(完整word版)《MATLAB課程設(shè)計》報告DOC

1、MATLAB 課程設(shè)計報告設(shè)計題目：基于 MATLABMATLAB 勺語音信號米集與處理學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：2010054620100546專業(yè)班級：光信息科學(xué)與技術(shù)答辯時間：20132013 年 1212 月指導(dǎo)教師：馮明庫廣東技術(shù)師范學(xué)院電子與信息學(xué)院、設(shè)計目的及意義1. MATLAB軟件功能簡介MATLAB勺名稱源自Matrix Laboratory,1984年由美國Mathworks公司推向市場。它是一種科學(xué)計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB!高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量勺內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛勺應(yīng)用于 科學(xué)計算、控制系統(tǒng)和信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)

2、計工作。MATLAB軟件包括五大通用功能，數(shù)值計算功能(Nemeric)、符號運算功能(Symbolic) 、數(shù)據(jù)可視化功能(Graphic) 、數(shù)字圖形文字統(tǒng)一處理功能 (Notebook) 和建模仿真可視化功能 (Simulink)。其中，符號運算功能的實現(xiàn)是通過請求MAPLE內(nèi)核計算并將結(jié)果返回到MATLA命令窗口。該軟件有三大特點，一是功能強大； 二是界面友善、語言自然；三是開放性強。目前，Mathworks公司已推出30多個 應(yīng)用工具箱。MATLA在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值及優(yōu)化、數(shù)值統(tǒng)計和隨機信號 分析、 電路與系統(tǒng)、 系統(tǒng)動力學(xué)、 次那好和圖像處理、 控制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計、 過

3、程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)以及財政金融等眾多領(lǐng)域的理論研究和工程設(shè) 計中得到了廣泛應(yīng)用。MATLABE信號與系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括符號運算和數(shù)值計算仿真分析。由于信號與系統(tǒng)課程的許多內(nèi)容都是基于公式演算， 而MATLA借助符號數(shù)學(xué)工具箱提 供的符號運算功能，能基本滿足信號與系統(tǒng)課程的需求。例如解微分方程、傅里 葉正反變換、拉普拉斯正反變換和z正反變換等。MATLA在信號與系統(tǒng)中的另一 主要應(yīng)用是數(shù)值計算與仿真分析，主要包括函數(shù)波形繪制、函數(shù)運算、沖擊響應(yīng) 與階躍響應(yīng)仿真分析、信號的時域分析、信號的頻譜分析、系統(tǒng)的S域分析和零極點圖繪制等內(nèi)容。 數(shù)值計算仿真分析可以幫助學(xué)生更深入地理解理論知識，

4、 并 為將來使用MATLA進行信號處理領(lǐng)域的各種分析和實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。2.本題目的意義本次課程設(shè)計的課題為基于MATLA的語音信號采集與處理，學(xué)會運用MATLA的信號處理功能，采集語音信號，并對語音信號進行濾波及變換處 理，觀察其時域和頻域特性，加深對信號處理理論的理解，并為今后熟練使 用MATLA進行系統(tǒng)的分析仿真和設(shè)計奠定基礎(chǔ)。此次實習(xí)課程主要是為了進一步熟悉對matlab軟件的使用，以及學(xué)會利用matlab對聲音信號這種實際問題進行處理， 將理論應(yīng)用于實際，加深對它的理解。二、設(shè)計任務(wù)及指標利用MATLA對語音信號進行分析和處理，采集語音信號后，利用MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并

5、對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲 的信號進行頻譜分析，設(shè)計合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。語音信號的 “ 短時譜”對于非平穩(wěn)信號,它是非周期的,頻譜隨時間連續(xù)變化,因此由傅里 葉變換得到的頻譜無法獲知其在各個時刻的頻譜特性。如果利用加窗的方法從語 音流中取出其中一個短斷,再進行傅里葉變換,就可以得到該語音的短時譜。三、設(shè)計過程(1).語音信號的采集及分析基于聲卡進行數(shù)字信號的采集。 將話筒插入計算機的語音輸入插口上,啟動錄 音機。按下錄音按鈕，對話筒說話,說完后停止錄音。要保存文件時,利用了計算 機上的A/D轉(zhuǎn)換器,把模擬的聲音信號變成了離散的量化了的數(shù)字信號,放音時,它又通過D/

6、A轉(zhuǎn)換器,把保存的數(shù)字數(shù)據(jù)恢復(fù)為原來的模擬的聲音信號。在Matlab軟件平臺下可以利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣,得到了聲音數(shù)據(jù) 變量x1,同時把x1的采樣頻率fs=22050Hz和數(shù)據(jù)位Nbits=16Bit放進了MATALB的工作空間。 圖figure 1為原始語音信號的時域圖形。 從圖中可以看出在時域環(huán) 境下,信號呈現(xiàn)出6不規(guī)則的信號峰值。通過freqz函數(shù)繪制原始語音信號的頻率 響應(yīng)圖figure 2。然后對語音信號進行頻譜分析,在Matlab中可以利用函數(shù)fft對信號行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜圖figure 3，從圖中可以看出對各個 頻點上的隨機信號在頻域進行抽樣,抽

7、樣頻率為22050Hz。(2) .給原始信號加上一個高頻噪聲在Matlab中人為設(shè)計一個固定頻率5500Hz的噪聲干擾信號。噪聲信號通常 為隨機序列,在本設(shè)計中用 正弦序列代替,干擾信號構(gòu)建命令函數(shù)為d=Au*sin(2*pi*5500*t),給出的干擾信號為一個正弦信號， 針對上面的語音信 號,采集了其中一段。再對噪音信號進行頻譜變換得到其頻譜圖,從圖中可以看出 干擾信號，在4000Hz和6000Hz頻點處有一高峰,其中5500Hz正是本設(shè)計所要 利用的。(3) .設(shè)計一個濾波器，濾除高頻噪聲由模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器時,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

8、濾波器的選取時,由于設(shè)計方法的側(cè)重點不同,作出比較是困難的。如果FIR濾波器情況下，最優(yōu)的設(shè)計將是橢圓濾波器。用雙線 性變換法設(shè)計低通濾波器。的本設(shè)計是用雙線性變換法設(shè)計BW帶阻型濾波器。在MATLA中,可以利用函數(shù)butterworth,設(shè)計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)計好的帶阻濾波器對含噪語音信號進行濾 波,在Matlab中FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號進行濾波,FIR濾波器利用函 數(shù)filter對信號進行濾波。 在一個窗口同時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,語音信號與開始的一樣,濾波器成

9、功的 濾除了干擾信號。利用MATLAB寸語音信號進行分析和處理，采集語音信號后， 利用MATLAB軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲， 寸加入噪聲的信號進行頻譜分析，設(shè)計合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。四、結(jié)論及分析1用MATLA對原始語音信號進行分析，畫出它的時域波形和頻譜程序：件.wav);fs=22050;語音信號采樣頻率為22050 x1=wavread(C:Documentsandsound(x1,22050);%播放語音信號y1=fft(x1,1024);%對信號做1024點FFT變換f=fs*(0:511)/1024;%將0到511，步長為1的序列的值與除以

10、1024的值，賦值給ffigure(1)%創(chuàng)建圖形窗1plot(x1)%做原始語音信號的時域圖形title(原始語音信號);xlabel(time n);%x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi n);%y軸的名字是“fuzhi n”%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1，fs相乘并figure(2)freqz(xl)%title(頻率響應(yīng)圖)figure)subplot(2,1,1);%plot(abs(y1(1:512)%title(原始語音信號FFT頻譜)subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512); %abs線title(原始語音信號頻譜)xlabe

11、l(Hz);ylabel(幅值);繪制原始語音信號的頻率響應(yīng)圖創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1個繪圖區(qū)間做原始語音信號的FFT頻譜圖是絕對值，plot是直角坐標下線性刻度曲時域波形和頻譜:圖1原始語音信號Figure 2SB圖2語音信號頻率響應(yīng)圖圖3原始語音信號FFT與信號頻譜2.給原始的語音信號加上一個高頻余弦噪聲，頻率為5500hz。對加噪后的語音進行分析，并畫出其信號時域和頻譜圖。程序：fs=22050;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個繪圖區(qū)間plot(f,

12、abs(y2(1:512);%做加噪后的語音信號的頻譜圖（abs是絕對值，plot是直角坐標下線性刻度曲線）title（加噪后的信號頻譜）;xlabel(Hz);%x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi);% y軸的名字是“fuzhi”%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1f=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);

13、 %所加的噪聲是正弦信號x2=x1+d;%將正弦信號噪聲加在語音信號上sound(x2,22050);%播放語音信號y1=fft(x1,1024);%對信號y1做1024點FFT變換y2=fft(x2,1024);%對信號y2做1024點FFT變換figure(1);%創(chuàng)建圖形窗1plot(t,x2);%做加噪后的信號時域圖形 （繪出t對x2的線性圖）title（加噪后的信號);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個繪

14、圖區(qū)間plot(f,abs(y1(1:512);%做原始語音信號的頻譜圖桌 面 聲 音 文件.wav);title（原始語音信號頻譜）;x1=wavread(C:Documents and時域波形和頻譜:圖4加噪后的信號時域圖圖5原始信號與加噪后信號頻譜對比與原始信號對比，區(qū)別：先原始信號沒加噪音之前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原始信號與加噪后信號頻譜對比圖所示3.設(shè)計合適的濾波器，濾除高頻噪聲，繪出濾波后的信號頻域和時域波形： 程序：%用雙線性變換法設(shè)計巴特沃思低通濾波器wp=0.25*pi

15、;%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);%將模擬指標轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標ws1=2/Ts*tan(ws/2);%將模擬指標轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標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WCZ,P,K=buttap(N);%創(chuàng)建Butterworth低通濾波器原型Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);%將零極點增益轉(zhuǎn)換為普遍分子，分母b,a=lp2

16、lp(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az為特征的濾波器）對x2信號進行濾波，賦值給f1figure(10)sub

17、plot(2,1,1) %間plot(t,z)%title(濾波前的時域波形);subplot(2,1,2) %間plot(t,f1);title(濾波后的時域波形);sound(f1,22050); % p=length(f1);F0=fft(f1,p); f=0:fs/p:fs*(s-1)/p;figure(11)y2=fft(z,1024);%subplot(2,1,1);%間plot(f,abs(y4);title(濾波前的頻譜) xlabel(Hz);%xylabel(fuzhi);%ysubplot(2,1,2) F1=plot(f,abs(F0);title(濾波后的頻譜) xl

18、abel(Hz);ylabel(fuzhi);創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1繪圖區(qū)做加噪后的信號時域圖形創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第2繪圖區(qū)播放語音信號對信號y2做1024點FFT變換創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1繪圖區(qū)軸的名字是“Hz” 軸的名字是“fuzhi圖7濾波前后時域波形圖時域波形和頻譜:7 Figure 9-r xEile Edit丑“Ins er t L&ols Itsktop jjtindoii Help O B| fe|O|DS|s0Butterworth1JIII b I 1f1 1 I I 11111riid1F4i1111, _ _ _ _ _ x_ _k41R11hdi1

19、1btl1F11btl11111i11_ _ _ _ _ _X. . . =二二二111111i.1 1.7i i i i i i i丨丨丨- - - - - f -111i111廠門1. - - _-T- -111i 1 i:1|1丨U丨11111110.2200D1D00Q120006D00 BOOD頻率/Hzo.ao.s圖6低通濾波器頻率響應(yīng)曲線*/ FigiiEE 1Dh xEile Edit野“Ins er t L&ols Itsktop jStindon HlpDO a fe gQ紳倉盪Id目B Q0.40.20-D2Q.2Q.3Q.50.S0.7as ag1圖8濾波前后頻

20、譜圖與原噪音信號對比，區(qū)別：通過對比分析可知，濾波后的輸出波形和原始語音加噪聲信號的圖形發(fā)生了一些變化，在 3000-6000HZ3000-6000HZ 之間的信號消失，出現(xiàn) 0-10000-1000 和7000-80007000-8000 之間的信號。濾波后的輸出波形明顯在對應(yīng)時間幅度比 原語音加噪聲信號的要小，而且濾波的效果也與濾波器的選擇有關(guān)， 可以看出濾波器的性能差異以及參數(shù)的調(diào)節(jié)會對濾波器產(chǎn)生一定的影響，并且通過回放可以發(fā)現(xiàn)濾波前后的聲音有變化低通濾波后，已很接近原來的聲音，人耳幾乎辨別不出。從頻譜圖中我們還可以看出聲 音的能量信號主要集中在低頻部分，說明高頻語音信號被濾出，濾波 器

21、達到既定要求。五、設(shè)計體會正所謂“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行。”學(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去 求知，而不去實踐、探索是不夠的。因此在學(xué)期末來臨之際，我們迎來了MATLAB課程設(shè)計。通過為期一周半的MATLA課程設(shè)計，我對MATLA這個仿真軟件有了更進一步的認識和了解。在這一周半時間里，我通過自己摸索，查閱資料，并且在老師 的指導(dǎo)下完成了：語音信號的采集及分析；給原始信號加上一個高頻噪聲；設(shè)計 一個濾波器，濾除高頻噪聲；并最終將課程設(shè)計報告總結(jié)完畢。在整個設(shè)計過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了獨立思考和設(shè)計的能力，樹 立了對知識應(yīng)用的信心， 相信會對今后的學(xué)習(xí)工作和生活有非常大的幫助， 并且 提

22、高了自己的動手實踐操作能力，使自己充分體會到了在設(shè)計過程中的成功喜 悅。雖然這個設(shè)計做的不怎么好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè) 計的最大收獲和財富，使我終身受益。在沒有做課程設(shè)計以前，覺得課程設(shè)計只是對知識的單純總結(jié)，但是通過這 次課程設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面，課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種 檢驗，也是對自己能力的一種提高，通過這次課程設(shè)計使自己明白了原來的那點 知識是非常欠缺的，要學(xué)習(xí)的東西還很多，通過這次課程設(shè)計，明白學(xué)習(xí)是一個 長期積累的過程，在以后的工作和生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己的知 識和綜合素質(zhì)。希望以后像這樣的課程設(shè)計在多一點。參考文獻：1姚東.MA

23、TLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用M.第二版.北京：北京電子工業(yè)出 版社,20002張智星.MATLAE程序設(shè)計與應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社，20023陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.104肖偉、劉忠. MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社2005x1=wavread(C:Documents and件.wav）;%讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1，播放語音信號對信號做1024點FFT變換將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f創(chuàng)建圖形窗1做原始語音信號的時域圖形軸的名字是“time n” 軸的名字

24、是“fuzhi n”繪制原始語音信號的頻率響應(yīng)圖創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1個繪圖區(qū)間做原始語音信號的FFT頻譜圖title（原始語音信號FFT頻譜）subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512); %abs title（原始語音信號頻譜）xlabel(Hz); ylabel(幅值);fs=22050;x1=wavread(C:Documents and件.wav）;讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量x1程序清單：fs=22050; %語音信號采樣頻率為22050sound(x1,22050);%y1=fft(x1,1024);%f=fs*(0:511)/1024;%figur

25、e(1)%plot(x1)%title（原始語音信號);xlabel(time n);%xylabel(fuzhi n);%yfigure(2)freqz(x1)%title（頻率響應(yīng)圖）figure(3)subplot(2,1,1);%plot(abs(y1(1:512)%是絕對值，plot是直角坐標下線性刻度曲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*

26、sin(2*pi*5500*t); %所加的噪聲是正弦信號x2=x1+d;%將正弦信號噪聲加在語音信號上sound(x2,22050);%播放語音信號y1=fft(x1,1024);%對信號y1做1024點FFT變換y2=fft(x2,1024);%對信號y2做1024點FFT變換figure(1);%創(chuàng)建圖形窗1plot(t,x2);%做加噪后的信號時域圖形（繪出t對x2的線性圖）title（加噪后的信號);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);

27、%創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1個繪圖區(qū)間plot(f,abs(y1(1:512);%做原始語音信號的頻譜圖title（原始語音信號頻譜）;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個繪圖區(qū)間plot(f,abs(y2(1:512);%做加噪后的語音信號的頻譜圖（abs是絕對值，plot是直角坐標下線性刻度曲線）title（加噪后的信號頻譜）;xlabel(Hz);%x軸的名字是“time n”ylabel(fuzhi);% y軸的名字是“fuzhi”%用雙線性變換法設(shè)計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title（濾波前的時域波形）;Rp=1;Rs=15;Fs=22050;%通帶最大衰減（db）%阻帶最大衰減（db）Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2);ws