基于+MATLAB+的语音信号分析与处理的课程设计.docx
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基于+MATLAB+的语音信号分析与处理的课程设计
目录
1．课程设计目的………………………………………………………………
（1）
2．课程设计基本要求……………………………………………...………….
（1）
3．课程设计内容………………………………………..……………………..
（2）
4．课程设计实现……………………………………………………..…..……………（3）
（1）语音信号的采集……………………………………………………..（5）
（2）语音信号的频谱分析………………………………………………..（6）
（3）设计滤波器和画出频率响应………………………………………..（6）
（4）用滤波器对信号进行滤波…………………………………………..（9）
（5）比较滤波前后语音信号的波形及其频谱…………………………..（9）
（6）回放语音信号………………………………………………………..（11）
（7）设计系统界面………………………………………………………..（13）
5、心得体会……………………………………………..……………………..（14）
6、参考文献…………………………………….……………………………..（14）
基于MATLAB的语音信号分析与处理的课程设计
1．课程设计目的
综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现，从而加深对所学知识的理解，建立概念。
1．学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法；
2．掌握在Windows环境下语音信号采集的方法；
3．掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法；
4．掌握MATLAB设计FIR和IIR数字滤波器的方法；
5．学会用MATLAB对信号进行分析和处理。
2．课程设计基本要求
①学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法。
②掌握在Windows环境下语音信号采集的方法。
③掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。
④掌握MATLAB设计FIR和IIR数字滤波器的方法。
⑤学会用MATLAB对信号进行分析和处理。
主要实验仪器及材料
微型计算机、Matlab6.5教学版、TC编程环境。
3．课程设计内容
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，采用窗函数法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的语音信号进行滤波，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；最后，用MATLAB设计一信号处理系统界面。
要求利用windows下的录音机（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，录制一段自己的话音，时间控制在1秒左右。
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，要求理解采样频率、采样位数等概念。
wavread函数调用格式：
y=wavread（file），读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中。
[y,fs,nbits]=wavread（file），采样值放在向量y中，fs表示采样频率（Hz），nbits表示采样位数。
y=wavread（file,N），读取前N点的采样值放在向量y中。
y=wavread（file,[N1,N2]），读取从N1点到N2点的采样值放在向量y中。
语音信号的频谱分析
要求首先画出语音信号的时域波形；然后对语音信号进行频谱分析，在MATLAB中，可以利用函数fft对信号进行快速付立叶变换，得到信号的频谱特性；从而加深对频谱特性的理解。
设计数字滤波器和画出频率响应
根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标：
1）低通滤波器性能指标，fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100dB，Ap=1dB；2）高通滤波器性能指标，fc=2800Hz，fp=3000HzAs=100dB，Ap=1dB；3）带通滤波器性能指标，fp1=1200Hz，fp2=3000Hz，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB。
要求学生首先用窗函数法设计上面要求的三种滤波器，在MATLAB中，可以利用函数fir1设计FIR滤波器，然后在用双线性变换法设计上面要求的三种滤波器；之后再利用函数butter和cheby1设计上面要求的三种IIR滤波器。
最后，利用MATLAB中的函数freqz画出各滤波器的频率响应。
用滤波器对信号进行滤波
比较FIR和IIR两种滤波器的性能，然后用性能好的各滤波器分别对采集的信号进行滤波，在MATLAB中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。
比较滤波前后语音信号的波形及频谱
要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱。
回放语音信号
在MATLAB中，函数sound可以对声音进行回放。
其调用格式：
sound（x,fs,bits）；
可以感觉滤波前后的声音有变化
关于用MATLAB设计对信号进行频谱分析和滤波处理的程序
程序：
%写上标题
%设计低通滤波器：
[N,Wc]=buttord（）
%估算得到Butterworth低通滤波器的最小阶数N和3dB截止频率Wc
[a,b]=butter（N,Wc）;%设计Butterworth低通滤波器
[h,f]=freqz（）;%求数字低通滤波器的频率响应
figure
（2）;%打开窗口2
subplot（221）;%图形显示分割窗口
plot（f,abs（h））;%绘制Butterworth低通滤波器的幅频响应图
title（巴氏低通滤波器''）;
grid;%绘制带网格的图像
sf=filter（a,b,s）;%叠加函数S经过低通滤波器以后的新函数
subplot（222）;
plot（t,sf）;%绘制叠加函数S经过低通滤波器以后的时域图形
xlabel（'时间（seconds）'）;
ylabel（'时间按幅度'）;
SF=fft（sf,256）;%对叠加函数S经过低通滤波器以后的新函数进行256点的基—2快速傅立叶变换
w=%新信号角频率
subplot（223）;
plot（））;%绘制叠加函数S经过低通滤波器以后的频谱图
title（'低通滤波后的频谱图'）;
%设计高通滤波器
[N,Wc]=buttord（）
%估算得到Butterworth高通滤波器的最小阶数N和3dB截止频率Wc
[a,b]=butter（N,Wc,'high'）;%设计Butterworth高通滤波器
[h,f]=freqz（）;%求数字高通滤波器的频率响应
figure（3）;
subplot（221）;
plot（））;%绘制Butterworth高通滤波器的幅频响应图
title（'巴氏高通滤波器'）;
grid;%绘制带网格的图像
sf=filter（）;%叠加函数S经过高通滤波器以后的新函数
subplot（222）;
plot（t,sf）;;%绘制叠加函数S经过高通滤波器以后的时域图形
xlabel（'Time（seconds）'）;
ylabel（'Timewaveform'）;
w;%新信号角频率
subplot（223）;
plot（））;%绘制叠加函数S经过高通滤波器以后的频谱图
title（'高通滤波后的频谱图'）;
%设计带通滤波器
[N,Wc]=buttord（[）
%估算得到Butterworth带通滤波器的最小阶数N和3dB截止频率Wc
[a,b]=butter（N,Wc）;%设计Butterworth带通滤波器
[h,f]=freqz（）;%求数字带通滤波器的频率响应
figure（4）;
subplot（221）;
plot（f,abs（h））;%绘制Butterworth带通滤波器的幅频响应图
title（'butterbandpassfilter'）;
grid;%绘制带网格的图像
sf=filter（a,b,s）;%叠加函数S经过带通滤波器以后的新函数
subplot（222）;
plot（t,sf）;%绘制叠加函数S经过带通滤波器以后的时域图形
xlabel（'Time（seconds）'）;
ylabel（'Timewaveform'）;
SF=fft（）;%对叠加函数S经过带通滤波器以后的新函数进行256点的基—2快速傅立叶变换
w=（%新信号角频率
subplot（223）;
plot（'））;%绘制叠加函数S经过带通滤波器以后的频谱图
title（'带通滤波后的频谱图'）;
4．课程设计实现
（1）语音信号的采集
选取一段语音信号，然后在matlab软件平台下，利用wavread函数对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。
通过使用wavread函数，理解采样频率、采样位数等概念。
wavread函数调用格式
y=wavread（file），读取file所规定的wav文件，返回采样值放在响亮y中。
[y,fs,nbits]=wavread（file），
采样值放在向量y中，fs表示采样频率（hz），nbits表示采样位数。
y=wavread（file，N），
读取钱N点的采样值放在向量y中。
y=wavread（file，[N1,N2]），
读取从N1到N2点的采样值放在向量y中。
对语音信号ermiao.wav进行采样其程序如下：
[y,fs,nbits]=wavread（‘ermiao’）
>>
……
fs=
44100
nbits=
16
y=wavread（file，[20000,65000]）
>>
（2）语音信号的频谱分析
首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。
在matlab中利用fft对信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。
其程序如下：
[y,fs,nbits]=wavread（‘ermiao’，[20000,65000]）；
sound（y，fs，bits）；
Y=fft（y，4096）；
subplot（211）；plot（y）；title（‘原始信号波形’）；
subplot（212）；plot（abs（Y））；title（‘原始信号频谱’）；
程序结果如下图：
（3）设计滤波器和画出频率响应
根据语音信号的特点给出有关滤波器的新能指标：
1低通滤波器的性能指标：
fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100dB，Ap=1dB；
2高通滤波器的性能指标：
fp=4800Hz，fc=5000Hz，As=100dB，Ap=1dB；
3带通滤波器的性能指标：
fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，As=100dB，Ap=1dB；
低通
用窗函数设计低通滤波器的程序如下：
fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs=22050;
wc=2*fc/fs;wp=2*fp/fs;
N=ceil（（As-7.95）/（14.36*（wc-wp）/2））+1;
beta=0.1102*（As-8.7）;
Win=Kaiser（N+1,beta）;
b=fir1（N,wc,Win）;
freqz（b,1,512,fs）;
程序运行结果如下图所示：
用双线性变换设计的低通滤波器的程序如下：
fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs=22050;
wc=2*fc/fs;wp=2*fp/fs;
[n,wn]=ellipord（wp,wc,Ap,As）;
[b,a]=ellip（n,Ap,As,wn）;
freqz（b,a,512,fs）;
程序运行结果如下图所示：
高通
高通滤波器的程序如下：
ws1=4800;
wp1=5000;
wc=22050;
wp=wp1/wc;
ws=ws1/wc;
[N,Wn]=buttord（wp,ws,1,100）;
[b,a]=butter（N,Wn,'high'）
freqz（b,a,521,10000）
程序运行结果如下图所示：
带通
设计带通滤波器的程序如下：
wp1=[12003000];
ws1=[10003200];
wx=11025;
wp=wp1/wc;
ws=ws1/wc;
[n,Wn]=cheb1ord（wp,ws,1,100'）
[b,a]=cheby1（n,1,Wn）;
freqz（b,a,512,1000）
程序运行结果如下图所示：
n=
24
Wn=
0.05440.1361
（4）用滤波器对信号进行滤波
比较两种滤波器的性能，然后用性能较好的滤波器对采集的信号进行滤波。
在MATLAB中，FIR咯其利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。
（5）比较滤波前后语音信号的波形及其频谱
要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及其频谱，
FIR滤波：
其程序如下：
x=fftfilt（b,a,y）;
X=fft（x,4096）;
subplot（221）;plot（y）;title（'原始信号波形'）;
subplot（222）;plot（abs（Y））;title（'原始信号频谱'）;
subplot（223）;plot（x）;title（'滤波后信号的波形'）;
subplot（224）;plot（abs（X））;title（'滤波后信号的频谱'）;
运行结果如下：
IIR滤波：
其程序如下：
x=filter（b,a,y）;
X=fft（x,4096）;
subplot（221）;plot（y）;title（'原始信号波形'）;
subplot（222）;plot（abs（Y））;title（'原始信号频谱'）;
subplot（223）;plot（x）;title（'滤波后信号的波形'）;
subplot（224）;plot（abs（X））;title（'滤波后信号的频谱'）;
运行结果如下：
（6）回放语音信号
在MATLAB中，函数sound可以对声音进行回放。
其调用格式为:
Sound（x,fs,bits）
可以感觉滤波前后的声音变换。
（7）设计系统界面
系统界面-低通滤波器-滤波后（运行结果）：
5、心得体会
这次课程设计历时一个星期，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次设计，进一步加深了对数字信号处理的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。
特别是当每次编写调试成功时，心里特别的开心。
但是在编写程序时，遇到了不少问题，特别是程序语法，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了，心里终于舒了一口气。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
总的来说，这次课程设计还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。
6、参考文献
1《数字信号处理》程佩青清华大学出版社
2《数字信号处理实践教程》杨述斌李永全华中科技大学出版社
3《MATLAB实用教程》郑阿奇电子工业出版社
4《数字信号处理》（第二版）丁玉美西安电子科技大学出版社
5《数字信号处理技术及应用》吴湘美中国铁道出版社
6《数字信号处理原理及实现》吴销扬东南大学出版社
7《MATLAB系统分析与设计》李博函西安电子科技大学出版社
8《数字信号处理》姚天任清华大学出版社
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