PAGEword文檔可自由復制編輯PAGE1課程設計說明書題目：基于MATLAB的語音信號錄制采集和窗函數法濾波器設計姓名：院（系）：電氣信息工程學院專業班級：電子信息工程11-1班學號：指導教師：成績：摘要隨著計算機和信息科學的飛速發展，數字信號處理逐漸發展成為一門獨立的學科，成為信息科學的重要組成部分，在語音處理、雷達、圖像處理、通信、生物醫學工程等眾多領域中得到廣泛應用。Matlab語言是一種廣泛應用于工程計算及數值分析領域的新型高級語言，Matlab功能強大、簡單易學、編程效率高，深受廣大科技工作者的喜愛。特別是Matlab還具有信號分析工具箱，不需具備很強的編程能力，就可以很方便地進行語音信號分析、處理和設計。語音信號的抽樣、頻譜分析，濾波討論分析，通過數字信號處理課程的理論知識的綜合運用。從實踐上初步實現對數字信號的處理。關鍵詞：語音處理抽樣頻譜分析濾波器word文檔可自由復制編輯目錄TOC\o"1-3"\h\u17091緒論 122875第一章課程設計方案提出 219610第一節設計要求 27516第二節設計方案 223875第二章語音信號的采集及加噪 312789第一節語音信號的錄制 313791第二節語音信號的時域分析 49879第三節語音信號加噪和頻譜分析 66074第三章濾波器的選擇 74187第一節濾波器的基本概念 716523一濾波器的功能 710035二四種基本的濾波器 732068第二節數字濾波器的基本知識 819946一FIR數字濾波器 820633二IIR數字濾波器 925362第三節數字濾波器的選取 912999第四章心得體會 1027197參考文獻 11緒論MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室），是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。在開發環境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。第一章課程設計方案提出第一節設計要求要求錄制一段自己的語音信號后，在MATLAB軟件中采集語音信號、回放語音信號并畫出語音信號的時域波形和頻譜圖；對所采集的信號加入干擾噪聲，對加入噪聲進行播放，并進行時域和頻譜分析；對比及早前后的時域圖和頻譜圖，分析討論采用什么的濾波器進行濾除噪聲。第二節設計方案Windows自帶的錄音機Windows自帶的錄音機聲音麥克風聲卡濾波采樣A/D轉換Wav首先，錄制一段語音信號（如圖1.1）；然后，利用MATLAB中的wavread命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個普通的信號，對其進行FFT變換實現頻譜分析；隨后，利用MATLAB中的隨機函數(rand或randn)產生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析，在討論用什么濾波器去除噪聲。

第二章語音信號的采集及加噪第一節語音信號的錄制利用PC機上的聲卡和WINDOWS操作系統可以進行數字信號的采集。將話筒輸入計算機的語音輸入插口上,啟動錄音機。按下錄音按鈕,接著對話筒說話“語音信號處理”,說完后停止錄音,屏幕左側將顯示所錄聲音的長度，點擊放音按鈕,可以實現所錄音的重現。以文件名“shijiebei”保存入D:\MATLAB\work中。文件存儲器的后綴默認為.wav,這是WINDOWS操作系統規定的聲音文件存的標準。具體操作如下：a.打開開始/程序/附件/娛樂/錄音機（如圖2.1）;圖2.1b.用windowsmediaplayer播放一首音樂并用MIC對著耳機錄音或自已說話錄音（按鍵），到10秒時停止（按鍵）（如圖2.2）；圖2.2c.將錄制文件加存為D:/MATLAB7/work中，文件名為shijiebei.wav（如圖2.2、圖2.3）；圖2.3第二節語音信號的時域分析在MATLAB軟件平臺下，利用MATLAB中的“wavread”命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再對其進行采樣，記住采樣頻率和采樣點數。通過使用wavread函數，可以深入理解采樣頻率、采樣位數等概念，下面介紹Wavread函數幾種調用格式。（1）y=wavread（file）；讀取file所規定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。（2）[y,fs,nbits]=wavread(file)；采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbits表示采樣位數。（3）y=wavread（file，N）；讀取錢N點的采樣值放在向量y中。（4）y=wavread（file，[N1,N2]）；讀取從N1到N2點的采樣值放在向量y中。接下來，對語音信號shijiebei.wav進行采樣。其采樣程序如下：[y,fs,nbits]=wavered(‘E:\sheji\shijiebei’);即把語音信號加載入Matlab仿真軟件平臺中。然后，畫出語音信號的時域波形，再對語音信號進行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅里葉變換算法FFT計算DFT的函數fft,其調用格式如下：Xk=fft(xn,N)參數xn為被變換的時域序列向量，N是DFT變換區間長度，當N大于xn的長度時，fft函數自動在xn后面補零。，當N小于xn的長度時，fft函數計算xn的前N個元素，忽略其后面的元素。在本次設計中，我們利用fft對語音信號進行快速傅里葉變換，就可以得到信號的頻譜特性。其程序如下：[y,fs,nbits]=wavread('shijiebei');sound(y,fs,nbits);%回放語音信號N=length(y);%求出語音信號的長度Y=fft(y,N);%傅里葉變換subplot(2,1,1);plot(y);title('原始信號波形');subplot(2,1,2);plot(abs(Y));title('原始信號頻譜')程序運行結果如下圖：圖2.4原始信號波形及頻譜第三節語音信號加噪和頻譜分析MATLAB中產生高斯白噪聲非常方便，有兩個產生高斯白噪聲的兩個函數。我們可以直接應用兩個函數：一個是WGN，另一個是AWGN。WGN用于產生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。也可直接用randn函數產生高斯分布序列。在本次課程設計中，我們是利用MATLAB中的隨機函數(rand或randn)產生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其頻譜分析。Randn函數有兩種基本調用格式：Randn(n)和Randn（m,n）,前者產生n×n服從標準高斯分布的隨機數矩陣，后者產生m×n的隨機數矩陣。在這里，我們選用Randn（m,n）函數。語音信號添加噪聲及其頻譜分析的主要程序如下：[y,fs,nbits]=wavread('shijiebei’);N=length(y);%求出語音信號的長度Noise=0.01*randn(n,2); %隨機函數產生噪聲Si=y+Noise;%語音信號加入噪聲sound(Si);subplot(2,1,1);plot(Si);title('加噪語音信號的時域波形');S=fft(Si);%傅里葉變換subplot(2,1,2);plot(abs(S));title('加噪語音信號的頻域波形');程序運行結果如下圖：圖2.5加噪后的波形及頻譜分析第三章濾波器的選擇第一節濾波器的基本概念1、濾波器的功能濾波器的功能是對輸入信號進行濾波以增強所需信號部分，抑制不要的部分。2、四種基本的濾波器四種基本濾波器為低通（LP）、高通(HP)、帶通(BP)和帶阻濾波器(BRP)，這四種濾波器特性如下圖3-1所示：圖3.1第二節數字濾波器的基本知識數字濾波器分為FIR數字濾波器和IIR數字濾波器兩種，即有限沖激響應濾波器（FIR，FiniteImpulseResponse）濾波器和無線沖激響應（IIR，InfiniteImpulseResponse）濾波器。1、FIR數字濾波器（1）FIR的特點：（3-1）不存在極點（z=0除外），系統函數|z>0|處收斂。系統單位沖激響應在有限個n值處不為零。結構上主要是非遞歸結構，沒有輸出到輸入的反饋。故只能用較高的階數達到高的選擇性。FIR數字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數字濾波器低，但是線性相位即不同頻率分量的信號經過FIR數字濾波器后他們的時間差不變。FIR數字濾波器具有系統穩定，易實現相位控制，允許設計多帶通濾波器等優點。（2）FIR結構FIR數字濾波器的結構有四種：橫截性；級聯型結構；頻率采樣型結構；線性相位FIR濾波器的結構。二IIR數字濾波器1、IIR數字濾波器的特點電位沖激響應h(n)是無限長的；系統函數H(z)在有限z平面上（0<|z|<∞）有極點存在；結構上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結構上是遞歸型的。IIR濾波器運算結構通常由延時、乘以系數和相加等基本運算組成。2、有限階IIR的表達式：（3-2）（3-3）3、IIR濾波器的四種結構IIR數字濾波器的結構也有四種：直接I型；直接II型—典范型；級聯型；并聯型。第三節數字濾波器的選取由圖2.4和圖2.5可以看出，語音信號的能量集中在低頻部分，所以根據濾波器的特性和功能，所選擇的濾波器應該具有濾除無用的高頻成分的作用，所以可以選用低通濾波器。又由于IIR數字濾波器的輸出不但取決于過去和現在的輸入，還取決于過去的輸出，所以，選擇IIR數字濾波器比選擇FIR數字濾波器要好。通過徐靖濤.基于MATLAB的語音信號分析與處理[J].重慶科技學院學報2008,1中的2.4的閱讀，可知，本語音信號的濾波選取橢圓型數字低通濾波器效果最好。第四章心得體會這次課程設計歷時一個星期，可以說是苦多于甜，但是可以學的到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固以前所學過的知識，而且學到了很多在書