声音数字信号处理及频域分析

1、信号与系统课程设计报告题目:语音信号处理课程:信号与系统学院:通信与信息工程学院班级:学生:学号:指导教师:二O一一年十二月一、正文【设计原理】通过MATLAB的函数wavread(可以读入一个.wav格式的音频文件,并将该文件保存到指定的数组中。例如下面的语句(更详细的命令介绍可以自己查阅MATLAB的帮助中,将.wav读入后存放到矩阵y中。y = wavread(SpecialEnglish.wav;对于单声道的音频文件,y只有一行,即一个向量;对于双声道的音频文件,y 有两行,分别对应了两个声道的向量。我们这里仅对一个声道的音频进行分析和处理即可。注意:.wav文件的采样频率为44.1K

2、Hz,采样后的量化精度是16位,不过我们不用关心其量化精度,因为在MATLAB读入后,已将其转换成double 型的浮点数表示。在获得了对应音频文件的数组后,我们可以对其进行一些基本的分析和处理。可以包括:1、对语音信号进行频域分析,找到语音信号的主要频谱成分所在的带宽,验证为何电话可以对语音信号采用8KHz的采样速率。2、分析男声和女声的差别。我们知道男声和女声在频域上是有些差别的,一般大家都会认为女声有更多高频的成分,验证这种差别。同时,提出一种方法,能够对一段音频信号是男声信号、还是女声信号进行自动的判断。3、.wav文件的采样速率为44.1KHz,仍然远远高于我们通常说的语音信号需要的

3、频谱宽度,例如在电话对语音信号的采样中,我们仅仅使用8KHz的采样速率。对读入的音频数据进行不同速率的降采样,使用wavplay(命令播放降采样后的序列,验证是否会对信号的质量产生影响。降采样的方法很简单,例如命令y = wavread(SpecialEnglish.wav;将语音文件读入后保存在向量y中,这时对应的采样频率为44.1KHz。使用y1 = y(1:2:length(y命令,就可以将原序列y每隔1个采样后放入序列y1中,这时y1序列对应的采样频率即为22KHz。4、比较不同音阶的频域差别,同时比较不同乐器音频信号的频域差别。5、双径模型是无线通信中最简单的一种模型。发送方天线发出

4、的信号,除了可以直接抵达接收天线,还可能通过建筑物等反射到达接收天线,这时接收到的信号就变成了两路信号的叠加,如图示意,两路信号显然会出现时间差。 以下是语音信号经过双径信道模型的MATLAB 代码,接收信号为z 。 y = wavread(Q2.wav; Fs = 44.1e+3; wavplay(y,Fs; delta_t = 1; % unit: snumber_t = round(delta_t*Fs; % 对应了需要延迟多少个采样点 power_ratio = 0.8; % 对应快通道的功率比值 z = sqrt(power_ratio*y + sqrt(1-power_ratio*

5、zeros(number_t,1; y(1:length(y-number_t; % 接收到的信号 wavplay(z,Fs;想一种方法对接收信号z 进行处理,还原初始信号y ,并通过播放进行对比。 以下对提供的语音信号进行说明:SpecialEnglish.mp3:原始的语音信号,.mp3格式 Q2.wav :男声信号【MATLAB 参考命令】绘图命令:plot 、stem 等 求频谱、频率响应:fft 、freqz 等 卷积、滤波:conv 、deconv 、filter 等声音文件读写:wavread 、wavwrite 、wavplay 等具体使用方法可以查阅MATLAB 的帮助或者M

6、ATLAB 参考书的基本使用。 设计原理。傅立叶变换对语音信号的处理:我们主要的设计原理是离散时间的fourier 变换,离散时间的fourier 变换公式为:(1(11(Nj k Nj X k x j -=,(1(11(1/(Nj k N k x j N X k -=,其中(2/i NN e -=。利用上述公式我们可以对语音信号进行fourier 变换。对语音信号进行fourier 变换后,我们可以得到对应信号的频谱并画出其频谱图,于是我们就可以的在频域上对语音信号进行分析。二1,2题在MATLAB上的实现程序代码如下:y=wavread(D:Q2.wav;F=44100;y1=fft(y;

7、f=F/length(y1;F1=f*(0:(length(y1-1; subplot(4,1,1;plot(0:10/(length(y-1:10,y; subplot(4,1,2; plot(F1,abs(y1;axis(0 8000 0 3000;s1=0;for j=2500:3400;s1=s1+abs(y1(j;ends=0;for i=300:3400;s=s+abs(y1(i;endp1=s1/s %女声中高频所占比例z=wavread(D:Q1.wav;E=44100;z1=fft(z;e=E/length(z1;E1=e*(0:(length(z1-1; subplot(4

8、,1,3;plot(0:10/(length(z-1:10,z; subplot(4,1,4;plot(E1,abs(z1;axis(0 8000 0 3000;s2=0;for j1=2500:3400;s2=s2+abs(z1(j1;ends3=0;for i1=300:3400;s3=s3+abs(z1(i1;endp2=s2/s3 %男声中高频所占比例由上述程序可得下述图像女声时域信号 女声频谱图 男声时域信号 男声频谱图 结果分析由上面的图像可以得到男声和女声的频率主要分布在3003400hz,而多余的部分应该为杂音,而且理论上男声和女声的频率主要分布在3003400hz,则有Wma

9、x=3400,80002Wmax因而电话的采样频率足够对人的声音进行采样。同时可以看出女声的主要频率在高频段明显多于男声。上述程序的结果也可验证该说法,其结果为p1 =0.3801(女声中高频所占比例p2 =0.2852 （男声中高频所占比例） 人说话声音在 300-3400hz，因此这个比例是 2500-3400hz 的声音在 300-3400hz 段所占比例。因而可以提出这样一种方法辨别男生和女声：用仪器对声音进行频 谱分析高频段明显较多的即为女声，反之则为男声。 三 3 题对音频进行降采样的分析 在 MATLAB 上的实现 程序代码如下： 1，这里我对女声进行降采样 y=wavread(

10、D:Q1.wav; y1=y(1:5.5:length(y; wavplay(y1,8000; 采样频率变为8000hz发现播放出的声音与源文件差别不大， 因而印证电话的采样 频率足够对人的声音进行采样，再将程序略微修改可得，对于女声在采样频率低 于5000hz以后声音失真幅度较大 2，对男声进行降采样，同样可得采样频率变为8000hz时播放出的声音与源文件 差别不大，同时男声在采样频率低于4000hz以后声音失真幅度较大 四 5 题信号的还原 MATLAB 代码： y = wavread(D:Q2.wav; Fs = 44.1e+3; delta_t = 1; % unit: s numbe

11、r_t = round(delta_t*Fs; % 对应了需要延迟多少个采样点 power_ratio = 0.8; % 对应快通道的功率比值 z = sqrt(power_ratio*y + sqrt(1-power_ratio*zeros(number_t,1; y(1:length(y-number_t; % 接收到的信号 wavplay(z,Fs; T=floor(length(z/Fs; number_t_1=z(1:number_t; N=number_t_1; number_m=number_t_1; for i=2:T number_m=z(i-1*number_t+1:(i*

12、number_t-(number_m./sqrt(pow er_ratio.*sqrt(1-power_ratio; N=N;number_m; end M=z(T*number_t+1:length(z-(number_m(1:(length(z-T*Fs./sqrt (power_ratio.*sqrt(1-power_ratio; N=N;M; REAL=N/sqrt(power_ratio; wavplay(REAL,Fs; 此程序可还原原信号，通过播放对比可知成功得到原信号。该程序首先合成双径 6 道的信号，其中有20%通过反射而延迟的信号和80%直接接收的信号，延迟的时间 为一秒。处理合成信号z 时，先将z的前44100个点取出，即原信号的前44100个 点，再通过for循环来还原原信号。 五 实验总结 实 验 中 主 要 部 分 是 在 MAT