基于MATLAB的语音信号分析及滤波要点Word下载.docx
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12030735
指导教师:
何松
职称:
讲师
评阅教师:
2015年7月
基于MATLAB的语音信号分析及滤波
摘要
本课题用微软录音机采集了一段语音,对其进行了时域分析,频谱分析,分析语音信号的特性。
应用MATLAB平台对语音信号加入了噪声,按给定滤波器的性能指标,采用窗函数或双线性变换设计滤波器,设计数字滤波器并用窗函数法,画出滤波器的频率响应,然后用自己设计的滤波器对采集语音信号进行滤波处理,画出滤波后信号的时域波形和频谱。
然后对比滤波前后的语音信号的时域和频域特性,回放加噪语音信号和去噪语音信号,分析信号的变化,回放语音信号;
最后,用MATLAB设计一信号处理系统界面。
本次课程设计的目的是更好地了解信号滤波的过程。
关键词:
语音信号;
频域特性;
时域特性;
滤波器
VOICESIGNALANALYSISANDFILTERINGBASEDONTHEMATLAB
Abstract
ThistopicuseMicrosoftrecordercollectavoicesignal,doanalysisonthetimedomainandfrequencyspectrum,analyzethecharacteristicsofvoicesignal.UsingMATLABplatformtoaddthenoiseintothevoicesignal。
Followingagivenperformanceindexofthefilterandusingwindowfunctionorbilineartransformationtodesignfilter,designtheDigitalfilter.TakeadvantageofwindowfunctionmethodtodrawtheFrequencyresponseofthefilter,thenusethefilterdesignedbyourowntocopewiththevoicesignalanddrawthetimedomainwaveformandspectrumoffilteredsignal.Thetimeandfrequencydomaincharacteristicsoftheoriginalvoicesignalandlatervoicesignalarecompared.Playingbackofnoisyvoicesignalandnoisesignal,analyzingthesignalchanges,thenplaybackvoicesignal.Atlast,designasignalprocessingsysteminterfacewithMATLABplatform.Thepurposeofthistopicistolearntheprocessofsignalfiltering.
Keywords:
voicesignal;
frequencydomaincharacteristics;
timedomaincharacteristics;
filter
第1章绪论
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数值计算的方法对信号进行采集、抽样、变换、综合、估值与识别等加工处理,借以达到提取信息和便于应用的目的。
它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域都获得了极其广泛的应用。
具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等优点。
数字滤波器,是数字信号处理中及其重要的一部分。
随着信息时代和数字技术的发展,受到人们越来越多的重视。
数字滤波器可以通过数值运算实现滤波,所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活不存在阻抗匹配问题,可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。
数字滤波器种类很多,根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性,可分为两种,即有限冲激响应(FIR,FiniteImpulseResponse)滤波器和无限冲激响应(IIR,InfiniteImpulseResponse)滤波器。
FIR滤波器结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,系统函数H(z)在处收敛,极点全部在z=0处(因果系统),因而只能用较高的阶数达到高的选择性。
FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR数字滤波器低,但是线性相位,就是不同频率分量的信号经过fir滤波器后他们的时间差不变,这是很好的性质。
FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理,便于编程,用于计算的时延也小,这对实时的信号处理很重要。
FIR滤波器因具有系统稳定,易实现相位控制,允许设计多通带(或多阻带)滤波器等优点收到人们的青睐。
IIR滤波器采用递归型结构,即结构上带有反馈环路。
IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成,可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式,都具有反馈回路。
同时,IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等,有现成的设计数据或图表可查,在设计一个IIR数字滤波器时,我们根据指标先写出模拟滤波器的公式,然后通过一定的变换,将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。
滤波器的设计可以通过软件或设计专用的硬件两种方式来实现。
随着MATLAB软件及信号处理工具箱的不断完善,MATLAB很快成为应用学科等领域不可或缺的基础软件。
它可以快速有效地实现数字滤波器的设计、分析和仿真,极大地减轻了工作量,有利于滤波器设计的最优化。
第2章课程设计内容和要求
2.1设计内容
录制一段自己的语音信号,并对录制的信号进行采样;
画出采样后语音信号的时域波形和频谱图;
给定滤波器的性能指标,采用窗函数或双线性变换设计滤波器,并画出滤波器的频率响应;
然后用自己设计的滤波器对采集语音信号进行滤波,画出滤波后信号的时域波形和频谱,并对滤波前后的信号进行对比,分析信号的变化;
回放语音信号;
2.2设计要求
1.完成语音信号的采集,利用windows自带的录音机或其他软件,录制一段语音,时间在1s以内(建议用自己的姓名,如“我叫****”);
2.进行语音信号的频谱分析;
3.进行数字滤波器的设计,滤波器的性能指标可以根据实际情况作调整,要求用窗函数法数字滤波器;
4.对语音信号进行滤波处理;
5.对滤波前后的语音信号频谱进行对比,并对设计结果进行独立思考和分析;
6.在基本要求的基础上,可以根据个人对该课程设计的理解,添加一些新的内容,如设计系统人机对话界面等。
第3章课程设计的具体实现
3.1语音信号的采集
利用PC机进行数字信号的采集。
将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机。
按下录音按钮,接着对话筒说话“语音信号处理”,说完后停止录音,屏幕左侧将显示所录声音的长度。
点击放音按钮,可以实现所录音的重现。
将语音信号保存入计算机中。
可以看到,文件存储器的后缀默认为.wav,这是WINDOWS操作系统规定的声音文件存的标准。
3.2语音信号的时频分析与频谱分析
利用MATLAB中的“wavread”命令来读入(采集)语音信号,将它赋值给某一向量。
再对其进行采样,记住采样频率和采样点数。
程序如下:
[y,Fs,Nbits]=wavread('
C:
\Users\idea-pad\Desktop\REC004.wav'
);
sound(y,Fs)
n=length(y)
y_p=fft(y,n);
f=Fs*(0:
n/2-1)/n;
figure
(1)
subplot(2,1,1);
plot(y);
title('
原始语音信号时域波形'
xlabel('
时间轴(s)'
)
ylabel('
幅度(A)'
subplot(2,1,2);
plot(f,abs(y_p(1:
n/2)));
axis([0200000150]);
原始语音信号频谱图'
频率HZ'
频率幅度'
如图3-1:
图3-1原始语音信号时域波形和频谱图
3.3语音信号加噪
在本次课程设计中,我们是利用MATLAB中的函数产生噪声加入到语音信号中,模仿语音信号被污染,并对其频谱分析。
在这里,我们选用正弦函数。
语音信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下:
n=1000
t=(0:
n-1)/100000;
y1=10*sin(2*pi*2000*t);
y2=fft(y1,n);
plot(y1);
%噪声信号的时域波形图
噪声信号时域波形图'
plot(f,abs(y2(1:
噪声信号频谱图'
频率(HZ)'
设计语音信号加噪后的时域波形和频谱图的程序如下:
y=wavread('
L=length(y);
L-1)/8000;
A=10;
f=4000;
d=[A*sin(f*pi*t)]'
;
y_z=y+d;
sound(y_z,Fs);
n=length(y);
y_zp=fft(y_z,n);
figure
(2);
Subplot(2,1,1);
plot(y_z);
axis([0130-1515]);
title('
加噪语音信号的时域波形'
时间轴'
plot(f,abs(y_zp(1:
axis([02000002000]);
加噪语音信号频谱图'
结果如图3-2和3-3:
图3-2噪声信号的时域波形和频谱图
图3-3加躁语音信号时域波形和频谱图
3.4设计FIR数字滤波器
IIR滤波器和FIR滤波器的设计方法完全不同。
IIR滤波器设计方法有间接法和直接法,间接法是借助于模拟滤波器的设计方法进行的。
其设计步骤是:
先设计过渡模拟滤波器得到系统函数H(s),然后将H(s)按某种方法转换成数字滤波器的系统函数H(z)。
FIR滤波器比鞥采用间接法,常用的方法有窗函数法、频率采样发和切比雪夫等波纹逼近法。
对于线性相位滤波器,经常采用FIR滤波器。
对于数字高通、带通滤波器的设计,通用方法为双线性变换法。
可
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- 基于 MATLAB 语音 信号 分析 滤波 要点