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文檔簡(jiǎn)介
1、語(yǔ)音信號(hào)分析與處理摘 要用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析與處理,采集語(yǔ)音信號(hào)后,在MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行頻譜分析;并對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲,對(duì)加入噪聲的信號(hào)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(hào)。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ),用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)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(shí),它的階數(shù)要比相同組的FIR濾波器的低的多。信號(hào)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(hào)處理的最基本內(nèi)容。關(guān)鍵詞:MATLAB;語(yǔ)音信號(hào);加入噪聲;濾波器;濾波 設(shè)計(jì)目的與要求(1)待處理的語(yǔ)音信號(hào)是一個(gè)在
2、20Hz20kHz頻段的低頻信號(hào)。(2)要求MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析和處理,采集語(yǔ)音信號(hào)后,在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行頻譜分析;并對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲,對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,設(shè)計(jì)合適的濾波器進(jìn)行濾除噪聲,恢復(fù)原信號(hào)。設(shè)計(jì)步驟(1)選擇一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)或者自己錄制一段語(yǔ)音文件作為分析對(duì)象;(2)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣,并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析,畫(huà)出信號(hào)的時(shí)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(yǔ)音信號(hào)中,對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放,對(duì)其進(jìn)行FFT頻譜分析;(4)設(shè)計(jì)合適濾波器,對(duì)帶有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波,畫(huà)出濾波前后的時(shí)域波形圖和頻譜圖,比較加噪前后的語(yǔ)
3、音信號(hào),分析發(fā)生的變化;(5)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放,感覺(jué)聲音變化。設(shè)計(jì)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(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù),它用赫茲(Hz)來(lái)表示。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器,對(duì)于非周期采樣的采樣器沒(méi)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,則在單位之間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多,對(duì)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(lái)衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù)。(3)采樣定理:在進(jìn)行模擬/數(shù)字信
4、號(hào)的的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中,最高頻率fmax的2倍時(shí),即:fs.max>=2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整的保留了原始信號(hào)中的信息,一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的510倍;采樣頻率又稱乃奎斯特定理。(4)時(shí)域信號(hào)的FFT分析:信號(hào)的頻譜分析就是計(jì)算信號(hào)的傅立葉變換。連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)的傅立葉分析顯然不便于直接用計(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)值計(jì)算,成為用計(jì)算機(jī)分析離散信號(hào)和系統(tǒng)的的有力工具。對(duì)連續(xù)信號(hào)和系統(tǒng),可以通過(guò)時(shí)域采樣,應(yīng)用DFT進(jìn)行近似譜分析。(5)數(shù)字信號(hào)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(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)方法進(jìn)行的。其步驟是:先設(shè)計(jì)過(guò)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(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(zhǎng)度,其系統(tǒng)函數(shù)H(z)為 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)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?yàn)V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(duì)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(duì)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濾波器的低的多。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)行設(shè)計(jì)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(zhǎng)度。 信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加載入MATLAB仿真軟件平臺(tái)中,采樣值放在向量x1中,fs表示采樣頻率(Hz)x=x1(1:5000,1);%對(duì)雙聲道信號(hào)取單聲道并取其5000點(diǎn)X=fft(x,4096);%對(duì)信號(hào)做4096點(diǎn)FFT變換調(diào)用參數(shù)x為被變換的時(shí)域序列向量,變換區(qū)間長(zhǎng)度為4096,當(dāng)x小于4096時(shí),fft函數(shù)自動(dòng)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(shí),fft函
8、數(shù)計(jì)算x前面4096個(gè)元素構(gòu)成的長(zhǎng)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(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形,然后對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。在MATLAB中利用fft對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換,得到信號(hào)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(hào)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(hào)頻譜');其程序如下:x1,fs=audioread('
9、;000.wav'); %讀取語(yǔ)音信號(hào)x=x1(1:5000,1);%對(duì)雙聲道信號(hào)取單聲道并取其5000點(diǎn)X=fft(x,4096);%對(duì)信號(hào)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(hào)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(hào)頻譜'); sound(x1,fs)程序結(jié)果如下圖: 加噪語(yǔ)音信號(hào)并對(duì)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(yǔ)音信號(hào)采樣后的時(shí)域波形'); xlabel('時(shí)間軸')ylabel('幅值A(chǔ)') subplot(2,1,2); plot(f,abs(x_p(1:n/2); title('原始語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形');xlabel('時(shí)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(yǔ)音信號(hào)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(hào)和原始的語(yǔ)音信號(hào)有明顯的不同。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的任務(wù)就是尋找一個(gè)因果穩(wěn)定的線性時(shí)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(yàn)采用MATLAB工具箱函數(shù)buttord設(shè)計(jì)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(hào)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(guò)濾后信號(hào)的頻譜'); grid on;axis(0 6000 0 100)程序結(jié)果如下圖:信號(hào)處理巴特沃斯濾波器利用函數(shù)filter進(jìn)行濾波。用設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)含噪聲的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。其程序如下:x,fs=audioread('000.wav'); x1=x(:,1); %獲取單列語(yǔ)音信號(hào)并對(duì)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(jì)三余弦混合噪聲信號(hào) N2=length(y); %對(duì)三余弦混合噪聲信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)并對(duì)其做FFT變換 M=length(hdx); fhdx=fft(hdx); w3=2/M*(0:M/2-1); figure %畫(huà)出單列信號(hào)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖、三余弦混合
18、噪聲信號(hào)的離散信號(hào)圖 %及其頻譜圖和加噪后語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)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(jì)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(duì)加噪后語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波并對(duì)其 做%FFT變換 M1=length(lohdx);flohdx=fft(lohdx); w4=2/M1*(0:M1/2-1); figure %畫(huà)出加噪后語(yǔ)音信號(hào)的音頻圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線 %和濾波后語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)比較低沉,較清晰。程序結(jié)果如下圖:將原始信號(hào)波形和濾波后的圖形相比較,大致相同,說(shuō)明濾波器有效果,濾波成功。總 結(jié)本設(shè)計(jì)采用MA
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