語音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

通信與信息工程學(xué)院信息處理綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)時(shí)間:評(píng)語:通信與信息工程學(xué)院二0一八年-----WORD格式--可編輯--專業(yè)資料-----實(shí)驗(yàn)題目：語音信號(hào)分析與處理一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容利用MATLAB對采集的原始語音信號(hào)及加入人為干擾后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)濾波器濾除噪聲、并恢復(fù)信號(hào)。設(shè)計(jì)任務(wù)與要求基本部分（1） 錄制語音信號(hào)并對其進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。（2） 對所錄制的語音信號(hào)加入干擾噪聲，并對加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；畫出加噪后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。（3） 分別利用矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗及Blackman窗幾種函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器濾除噪聲，并畫出各種函數(shù)所設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)。（4） 畫出使用幾種濾波器濾波后信號(hào)時(shí)域波形和頻譜，對濾波前后的信號(hào)、幾種濾波器濾波后的信號(hào)進(jìn)行對比，分析信號(hào)處理前后及使用不同濾波器的變化；回放語音信號(hào)。提高部分（5） 錄制一段音樂信號(hào)并對其進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。（6） 利用MATLAB產(chǎn)生一個(gè)不同于以上頻段的信號(hào)；畫出信號(hào)頻譜圖。（7） 將上述兩段信號(hào)疊加，并加入干擾噪聲，嘗試多次逐漸加大噪聲功率，對加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析;畫出加噪后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。（8） 選用一種合適的窗函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，畫出濾波后音樂信號(hào)時(shí)域波形和頻譜，對濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對比，回放音樂信號(hào)。二、實(shí)驗(yàn)原理1.設(shè)計(jì)原理分析本設(shè)計(jì)主要是對語音信號(hào)的時(shí)頻進(jìn)行分析，并對語音信號(hào)加噪后設(shè)計(jì)濾波器對其進(jìn)行濾波處理，對語音信號(hào)加噪聲前后的頻譜進(jìn)行比較分析，對合成語音信號(hào)濾波前后進(jìn)行頻譜的分析比較。首先用PC機(jī)WINDOWS下的錄音機(jī)錄制一段語音信號(hào)，并保存入MATLAB軟件的根目錄下，再運(yùn)行MATLAB仿真軟件把錄制好的語音信號(hào)用audioread函數(shù)加載入MATLAB仿真軟件的工作環(huán)境中，輸入命令對語音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域，頻譜變換。對該段合成的語音信號(hào)，分別用矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗及Blackman窗幾種函數(shù)在MATLAB中設(shè)計(jì)濾波器對其進(jìn)行濾波處理，濾波后用命令可以繪制出其頻譜圖，回放語音信號(hào)。對原始語音信號(hào)、合成的語音信號(hào)和經(jīng)過濾波器處理的語音信號(hào)進(jìn)行頻譜的比較分析。語音信號(hào)的時(shí)域頻域分析在Matlab軟件平臺(tái)下可以利用函數(shù)audioread對語音信號(hào)進(jìn)行采樣，得到了聲音數(shù)據(jù)變量y,同時(shí)把y的采樣頻率Fs=44100Hz放進(jìn)了MATALB的工作空間。上述程序是在Matlab軟件中畫出語音信號(hào)的時(shí)域波形（圖1）,回放錄入聲音。從圖中可以看出在時(shí)域環(huán)境下，信號(hào)呈現(xiàn)出3個(gè)不規(guī)則的信號(hào)峰值。然后對語音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在Matlab中可以利用函數(shù)fft對信號(hào)行快速傅里葉變換，得到信號(hào)的頻譜圖如圖1所示。MATLAB中的窗函數(shù)實(shí)際應(yīng)用的窗函數(shù)，可分為以下主要類型：a） 幕窗一采用時(shí)間變量某種幕次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其它時(shí)間（t）的高次幕；b） 三角函數(shù)窗一應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成復(fù)合函數(shù)，例如漢寧窗、海明窗等；c） 指數(shù)窗一采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如形式，例如高斯窗等。d） 平頂窗一平頂窗在頻域時(shí)的表現(xiàn)就象它的名稱一樣有非常小的通帶波動(dòng)。不同的窗函數(shù)對信號(hào)頻譜的影響是不一樣的，這主要是因?yàn)椴煌拇昂瘮?shù)，產(chǎn)生泄漏的大小不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號(hào)的截短產(chǎn)生了能量泄漏，而用FFT算法計(jì)算頻譜又產(chǎn)生了柵欄效應(yīng)，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是我們可以通過選擇不同的窗函數(shù)對它們的影響進(jìn)行抑制。（矩形窗主瓣窄，旁瓣大，頻率識(shí)別精度最高，幅值識(shí)別精度最低；布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識(shí)別精度最低，但幅值識(shí)別精度最高）。（1） 矩形窗，調(diào)用格式：w=boxcar（n），根據(jù)長度n產(chǎn)生一個(gè)矩形窗w。（2） 三角窗，調(diào)用格式：w=triang（n），根據(jù)長度n產(chǎn)生一個(gè)三角窗w。漢寧窗，調(diào)用格式：w=hanning(n)，根據(jù)長度n產(chǎn)生一個(gè)漢寧窗w。海明窗，調(diào)用格式：w=hamming(n)，根據(jù)長度n產(chǎn)生一個(gè)海明窗w。布拉克曼窗，調(diào)用格式：w=blackman(n)，根據(jù)長度n產(chǎn)生一個(gè)布拉克曼窗w。4.窗函數(shù)的基本參數(shù)窗函數(shù)旁瓣峰值幅度/dB過渡帶寬近似值過渡帶寬精確值阻帶最小衰減/dB矩形窗-134n/N1.8n/N-21三角窗-258n/N6.1n/N-25hanning窗-348n/N6.2n/N-44hamming窗-418n/N6.6n/N-53blackman窗-5712n/N11n/N-745.數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)并對加噪信號(hào)進(jìn)行濾波處理數(shù)字濾波器分為FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種，可以用硬件和軟件來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)主要有脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法、窗口函數(shù)法。本設(shè)計(jì)是用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR低通濾波器。針對以上語音信號(hào)設(shè)定濾波器的性能指標(biāo)用設(shè)計(jì)低通濾波器。用設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器對含噪語音信號(hào)進(jìn)行濾波，在Matlab中FIR濾波器利用函數(shù)fftfilt對信號(hào)進(jìn)行濾波,FIR濾波器利用函數(shù)filter對信號(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如圖2所示。三、實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果基本部分語音文件的讀取、采樣、加噪，以及繪制原始語音信號(hào)和加噪后語音信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜：[y,fs]=audioread('voice.wav'); %讀取語音文件sound(y,fs); %回放語音y1=fft(y,fs); %原始、語音信號(hào)的頻譜y1z=awgn(y,40); %加入高斯白噪聲z1=fft(z,fs); %加噪信號(hào)的頻譜z1sound(z,fs); %播放加噪后的語音--完整版學(xué)習(xí)資料分享----figure(1);subplot(2,2,1);plot(y); %繪制原始語音信號(hào)的時(shí)域波形title('原始語音信號(hào)的時(shí)域波形')；xlabel('時(shí)間');ylabel('幅度');subplot(2,2,2);plot(abs(y1)); %繪制原始語音信號(hào)的頻譜title('原始語音信號(hào)的頻譜')；xlabel('頻率');ylabel('幅度')；subplot(2,2,3);plot(z); %繪制加噪語音信號(hào)的時(shí)域波形title('加噪信號(hào)的時(shí)域波形')；xlabel('時(shí)間,)；ylabel('幅度');subplot(2,2,4);plot(abs(z1)); %繪制加噪信號(hào)的頻譜title('加噪信號(hào)的頻譜')；xlabel('頻率,)；圖1(a)原始語音信號(hào)的時(shí)域波形原始語音侑號(hào)前新梏圖1(b)原始語音信號(hào)的頻譜

時(shí)"時(shí)"x106圖1(c)加噪語音信號(hào)的時(shí)域波形加噪伯生的款譜圖1(d)加噪語音信號(hào)的頻譜濾波器設(shè)計(jì)代碼(以hamming窗為例)：wp=2*pi*1200/fs; %濾波器參數(shù)ws=2*pi*1400/fs; 、wdelta二ws-wp; %過渡帶寬度N=ceil(6.6*pi/wdelta);%根據(jù)過渡帶寬度求hamming窗濾波器階數(shù)wn=(wp+ws)/2; %截止頻率[b,a]=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1)); %生成FIR濾波器使用MATLAB自帶函數(shù)求濾波器的頻率響應(yīng)：freqz(b,a,512)； %求頻率響應(yīng)用矩形窗設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)

1U(J用重形窗設(shè)il,NFlR濾液器頻率響胸o1U(J用重形窗設(shè)il,NFlR濾液器頻率響胸oOOJ1S(％)S.00J0.2 0.3OM0.5 Q.6 0.7 0.8 0.9 1■JH化頻率所0導(dǎo)WOO-20000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5OE0.7 0.8 0.9 導(dǎo)WOO-2000歸-化頻率加Ml-化頻率Jit-100 0.1 02 0.3 0.4 0.5 D.6 0.7 08 09 1歸-化頻率環(huán)用hanning窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器頻率響應(yīng)用三角窗設(shè)計(jì)的Ml-化頻率Jit-100 0.1 02 0.3 0.4 0.5 D.6 0.7 08 09 1歸-化頻率環(huán)用hanning窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器頻率響應(yīng)為0 JTlhanning窗世計(jì)的FIR濾波器頻率響陶o-200-4000 0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.9 1歸-化頻率所0-2000-4000為0 JTlhanning窗世計(jì)的FIR濾波器頻率響陶o-200-4000 0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.9 1歸-化頻率所0-2000-400000J0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.B 0.9 1歸?化頻率扃用hamming窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器頻率響應(yīng)0OT—用hamming窗改iI?的FlR濾波器頻率.響應(yīng)mp).年醫(yī)-200L00II-化頻率Ar-2000-40000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-2000-4000I1I-化頻率/t用blackman窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器頻率響應(yīng)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1歸一化?判了畫出使用濾波器濾波后信號(hào)時(shí)域波形和頻譜，對濾波前后的信號(hào)、幾種濾波器濾波后的信號(hào)進(jìn)行對比，分析信號(hào)處理前后及使用不同濾波器的變化，回放語音信號(hào)(以hamming窗為例)：f=fftfilt(b,z); %調(diào)用FIR濾波器(z為加噪后的語音信號(hào))sound(f,fs); %播放濾波后的語音信號(hào)figure(2)subplot(2,2,1);plot(z);title('hamming窗FIR濾波器濾波前的時(shí)域波形');subplot(2,2,2);plot(f);title('hamming窗FIR濾波器濾波后的時(shí)域波形');z3=fft(z,fs); %濾波前信號(hào)的頻譜F0二fft(f,fs); %濾波后信號(hào)的頻譜subplot(2,2,3);plot(abs(z3));title('hamming窗FIR濾波器濾波前的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值')；subplot(2,2,4)plot(abs(F0));title('hamming窗FIR濾波器濾波后的頻譜')xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值')；圖2(a)濾波前的時(shí)域波形圖2(b)濾波前的頻譜圖2(c)濾波后的時(shí)域波形提高部分錄制兩段音樂信號(hào)，一段音調(diào)較高，一段音調(diào)較低，畫出采樣后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖：[y,fs]=audioread('music_1.wav')；x1二y(1:250000); %取前二十五萬個(gè)樣點(diǎn)sound(x1,fs); %播放音樂1(低音，以鋼琴為主)xx1二fft(x1,fs); %音樂信號(hào)1的頻譜xx1[y,fs]=audioread('music_2.wav');x2二y(1:250000); %取前二十五萬個(gè)樣點(diǎn)sound(x2,fs);%播放音樂2(高音，以小號(hào)為主)xx2二fft(x2,fs); %音樂信號(hào)2的頻譜xx20.8音樂借號(hào)0.8音樂借號(hào)1的時(shí)域波形圖3(a)音樂信號(hào)1的時(shí)域波形音樂信的披諾圖3(b)音樂信號(hào)1的頻譜昏樂伯'?控的時(shí)域波形圖3(c)音樂信號(hào)2的時(shí)域波形皆樂倍霽的顆譜圖3(d)音樂信號(hào)2的頻譜將上述兩段信號(hào)疊加，并加入干擾噪聲對加入噪聲的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；畫出加--完整版學(xué)習(xí)資料分享----噪后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。選用一種合適的窗函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，畫出濾波后音樂信號(hào)時(shí)域波形和頻譜，對濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對比，回放音樂信號(hào)。m1=x1+x2; %將兩段音樂信號(hào)疊加mm1=fft(m1,fs); %疊加后信號(hào)的頻譜mm1sound(m1,fs); %播放疊加后的音樂信號(hào)z=awgn(m1,20); %加入高斯白噪聲z1=fft(z,fs); %加噪信號(hào)的頻譜z1sound(z,fs); %播放加噪后的疊加信號(hào)% 使用濾波器對疊加信號(hào)進(jìn)行濾波 wp=2*pi*3200/fs; %濾波器參數(shù)ws=2*pi*3400/fs;wdelta二ws-wp; %過渡帶寬度N=ceil(6.6*pi/wdelta);%根據(jù)過渡帶寬度求濾波器階數(shù)wn=(wp+ws)/2; %截止頻率[b,a]=fir1(N,wn/pi,hamming(N+1)); %使用hamming窗生成濾波器f=fftfilt(b,z);F0=fft(f,fs);%n=fs*(0:511)/1024;sound(f,fs); %播放濾波后的音樂圖4(a)濾波前的加噪信號(hào)的時(shí)域波形甘餉加嗤信寸波浪前的捧誥1200-10M□ Q.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5傾率朋2 *1(/圖4(b)濾波前的加噪信號(hào)的頻譜

濾波后的時(shí)域波時(shí)1.5-1.5-2 1 1 1 1 0- 0.5 1 1.5 2 2.5x1D&圖4(c)濾波后的加噪信號(hào)的時(shí)域波形波泄:n的癰譜圖4(d)濾波后的加噪信號(hào)頻譜四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)在組員們的合作和老師的幫助下順利完成，雖然在過程中遇到了很多問題，比如語音信號(hào)無法正常播放、不懂如何在matlab中進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)、頻譜顯示不正確以及各種導(dǎo)致程序無法運(yùn)行的錯(cuò)誤等。但最后我們通過多方查找資料，以及互相討論驗(yàn)證中成功的解決掉了遇到的問題。通過本次課程設(shè)計(jì)，在整個(gè)過程中我們懂得了許多東西，讓我們了解到

數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有