基于MATLAB的语音信号分析及滤波

1、a #changzhou institute of technology课程报告题目：基于matlab的语音信号分析及滤波二级学院：计算机信息工程学院专 业：通信工程学生姓名：赵红梅指导教师：何松评阅教师：何松班级:12通信一学号：12030735职称：讲师职称：讲师2015年7月基于matlab的语音信号分析及滤波摘要木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

2、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。木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voice signal analysis and filtering based on thematlababstractthis topic use microsoft recorder collect a voice signal,do analysis on the time domain and

3、frequency spectrum, analyze the characteristics of voice signal.using matlab platform to add the noise into the voice signalo following a given performance index of the filter and using window function or bilinear transformation to design filter,design the digital filter .take advantage of window fu

4、nction method to draw the frequency response of the filterjhen use the filter designed by our own to cope with the voice signal and draw the time domain waveform and spectrum of filtered signal.the time and frequency domain characteristics of the original voice signal and later voice signal are comp

5、ared.playing back of noisy voice signal and noise signal, analyzing the signal changes,then play back voice signal.at last,design a signal processing system interface with matlab platform.the purpose of this topic is to learn the process of signal filtering.keywords:voice signal;frequency domain cha

6、racteristics;time domaincharacteristics ;filter目录第1章绪论1第2章 课程设计内容和要求22. 1设计内容22.2设计要求2第3章 课程设计的具体实现23. 1语音信号的采集23.2语音信号的时频分析与频谱分析23. 3语音信号加噪43.4设计fir数字滤波器63.5用滤波器对加噪语音信号进行滤波 73.6比较滤波前后语音信号的波形及频谱93. 7回放语音信号103.8设计系统界面113. 8. 1系统界面设计工具gut概述113.8.2界面设计及使用说明11小结12参考文献14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

7、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(f

8、ir, finite impulse response)滤波器和无限冲激响应(hr , infinite impulse response)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。f1r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耍。f1r滤波器因具有系统稳定

9、，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。11r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，11r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i1r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硕件两种方式来实现。随着matlab 软件

10、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；最后，用matlab设计一信号处理系统界面。2.2设计要求1完成语音

11、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is以内（建议用自己的姓名，如“我叫和和”）；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咅输入插口上,启动录 咅机。按下录咅按钮，接着对话筒说话

12、“语咅信号处理”，说完后停止录咅,屏幕左 侧将显示所录声咅的长度。点击放咅按钮，可以实现所录咅的重现。将语咅信号保 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 统规定的声咅文件存的标准。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）语咅信号，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：y5fs,nbits=wavread( c:uscrsidca-paddesktoprec004.wav )；sound(y,fs)n=length(y)y_p=fft(y,n);f=fs*(0:n/2-

13、l)/n;figure(l)subplot(2,l,l);plot(y);titled原始语音信号时域波形j;xlabelc时间轴(s)jylabelc 幅度(a)jsubplot(2,l,2);plot(f,abs(y_p(l:n/2);axis(0 20000 0 150);title。原始语音信号频谱图j;xlabel(濒率 hz*);ylabelc频率幅度j;如图31：0.2-o4o1500050012n赵0idh&-0 2原始语音信号时域'波形0.52.53x10411.52时间轴 原始语音信号频谧图,2o.4o.图3-1原始语咅信号时域波形和频谱图3. 3语音信号加

14、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咅信号 中，模仿语咅信号被污染，并对其频谱分析。在这里，我们选用正弦函数。语咅信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下：y,fs,nbits=wavread(,c:usersidea-paddesktoprec004.wav,);n=1000 t=(0:n-l)/100000;f=fs*(0:n/2-l)/n;yl = 10*sin(2*pi*2000*t);y2=fft(yl,n);subplot(2,l,l);plot(y 1); %噪声信号的吋域波形图 title('噪声信号时域波形图');xlabel(时间

15、轴(s)1); ylabelc 幅度(a)j;subplot(2,l,2);plot(f,abs(y2( l:n/2); titled噪声信号频谱图j; xlabelc频率(hz) *);ylabelc频率幅度j;设计语咅信号加噪后的时域波形和频谱图的程序如下: y=wavread('c:usersidea-paddesktoprec004.wav,); l=length(y);t=(o:l-1)/8000;a=10;f=4000;d=a*sin(f*pi*t)*;y_z二y+d;sound(y_z,fs);n=length(y);y_zp=fft(y_z,n);f=fs*(0:n/2

16、-l)/n;figure(2);subplot(2,l,l);plot(y_z);axis(0 130 -15 15);title ('加噪语音信号的时域波形j; xlabelc吋间轴ylabelc 幅度(a)1);subplot(2,l,2);plot(f,abs(y_zp( 1 :n/2);axis(0 20000 0 2000); titled加噪语咅信号频谱图j; xlabel(濒率(hz)*);ylabelc频率幅度j;结果如图3-2和3-3：10-10噪声信号时域波形图5腿 0-501002003004005006007008009001000时间轴(s)噪声信号频谱图60

17、00o304o0020010002000300040005000600070008000频率(hz)图3-2噪声信号的时域波形和频谱图020406080100120时间轴加噪语音信号频谱團2000iiiiiiii0.20.40.60.811.21.41.61.82频率(hz)x104005100o1005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ttr滤波器和fir滤波器的设计方法完全不同。叮r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

18、系统函数hg)。fir滤波器比斡采用间接法，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。可以借助于 模拟滤波器的频率转换设计一个所需类型的过渡模拟滤波器，再经过双线性变换 将其转换策划那个所需的数字滤波器。具体设计步骤如下：(1) 确定所需类型数字滤波器的技术指标。(2) 将所需类型数字滤波器的边界频率转换成相应的模拟滤波器的边界频 率，转换公式为q二2/t tan (0. 5o)(3) 将相应类型的模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标。(4) 设计模拟低通滤波器。(5)

19、通过频率变换将模拟低通转换成相应类型的过渡模拟滤波器。(6) 采用双线性变换法将相应类型的过渡模拟滤波器转换成所需类型的数字 滤波器。我们知道，脉冲响应不变法的主要缺点是会产生频谱混叠现象，使数字滤波 器的频响偏离模拟滤波器的频响特性。为了克服之一缺点，可以采用双线性变换 法。下面我们总结一下利用模拟滤波器设计iir数字低通滤波器的步骤：(1) 确定数字低通滤波器的技术指标：通带边界频率、通带最人衰减，阻带 截止频率、阻带最小衰减。(2) 将数字低通滤波器的技术指标转换成相应的模拟低通滤波器的技术指 标。(3) 按照模拟低通滤波器的技术指标设计及过渡模拟低通滤波器。(4) 用双线性变换法，模拟

20、滤波器系统函数转换成数字低通滤波器系统函数。 如前所述，iir滤波器和fir滤波器的设计方法有很大的区别。下面我们着重介绍用窗函数法设计fir滤波器的步骤。如下：(1) 根据对阻带衰减及过渡带的指标要求，选择串窗数类型(矩形窗、三角 窗、汉宁窗、哈明窗、凯塞窗等)，并估计窗口长度n。先按照阻带衰减选择窗函 数类型。原则是在保证阻带衰减满足要求的情况下，尽量选择主瓣的窗函数。(2) 构造希望逼近的频率响应函数。(3) 计算 h (n). o(4) 加窗得到设计结果。接下来，我们根据语咅信号的特点给出有关滤波器的技术指标： 低通滤波器的性能指标：fp=looohz, fc二 1200hz, as=

21、100db ,ap=ldb 高通滤波器的性能指标：fp=3500hz, fc二4000hz, as=100db, ap=ldb； 带通滤波器的性能指标：fpl = 1200hz, fp2=3000h乙 fcl = 1000hz, fc2=3200hz, as=100db, ap=ldb 在matlab中，可以利用函数firl设计fir滤波器，利用函数butter,chebyl 和ellip设计iir滤波器，利用matlab中的函数freqz画出各步步器的频率响应。hn=firl(m, wc, window),可以指定窗函数向量windowo如果缺省window 参数，贝【j firl默认为哈明

22、窗。其中可选的窗函数有rectangular barlrtt hamming hann blackman窗，其相应的都有实现函数。3.5用滤波器对加噪语音信号进行滤波用自己设计的各滤波器分别对加噪的语咅信号进行滤波，在matlab中，fir 滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波，函数fftfilt用的是重叠相加法实现线性卷 积的计算。调用格式为：y=fftfilter(h,x,m)o其中，h是系统单位冲击响应向量；x 是输入序列向量；y是系统的输出序列向量；m是有用户选择的输入序列的分段 长度，缺省吋，默认的输入向量的重长度m=512o函数filter的调用格式：yn=filter(b,

23、 a.xn),它是按照直线型结构实现对xn 的滤波。其中xn是输入信号向量，yn输出信号向量。滤波器的频率响应程序如下：fp= 1 ooo;fc= 1200; as=50; ap= 1 ;fs= 16000wc=2*pi*fc/fs;wp=2*pi*fp/fs;wdel=wc wp;beta=0.112*(as-8.7);n=ceil(as-8)/2.285/wdel);wn=kaiser(n+1 ,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=firl(n,ws,wn);figure(3);freqz(b,l);titlec低通滤波器的频率响应')；低通滤波器的频率响应如图3-4：

24、mp) apn-egw图3-4低通滤波器的频率响应3.6比较滤波前后语音信号的波形及频谱滤波器对加噪信号滤波前后的波形图和频谱图对比程序: fp=1000;fc=1200;as=50;ap=l;fs=16000wc=2 *pi* fc/fs;wp=2*pi*fp/fs;wdel=wc wp;beta=0.112*(as-8.7);n=ceil(as-8)/2.285/wdel);wn=kaiser(n+1 ,beta);ws=(wp+wc)/2/pi;b=firl(n,ws,wn);figure(3);freqz(b,l);titlec低通滤波器的频率响应j;x=fftfilt(b,y_z);

25、x=fft(x,n);figure(4);subplot(2,2,l);plot(f,abs(y_zp( 1 :n/2);axis(o 2000 0 200);titlec滤波前信号的频谱j;subplot(2,2,2);plot(f,abs(x(l:n/2);axis(0 2000 0 200);title('滤波后信号的频谱j;subplot(2,2,3);plot(y_z);titlecijg波前信号的波形j;axis(0 80 -20 20);subplot(2,2,4);plot(x);axis(0 20000 -0.5 0.5);titlec滤波后信号的波形j;得到的结果如

26、图3-5：滤波后信号的频谱200 |1501000500100015002000图3-5滤波前后波形及其频谱对比图3. 7回放语音信号经过以上的加噪声处理后，可在matlab中用函数sound对声咅进行冋放。其调用格式：sound(y,fs), sound(y)和sound(y,fs,bits)o可以察觉滤波前后的声音 有明显的变化。执行程序冋放语咅并显示语咅信号波形图：y,fs,nbits=wavread(,c:usersidea-paddesktoprec004. wav1);soundview(y.fs);结果如图3-6：sound viewer图3-6回放语咅信号的波形图3. 8设计系

27、统界面3.8.1系统界面设计工具gui概述图形用户界面(graphical user interfaces , gui)则是由窗口、光标、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 鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实 现计算、绘图等。在matlab中gui是一中包含多种对象的图形窗口，并为gui 开发提供一个方便高效的集成开发环境guideo guide主要是一个界面设计工具 集，maylab将所有gui支持度控件都集成在这个环境中，并提供界面外观、属 性和行为响应方式的设置方法。guide将设计好的gui保存在

28、一个fig文件中， 同吋生成m文件框架。fig文件：包括gui图形窗口及其所有后裔的完全描述，包括所有对象属性 的属性值。它是一个二进制文件调用hsave课保存图形窗口吋将生车该文件。m 文件包括gui设计、控件函数以及定义为子函数的用户控件冋调函数，主要用于 控制gui展开时的各种特征。gui创建包括界面设计和控件编程两部分，主要 步骤如下。第一步：通过设置guide应用程序的选项来运行guide；第二步： 使用界面设计编辑器进行面设计；第三步：编写控件行为响应控制(即冋调函数) 代码。3.8.2界面设计及使用说明首先我们新建一个gui文件:file/new/gui如图37所示:图3-7新建

29、gut文件界面选择 blank gui(default)o其次，进入gui开发环境，布置好各控件以后，可以来为这些控件编写程序 来实现其功能了。最后，使用说明。单击相应的按钮，便跳出对应的界面，如按下按钮“原始语咅信号波形及其频谱”,就得到如图38所示结果。原始语音信号时域液形0.511.522.53时间轴原始语音信号频谱图4 2 0 2 o o o-(<<磐50此0.20.40.60.811.21.41.61.82频率吃八图3-8原始信号波形及其频谱心得体会本设计圆满的完成了对加噪声语音信号的读取与打开，与课题的要求十分相 符；也较好的完成了对原始语音信号和加噪声后的语音信号的频谱分析，通过fft 变换，得岀了语咅信号的频谱图；在滤波这一部分，课题主要是从巴特