xlabel( 時(shí)間);ylabel(grid;subplot(2,2,3);plot(S);title(濾波前信號波形);xlabel(時(shí)間);ylabel(grid;subplot(2,2,4);plot(z21);title(濾波后信號波形);xlabel( 時(shí)間);ylabel(grid;幅度);幅度);幅度);幅度);程序結(jié)果如下圖：濾賦形曲濾波后信號頻譜濾波后信號波形000 -50005001000時(shí)間20:23時(shí)間6心得體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西。進(jìn)一步加深了對MATLAB勺了解。在設(shè)計(jì)的過程中我遇到了不少的問題， 比如剛開始要處理的是 WAN格式的語音信 號，可是我發(fā)現(xiàn)不是所有的WAV文件都可以用WAVREAD數(shù)讀取，通過軟件轉(zhuǎn)化 了才可以使用。在編寫程序的時(shí)候遇到