MATLAB課程設(shè)計(jì)方案報(bào)告9

1、探次2007級(jí)學(xué)生次MATLAB課程設(shè)計(jì)MATLAB程設(shè)計(jì)報(bào)告書課題名稱基于MATLAB勺語(yǔ)音信號(hào)米集與處理姓名冀鵬超學(xué)號(hào)070306210院、系、部二系專 業(yè)電子信息工程指導(dǎo)教師田愛君2009年5月31日基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)采集與處理一、實(shí)踐的目的和要求1. MATLAB軟件功能簡(jiǎn)介MATLA啲名稱源自 Matrix Laboratory,1984 年由美國(guó)Mathworks公司推向市場(chǎng)。它是 一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起， 并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)， 從而被廣泛的應(yīng)用于科學(xué)計(jì)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(jì)工作。MATLAB件包括五大通用功能， 數(shù)值計(jì)算功能（Nemeric ）、符號(hào)運(yùn)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(hào)運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)是通過請(qǐng)求MAPLE內(nèi)核計(jì)算并將結(jié)果返回到MATLAB命令窗口。該軟件有三大特點(diǎn)，一是功能強(qiáng)大；二是界面友善、語(yǔ)言自然；三是開 放性強(qiáng)。目前，Mathworks公司已推出30多個(gè)應(yīng)用工具箱。MATLAB在線性代數(shù)、矩陣分析、 數(shù)值及優(yōu)化、數(shù)值統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)信號(hào)分析、電路與系統(tǒng)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、次那好和圖像處理、控 制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 過程

3、控制、 建模和仿真、 通信系統(tǒng)以及財(cái)政金融等眾多領(lǐng)域的理論 研究和工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括符號(hào)運(yùn)算和數(shù)值計(jì)算仿真分析。由于信號(hào)與系 統(tǒng)課程的許多內(nèi)容都是基于公式演算，而MATLAB借助符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱提供的符號(hào)運(yùn)算功能，能基本滿足信號(hào)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。MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)中的另一主要應(yīng)用是數(shù)值計(jì)算與仿真分析，主要包 括函數(shù)波形繪制、函數(shù)運(yùn)算、沖擊響應(yīng)與階躍響應(yīng)仿真分析、信號(hào)的時(shí)域分析、信號(hào)的頻譜分析、系統(tǒng)的S域分析和零極點(diǎn)圖繪制等內(nèi)容。數(shù)值計(jì)算仿真分析可以幫助學(xué)生更深入地理解理論

4、知識(shí)，并為將來使用 MATLAB進(jìn)行信號(hào)處理領(lǐng)域的各種分析和實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。2. 本題目的意義本次課程設(shè)計(jì)的課題為基于MATLA啲語(yǔ)音信號(hào)采集與處理，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB的信號(hào)處理功能，采集語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波及變換處理，觀察其時(shí)域和 頻域特性，加深對(duì)信號(hào)處理理論的理解，并為今后熟練使用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)的分析仿真和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。此次實(shí)習(xí)課程主要是為了進(jìn)一步熟悉對(duì) matlab 軟件的使用，以及學(xué)會(huì)利用 matlab 對(duì)聲 音信號(hào)這種實(shí)際問題進(jìn)行處理，將理論應(yīng)用于實(shí)際，加深對(duì)它的理解。二、實(shí)踐原理：1. 理論原理利用MATLAB寸語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析和處理，采集語(yǔ)音信號(hào)后，利用MAT

5、LAB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)。語(yǔ)音信號(hào)的“短時(shí)譜” 寸于非平穩(wěn)信號(hào) ,它是非周期的 , 頻譜隨時(shí)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(gè)時(shí) 刻的頻譜特性。 如果利用加窗的方法從語(yǔ)音流中取出其中一個(gè)短斷 , 再進(jìn)行傅里葉變換 , 就 可以得到該語(yǔ)音的短時(shí)譜。2. 具體流程(1) . 語(yǔ)音信號(hào)的采集及分析基于聲卡進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。將話筒插入計(jì)算機(jī)的語(yǔ)音輸入插口上, 啟動(dòng)錄音機(jī)。按下錄音按鈕，寸話筒說話 , 說完后停止錄音。要保存文件時(shí) ,利用了計(jì)算機(jī)上的 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 把模

6、擬的聲音信號(hào)變成了離散的量化了的數(shù)字信號(hào),放音時(shí),它又通過D/A轉(zhuǎn)換器,把保存的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)為原來的模擬的聲音信號(hào)。 在 Matlab 軟件平臺(tái)下可以利用函數(shù) wavread 寸語(yǔ) 音信號(hào)進(jìn)行采樣 , 得到了聲音數(shù)據(jù)變量 x1, 同時(shí)把 x1 的采樣頻率 fs=22050Hz 和數(shù)據(jù)位 Nbits=16Bit放進(jìn)了 MATALB勺工作空間。圖figure 1為原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形。從圖中 可以看出在時(shí)域環(huán)境下 , 信號(hào)呈現(xiàn)出 6 不規(guī)則的信號(hào)峰值。通過 freqz 函數(shù)繪制原始語(yǔ)音信 號(hào)的頻率響應(yīng)圖 figure 2 。然后寸語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 ,在 Matlab 中可以利用函數(shù) fft

7、寸信號(hào)行快速傅里葉變換 , 得到信號(hào)的頻譜圖 figure 3，從圖中可以看出寸各個(gè)頻點(diǎn)上的隨 機(jī)信號(hào)在頻域進(jìn)行抽樣 , 抽樣頻率為 22050Hz 。(2) . 給原始信號(hào)加上一個(gè)高頻噪聲在Matlab中人為設(shè)計(jì)一個(gè)固定頻率 5500Hz的噪聲干擾信號(hào)。噪聲信號(hào)通常為隨機(jī)序列， 在本設(shè)計(jì)中用正弦序列代替 , 干擾信號(hào)構(gòu)建命令函數(shù)為 d=Au*sin(2*pi*5500*t)', 給出的 干擾信號(hào)為一個(gè)正弦信號(hào)， 針寸上面的語(yǔ)音信號(hào) ， 采集了其中一段。 再寸噪音信號(hào)進(jìn)行頻譜 變換得到其頻譜圖，從圖中可以看出干擾信號(hào)，在4000Hz和6000Hz頻點(diǎn)處有一高峰，其中5500Hz 正是本

8、設(shè)計(jì)所要利用的。(3) . 設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí) ， 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。在濾波器的選取時(shí) ， 由于設(shè)計(jì)方法的側(cè)重點(diǎn)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(jì)將是橢圓濾波器。用雙線性變換法設(shè)計(jì)低通濾波器。的本設(shè)計(jì)是用雙線性變換法設(shè)計(jì)BW帶阻型濾波器。在MATLAB中，可以利用函數(shù)butterworth,設(shè)計(jì) 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(jì)好的帶阻 濾波器對(duì)含噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波 , 在 Matlab 中 FIR 濾波器

9、利用函數(shù) fftfilt 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾 波,FIR濾波器利用函數(shù)filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。在一個(gè)窗口同時(shí)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(yǔ)音信號(hào)與開始的一樣 , 濾波器成功的 濾除了干擾信號(hào)。利用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，利用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)。三、實(shí)踐步驟1用MATLA對(duì)原始語(yǔ)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;%語(yǔ)音信號(hào)采樣頻率為 22050桌面 聲音文件%讀取語(yǔ)音信號(hào)的

10、數(shù)據(jù)，賦給變量x1，sound(x1,22050);%播放語(yǔ)音信號(hào)y1=fft(x1,1024);%對(duì)信號(hào)做1024點(diǎn)FFT變換f=fs*(0:511)/1024;%將 0 到 511，步長(zhǎng)為 1的序列的值與 fs的值，賦值給 ffigure(1)%創(chuàng)建圖形窗 1plot(x1)%做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形title(' 原始語(yǔ)音信號(hào) ');xlabel('time n');%x軸的名字是“ time n ”ylabel('fuzhi n');%y軸的名字是“ fuzhi n ”figure(2)freqz(x1)%繪制原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖ti

11、tle(' 頻率響應(yīng)圖')figure(3)subplot(2,1,1);%創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第 1個(gè)繪圖區(qū)間plot(abs(y1(1:512)%做原始語(yǔ)音信號(hào)的 FFT頻譜圖.wav');相乘并除以 1024title('原始語(yǔ)音信號(hào)FFT頻譜')是絕對(duì)值，plot是直角坐標(biāo)下線性刻度曲線subplot(2,1,2);plot(f,abs(y1(1:512); %abs title(' 原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜') xlabel('Hz');ylabel('幅值');時(shí)域波形和頻譜：圖1原始語(yǔ)音信號(hào)*ALF

12、igurE 2回段1Eile Edit M i er Ijis t X&ols Itsktop indioii 雎 Ip*51D GS O BgQF?® 賓Id 目 Q頻率響f應(yīng)圖圖2語(yǔ)音信號(hào)頻率響應(yīng)圖圖3 原始語(yǔ)音信號(hào)FFT與信號(hào)頻譜2.給原始的語(yǔ)音信號(hào)加上一個(gè)高頻余弦噪聲，頻率為5500hz。對(duì)加噪后的語(yǔ)音進(jìn)行分析，并畫出其信號(hào)時(shí)域和頻譜圖。程序：fs=22050;桌面 聲音文件 .wav'）;%讀取語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量 x1f=fs*(0:511)/1024;%將0到 511，步長(zhǎng)為 1的序列的值與fs 相乘并除以 1024的值，賦值給 ft=0:1/fs:

13、(length(x1)-1)/fs; %將 0 到 x1 的長(zhǎng)度減 1 后的值除以fs 的值，且步長(zhǎng)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)' %所加的噪聲是正弦信號(hào)x2=x1+d;%將正弦信號(hào)噪聲加在語(yǔ)音信號(hào)上sound(x2,22050);%播放語(yǔ)音信號(hào)y1=fft(x1,1024);%對(duì)信號(hào) y1 做 1024 點(diǎn) FFT 變換y2=fft(x2,1024);%對(duì)信號(hào) y2 做 1024 點(diǎn) FFT 變換figure(1);%創(chuàng)建圖形窗 1plot(t,x2);%做加噪后的信號(hào)時(shí)域圖形（繪出 t對(duì) x2 的線性圖）

14、title（' 加噪后的信號(hào)');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(gè)繪圖區(qū)間plot(f,abs(y1(1:512);%做原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖title（' 原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜 '）;xlabel('Hz');%x軸的名字是“ time n ”ylabel('fuzhi');% y軸的名字是“ fuz

15、hi ”subplot(2,1,2);%創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第 2 個(gè)繪圖區(qū)間plot(f,abs(y2(1:512);%做加噪后的語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖（ abs 是絕對(duì)值， plot是直角坐標(biāo)下線性刻度曲線）title（' 加噪后的信號(hào)頻譜 '）;xlabel('Hz');%x軸的名字是“ time n ”ylabel('fuzhi');% y時(shí)域波形和頻譜：軸的名字是"fuzhi圖4加噪后的信號(hào)時(shí)域圖圖5原始信號(hào)與加噪后信號(hào)頻譜對(duì)比與原始信號(hào)對(duì)比，區(qū)別：先原始信號(hào)沒加噪音之前 0 到 2000 有幅值，在 4000 到 6000 之間

16、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(hào)與加噪后信 號(hào)頻譜對(duì)比圖所示。3. 設(shè)計(jì)合適的濾波器，濾除高頻噪聲，繪出濾波后的信號(hào)頻域和時(shí)域波形：程序：%用雙線性變換法設(shè)計(jì)巴特沃思低通濾波器 wp=0.25*pi;ws=0.3*pi;Rp=1;Rs=15;Fs=22050;Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2);ws1=2/Ts*tan(ws/2);N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s');Z,P,K=buttap(N);Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2l

17、p(Bap,Aap,Wn);bz,az=bilinear(b,a,Fs);H,W=freqz(bz,az);figure(9)plot(W*Fs/(2*pi),abs(H)%通帶截止頻率%阻帶截止頻率%通帶最大衰減（ db）%阻帶最大衰減（ db）%將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)%將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)%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 Wc ）%創(chuàng)建 Butterworth 低通濾波器原型%將零極點(diǎn)增益轉(zhuǎn)換為普遍分子，分母% 將普遍的分子和分母轉(zhuǎn)換為以 Wn 為截止頻率%用雙線性變換法實(shí)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)

18、字）%求頻率響應(yīng)%繪制 Butterworth 低通濾波器頻率響應(yīng)曲線%添加圖格gridxlabel(' 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(duì) x2 信號(hào)進(jìn)行濾波，賦值給 f1figure(10)subplot(2,1,1)%創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第1 繪圖區(qū)間plot(t,z)%做加噪后的信號(hào)時(shí)域圖形title（' 濾波前的時(shí)域波形 '）;subplot(2,1,

19、2)%創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第2 繪圖區(qū)間plot(t,f1);title(' 濾波后的時(shí)域波形 ');sound(f1,22050);%播放語(yǔ)音信號(hào)p=length(f1);F0=fft(f1,p);f=0:fs/p:fs*(s-1)/p;figure(11)y2=fft(z,1024);%對(duì)信號(hào) y2 做 1024 點(diǎn) FFT 變換subplot(2,1,1);%創(chuàng)建兩行一列繪圖區(qū)間的第 1 繪圖區(qū)間plot(f,abs(y4);title(' 濾波前的頻譜 ')xlabel('Hz');%x軸的名字是“ Hz”ylabel('fuz

20、hi');%y軸的名字是“ fuzhi ”subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0);title（' 濾波后的頻譜')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');時(shí)域波形和頻譜:) Figure 9口叵®Eidity-L1Ms er Insert X*oli Utskt-op jiirLdiOHU芒lpB k題富鋼込宦El目叵頻率/ Hz4218 6 420 L V cjD.D.ci慳Is圉曾<梟圖6低通濾波器頻率響應(yīng)曲線JF土guruD- T X圖7濾波前后時(shí)域波形圖圖8濾波前后頻譜圖與

21、原噪音信號(hào)對(duì)比，區(qū)別：通過對(duì)比分析可知，濾波后的輸出波形和原始語(yǔ)音加噪聲信號(hào)的圖形發(fā)生了一些變化，在3000-6000HZ之間的信號(hào)消失，出現(xiàn) 0-1000和7000-8000之間的信號(hào)。濾波后的輸出波形明顯在對(duì)應(yīng)時(shí)間幅度比原語(yǔ)音加噪聲信號(hào)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(huì)對(duì)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(hào)主要集中在低頻部分，說明高頻語(yǔ)音信號(hào)被濾 出，濾波器達(dá)到既定要求。四、心得體會(huì)正所謂“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的。因此在學(xué)期末來臨之際，我們迎來了MATLAB