基于MATLAB的语音信号分析及滤波要点.pdf
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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 课程报告 题目:基于 MATLAB 的语音信号分析及 滤波 二级学院:计算机信息工程学院 专业:通信工程班级:12 通信一 学生姓名:赵红梅学号:12030735 指导教师:何松职称:讲师 评阅教师:何松职称:讲师 2015 年 7 月 计算机信息工程学院课程实习说明书 基于 MATLAB的语音信号分析及滤波 摘要 本课题用微软录音机采集了一段语音,对其进行了时域分析,频谱分析, 分析 语音信号的特性。应用MATLAB平台对语音信号加入了噪声,按给定滤波器的性能 指标,采用窗函数或双线性变换设计滤波器,设计数字滤波器并用窗函数
2、法,画 出滤波器的频率响应,然后用自己设计的滤波器对采集语音信号进行滤波处理, 画出滤波后信号的时域波形和频谱。然后对比滤波前后的语音信号的时域和频域 特性,回放加噪语音信号和去噪语音信号,分析信号的变化,回放语音信号;最 后,用 MATLAB设计一信号处理系统界面。本次课程设计的目的是更好地了解信号 滤波的过程。 关键词: 语音信号;频域特性; 时域特性 ; 滤波器 Abstract VOICE SIGNAL ANALYSIS AND FILTERING BASED ON THE MATLAB Abstract This topic use Microsoft recorder collec
3、t a voice signal,do analysis on the time domain 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,des
4、ign the Digital filter .Take advantage of window 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 o
5、riginal voice signal and later voice signal are 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
6、filtering. Keywords: voice signal;frequency domain characteristics;time domain characteristics;filter 计算机信息工程学院课程实习说明书 目录 第 1 章 绪论 . . 1 第 2 章 课程设计内容和要求 2 2.1 设计内容 . 2 2.2 设计要求 2 第 3 章课程设计的具体实现. 2 3.1 语音信号的采集 2 3.2 语音信号的时频分析与频谱分析. 2 3.3 语音信号加噪 4 3.4 设计 FIR 数字滤波器 . 6 3.5 用滤波器对加噪语音信号进行滤波 . 7 3.6 比较滤波前
7、后语音信号的波形及频谱 . 9 3.7 回放语音信号 10 3.8 设计系统界面 11 3.8.1 系统界面设计工具GUI 概述 11 3.8.2 界面设计及使用说明 . 11 小结 12 参考文献 . 14 计算机信息工程学院课程实习说明书 第 1 章 绪论 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数值计算的方法对信号进行 采集、抽样、变换、综合、估值与识别等加工处理,借以达到提取信息和便于应 用的目的。它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众 多领域都获得了极其广泛的应用。具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造 价低、速度快等优点。 数字滤波器, 是数字信号处理中及
8、其重要的一部分。随着信息时代和数字技 术的发展,受到人们越来越多的重视。数字滤波器可以通过数值运算实现滤波, 所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活不存在阻抗匹配问题, 可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。数字滤波器种类很多,根据其实现的 网络结构或者其冲激响应函数的时域特性,可分为两种,即有限冲激响应( FIR , Finite Impulse Response) 滤 波 器 和 无 限 冲 激 响 应 ( IIR , Infinite Impulse Response) 滤波器。 FIR 滤波器结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,系统函数H (z) 在处收敛,极点
9、全部在z = 0处(因果系统),因而只能用较高的阶数达到高的 选择性。FIR 数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR 数字滤波器低, 但是线性相位, 就是不同频率分量的信号经过fir滤波器后他们的时间差不变,这是很好的性质。 FIR 数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理,便于编程, 用于计 算的时延也小,这对实时的信号处理很重要。 FIR 滤波器因具有系统稳定,易实 现相位控制,允许设计多通带(或多阻带)滤波器等优点收到人们的青睐。 IIR滤波器采用递归型结构,即结构上带有反馈环路。IIR 滤波器运算结构通 常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成,可以组合成直接型、正准型、级联 型
10、、并联型四种结构形式,都具有反馈回路。同时,IIR 数字滤波器在设计上可以 借助成熟的模拟滤波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等,有现成 的设计数据或图表可查,在设计一个IIR数字滤波器时,我们根据指标先写出模 拟滤波器的公式,然后通过一定的变换,将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器 的公式。 滤波器的设计可以通过软件或设计专用的硬件两种方式来实现。随着MATLAB 软件及信号处理工具箱的不断完善,MATLAB很快成为应用学科等领域不可或缺的 基础软件。它可以快速有效地实现数字滤波器的设计、分析和仿真,极大地减轻 了工作量 , 有利于滤波器设计的最优化。 计算机信息工程学院课程实习说明
11、书 第 2 章 课程设计内容和要求 2.1 设计内容 录制一段自己的语音信号,并对录制的信号进行采样;画出采样后语音信号 的时域波形和频谱图;给定滤波器的性能指标,采用窗函数或双线性变换设计滤 波器,并画出滤波器的频率响应;然后用自己设计的滤波器对采集语音信号进行 滤波,画出滤波后信号的时域波形和频谱,并对滤波前后的信号进行对比,分析 信号的变化;回放语音信号;最后,用MATLAB设计一信号处理系统界面。 2.2 设计要求 1.完成语音信号的采集,利用windows自带的录音机或其他软件,录制一段 语音,时间在1s 以内(建议用自己的姓名,如“我叫* ”); 2.进行语音信号的频谱分析; 3.
12、进行数字滤波器的设计,滤波器的性能指标可以根据实际情况作调整, 要求 用窗函数法数字滤波器; 4.对语音信号进行滤波处理; 5.对滤波前后的语音信号频谱进行对比,并对设计结果进行独立思考和分析; 6.在基本 要求的 基础上 ,可 以根据 个人 对该 课程设 计的理 解 ,添 加一些 新的 内 容,如设计系统人机对话界面等。 第 3 章 课程设计的具体实现 3.1 语音信号的采集 利用 PC机进行数字信号的采集。将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录 音机。按下录音按钮,接着对话筒说话“语音信号处理”,说完后停止录音,屏幕左 侧将显示所录声音的长度。点击放音按钮,可以实现所录音的重现。将语音信
13、号保 存入计算机中。可以看到,文件存储器的后缀默认为. wav , 这是 WINDOWS 操作系 统规定的声音文件存的标准。 3.2 语音信号的时频分析与频谱分析 利用 MATLAB 中的“ wavread”命令来读入(采集)语音信号,将它赋值给某 一向量。再对其进行采样,记住采样频率和采样点数。 程序如下: 计算机信息工程学院课程实习说明书 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) subplot
14、(2,1,1); plot(y); title( 原始语音信号时域波形); xlabel( 时间轴 (s) ylabel( 幅度 (A) subplot(2,1,2); plot(f,abs(y_p(1:n/2); axis(0 20000 0 150); title( 原始语音信号频谱图); xlabel( 频率HZ); ylabel( 频率幅度 ); 如图 3-1: 图 3-1 原始语音信号时域波形和频谱图 计算机信息工程学院课程实习说明书 3.3 语音信号加噪 在本次课程设计中,我们是利用MATLAB中的函数产生噪声加入到语音信号 中,模仿语音信号被污染,并对其频谱分析。在这里,我们选用
15、正弦函数。 语音信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下: y,Fs,Nbits=wavread(C:Usersidea-padDesktopREC004.wav); n=1000 t=(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); % 噪声信号的时域波形图 title( 噪声信号时域波形图); xlabel( 时间轴 (s); ylabel( 幅度 (A); subplot(2,1,2); plot(f,abs(y2(1:n/2); title(
16、噪声信号频谱图); xlabel( 频率( HZ)); ylabel( 频率幅度 ); 设计语音信号加噪后的时域波形和频谱图的程序如下: 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); 计算机信息工程学院课程实习说明书 plot(y_z);
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