基于Matlab的语音信号处理1

数字信号处理课程设计题目：基于Matlab语音处理学院：信息工程学院专业：通信工程班级：1003班学号：2010013553、2010013579姓名：郭丹丹、武小飞指导教师：金星2目录摘要……………………………………….3第一章背景................................................4第二章设计目的与要求..............................6第三章设计过程..........................................73.1．理论依据.........................................................................................................................73.2．信号采集.........................................................................................................................73.3．数字滤波器设计.............................................................................................................83.4．信号处理.........................................................................................................................83.5.不同的滤波器的性能比较...............................................................................................8第四章设计原理..........................................94.1语音信号的采样................................................................................................................94.2数字滤波器的设计.........................................................................................................114.3.滤波器的性能指标.........................................................................................................11第五章实验代码及结果..........................125.1原语音信号的波形图和频谱分析..................................................................................125.2语音信号的定点分析.....................................................................................................135.3切比雪夫I型低通滤波器..............................................................................................155.4椭圆低通滤波器..............................................................................................................165.5语音信号滤波后的还原波形.........................................................................................17（1）.I型切比雪夫FIR滤波后的还原波形...............................................................17（2）.椭圆FIR滤波后还原波形................................................................................18第六章收获与体会....................................20参考文献......................................................223摘要MATLAB语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件,它可以将声音文件变换为离散的数据文件,然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据,如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等,信号处理是MATLAB重要应用的领域之一。本课程设计介绍了基于Matlab的对语音信号采集、处理及滤波器的设计，并使之实现的过程。理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，用Matlab进行数字语音信号处理，并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容。综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。关键词：MATLAB工具信号语音采集滤波器4第一章背景语音信号处理是一门比较实用的电子工程的专业课程，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段。通过语言相互传递信息是人类最重要的基本功能之一。语言是人类特有的功能，它是创造和记载几千年人类文明史的根本手段，没有语言就没有今天的人类文明。语音是语言的声学表现，是相互传递信息的最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科，它是一门新兴的学科，同时又是综合性的多学科领域和涉及面很广的交叉学科。56第二章设计目的与要求本次课程设计的目的是利用MATLAB对语音信号进行数字信号处理和分析，要求学生采集语音信号后，在MATLAB软件平台进行频谱分析。要求利用MATLAB来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再将该向量看作一个普通的信号，对其进行FFT变换实现频谱分析，再依据实际情况对它进行滤波。然后我们还可以通过sound命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。通过课程设计，主要达到以下目的：1、使学生进一步掌握数字信号处理课程的基本理论、基本方法和基本技术。2、使学生增进对MATLAB的认识，利用MATLAB加深对理论知识的理解。3、使学生了解和掌握使用MATLAB的应用过程和方法，为以后的设计打下良好基础。4、通过课程设计，培养学生能根据设计要求，进行理论知识分析、设计方法总结、典型实例设计等方面的设计综合能力。5.掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法；6.掌握MATLAB设计FIR和IIR数字滤波器的方法；7.掌握在Windows环境下语音信号采集以及时域、频域分析；8.学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法；9.学会用MATLAB对信号进行分析和处理。7第三章设计过程3.1．理论依据根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论（采样频率、采样位数的概念，采样定理；时域信号的FFT分析；数字滤波器设计原理和方法，各种不同类型滤波器的性能比较，阐明设计原理。3.2．信号采集采集语音信号，并对其进行FFT频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。语音信号采集流程图开始设置采样参数获得语音信号结束显示图形傅里叶变换83.3．数字滤波器设计根据待处理信号特点，设计合适数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性。3.4．信号处理用所设计的滤波器对音信号进行滤波。对滤波后的语音信号进行FFT频谱分析。画出处理过程中所得各种波形及频谱图。对语音信号进行回放，感觉滤波前后声音的变化。比较滤波前后语音信号的波形及频谱，对所得结果和滤波器性能进行频谱分析，阐明原因，得出结论。3.5.不同的滤波器的性能比较根据实验结果对比分析椭圆滤波器与I型切比雪夫滤波器的性能，分析信号经过滤波以后的频谱变化差异，以及信号的还原。9第四章设计原理4.1语音信号的采样采样器的作用是把连续信号变成脉冲或数字序列。图中示出了一个连续信号f（t）经采样器采样后变成离散信号的过程图2连续信号f（t）经采样器采样后变成离散信号图中f（t）为被采样的连续信号，s（t）为周期性窄脉冲信号，fs（t）为采样后的离散信号，它用下式来表征：fs（t）=f（t）s（t）采样信号的频率特性为：采样脉冲信号输入采样器低通滤波f(t)10如果|F*（j）|中各个波形不重复搭接，相互间有一定的距离（频率）即：即采样定理可叙述如下：如果采样周期满足下列条件，即：式中为连续信号f（t）的最高次谐波的角频率。则采样信号f*（t）就可以无失真的再恢复为连续信号f（t）。需要指出的是，采样定理只是在理论上给出了信号准确复现的条件。我们可以利用windows自带的录音机录制语音文件，进行数字信号的采集。（开始—程序—附件—娱乐—录音机，文件—属性—立即转换—8000KHz，8位，单声道）或其他软件，将话筒输入计算机的语音输入插口上，启动录音机，录制一段自己的话音。然后在MATLAB软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用进一步理解采样频率、采样位数等概念。图2是基于PC机的语音信号采集过程:图3声音采集过程麦克风声卡WavA/D转换采样滤波Windows自带录音机声音114.2数字滤波器的设计设计数字滤波器的任务就是寻求一个因果稳定的线性时不变系统，并使系统函数H(z)具有指定的频率特性。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。IIR滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应。这种滤波器一般需要用递归模型来实现，因而有时也称之为递归滤波器。FIR滤波器的冲激响应只能延续一定时间，在工程实际中可以采用递归的方式实现，也可以采用非递归的方式实现。1.核心原理：通过对连续函数ha(t)等间隔采样得到离散序列ha(nT)。令h(n)=ha(nT)，T为采样间隔。它是一种时域上的转换方法。2.转换步骤：()()()()()aaaZHshthnThnHz拉氏逆变换等间隔采样变换4.3.滤波器的性能指标在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出。第一种是绝对指标。它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器的设计。第二种指标是相对指标。它以分贝值的形式给出要求。在工程实际中，这种指标最受欢迎。对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带中人有线性相位。运用线性相位响应指标进行滤波器设计具有如下优点：①只包含实数算法，不涉及复数运算；②不存在延迟失真，只有固定数量的延迟；③长度为N的滤波器（阶数为N-1），计算量为N/2数量级。12第五章实验代码及结果5.1原语音信号