秋季课题六语音信号分析系统设计指导书.docx

1、秋季课题六语音信号分析系统设计指导书课题六 语音信号处理系统设计1、本课题的目的本设计课题主要研究语音信号初步分析的软件实现方法、滤波器的设计及应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：(1)了解Matlab软件的特点和使用方法。(2)掌握利用Matlab分析信号和系统的时域、频域特性的方法；(3)掌握数字滤波器的设计方法及应用。(4)了解语音信号的特性及分析方法。(5)通过本课题的设计，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。二、课题任务设计一个简单的语音信号分析系统，实现对语音信号时域波形显示、进行频谱分析，利用滤波器滤除噪声、对语音信号的参数进行提取分析等功能。采用Mat

2、lab设计语言信号分析相关程序，并且利用GUI设计图形用户界面。具体任务是：(1)采集语音信号。(2)对原始语音信号加入干扰噪声，对原始语音信号及带噪语音信号进行时频域分析。(3)针对语音信号频谱及噪声频率，设计合适的数字滤波器滤除噪声。(4)对噪声滤除前后的语音进行时频域分析。(5)对语音信号进行重采样，回放并与原始信号进行比较。(6)对语音信号部分时域参数进行提取。(7)设计图形用户界面（实现以上功能）。三、主要设备和软件（1）PC机，一台。（2）Matlab6.5以上版本，一套。四、设计内容、步骤和要求4.1必选部分利用MATLAB软件对语音信号进行频谱分析；并对语音信号加入干扰噪声，对

3、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。 （1）根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论、阐明设计原理（抽样频率、量化位数的概念，抽样定理；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）。 （2）对语音信号以不同采样频率进行重采样，回放并与原始信号进行比较（如原语音信号采样频率为16KHz，对其进行8KHz，4KHz的重采样）。（3）对语音信号做FFT，进行频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。（4）对语音信号加入干扰噪声，对语音信号进行回放（利用sound函数），感觉加噪前后声音的变化。对其做FFT，进行频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频

4、谱，对所得结果进行分析。（5）根据带噪语音信号的特点，设计合适的数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性。（6）用所设计的滤波器对带噪语音信号进行滤波。对滤波后的语音信号进行FFT频谱分析。记录处理过程中所得各种波形及频谱图。（7）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，对所得结果和滤波器性能进行频谱分析。42 拓展部分利用GUI设计简单的图形用户界面。要求主界面上包括语音文件的显示及播放按钮，滤波器设计时所需参数设置及滤波功能按钮。滤波前后语音信号时域波形及频谱的显示，滤波器幅频特性的显示等功能可包含在主界面中，也可在新建图形窗口中完成。4.3 选作

5、部分（1）对语音信号部分时域参数计算。对语音信号进行分帧，分别对浊音帧和清音帧的短时能量和短时平均过零率等参数进行计算，并对结果进行比较分析。（2）Simulink仿真 进行基于Simulink的动态仿真设计。实现复杂音或者语音信号的分析。给出系统的基于Simulink的动态建模和仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。注：（1) 录制语音信号可以采用Windows附件中的录音机。在MATLAB中可以采用命令“wavrecord”来进行录音。（2）在MATLAB中打开语音文件可以调用wavread函数，生成.wav文件可以调用wavwrite函数，播放语音可以调用sound函

6、数。（3) 录制语音文件不要太长。五、课程设计报告要求（1）设计报告书包括内容：课程设计题目，课程设计目的和意义，设计方案，详细设计步骤，设计结果（原理图等），测试和仿真结果（图形或数据）及其分析，其它有明确要求的设计内容，结论，参考文献等。（2）提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料（程序、结果等）的电子版。六、参考文献1 高西全.数字信号处理（第三版）.西安电子科技大学出版社，2008.83 吴大正. 信号与线性系统分析（第四版）. 高等教育出版社，2005.84 陈垚光. 精通MATLAB GUI设计（第二版）电子工业出版社, 2011.15 陈后金. 信号分析与处理实验.

7、高等教育出版社，2006.86 赵力. 语音信号处理. 机械工业出版社，2009.7七、 附录设计原理附录：设计原理1.信号的抽样与恢复利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础。抽样过程关系到通信设备整个系统的性能指标。 信号的抽样软件实现例：利用MATLAB实现对信号的抽样。程序如下：t0=0:0.001:0.1; x0=cos(2*pi*20*t0);plot(t0,x0,r) %绘制原

8、始信号hold on Fs=100; T=0:1/Fs: 0.1;x= cos(2*pi*20*t);stem(t,x);hold off 信号恢复的软件实现信号重建是信号抽样的逆过程，需要在抽样点之间“插入”一些细节，也就是在样点之间进行内插。即内插函数为，得到的重建信号记为，则有 （1-1）信号是否为x(t)的重建取决于对x(t)的抽样是否正确。如果不满足抽样定理的约束条件，出现频谱混叠，将无法从样点序列准确地重建x(t)。2. 滤波器设计2.1 模拟滤波器设计原理（1）模拟巴特沃思滤波器原理 巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性：在小于截止频率的范围内，具有最平幅度的响应，而在后，幅频响

9、应迅速下降。巴特沃思低通滤波器幅度平方函数为： (2-1)式中N为滤波器阶数，为3dB截止角频率。将幅度平方函数写成s的函数： (2-2) 该幅度平方函数有2N个等间隔分布在半径为的圆上的极点， 为了形成稳定的滤波器，取左半平面的N个极点构成，即： (2-3) 为使设计统一，将频率归一化，得到归一化极点，相应的归一化系统函数为： (2-4)多项式形式为： (2-5)（2）模拟切比雪夫滤波器原理 切比雪夫滤波器的幅频特性具有等波纹特性，有两种形式，在通带内等波纹、阻带单调的是I型滤波器，在通带内单调、在阻带内等波纹的是II滤波器。以I型滤波器为例。切比雪夫滤波器的幅度平方函数为： (2-6) 为

10、小于1的正数，表示通带内幅度波动的程度。p称为通带截止频率。令=/p，称为对p的归一化频率。CN(x)为N阶切比雪夫多项式。幅度平方函数的极点是分布在bp为长半轴，ap为短半轴的椭圆上的点。同样取s平面左半平面的极点构成： (2-7)进行归一化，得到： (2-8)其中 ， 2.2 模拟滤波器数字化原理将模拟滤波器转化为数字滤波器在工程上常用的有脉冲响应不变法和双线性变换法。脉冲响应不变法时一种时域上的转换方法，它是数字滤波器的单位取样响应在抽样点上等于模拟滤波器的单位冲激响应，即： (2-9)设模拟滤波器只有单阶极点，其系统函数为： (2-10)对进行拉氏反变换得到，对进行等间隔抽样，得到，对

11、进行Z变换，得到数字滤波器系统函数： (2-11)这种方法s和z的关系是：。该方法的优点是频率坐标变换时线性的切数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好；缺点是会产生频谱混叠现象，适合低通、带通滤波器的设计，不适合高通、带阻滤波器的设计。 双线性变换法为了克服频谱混叠现象，采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到之间，再用转换到Z平面上。这种方法s和z的关系是：。该方法克服了频谱混叠现象，但带来了频率坐标变换的非线性：，由模拟滤波器系统函数转换为数字滤波器系统函数公式为： (2-12)2.3数字高通、带通、带阻滤波器的设计这些滤波器可以借助于模拟滤

12、波器的频率变换设计一个所需类型的模拟滤波器， 再通过双线性变换法将其转换成所需类型的数字滤波器。首先确定所需类型数字滤波器的技术指标；然后将数字滤波器技术指标按照公式转换成所需类型滤波器的模拟域技术指标；将所需类型滤波器的模拟域技术指标转换成低通滤波器技术指标；设计归一化模拟低通滤波器；去归一化得到模拟低通滤波器的系统函数；将模拟低通滤波器转换为所需类型的模拟滤波器；最后通过双线性变换法转换成所需类型的数字滤波器。3.Simulink建模和仿真启动Matlab后，在命令窗口中输入命令“simulink”，打开simulink模块库窗口。典型的Simulink模块包括三个部分：输入模块、状态模块

13、、输出模块。3.1 Simulink模块库简介 Continuous（连续模块）库 Discrete（离散模块）库 Math（数学模块）库 Sinks（信号输出模块）库：常用模块为Scope（示波器模块）、XYGraph（二维信号显示模块）、Display（显示模块） Sources（信号源模块）库（如图3-1所示），常见模块有：Constant（输入常数模块）、Signal Generator（信号源发生器模块）。Signal Generator用于产生不同的信号波形，其中包括：正弦波、方波、锯齿波信号。Sources（信号源模块）还包括其它常用模块：Ramp（斜坡输入信号）、Sine Wa

14、ve（正弦波输入信号）、Step（阶跃输入信号）、Clock（时间信号）、Pulse（脉冲信号）等。图3-1 Sources（信号源模块）库3.2 利用Simulink建立滤波器仿真实例系统的传递函数为，输入激励为两个正弦波叠加，查看系统输出变化情况。仿真过程如下：首先打开simulink模块库窗口，在simulink模块库窗口中单击菜单项“File/New/Model”，即可以建立一个新的simulink模型文件。如图3-2所示。利用鼠标单击Simulink模块库窗口中的Continuous子库，选取传递函数模块Transfer Fcn，将它拖动到新建模型文件窗口的合适的位置。然后对模型模块

15、进行参数设置和修改，单击右键从快捷菜单中选取“TransferFcn parameters”修改传递函数参数，在弹出对话框中的传递函数分子系数“Numerator：”栏填入0.5012，在传递函数分母系数“Denominator：”栏填入1 0.6449 0.7079，其余参数使用默认值。若需要进一步了解该模块的参数设置说明，可以单击该对话框下方的“help”按钮。然后确认，就得到了需要仿真的传递函数。如图3-3所示。采用同样的方法，在Simulink模块库中的Sources子库中选取激励信号源，本例选取正弦信号源（Sine wave），并将它拖动到建模文件窗口的合适的位置。然后在Sinks子

16、库中选取示波器（Scope）模块作为系统输出波形显示。接下来利用鼠标将三个模块连接起来。连接方法如下：模块外部的大于符号“”分别表示信号的输入输出节点，为了连接两个模块的输入输出节点，可以将鼠标置于节点处，这时鼠标显示为“十”字形状，拖动鼠标到另一个模块的端口 ，然后释放鼠标按钮，则可以形成带箭头的连线，箭头方向表示信号的流向。图3-2 Simulink模块库窗口和新建模型文件窗口图3-3 修改仿真模型的参数成后的建模系统可以存盘为模型文件，扩展名为“mdl”。如图3-4 所示。图3-4 完成的建模方框图接着对输入信号源（Step）进行参数设置。参数设置界面如图3-5所示。最后双击示波器模型图

17、标，打开示波器显示窗口。在快捷键设置菜单中设置为自动刻度。图3-5 输入信号源（Step）的参数设置界面 以上工作完成后，可通过建模窗口菜单项“Simulation/Start”启动仿真，也可以单击工具栏上的小三角按钮启动仿真。仿真结果如图3-6所示。图3-6 仿真结果（左图为两个频率叠加信号，右图为滤波后单一频率信号） 4.3 Signal Processing Blockset模块仿真过程 Signal Processing Blockset提供了包括变换、矩阵运算、FIR、IIR、自适应和多速率滤波、谱分析和实时数据I/O等模块。利用这个工具箱对数字滤波器进行仿真。图3-7为Signal

18、 Processing Blockset模块库。图3-8为DSP Sources模块库。图3-9为Filter Designs模块库。图3-7 Signal Processing Blockset模块库 图3-8 DSP Sources模块库 图3-9 Filter Designs模块库 通过调用Simulink中的功能模块可以构成数字滤波器的仿真,在仿真过程中,可以双击各功能模块,随时改变参数,获得不同状态下的仿真结果。例如构造以基波为主的原始信号x（t）=3sin(2)+sin(8)，通过Simulink环境下的Digital Filter Design (数字滤波器设计)模块中的DSP

19、Blockset工具箱设计一个低通滤波器。该工具箱提供了几乎所有的滤波器模型，只需参改参数即可以得到需要的数字滤波器。 数字滤波器仿真图如图3-10所示。数字滤波器的参数设定如图3-11所示，图3-12 ，3-13分别为滤波前后的波形。 图3-10 数字滤波器的仿真图图3-11 数字滤波器的参数设定图3-12 滤波前的波形图3-13 滤波后的波形 4.图形用户界面设计4.1图形用户界面基本概念图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）是由窗口、按键、菜单、文字说明等对象（Objects）构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标、键盘）选择激活这些图形对象，实

20、现计算、绘图等。创建图形用户界面须具有三类基本元素：（1）组件：图形化控件（如按钮、编辑框、列表框等）、静态元素（如文本字符串）、菜单和坐标系。（2）图形窗口：GUI的每一个组件都须安排在图形窗口中。（3）回应：如用户用鼠标单击或用键盘输入信息后，程序要有相应的动作。4.2 创建图形用户界面Matlab的GUIDE开发工具为用户提供了组件布局工具。（1）创建或打开一个GUI在Matlab的Command Window中输入“guide”，则会出现如图4-1所示界面。图4-1 GUIDE Start界面选择“Blank GUI”后，单击“OK”按钮，即可创建新的GUI，如图4-2所示。图4-2

21、GUIDE 空白界面需要哪种控件，在图左边的控件栏中选中，并拖动到右边空白图形中即可。（2）GUIDE常用组件下面对各组件进行简单介绍。“Push Button”按钮。功能是执行鼠标的单击事件动作。“Edit Text”文本框。用户可通过键盘输入字符串，为程序提供参数。“Static Text”文本标签。显示固定字符串。“Pop-up Menu”下拉菜单。用户可以选择其中一个项目来设置程序需要的参数。“Listbox”下拉列表框。用户可选择其中的多个项目来设置程序需要的参数。“Slider”滑动条。用于为程序提供数值，用户可以移动滑动条上方块的位置改变数值。“Radio Button”单选按钮

22、。用于实现同一属性项在多项取值之间的切换。通常多个一组联合使用。“Check Box”复选框。提供相互独立的多项模式设置选项。“axes“坐标轴。显示后台程序运行结果的区域。图4-3 GUIDE常用组件（3）GUIDE组件属性当用户创建好GUI后，需要设置组件的属性，如颜色设置，文字标签设置，回调函数设置等。将鼠标放在要设置属性的组件（Push Button）上，单击鼠标右键，点击“Property Inspector”，即可出现属性窗口。如图4-4所示。图4-4 GUIDE 属性界面选择“String”属性，输入“运行”，则按钮显示为“运行”，如图4-5所示。图4-5 Push Button

23、修改属性后界面（4）GUIDE编程在布置好各组件位置之后，保存该界面（如untitled123.fig），然后可以为这些组件编写程序实现所需功能。将鼠标放在要设置属性的组件（Push Button）上，单击鼠标右键，选择“View callbacksCallback”即可打开编程窗口，如图4-5所示。或者直接打开untitled123.m也可以。图4-6 GUIDE 编程界面简单编程示例请见5.语音信号处理所需MatLab函数（1）语音读取 y,fs,nbits=wavread(filename)（2）语音信号分帧 f=enframe(x,len,inc)（3）语音播放sound(y,fs)6

24、.语音信号特征参数提取6.1短时能量及短时平均幅度（1）定义短时能量函数和短时平均幅度函数是基于语音信号幅度的变化。清音段幅度小，其能量集中于高频段；浊音段幅度较大，其能量集中于低频段。短时能量函数对信号电平值过于敏感。由于需要计算信号样值的平方和，在实际应用中（如定点设备）很容易溢出，所以可以用平均幅度函数来代替短时能量函数。短时能量函数定义： （6-1）短时平均幅度函数定义： （6-2）（2）作用(a) 区分清/浊音：En、Mn大，对应浊音； En、Mn小，对应清音。(b) 在信噪比高的情况下，能进行有声/无声判决：无声时，背景噪声的En、Mn小；有声时，En、Mn显著增大。判决时可设置一

25、个门限。 6.2短时平均过零率（1）过零率定义：信号跨越横轴的情况。对于连续信号，观察语音时域波形通过横轴的情况；对于离散信号，相邻的采样值具有不同的代数符号，也就是样点改变符号的次数。 （2）短时平均过零率对于语音信号，是宽带非平稳信号，考察其短时平均过零率。 （6-3）其中sgn.为符号函数， （6-4）（3）作用(a) 区分清/浊音：浊音平均过零率低，集中在低频端；清音平均过零率高，集中在高频端。(b) 从背景噪声中找出是否有语音，以及语音的起点。6.3短时自相关函数相关函数用于确定两个信号在时域内的相似性。常用的物理量为自相关函数和互相关函数。当两个信号的互相关函数大时，则说明一个信号

26、可能是另一个信号的时间滞后或提前；当互相关函数为0时，则两个信号完全不同。自相关函数用于研究信号本身，如波形的同步性和周期性。（1）自相关函数定义 （5-5）（2）自相关函数特点(a) 当时域信号为周期信号时，自相关函数也是周期性函数，两者具有同样的周期。(b) Rn(k)为偶函数， Rn(k)Rn(k)(c) Rn(0)最大， Rn(0) |Rn(k)|, Rn(0)=En,对于确定信号， Rn(0)是信号能量；对于随机信号或周期信号， Rn(0)是平均功率。（3）作用(a) 区分清/浊音。浊音语音的自相关函数具有一定的周期性。清音语音的自相关函数不具有周期性，类似噪声。(b) 估计浊音语音信号的周期，即估计基音周期。