语音信号处理实验报告.docx
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语音信号处理实验报告
通信与信息工程学院
信息处理综合实验报告
班级：
电子信息工程1502班
学号
姓名
成绩
指导教师：
设计时间：
2018/10/22-2018/11/23
评语：
通信与信息工程学院
二〇一八年
实验题目：
语音信号分析与处理
一、实验内容
1.设计内容
利用MATLAB对采集的原始语音信号及加入人为干扰后的信号进行频谱分析，使用窗函数法设计滤波器滤除噪声、并恢复信号。
2．设计任务与要求
1.基本部分
（1）录制语音信号并对其进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。
（2）对所录制的语音信号加入干扰噪声，并对加入噪声的信号进行频谱分析；画出加噪后信号的时域波形和频谱图。
（3）分别利用矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗及Blackman窗几种函数设计数字滤波器滤除噪声，并画出各种函数所设计的滤波器的频率响应。
（4）画出使用几种滤波器滤波后信号时域波形和频谱，对滤波前后的信号、几种滤波器滤波后的信号进行对比，分析信号处理前后及使用不同滤波器的变化；回放语音信号。
2.提高部分
（5）录制一段音乐信号并对其进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。
（6）利用MATLAB产生一个不同于以上频段的信号；画出信号频谱图。
（7）将上述两段信号叠加，并加入干扰噪声，尝试多次逐渐加大噪声功率，对加入噪声的信号进行频谱分析；画出加噪后信号的时域波形和频谱图。
（8）选用一种合适的窗函数设计数字滤波器，画出滤波后音乐信号时域波形和频谱，对滤波前后的信号进行对比，回放音乐信号。
二、实验原理
1.设计原理分析
本设计主要是对语音信号的时频进行分析，并对语音信号加噪后设计滤波器对其进行滤波处理，对语音信号加噪声前后的频谱进行比较分析，对合成语音信号滤波前后进行频谱的分析比较。
首先用PC机WINDOWS下的录音机录制一段语音信号，并保存入MATLAB软件的根目录下，再运行MATLAB仿真软件把录制好的语音信号用audioread函数加载入MATLAB仿真软件的工作环境中，输入命令对语音信号进行时域，频谱变换。
对该段合成的语音信号，分别用矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗及Blackman窗几种函数在MATLAB中设计滤波器对其进行滤波处理，滤波后用命令可以绘制出其频谱图，回放语音信号。
对原始语音信号、合成的语音信号和经过滤波器处理的语音信号进行频谱的比较分析。
2.语音信号的时域频域分析
在Matlab软件平台下可以利用函数audioread对语音信号进行采样,得到了声音数据变量y,同时把y的采样频率Fs=44100Hz放进了MATALB的工作空间。
上述程序是在Matlab软件中画出语音信号的时域波形（图1）,回放录入声音。
从图中可以看出在时域环境下,信号呈现出3个不规则的信号峰值。
然后对语音信号进行频谱分析,在Matlab中可以利用函数fft对信号行快速傅里叶变换,得到信号的频谱图如图1所示。
3．MATLAB中的窗函数
实际应用的窗函数，可分为以下主要类型：
a）幂窗--采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间（t）的高次幂；
b）三角函数窗--应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；
c）指数窗--采用指数时间函数，如形式，例如高斯窗等。
d）平顶窗--平顶窗在频域时的表现就象它的名称一样有非常小的通带波动。
不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的，这主要是因为不同的窗函数，产生泄漏的大小不一样，频率分辨能力也不一样。
信号的截短产生了能量泄漏，而用FFT算法计算频谱又产生了栅栏效应，从原理上讲这两种误差都是不能消除的，但是我们可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。
（矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低；布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度最低，但幅值识别精度最高）。
（1）矩形窗，调用格式：
w=boxcar（n），根据长度n产生一个矩形窗w。
（2）三角窗，调用格式：
w=triang（n），根据长度n产生一个三角窗w。
（3）汉宁窗，调用格式：
w=hanning（n），根据长度n产生一个汉宁窗w。
（4）海明窗，调用格式：
w=hamming（n），根据长度n产生一个海明窗w。
（5）布拉克曼窗，调用格式：
w=blackman（n），根据长度n产生一个布拉克曼窗w。
4.窗函数的基本参数
窗函数
旁瓣峰值幅度/dB
过渡带宽近似值
过渡带宽精确值
阻带最小衰减/dB
矩形窗
-13
4π/N
1.8π/N
-21
三角窗
-25
8π/N
6.1π/N
-25
hanning窗
-34
8π/N
6.2π/N
-44
hamming窗
-41
8π/N
6.6π/N
-53
blackman窗
-57
12π/N
11π/N
-74
5.数字滤波的设计并对加噪信号进行滤波处理
数字滤波器分为FIR数字滤波器和IIR数字滤波器两种,可以用硬件和软件来设计实现。
软件设计主要有脉冲响应不变法、双线性变换法、窗口函数法。
本设计是用窗函数法设计FIR低通滤波器。
针对以上语音信号设定滤波器的性能指标用设计低通滤波器。
用设计好的数字滤波器对含噪语音信号进行滤波,在Matlab中FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波,FIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。
在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱如图2所示。
三、实验步骤及结果
1.基本部分
语音文件的读取、采样、加噪，以及绘制原始语音信号和加噪后语音信号的时域波形与频谱：
[y,fs]=audioread（'voice.wav'）;%读取语音文件
sound（y,fs）;%回放语音
y1=fft（y,fs）;%原始语音信号的频谱y1
z=awgn（y,40）;%加入高斯白噪声
z1=fft（z,fs）;%加噪信号的频谱z1
sound（z,fs）;%播放加噪后的语音
figure
（1）;
subplot（2,2,1）;
plot（y）;%绘制原始语音信号的时域波形
title（'原始语音信号的时域波形'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（2,2,2）;
plot（abs（y1））;%绘制原始语音信号的频谱
title（'原始语音信号的频谱'）;
xlabel（'频率'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（2,2,3）;
plot（z）;%绘制加噪语音信号的时域波形
title（'加噪信号的时域波形'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'幅度'）;
subplot（2,2,4）;
plot（abs（z1））;%绘制加噪信号的频谱
title（'加噪信号的频谱'）;
xlabel（'频率'）;
图1（a）原始语音信号的时域波形
图1（b）原始语音信号的频谱
图1（c）加噪语音信号的时域波形
图1（d）加噪语音信号的频谱
滤波器设计代码（以hamming窗为例）：
wp=2*pi*1200/fs;%滤波器参数
ws=2*pi*1400/fs;
wdelta=ws-wp;%过渡带宽度
N=ceil（6.6*pi/wdelta）;%根据过渡带宽度求hamming窗滤波器阶数
wn=（wp+ws）/2;%截止频率
[b,a]=fir1（N,wn/pi,hamming（N+1））;%生成FIR滤波器
使用MATLAB自带函数求滤波器的频率响应：
freqz（b,a,512）;%求频率响应
1用矩形窗设计的滤波器的频率响应
2用三角窗设计的FIR滤波器频率响应
3用hanning窗设计的FIR滤波器频率响应
4用hamming窗设计的FIR滤波器频率响应
5用blackman窗设计的FIR滤波器频率响应
画出使用滤波器滤波后信号时域波形和频谱，对滤波前后的信号、几种滤波器滤波后的信号进行对比，分析信号处理前后及使用不同滤波器的变化，回放语音信号（以hamming窗为例）：
f=fftfilt（b,z）;%调用FIR滤波器（z为加噪后的语音信号）
sound（f,fs）;%播放滤波后的语音信号
figure
（2）
subplot（2,2,1）;
plot（z）;
title（'hamming窗FIR滤波器滤波前的时域波形'）;
subplot（2,2,2）;
plot（f）;
title（'hamming窗FIR滤波器滤波后的时域波形'）;
z3=fft（z,fs）;%滤波前信号的频谱
F0=fft（f,fs）;%滤波后信号的频谱
subplot（2,2,3）;
plot（abs（z3））;
title（'hamming窗FIR滤波器滤波前的频谱'）
xlabel（'频率/Hz'）;
ylabel（'幅值'）;
subplot（2,2,4）
plot（abs（F0））;
title（'hamming窗FIR滤波器滤波后的频谱'）
xlabel（'频率/Hz'）;
ylabel（'幅值'）;
图2（a）滤波前的时域波形
图2（b）滤波前的频谱
图2（c）滤波后的时域波形
图2（d）滤波后的频谱
2.提高部分
录制两段音乐信号，一段音调较高，一段音调较低，画出采样后信号的时域波形和频谱图：
[y,fs]=audioread（'music_1.wav'）;
x1=y（1:
250000）;%取前二十五万个样点
sound（x1,fs）;%播放音乐1（低音，以钢琴为主）
xx1=fft（x1,fs）;%音乐信号1的频谱xx1
[y,fs]=audioread（'music_2.wav'）;
x2=y（1:
250000）;%取前二十五万个样点
sound（x2,fs）;%播放音乐2（高音，以小号为主）
xx2=fft（x2,fs）;%音乐信号2的频谱xx2
图3（a）音乐信号1的时域波形
图3（b）音乐信号1的频谱
图3（c）音乐信号2的时域波形
图3（d）音乐信号2的频谱
将上述两段信号叠加，并加入干扰噪声对加入噪声的信号进行频谱分析；画出加噪后信号的时域波形和频谱图。
选用一种合适的窗函数设计数字滤波器，画出滤波后音乐信号时域波形和频谱，对滤波前后的信号进行对比，回放音乐信号。
m1=x1+x2;%将两段音乐信号叠加
mm1=fft（m1,fs）;%叠加后信号的频谱mm1
sound（m1,fs）;%播放叠加后的音乐信号
z=awgn（m1,20）;%加入高斯白噪声
z1=fft（z,fs）;%加噪信号的频谱z1
sound（z,fs）;%播放加噪后的叠加信号
%-----------使用滤波器对叠加信号进行滤波-------
wp=2*pi*3200/fs;%滤波器参数
ws=2*pi*3400/fs;
wdelta=ws-wp;%过渡带宽度
N=ceil（6.6*pi/wdelta）;%根据过渡带宽度求滤波器阶数
wn=（wp+ws）/2;%截止频率
[b,a]=fir1（N,wn/pi,hamming（N+1））;%使用hamming窗生成滤波器
f=fftfilt（b,z）;
F0=fft（f,fs）;
%n=fs*（0:
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