1、 成績 課程設計報告 題 目：基于MATLAB的語音信號采集與處理學生姓名： 學生學號： 系 別： 電氣信息工程學院 專 業： 電子信息工程 屆 別： 2013 指導教師： 基于MATLAB的語音信號采集與處理學生：指導教師：電氣信息工程學院電子與通信工程系1 課程設計的任務與要求1.1 課程設計的任務 利用MATLAB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，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。語音信號的“ 短時譜”對于非平穩信號, 它是非周期的, 頻譜隨時間連續變化, 因此由傅里葉變換得

2、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。1.2 課程設計的要求本次課程設計的課題為基于MATLAB的語音信號采集與處理，學會運用MATLAB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MATLAB進行系統的分析仿真和設計奠定基礎。此次實習課程主要是為了進一步熟悉對matlab軟件的使用，以及學會利用matlab對聲音信號這種實際問題進行處理，將理論應用于實際，加深對它的理解。1.3 課程設計的研究基礎信號與系統、Matl

3、ab程序設計及應用2基于MATLAB的語音信號采集與處理方案的制定(1). 語音信號的采集及分析基于聲卡進行數字信號的采集。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轉換器,把模擬的聲音信號變成了離散的量化了的數字信號,放音時,它又通過D/A轉換器,把保存的數字數據恢復為原來的模擬的聲音信號。在 Matlab軟件平臺下可以利用函數wavread對語音信號進行采樣,得到了聲音數據變量x1,同時把x1的采樣頻率fs=22050Hz和數據位Nbits=16Bit放進了MATALB的工作空間。圖figure 1為原始語音

4、信號的時域圖形。從圖中可以看出在時域環境下,信號呈現出6不規則的信號峰值。通過freqz函數繪制原始語音信號的頻率響應圖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,在本設計中用正弦序列代替,干擾信號構建命令函數為d=Au*sin(2*pi*5500*t)',給出的干擾信號為一個正弦信號，針

5、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 正是本設計所要利用的。(3). 設計一個濾波器，濾除高頻噪聲由模擬濾波器變換為數字濾波器時,采用的是雙線性變換法, 它保留的是從模擬到數字域的系統函數表示。在濾波器的選取時, 由于設計方法的側重點不同, 作出比較是困難的。如果FIR濾波器情況下,最優的設計將是橢圓濾波器。本設計是用雙線性變換法設計BW帶阻型濾波器的。在 MATLAB中 ,可以利用函數 butterworth,設計FIR濾波器,利用 MATLAB 中的函數freqz

6、 畫出各濾波器的頻率響應。用設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fftfilt對信號進行濾波,FIR濾波器利用函數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 ,濾波器成功的濾除了干擾信號。利用MATLAB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，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。3 基于MATLAB的語音信號采集與處理方案的設計設計步驟：1）打開Mat

7、lab軟件；2）點擊File新建M文件；3）在編輯框內寫入系統Matlab程序；4)點擊保存并運行程序，顯示仿真圖形。4 基于MATLAB的語音信號采集與處理的仿真與調試4.1 仿真軟件介紹Matlab是一種交互式的、以矩陣為基礎的軟件開發環境,它用于科學和工程的計算與可視化。Matlab的編程功能簡單,并且很容易擴展和創造新的命令與函數。應用Matlab可方便地解決復雜數值計算問題。Matlab具有強大的Simulink動態仿真環境,可以實現可視化建模和多工作環境間文件互用和數據交換。Simulink支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統,也支持多種采樣速率的多速率系統;Simulink

8、為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口,它與傳統的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比,更直觀、方便和靈活。用戶可以在Matlab和Simulink兩種環境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。用于實現通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab語言中的一個科學性工具包,提供通信領域中計算、研究模擬發展、系統設計和分析的功能,可以在Matlab環境下獨立使用,也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的圖形界面功能GUI（Graphical User Interface）能為仿真系統生成一個人機交互界面，便于仿真系統的

9、操作。因此，Matlab在通信系統仿真中得到了廣泛應用，本文也選用該工具對數字調制系統進行仿真。4.2 系統仿真實現 1用MATLAB對原始語音信號進行分析，畫出它的時域波形和頻譜程序：fs=22050; %語音信號采樣頻率為22050x1=readwav('c.wav'); %讀取語音信號的數據，賦給變量x1，sound(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fs相乘并除以1024的值，賦值給ffigure(1) %創建圖形窗1plot(x1

10、) %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”figure(2)freqz(x1) %繪制原始語音信號的頻率響應圖title('頻率響應圖')figure(3)subplot(2,1,1); %創建兩行一列繪圖區間的第1個繪圖區間 plot(abs(y1(1:512) %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)

11、;plot(f,abs(y1(1:512); %abs是絕對值，plot是直角坐標下線性刻度曲線title('原始語音信號頻譜')xlabel('Hz');ylabel('幅值');時域波形和頻譜：圖1 原始語音信號圖2 語音信號頻率響應圖圖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; x1=wavread('c.wav'); %讀取語音信號的數據，賦給變量x1f=fs*(0:511)/1024; %將0到

12、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)' %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); %創建圖形窗1plot(t,x2); %

13、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) %創建圖形窗2subplot(2,1,1); % 創建兩行一列繪圖區間的第1個繪圖區間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&#

14、39;); % y軸的名字是“fuzhi”subplot(2,1,2); %創建兩行一列繪圖區間的第2個繪圖區間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”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，區別：先原始信號沒加噪音之前0到2000有幅值，在4000到600

15、0之間沒有幅值，但是在加了噪音之后4000到6000之間出現最大幅值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：fs=22050;x,fs,Nbit=readwav('c.wav');sound(x,fs);t=0:1/22050:(length(x)-1)/22050;figure(1)plot(x)title('原始語音信號');xlabel('time n');ylabel('fuzhi');figure(2)freqz(x);tit

16、le('頻率響應圖');n=length(x);y1=fft(x,n);y2=fftshift(x);f=0:fs/n:fs*(n-1)/n;figure(3)subplot(2,1,1);plot(abs(y2);title('原始語音信號FFT頻譜');subplot(2,1,2)plot(f,abs(y2);title('原始語音信號頻譜'); %加噪聲k=1:1:n;c1=10*sin(2*pi*2000*k);figure(4)plot(k,c1)title('噪聲時域圖');figure(5)freqz(c1);tit

17、le('噪聲信號頻率響應')s=length(c1);xc=fft(c1,s);xcc=fftshift(xc);f=0:fs/s:fs*(s-1)/s;figure(6)plot(f,abs(xcc)title('噪聲信號頻譜圖'); %噪聲與原始信號疊加z=x'+c1;y3=fft(z,s);y4=fftshift(y3);f=0:fs/s:fs*(s-1)/s;figure(7)plot(f,abs(y4);axis(0 8000 0 400);title('含語音信號的頻譜');figure(8)subplot(2,1,1);pl

18、ot(f,abs(y4)title('加噪音后的語音頻譜')%用雙線性變換法設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); %將模擬指標轉換成數字指標ws1=2/Ts*tan(ws/2); %將模擬指標轉換成數字指標N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s'); %選擇濾波器的最小階數（估算得到Butterworth低通濾波器的最小階數N和3dB截止頻率W

19、c）Z,P,K=buttap(N); %創建Butterworth低通濾波器原型Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K); %將零極點增益轉換為普遍分子，分母b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); %將普遍的分子和分母轉換為以Wn為截止頻率bz,az=bilinear(b,a,Fs); %用雙線性變換法實現模擬濾波器到數字濾波器的轉換（模擬轉換為數字）H,W=freqz(bz,az); %求頻率響應figure(9)plot(W*Fs/(2*pi),abs(H) %繪制Butterworth低通濾波器頻率響應曲線grid %添加圖格xlabel('頻率Hz')ylabel

20、('頻率響應幅度')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)subplot(2,1,1) %創建兩行一列繪圖區間的第1繪圖區間plot(t,z) %做加噪后的信號時域圖形title('濾波前的時域波形');subplot(2,1,2) %創建兩行一列繪圖區間的第2繪圖區間plot(t,f1); title('濾波后的時域波形');sound(f1,22050); %播放語音信號p=leng

21、th(f1);F0=fft(f1,p);f=0:fs/p:fs*(s-1)/p;figure(11)y2=fft(z,1024); %對信號y2做1024點FFT變換subplot(2,1,1); %創建兩行一列繪圖區間的第1繪圖區間plot(f,abs(y4); title('濾波前的頻譜')xlabel('Hz'); %x軸的名字是“Hz”ylabel('fuzhi'); %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&#

22、39;);ylabel('fuzhi')時域波形和頻譜： 圖6 低通濾波器頻率響應曲線圖7 濾波前后時域波形圖 圖8 濾波前后頻譜圖與原噪音信號對比，區別：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生了一些變化，在3000-6000Hz之間的信號消失，出現0-1000和7000-8000之間的信號。濾波后的輸出波形明顯在對應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,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，濾波器達到既定要求。5 總結 5.1 設計小結 利用MATLAB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，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。 5.2 收獲體會 通過MATLAB課程設計，我對MATLAB這個仿真軟件有了更進一步的認識和了解。在設計過程中，我通過自己摸索，查閱資料，并且在老師的指導下完成了：語音信號的采集及分析；給原始信號加上一個高頻噪聲；設計一個濾波器，濾除高頻噪聲；并最終將課程設計報告總結完畢。在整個設計過程