數(shù)據(jù)的采集與語音信號的頻譜分析.doc

中北大學課 程 設 計 說 明 書學 生 姓 名： 呂濤 學 號：10050644X23 學 生 姓 名： 王麗 學 號：10050644X09學 生 姓 名： 趙芳 學 號：10050644X15 學 生 姓 名： 孟慶慧 學 號：10050644X05 學 院： 信息商務學院 專 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 信息處理綜合實踐: 數(shù)據(jù)的采集與語音信號的頻譜分析 指導教師： 金 永 職稱: 副教授 2013 年 6 月 28 日 中北大學課程設計任務書 12/13 學年第 二 學期學 院： 信息商務學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學 生 姓 名： 呂濤 學 號：10050644X23 學 生 姓 名： 王麗 學 號：10050644X09學 生 姓 名： 趙芳 學 號：10050644X15 學 生 姓 名： 孟慶慧 學 號：10050644X05 課程設計題目:信息處理綜合實踐: 數(shù)據(jù)的采集與語音信號的頻譜分析 起 迄 日 期： 2013年6月7日2013年6月28日 課程設計地點： 學院樓201、510、608實驗室 指 導 教 師： 金永 系 主 任： 王明泉 下達任務書日期: 2013 年6 月 7 日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：（1）掌握USB總線或PCI總線的基本結(jié)構(gòu)，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結(jié)構(gòu)；（2）掌握數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的過程和原理；（3）了解MATLAB的信號處理技術；（4）掌握MATLAB 實現(xiàn)音樂信號的讀取、保存、拼接與頻譜分析。2設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：（1）查閱相關資料，撰寫關于基于USB總線或PCI總線A/D卡的報告；（2）采用麥克采集本組各個同學的語音信號；（3）采用MATLAB讀取采集的語音信號，截取各信號中的一段進行拼接，并進行頻譜分析；（4）保存拼接后的語音信號，并進行播放證實存儲的正確性，同時對拼接后信號與原有信號的頻譜作對比；（5）提高內(nèi)容：編寫語音采集數(shù)據(jù)程序。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：（1）要求設計組的每個成員都要了解設計的要求和思路；（2）MATLAB數(shù)據(jù)處理部分要求有正確的運行結(jié)果及結(jié)果分析；（3）總線部分和A/D采集卡部分要求每位同學有自己的理解；（4）每位同學針對上述內(nèi)容撰寫設計說明書（每人1份）。課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：l 要求按國標GB 771487文后參考文獻著錄規(guī)則書寫，例：1 傅承義，陳運泰，祁貴中.地球物理學基礎.北京：科學出版社，1985 （5篇以上）5設計成果形式及要求：課程設計說明書程序運行結(jié)果6工作計劃及進度：2013年6月7日 6月15日：查資料，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結(jié)構(gòu)以及A/D采集卡的應用；6月15日 6月25日：MATLAB 實現(xiàn)語音信號的讀取、保存、拼接與頻譜分析；6月26日 6月27日：撰寫課程設計說明書； 6月28日：答辯系主任審查意見： 簽字： 年 月 日目錄摘要21基于USB總線A/D卡的報告2 1.1 USB總線介紹2 1.2 USB接口電路設計3 1.3 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計實現(xiàn)3 1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路42 設計方案簡介53 語音信號的采集54 語音信號的分析6 4.1語音信號時域分析6 4.2語音信號頻域分析65 程序設計及仿真圖76語音信號的讀取、拼接、保存與頻譜分析9 6.1設計條件及主要參數(shù)表9 6.2設計主要參數(shù)計算11 6.3設計結(jié)果127設計體會138 參考文獻14摘要語音信號的采集與分析技術是一門涉及面很廣的交叉科學，它的應用和發(fā)展與語音學、聲音測量學、電子測量技術以及數(shù)字信號處理等學科緊密聯(lián)系。該設計主要介紹語音信號的采集與分析方法，通過PC機錄制自己的一段聲音，運用Matlab提供的函數(shù)進行仿真分析，并畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖，對所采集的語音信號加入干擾隨機高斯噪聲，對加入噪聲的信號進行播放，并進行時域和頻譜分析；對比加噪前后的時域圖和頻譜圖，分析討論采用什么樣的濾波器進行濾除噪聲。關鍵詞：語音信號；采集與分析；Matlab一 基于USB總線A/D卡的報告1.USB總線介紹USB總線為通用串行總線，USB接口位于PS/2接口和串并口之間，允許外設在開機狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來127個外設，傳輸速率可達480Mb/S，P它可以向低壓設備提供5伏電源，同時可以減少PC機I/O接口數(shù)量。USB是基于通用連接技術，實現(xiàn)外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設范圍的目的。數(shù)據(jù)采集就是把來自各種傳感器的信號數(shù)據(jù)實時地、準確地測量或匯集起來,用計算機進行實時處理或記錄存儲,實時完成測試和控制功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過微機的標準接口連接各種功能模塊、儀器儀表和傳感器,組成測量系統(tǒng)。2USB接口電路設計R3是上拉電阻器，它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端，表示USB主機系統(tǒng)是高速設備，同時這個上拉電阻器告訴主機有USB設備插入。該上拉電阻器的設置對適配器的影響很大，它的負載值和1-Wire網(wǎng)絡的總長決定1-Wire總線電壓上升到5 V的速度。經(jīng)過實驗測試選擇R3的阻值為27 lO%。R1、R2為USB數(shù)據(jù)線保護電阻器。L、L2具有禁止高頻干擾并且減弱EMI輻射的功能。LF33CV為3.3 V電壓穩(wěn)壓器，與周圍元件C1、C2組成強上拉部分，給EEPROM或溫度傳感器等器件提供額外的電源。3.USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用采集卡進行數(shù)據(jù)采集,然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器供計算機加工處理。基于USB接口的數(shù)據(jù)采集與頻譜分析系統(tǒng)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由硬件部分和軟件部分組成,硬件部分主要有計算機、I/ O 接口設備. 計算機作為硬件平臺的核心可采用臺式機,系統(tǒng)采用的I/ O 設備為A/ D 數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡是一種基于USB 總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品,可與帶USB 接口的各種臺式計算機、筆記本電腦、工控機連接構(gòu)成高性能的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng).整個系統(tǒng)主要由4部分組成：USB接口芯片及外圍電路、控制電路、數(shù)據(jù)緩沖電路和AD轉(zhuǎn)換電路。USB接口芯片選擇了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，該芯片內(nèi)嵌8051控制器，因此整個系統(tǒng)以EZ-USB控制器為核心，由EZ-USB經(jīng)控制電路實現(xiàn)對AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩沖電路的控制，模擬信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器，當數(shù)據(jù)緩沖器存滿之后，通知EZ-USB控制器，由主機取出數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。4.AD轉(zhuǎn)換電路 聲卡是計算機對語音信號進行加工的重要部件，它具有對信號濾波、放大、采樣保持、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換芯片采用了MAXIM公司的MAX122，該芯片是12 b的高速的AD轉(zhuǎn)換器。在完全轉(zhuǎn)換模式下，他的轉(zhuǎn)換時間可以達到26μs，采樣率為333 kSs。MAX122有5種工作模式，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了模式2即連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。在這種模式下，每次轉(zhuǎn)換需要1314個時鐘脈沖節(jié)拍，轉(zhuǎn)換可以不間斷地進行，但是需要提供開始轉(zhuǎn)換使能信號，并且要保證使能信號和時鐘信號同步，讀信號和片選始終處于有效狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸出使能信號一直有效，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。二 設計方案簡介 本實驗通過應用MATLAB軟件實現(xiàn)音樂信號的讀取、拼接、保存與頻譜分析。將信號源發(fā)出的信號強度按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律，稱為頻譜分析。頻譜分析主要分析信號是由哪些頻率的正弦信號疊加得到的，以及這些正弦信號的振幅。分析和處理音頻信號，首先要對聲音信號進行采集，MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱提供了一整套命令和函數(shù),通過調(diào)用這些函數(shù)和命令,可直接控制聲卡進行數(shù)據(jù)采集。Windows自帶的錄音機程序也可驅(qū)動聲卡來采集語音信號，并能保存為WAV格式文件，供MATLAB相關函數(shù)直接讀取、寫入或播放。本實驗以WAV格式音頻信號作為分析處理的輸入數(shù)據(jù)，用MATLAB處理音頻信號的基本流程是：先將WAV格式音頻信號經(jīng)wavread 函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLAB列數(shù)組變量；再用MATLAB強大的運算能力進行數(shù)據(jù)分析和處理，如時域分析、頻域分析、數(shù)字濾波、信號合成、信號變換、識別和增強等等；處理后的數(shù)據(jù)如是音頻數(shù)據(jù)，則可用wavwrite轉(zhuǎn)換成WAV格式文件或用sound函數(shù)直接回放。三 語音信號的采集配置好數(shù)據(jù)采集設備的參數(shù)后，使用start命令便可啟動聲卡開始語音信號的采集。采集到的數(shù)據(jù)被暫時存放在PC機的內(nèi)存里，理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由PC機的內(nèi)存容量決定的，這一點相對于一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言有較強的優(yōu)勢。MATLAB還可以記錄采集過程中出現(xiàn)錯誤，如出錯的時間、錯誤產(chǎn)生的來源以及數(shù)據(jù)采集設備的狀態(tài)等信息都會被記錄下來作為以后工作的參考。Matlab自帶的數(shù)據(jù)采集工具箱里面，提供了專門用于語音采集的命令和函數(shù)。數(shù)據(jù)采集的硬件設備的內(nèi)部特性對Matlab的接口完全是透明的，通過調(diào)用Matlab提供的語音采集函數(shù)和命令可以對其進行訪問。而且，Matlab可以對其采集的數(shù)據(jù)進行實時的分析，也可在存儲后再進行處理。四 語音信號的分析1.語音信號時域分析MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中提供的函數(shù)命令進行圖像分析的函數(shù)命令：wavread:wavread用于讀取Microsoft的擴展名為“.wav”的聲音文件。其調(diào)用形式為:y=wavread(file)。其作用是從字符串file所指的文件路徑讀取wave文件,將讀取的采樣數(shù)據(jù)送到y(tǒng)中。Y的取值范圍:-1,1。sound:音頻信號是以向量的形式表示聲音采樣的。sound函數(shù)用于將向量轉(zhuǎn)換為聲音,其調(diào)用形式為:sound(y,fs),作用是向揚聲器送出向量y中的音頻信號(采樣頻率為fs)。將向量轉(zhuǎn)換為聲音,其調(diào)用形式為:sound(y,fs),作用是向揚聲器送出向量y中的音頻信號(采樣頻率為fs)。通過Wavread和plot(x)函數(shù)即可顯示圖像的時域波形。2.語音信號頻域分析 FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。在MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長度；若x為一矩陣，則y是對矩陣的每一列向量進行FFT。如果x長度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為y=fft(x,N)，式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點的FFT，若x為向量且長度小于N，則函數(shù)將x補零至長度N；若向量x的長度大于N，則函數(shù)截短x使之長度為N；若x為矩陣，按相同方法對x進行處理。五、程序設計及仿真圖1、用Matlab對原始語音信號進行分析，畫出它的時域波形和頻譜程序：fs=22050; x,fs,Nbits =wavread(01.wav) ; x,fs,Nbits =wavread(01.wav) ;t=0:1/22050:(length(x)-1)/22050;sound(x,fs) ; %對加載的語音信號進行回放figure(1)plot(x) %做原始語音信號的時域圖形title(原始語音信號);xlabel(time n);ylabel(fuzhi n);n=length(x); %求出語音信號的長度y1=fft(x,n) ; %傅里葉變換y2=fftshift(y1); %對頻譜圖進行平移f=0:fs/n:fs*(n-1)/n; %得出頻點figure(2) subplot(2,1,1);plot(abs(y2) %做原始語音信號的FFT頻譜圖title(原始語音信號FFT頻譜)subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2); %繪制原始語音信號title(原始語音信號頻譜)圖 1圖2六 語音信號的讀取、拼接、保存與頻譜分析1.設計條件及主要參數(shù)表頻譜分析是為了我們能夠知道一個混合信號中所有的分量信號的頻率，從而我們可以得知信號的組成，一般我們用FFT來分析信號的的頻率分量特征分析與提取。圖3實驗首先找到兩個wav格式的音頻信號（如圖02.wav和03.wav），通過wavread 函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLAB列數(shù)組變量。其次，分別對兩個wav音頻信號進行截取并分別進行頻譜分析。再次，將截取的兩段音頻信號進行拼接（uu=m0(1:149499,:); m1(1:208902,:)）最后，保存拼接后的音樂信號（如圖04.wav），并進行播放證實存儲的正確性，同時對拼接后的信號進行頻譜分析，并與原有信號的頻譜作對比。得出實驗結(jié)論。利用FFT進行頻譜分析：若信號本身是有限長的序列，計算序列的頻譜就是直接對序列進行FFT運算求得，就代表了序列在之間的頻譜值。幅度譜 相位譜 若信號是模擬信號，用FFT進行譜分析時，首先必須對信號進行采樣，使之變成離散信號，然后就可按照前面的方法用FFT來對連續(xù)信號進行譜分析。按采樣定理，采樣頻率應大于2倍信號的最高頻率，為了滿足采樣定理，一般在采樣之前要設置一個抗混疊低通濾波器。用FFT對模擬信號進行譜分析的方框圖如下所示。抗混疊低通濾波器采樣T=1/fsN點FFT應用到的主要函數(shù)：wavread、wavwrite、sound2.設計主要參數(shù)計算主程序：clear all;clc;m0,fs0,bits0=wavread(02.wav); %讀取音樂信號len0=size(m0,1);f0=fs0*(0:(len0-1)/len0;%(得出頻點)figure(1);plot(m0); %原始音樂信號的波形圖title(原始音樂信號的波形圖0);figure(2);y0=fft(m0,len0);plot(f0,abs(y0); %原始音樂信號的頻譜圖title(原始音樂信號的頻譜圖0);sound(m0,fs0,bits0);disp(按任意鍵讀取下一段音頻);pausem1,fs1,bits1=wavread(03.wav);len1=size(m1,1);f1=fs1*(0:(len1-1)/len1;figure(3);plot(m1); %原始音樂信號的波形圖title(原始音樂信號的波形圖1);figure(4);y1=fft(m1,len1);plot(f1,abs(y1); %原始音樂信號的頻譜圖title(原始音樂信號的頻譜圖1);sound(m1,fs1,bits1);disp(按任意鍵進行拼接);pauseuu=m0(1:149499,:); m1(1:208902,:);len2=size(uu,1);f2=fs0*(0:(len2-1)/len2;figure(5);plot(uu); %拼接后音樂信號的波形圖title(拼接后音樂信號的波形圖);figure(6);y2=fft(uu,len2);plot(f2,abs(y2); %拼接后音樂信號的頻譜圖title(拼接后音樂信號的頻譜圖);sound(uu,fs0,bits0);disp(按任意鍵進行拼接);pausewavwrite(uu,fs0,bits0,3.wav);3.設計結(jié)果圖4 原始音樂信號02的頻譜圖圖5 原始音樂信號03的頻譜圖 圖6 拼接后音樂信號頻譜圖七、設計體會通過此次實驗，我們從中受益匪淺，我們更加深了對軟件MATLAB的函數(shù)操作及應用，對語音信號的處理方法等。例如平時在