对采集的语音信号进行matlab设计与分析课程设计报告30

语音信号采集与处理主题：Matlab与信息系统仿真课程设计组长：XXX组员：XXXXXXX班级：电子信息工程12012目录第一章课程设计情况概述1.1课程设计目的…………………………………………………31.2课程设计内容…………………………………………………31.3小组分工………………………………………………………3第二章具体实现方案及小结2.1第（1）、（2）版块：录制语以及频谱分析………………………………42.1.1板块要求…………………………………………………………………42.1.2版块分析及具体实现代码………………………………………………42.1.3Matlab仿真结果图……………………………………………………52.2第（3）版块：采样…………………………………………………………72.2.1版块要求…………………………………………………………………72.2.2板块分析及具体实现代码……………………………………………72.3第（4）版块：对语音实现几种常见变化……………………………………132.3.1版块要求………………………………………………………………132.3.2板块分析及具体实现代码……………………………………………132.4第（5）版块：调制、解调………………………………………………252.4.1板块要求………………………………………………………………252.4.2版块分析及具体实现代码……………………………………………252.4.3Matlab仿真结果图……………………………………………………282.5第（6）版块：加噪、滤波………………………………………………322.5.1板块要求………………………………………………………………322.5.2版块分析及具体实现代码……………………………………………322.6小结………………………………………………………………………413第一章课程设计情况概述1.1课程设计目的本课程设计要求掌握Matlab语言特性、数学运算和图形表示；掌握Matlab程序设计方法在信息处理方面的一些应用；掌握在Windows环境下，利用Matlab进行语音信号采集与处理的基本方法。综合设计实验方案设计5天分析题目，查找相关资料，利用已掌握知识、原理，提出设计具体方案，拟订设计步骤，确定方案，编写程序代码并上机调试，修改完善设计，记录数据，分析结果。1.2课程设计内容这次的课程设计大致分为两个阶段，一周为一个阶段。1.关于Matlab的基础训练Matlab在信号与系统、随机信号处理中的基本应用2.综合设计：语音信号的采集与处理（1）利用windows自带的录音机或者其它录音软件，录制几段语音信号（要有几种不同的声音，要有男声、女声）。（2）对录制的语音信号进行频谱分析，确定该段语音的主要频率范围，由此频率范围判断该段语音信号的特点（低沉or尖锐？）（3）利用采样定理，对该段语音信号进行采样，观察不同采样频率（过采样、欠采样、临界采样）对信号的影响。（4）实现语音信号的快放、慢放、倒放、回声、男女变声。（5）对采集到的语音信号进行调制与解调，观测调制与解调前后信号的变化。（6）对语音信号加噪，然后进行滤波，分析不同的滤波方式对信号的影响。1.3小组分工第（1）、（2）版块XXX，第（3）版块XXX，第（4）版块XXX，第（5）版块XXX，第（6）版块XXX，报告最终由组长统一整理。4第二章具体实现方案2.1第（1）、（2）版块:录制语音以及频谱分析2.1.1版块要求：①利用windows自带的录音机或者其它录音软件，录制几段语音信号（要有几种不同的声音，要有男声、女声）。②对录制的语音信号进行频谱分析，确定该段语音的主要频率范围，由此频率范围判断该段语音信号的特点（低沉还是尖锐？）2.1.2版块分析及具体实现代码：先录制几段音频，再利用Matlab编程对其进行频谱分析。[x1,fs,nbits]=wavread('D:\matlab\语音样本.wav');%读取音频文件，识别的是音频存放地址sound(x1,fs);%利用matlab中发声函数sound语句N=length(x1);M=log(N)/log(2);Q=round(M);%round函数是对所得数取整S=2^Q;%求得与N最接近的2的n次幂n=[0:N-1];%从0取到N-1X=fft(x1);%进行傅里叶变换Fs=1*fs;f=n/N*Fs;%图2的横坐标figure(1);subplot(2,1,1);plot(n,x1);%绘制原音频信号图title('原始音频信号');Amp=abs(X)/(S/2);Amp(1,:)=Amp(1,:)/2;subplot(2,1,2);plot(f,Amp);axis([0,3000,0,0.01])%绘制频谱图title('音频的幅度谱');5在设计算法的过程中，本段程序的难点在于如何找到与length(x1)最接近的2的n次幂，以及傅立叶变换之后的频谱值（即图中的纵坐标值）。通过先对length(x1)求2的对数，再利用round函数进行四舍五入求整，最终得到想要的最接近length(x1)的2的n次幂。2.1.3Matlab仿真结果图：从图中可以读出这段音频信号的频率大概在100～800赫兹，比较低沉，一般来说应该是男声。6从图中可以读出这段音频信号的频率大概在700～1400赫兹，比较尖锐，一般来说应该是女声。72.2第（3）版块：采样2.2.1版块要求利用采样定理，对该段语音信号进行采样，观察不同采样频率（过采样、欠采样、临界采样）对信号的影响。2.2.2板块分析及具体实现代码这里涉及到采样下重采样的问题。所谓重采样就是对一系列离散的数字信号进行插值（升频）或去值（降频），以改变原有信号的采样率，在Matlab中，可以用resample(x,p,q),decimate(x,r)函数实现。也可以将原有音频进行重构，对获得的波形进行二次采样，不过这样比较麻烦。本段程序采用的是resample(x,p,q)函数，所用的音频时间大概有3秒，更有利于观察对频谱的影响。RESAMPLE函数的原理:p/Q是确定采样频率的必要条件，由于系统录音所确定的采样频率由[x1,fs,nbits]=wavread('D:\matlab\nv.wav')所决定;%读取音频文件返回值为44100hz。对于所用音频，其频谱分析出来的最高频率是fm=1750hz。由采样定理得，采样频率fs=2fm=3500hz,大约是44100的1/13。当为临界采样时fs=2fm，确定p=1,Q=13，采样频率为3500hz；当为过采样时fs2fm,确定P=1，Q=10，采样频率为4410hz;当为欠采样时fs2fm,确定P=1，Q=18，采样频率为2450hz;程序代码：[x1,fs,nbits]=wavread('D:\matlab\nv.wav');%读取音频文件，识别的是地址sound(x1,fs);%利用matlab中发声函数sound语句N=length(x1);M=log(N)/log(2);Q=round(M);S=2^Q;n=[0:N-1];%n从0取到N-18X=fft(x1);%进行傅里叶变换Fs=1*fs;f=n/N*Fs;figure(1);subplot(2,1,1);plot(n,x1);%绘制原音频信号title('原始音频信号');Amp=abs(X)/(S/2);Amp(1,:)=Amp(1,:)/2;subplot(2,1,2);plot(f,Amp);axis([0,4000,0,0.01])%绘制频谱图title('音频的幅度谱');临界采样：[x,fs,nbits]=wavread('D:\matlab\nv.wav');%读取音频文件，识别的是地址x2=resample(x,1,13);%采样频率化为3500Hz9sound(x2,fs/13);%利用matlab中发声函数sound语句N=length(x2);M=log(N)/log(2);Q=round(M);S=2^Q;n=[0:N-1];%从0取到N-1X=fft(x2);%进行傅里叶变换Fs=fs/14;f=n/N*Fs;figure(2)subplot(2,1,1);plot(n,x2);%绘制原音频信号title('临界采样后原始音频信号');Amp=abs(X)/(S/2);Amp(1,:)=Amp(1,:)/2;subplot(2,1,2);plot(f,Amp);axis([0,4000,0,0.01])%绘制频谱图title('临界采样音频的幅度谱');10过采样：[x,fs,nbits]=wavread('D:\matlab\nv.wav');%读取音频文件，识别的是地址x3=resample(x,1,10);%采样频率化为4410Hzsound(x3,fs/10);%利用matlab中发声函数sound语句N=length(x3);M=log(N)/log(2);Q=round(M);S=2^Q;n=[0:N-1];%从0取到N-1X=fft(x3);%进行傅里叶变换Fs=fs/10;f=n/N*Fs;figure(3);subplot(2,1,1);plot(n,x3);%绘制原音频信号title('过采样后原始音频信号');Amp=abs(X)/(S/2);Amp(1,:)=Amp(1,:)/2;subplot(2,1,2);plot(f,Amp);axis([0,4000,0,0.01])%绘制频谱图title('过采样后音频的幅度谱');11欠采样[x,fs,nbits]=wavread('D:\matlab\nv.wav');%读取音频文件，识别的是地址x4=resample(x,1,18);%采样频率化为2450Hzsound(x4,fs/18);%利用matlab中发声函数sound语句N=length(x4);M=log(N)/log(2);Q=round(M);S=2^Q;n=[0:N-1];%从0取到N-1X=fft(x4);%进行傅里叶变换Fs=fs/18;f=n/N*Fs;figure(4);subplot(2,1,1);plot(n,x4);%绘制原音频信号title('欠采样后原始音频信号');Amp=abs(X)/(S/2);Amp(1,:)=Amp(1,:)/2;subplot(2,1,2);plot(f,Amp);axis([0,4000,0,0.01])%绘制频谱图title('欠采样后音频的幅度谱');12频谱分析：由第一段程序对所用的音频进行频谱分析所得频谱图可知，这段音频的最大频率为1750Hz，也就可以确定三种采样所用的采样频率。由采样定理知，临界采样和过采样对声音不会有太大影响，临界采样让相邻频谱紧靠，过采样让相邻频谱分开一段距离。而欠采样则让频谱不全，声音听起来低沉暗哑。132.3第（4）版块：对语音实现几种常见变化2.3.1板块要求实现语音信号的快放、慢放、倒放、回声、男女变声。2.3.2版块分析及具体实现代码①实现对录音内容倒放[x,fs,Nbits]=wavread('D:\matlab\语音样本.wav');x=flipud(x)wavplay(x,fs);%对加载的语音信号进行回放②实现录音内容回声[x,fs,bits]=wavread('D:\matlab\语音样本.wav');%读取语音信号n1=0:2000;b=x(:,1);%产生单声道信号N=3;M=length(x);yy2=filter(1,[1,zeros(1,80000/(N+1)),0.7],[b',zeros(1,40000)]);%IIR滤波器进行滤波figure(3)subplot(2,1,1);plot(yy2);%三次回声滤波器时域波形title('三次回声滤波器时域波形');YY2=fft(yy2);%对三次回声信号做FFT变换subplot(