语音数字信号处理与分析及Matlab实现数字信号课程设计 精品.docx

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语音数字信号处理与分析及Matlab实现数字信号课程设计精品

吉林工程技术师范学院

信息工程学院

《数字信号处理》

课程设计报告

题目：

语音数字信号处理与分析及Matlab实现

专业：

电子信息工程

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

时间：

2013/11/4----2013/11/22

第一章绪论

1.1设计的目的及意义

目的:

通过数字信号处理课程设计,使学生深入了解和掌握噪声信号的频谱分析,进一步明确了数字滤波器设计方法和实际应用,为下一步学习和工作打下良好的基础。

意义:

语音信号处理是一门新兴的边缘学科，它和认知科学、心理学、语言学、计算机科学、模式识别和人工智能等学科有着紧密的联系。

语音信号处理的发展依赖于这些学科的发展，而语音信号处理技术的进步也会促进这些领域的进步。

通过MATLAB可以对数字化的语音信号进行处理。

由于MATLAB是一种面向科学和工程计算的高级语言，允许用数字形式的语言编程，又有大量的库函数，所以编程简单、编程效率高、易学易懂。

我们可以对信号进行加噪和去噪、滤波、截取语音等。

1.2设计要求

要求利用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；并对所采集语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号。

1、对采集的语音信号进行频谱分析。

2、对原采集的语音信号加入干扰噪声并对其进行频谱分析。

3、设计合适的滤波器。

1.3设计内容

1.3.1理论依据及信号采集

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。

采集语音信号，把语音信号保存为.wav文件，长度小于3秒，并对语音信号进行采样；录制的软件可以使用Windows自带的录音机，或者也可以使用其他专业的录音软件，录制时需要配备录音硬件，为了方面比较，需要在安静、无噪音、干扰小的环境下录，并对其进行FFT频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。

1.3.2构造受干扰信号并对其进行FFT频谱分析

对所采集的语音信号加入干扰噪声，对语音信号进行回放，感觉加噪前后声音的变化，分析原因，得出结论。

并对其进行FFT频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频谱，对所得结果进行分析，阐明原因，得出结论。

1.3.3数字滤波器的设计及信号处理

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。

用所设计的滤波器对含噪语音信号进行滤波。

对铝箔后的语音信号进行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，对所得结果的滤波器性能进行频谱分析，阐明原因，得出结论。

设计处理系统的用户界面，在所设计界面上可以选择滤波器的参数，显示滤波器的频率响应，选择信号等。

第二章信号频谱分析

2.1原始信号及频谱分析

下面的一段程序是语音信号在MATLAB中的最简单表现，它实现了语音的读入打开，以及绘出了语音信号的波形频谱图。

编程详见附录

结果如图2-1-1

图2-1-1原始信号的图形

已知一个语音信号，数据采样频率为100Hz，试分别绘制N=128点DFT的幅频图和N=1024点DFT幅频图。

编程详见附录

结果如图2-1-2

图2-1-2N=128点DFT的幅频图和N=1024点DFT幅频图

上图（a）、（b）为N=128点幅频谱图，（c）、（d）为N=1024点幅频谱图。

由于采样频率f=100Hz，故Nyquist频率为50Hz，（a）、（c）是0～100Hz频谱图，（b）、（d）是0～50Hz频谱图。

由（a）或（c）可见，整个频谱图是以Nyquist频率为轴对称的。

因此利用fft对信号做频谱分析，只要考察0～Nyquist频率（采样频率一半）范围的幅频特性。

比较（a）和（c）或（b）和（d）可见，幅值大小与fft选用点数N有关，但只要点数N足够不影响研究结果。

从上图幅频谱可见，信号中包括15Hz和40Hz的正弦分量。

2.2加入干扰噪声后的信号及频谱分析

若信号长度T=25.6s，即抽样后x（n）点数为T/Ts=256，所得频率分辨率为Hz，以此观察数据长度N的变化对DTFT分辨率的影响：

编程详见附录

结果如图2-2-1

图2-2-1加入干扰噪声后的信号及频谱分析

第三章数字滤波器的设计

3.1高通滤波器的设计

N阶高通滤波器的设计，高通滤波器是一个使高频率比较容易通过而阻止低频率通过的系统。

它去掉了信号中不必要的低频成分或者说去掉了低频干扰。

其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。

后者是用以频率为自变量的函数表示，一般情况下它是一个以复变量为自变量的的复变函数，以表示。

它的模和幅角为角频率的函数，分别称为系统的“幅频响应”和“相频响应”，它分别代表激励源中不同频率的信号成分通过该系统时所遇到的幅度变化和相位变化。

可以证明，系统的“频率响应”就是该系统“冲激响应”的傅里叶变换。

当线性无源系统可以用一个N阶线性微分方程表示时，频率响应为一个有理分式，它的分子和分母分别与微分方程的右边和左边相对应。

3.2低通滤波器的设计

N阶低通滤波器的设计，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

对于不同滤波器而言，每个频率的信号的强弱程度不同。

当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器,或高音消除滤波器。

低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器）、平滑数据的数字算法、音障（acousticbarriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。

低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（movingaverage）所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

低通滤波器允许从直流到某个截止频率的信号通过。

将通用滤波器二阶传递函数的高通和带通系数均设为零，即得到一个二阶低通滤波器传递公式。

对于高于的频率，信号按该频率平方的速率下降。

在频率处，阻尼值使输出信号衰减。

您可以级联多个这样的滤波器部分来得到一个更高阶的（更陡峭的转降）滤波器。

假定设计要求一个截止频率为10kHz的四阶贝塞尔（Bessel）低通滤波器。

根据参考文献1，每部分的转降频率分别为16.13及18.19kHz，阻尼值分别为1.775及0.821，并且这两个滤波器分区的高通、带通和低通系数分别为0、0与1。

可以使用这两个带有上述参数的滤波器部分来实现所要求的滤波器。

截止频率为输出信号衰减3dB的频率点。

3.3带通滤波器的设计

2N阶带通滤波器设计，带通滤波器（band-passfilter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。

比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。

带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。

一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路（RLCcircuit）。

这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。

一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，有源带通滤波器电路并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。

滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。

这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。

通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。

然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。

这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。

除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。

在频带较低的剪切频率和较高的剪切频率之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是和之间的差值。

3.4带阻滤波器的设计

2N阶带阻滤波器的设计，阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。

其中点阻滤波器（notchfilter）是一种特殊的带阻滤波器，它的阻带范围极小，有着很高的Q值（QFactor）。

带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器说明的概念相对。

其中点阻滤波器（notchfilter）是一种特殊的带阻滤波器，它的阻带范围极小，有着很高的Q值（QFactor）。

将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，就可以得到带阻滤波器，如下图所示。

其中低通滤波器的截止频率应小于高通滤波器的截止频率，因此，电路的阻带为（-）。

带阻滤波器分为腔体带阻滤波器、LC带阻滤波器和有源带阻滤波电路　实用电路常利用无源低通滤波器和高通滤波器并联构成无源带阻滤波电路，然后接同相比例运算电路，从而得到有源带阻滤波电路。

以上几种滤波，我们都可以从信号滤波前后的波形图以及频谱图上看出变化。

当然，也可以用sound（）函数来播放滤波后的语言，从听觉上直接感受语音信号的变化，但由于人耳听力的限制，有些情况下我们是很难听出异同的。

同样，通过函数的调用，也可以将信号的频谱进行“分离观察”，如显出信号的幅值或相位。

下面，通过改变系统函数的分子与分母系数比，来观察信号滤波前后的幅值与相位。

并且使结果更加明显，使人耳得以很容易的辨听。

第四章GUI用户图形界面设计

4.1GUI的基本设计流程

打开MATLAB软件,文件---新建---GUI,如图4-1-1,即可出现图4-1-2

图4-1-1新建GUI

图4-1-2GUIDEQuickStart

点击OK，即可出现图4-1-3GUI界面

图4-1-3GUI界面

点击File—Preferences,如图4-1-4，即可出现图4-1-5

图4-1-4改变图形界面

将Shownamesincomponentpalette勾选即可出现出现图4-1-5，点击OK，即可出现图4-1-6

图4-1-5GUIPreferences

图4-1-6GUI绘制界面

用PushButton按键及Axes按键绘制如图4-1-7图

图4-1-7整体界面

右击PushButton按键，选择ViewCallbacks—Callback，如图4-1-8

图4-1-8设置回调函数

保存，如图4-1-9

图4-1-9保存文件

将程序输入进去，如图4-1-10所示

图4-1-10输入回调函数

保存并且运行即可出现图形

4.2数字滤波器的实现

4.2.1高通滤波器的实现

高通滤波器是一个使高频率比较容易通过而阻止低频率通过的系统。

它去掉了信号中不必要的低频成分或者说去掉了低频干扰。

其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。

一般情况下它是一个以复变量为自变量的的复变函数，以表示。

它的模和幅角为角频率的函数，分别称为系统的“幅频响应”和“相频响应”，GUI界面成图如图4-