數(shù)據(jù)的采集與語音信號(hào)的頻譜分析

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)生姓名：呂濤學(xué)號(hào):10050644X23學(xué)生姓名：王麗學(xué)號(hào):10050644X09學(xué)生姓名：趙芳學(xué)號(hào)：10050644X15學(xué)生姓名：孟慶慧學(xué)號(hào)：10050644X05學(xué)院：信息商務(wù)學(xué)院專業(yè)：電子信息工程題目：信息處理綜合實(shí)踐：數(shù)據(jù)的采集與語音信號(hào)的頻譜分析指導(dǎo)教師：金永職稱：副教授2013年6月28日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書12/13學(xué)年第二學(xué)期學(xué)院：信息商務(wù)學(xué)院專業(yè)：電子信息工程學(xué)生姓名：呂濤學(xué)號(hào):10050644X23學(xué)生姓名：一王麗學(xué)號(hào):10050644X09學(xué)生姓名：一趙芳學(xué)號(hào)：10050644X15學(xué)生姓名：一孟慶慧學(xué)號(hào)：10050644X05課程設(shè)計(jì)題目：信

2、息處理綜合實(shí)踐：數(shù)據(jù)的采集與語音信號(hào)的頻譜分析起迄日期：2013年6月7日2013年6月28日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：學(xué)院樓201、510、608實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師：金比系主任：王明泉下達(dá)任務(wù)書日期：2013年6月7日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1 .設(shè)計(jì)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勺信號(hào)處理技術(shù)；(4)掌握MATLA映現(xiàn)音樂信號(hào)的讀取、保存、拼接與頻譜分析。2 .設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等)：(1)查閱相關(guān)資料，撰寫關(guān)于基于USB總線或PCI總線A/D卡

3、的報(bào)告；(2)采用麥克采集本組各個(gè)同學(xué)的語音信號(hào)；(3)采用MATLA改取采集的語音信號(hào)，截取各信號(hào)中的一段進(jìn)行拼接，并進(jìn)行頻譜分析；(4)保存拼接后的語音信號(hào)，并進(jìn)行播放證實(shí)存儲(chǔ)的正確性，同時(shí)對(duì)拼接后信號(hào)與原有信號(hào)的頻譜作對(duì)比；(5)提高內(nèi)容：編寫語音采集數(shù)據(jù)程序。3 .設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：(1)要求設(shè)計(jì)組的每個(gè)成員都要了解設(shè)計(jì)的要求和思路；(2)MATLA嗷據(jù)處理部分要求有正確的運(yùn)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(xué)有自己的理解；(4)每位同學(xué)針對(duì)上述內(nèi)容撰寫設(shè)計(jì)說明書(每人1份)。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書4 .主要參

4、考文獻(xiàn)：要求按國標(biāo)GB771487文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則書寫，例：1傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴中.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1985（5篇以上）5 .設(shè)計(jì)成果形式及要求:課程設(shè)計(jì)說明書程序運(yùn)行結(jié)果6 .工作計(jì)劃及進(jìn)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(yīng)用；6月15日6月25日：MATLA改現(xiàn)語音信號(hào)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(shè)計(jì)說明書；6月28日：答辯系主任審查意見：簽字：年月日摘要21基于USB總線A/D卡的報(bào)告21.1 USB總線介紹21.2 USB接口電路設(shè)計(jì)31.3 接口的數(shù)據(jù)采集

5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)31.4 A/D轉(zhuǎn)換電路42設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介53語音信號(hào)的采集54語音信號(hào)的分析64.1 語音信號(hào)時(shí)域分析64.2 語音信號(hào)頻域分析65程序設(shè)計(jì)及仿真圖76語音信號(hào)的讀取、拼接、保存與頻譜分析96.1設(shè)計(jì)條件及主要參數(shù)表96.2設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算116.3設(shè)計(jì)結(jié)果127設(shè)計(jì)體會(huì)138參考文獻(xiàn)14摘要語音信號(hào)的采集與分析技術(shù)是一門涉及面很廣的交叉科學(xué)，它的應(yīng)用和發(fā)展與語音學(xué)、聲音測(cè)量學(xué)、電子測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理等學(xué)科緊密聯(lián)系。該設(shè)計(jì)主要介紹語音信號(hào)的采集與分析方法，通過PC機(jī)錄制自己的一段聲音，運(yùn)用Matlab提供的函數(shù)進(jìn)行仿真分析，并畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，對(duì)所采集的

6、語音信號(hào)加入干擾隨機(jī)高斯噪聲，對(duì)加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行播放，并進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析；對(duì)比加噪前后的時(shí)域圖和頻譜圖，分析討論采用什么樣的濾波器進(jìn)行濾除噪聲。關(guān)鍵詞：語音信號(hào)；采集與分析；Matlab一基于USB總線A/D卡的報(bào)告1 .USB總線介紹USB總線為通用串行總線，US漏口位于PS/2接口和串并口之間，允許外設(shè)在開機(jī)狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來127個(gè)外設(shè)，傳輸速率可達(dá)480Mb/S,P它可以向低壓設(shè)備提供5伏電源，同時(shí)可以減少PC機(jī)I/O接口數(shù)量。USB是基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目的。數(shù)據(jù)采集就是把來自各種傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地

7、、準(zhǔn)確地測(cè)量或匯集起來，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或記錄存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)完成測(cè)試和控制功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口連接各種功能模塊、儀器儀表和傳感器，組成測(cè)量系統(tǒng)2 .USB®口電路設(shè)計(jì)USBR3是上拉電阻器，它可使USESO的D端上拉到DS2490s勺VB端，表示USB主機(jī)系統(tǒng)是高速設(shè)備，同時(shí)這個(gè)上拉電阻器告訴主機(jī)有USES備插入。該上拉電阻器的設(shè)置對(duì)適配器的影響很大，它的負(fù)載值和1-Wire網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)決定1-Wire總線電壓上升到5V的速度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇R3的阻值為27Q±10%R1、R2為USBB據(jù)線保護(hù)電阻器。L、L2具有禁止高頻干擾并且減弱EMI輻射的功能。L

8、F33CV為1 .3V電壓穩(wěn)壓器，與周圍元件C1、C2組成強(qiáng)上拉部分，給EEPR0M或溫度傳感器等器件提供額外的電源。3 .USBS口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器供計(jì)算機(jī)加工處理?；赨S眼口的數(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(jì)算機(jī)、I/0接口設(shè)備.計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)的核心可采用臺(tái)式機(jī)，系統(tǒng)采用的I/O設(shè)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(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、工控機(jī)連接構(gòu)成高性能的數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng).整個(gè)系統(tǒng)主要由4部分組成：US酷口芯片及外圍電路、控

9、制電路、數(shù)據(jù)緩沖電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。US葭口芯片選擇了Cypress公司的EZ-USB2131Q該芯片內(nèi)嵌8051控制器，因此整個(gè)系統(tǒng)以EZ-US腑制器為核心，由EZ-US能控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩沖電路的控制，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器，當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖器存滿之后，通知EZ-US脫制器，由主機(jī)取出數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。4 .A/D專換電路聲卡是計(jì)算機(jī)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加工的重要部件，它具有對(duì)信號(hào)濾波、放大、采樣保持、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換芯片采用了MAXI吠司的MAX122該芯片是12b的高速的A/D轉(zhuǎn)換器。在完全轉(zhuǎn)換模式下，他的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到2.6

10、&mus,采樣率為333kS/s。MAX122t5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(gè)時(shí)鐘脈沖節(jié)拍，轉(zhuǎn)換可以不間斷地進(jìn)行，但是需要提供開始轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，并且要保證使能信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)同步，讀信號(hào)和片選始終處于有效狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)一直有效，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。二設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)通過應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)音樂信號(hào)的讀取、拼接、保存與頻譜分析。將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)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(hào)是由哪些頻率的正弦信號(hào)疊加得到的，以及這些正弦信號(hào)的振幅。分析和處理音頻

11、信號(hào)，首先要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。Windows自帶的錄音機(jī)程序也可驅(qū)動(dòng)聲卡來采集語音信號(hào)，并能保存為WAV格式文彳供MATLAB相關(guān)函數(shù)直接讀取、寫入或播放。本實(shí)驗(yàn)以WAV格式音頻信號(hào)作為分析處理的輸入數(shù)據(jù)，用MATLAB處理音頻信號(hào)的基本流程是：先將WAV格式音頻信號(hào)經(jīng)wavread函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLAB列數(shù)組變量；再用MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，如時(shí)域分析、頻域分析、數(shù)字濾波、信號(hào)合成、信號(hào)變換、識(shí)別和增強(qiáng)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WA

12、V格式文彳爺或用sound函數(shù)直接回放。三語音信號(hào)的采集配置好數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參數(shù)后，使用start命令便可啟動(dòng)聲卡開始語音信號(hào)的采集。采集到的數(shù)據(jù)被暫時(shí)存放在PC機(jī)的內(nèi)存里，理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由PC機(jī)的內(nèi)存容量決定的，這一點(diǎn)相對(duì)于一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。MATLAB5可以記錄采集過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，如出錯(cuò)的時(shí)間、錯(cuò)誤產(chǎn)生的來源以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的狀態(tài)等信息都會(huì)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(shè)備的內(nèi)部特性對(duì)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(duì)其進(jìn)行訪

13、問。而且，Matlab可以對(duì)其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，也可在存儲(chǔ)后再進(jìn)行處理。四語音信號(hào)的分析1 .語音信號(hào)時(shí)域分析MATLA蹶據(jù)采集箱中提供的函數(shù)命令進(jìn)行圖像分析的函數(shù)命令：wavread:wavread用于讀取Microsoft的擴(kuò)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(hào)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(yáng)聲器送出向量y中的音頻信號(hào)(采樣頻率

14、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(yáng)聲器送出向量y中的音頻信號(hào)(采樣頻率為fs)。通過Wavread和plot(x)函數(shù)即可顯示圖像的時(shí)域波形。2 .語音信號(hào)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(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLA的信號(hào)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(zhǎng)度；若x為一矩陣，則y是

15、對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT如果x長(zhǎng)度是2的哥次方，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(jì)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(diǎn)的FFT,若x為向量且長(zhǎng)度小于N,則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度N;若向量x的長(zhǎng)度大于N,則函數(shù)截短x使之長(zhǎng)度為N;若x為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。五、程序設(shè)計(jì)及仿真圖1、用Matlab對(duì)原始語音信號(hào)進(jìn)行分析，畫出它的時(shí)域波形和頻譜程序：fs=22050;x,fs,Nbits=wavread('01.wav');x,fs,Nbits=wavrea

16、d('01.wav');t=0:1/22050:(length(x)-1)/22050;sound(x,fs);%對(duì)加載的語音信號(hào)進(jìn)行回放figure(1)plot(x)%做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖形title('原始語音信號(hào));做原始語音信號(hào)的FFT頻譜圖xlabel('timen');ylabel('fuzhin');n=length(x);%y1=fft(x,n);%y2=fftshift(y1);%f=0:fs/n:fs*(n-1)/n;%figure(2)subplot(2,1,1);plot(abs(y2)%求出語音信號(hào)的長(zhǎng)度傅里

17、葉變換對(duì)頻譜圖進(jìn)行平移得出頻點(diǎn)title（'原始語音信號(hào)FFT頻譜'）subplot(2,1,2);繪制原始語音信號(hào)plot(f,abs(y2);%title（'原始語音信號(hào)頻譜'）六語音信號(hào)的讀取、拼接、保存與頻譜分析1.設(shè)計(jì)條件及主要參數(shù)表頻譜分析是為了我們能夠知道一個(gè)混合信號(hào)中所有的分量信號(hào)的頻率，從而我們可以得知信號(hào)的組成，一般我們用FFT來分析信號(hào)的的頻率分量特征分析與提取。00：3SC:UsersVliuDeslEtop0£.wav00：3&C：WsereV1iuDesktopO3.waw01:11C：Us.«rsliuD

18、a：51ct0pO4.wav百小文件長(zhǎng)度路徑234,J,1I-»1100.00/00:00圖3實(shí)驗(yàn)首先找到兩個(gè)wav格式的音頻彳t號(hào)(如圖02.wav和03.wav),通過wavread函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLA例數(shù)組變量。其次，分別對(duì)兩個(gè)wav音頻信號(hào)進(jìn)行截取并分別進(jìn)行頻譜分析。再次，將截取的兩段音頻信號(hào)進(jìn)行拼接(uu=m0(1:149499,:);m1(1:208902,:)最后，保存拼接后的音樂信號(hào)(如圖04.wav),并進(jìn)行播放證實(shí)存儲(chǔ)的正確性，同時(shí)對(duì)拼接后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并與原有信號(hào)的頻譜作對(duì)比。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。利用FFT進(jìn)行頻譜分析：若信號(hào)本身是有限長(zhǎng)的序列，計(jì)算序列的頻譜就

19、是直接對(duì)序列進(jìn)行FFT運(yùn)算求得X(k),X(k)就代表了序列在b,2n之間的頻譜值。幅度譜X(k)=_xR(k)+X：(k)相位譜(k)=arctanX1(k)XR(k)若信號(hào)是模擬信號(hào)，用FFT進(jìn)行譜分析時(shí)，首先必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，使之變成離散信號(hào)，然后就可按照前面的方法用FFT來對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行譜分析。按采樣定理，采樣頻率fs應(yīng)大于2倍信號(hào)的最高頻率，為了滿足采樣定理，一般在采樣之前要設(shè)置一個(gè)抗混疊低通濾波器。用FFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(diǎn)FFT應(yīng)用至口的主要函數(shù)：wavreadwavwrite、sound2 .設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算主程序：c

20、learall;clc;m0,fs0,bits0=wavread('02.wav');%讀取音樂信號(hào)len0=size(m0,1);f0=fs0*(0:(len0-1)/len0;%(得出頻點(diǎn))figure(1);plot(m0);%原始音樂信號(hào)的波形圖title('原始音樂信號(hào)的波形圖0');figure(2);y0=fft(m0,len0);plot(f0,abs(y0);%原始音樂信號(hào)的頻譜圖title('原始音樂信號(hào)的頻譜圖0');sound(m0,fs0,bits0);disp('按任意鍵讀取下一段音頻');pausem

21、1,fs1,bits1=wavread('03.wav');len1=size(m1,1);10f1=fs1*(0:(len1-1)/len1;figure(3);plot(m1);%原始音樂信號(hào)的波形圖title(,原始音樂信號(hào)的波形圖1');figure(4);y1=fft(m1,len1);plot(f1,abs(y1);%原始音樂信號(hào)的頻譜圖title('原始音樂信號(hào)的頻譜圖1');sound(m1,fs1,bits1);disp('按任意鍵進(jìn)行拼接');pauseuu=m0(1:149499,:);m1(1:208902,:);

22、len2=size(uu,1);f2=fs0*(0:(len2-1)/len2;figure(5);plot(uu);%拼接后音樂信號(hào)的波形圖title('拼接后音樂信號(hào)的波形圖');figure(6);y2=fft(uu,len2);plot(f2,abs(y2);%拼接后音樂信號(hào)的頻譜圖title('拼接后音樂信號(hào)的頻譜圖');sound(uu,fs0,bits0);disp('按任意鍵進(jìn)行拼接');pausewavwrite(uu,fs0,bits0,'3.wav');3 .設(shè)計(jì)結(jié)果11圖4原始音樂信號(hào)02的頻譜圖12拼接后音樂信號(hào)的波形圖“16圖6拼接后音樂信號(hào)頻譜圖七、設(shè)計(jì)體會(huì)通過此次實(shí)驗(yàn)，我們從中受益匪淺，我們更加深了對(duì)軟件MATLAB