音频信号处理与分析

1、目 录课程设计报告题目：基于matlab的语音信号的采集与分析学 院信息科学技术学院系另【J 自动化专业班级自动化2班学生姓名 娄颖楷指导教师宁树实张旗提交日期 2014 年11月28日目录一、设计目的1二、设计要求和设计指标 1三、设计内容13.1设计原理23.1.1 信号的采集与分析 23.1.2叠加高频噪声23.1.3 设计滤波器并滤掉噪声信号 23.2实验结果与分析3四、本设计改进和建议与不足 5五、总结5六、主要参考文献5附录6系统综合设计报告一、设计目的音频信号分析和处理，就是用计算机对音频信号进行频谱分析和处理，以达到预期 的目的。本课程设计旨在引导学生进一步了解、 熟悉音频信号

2、分析和处理的相关理论后, 并进行综合性训练，其目的是：1回顾信号分析和处理的基本概念、理论、分析方法和实现方法；2增强应用Matlab编写应用程序及分析、解决实际问题的能力；3用所学的内容解决实际工程问题，培养工程实践能力。二、设计要求和设计指标利用MATLAB对音频信号进行数字信号处理和分析，要求采集音频信号后，在 MATLAB软件平台进行频谱分析；并对所采集的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。要求利用MATLAB来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。再将该向量 看作一个普通的信号，对其进行 FFT变换实现频谱分析，再依据实际情

3、况对它进行滤 波。然后通过sou nd命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。三、设计内容1信号采集采集语音信号，并对其进行FFT频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。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。3数字滤波器设计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。4信号处理用所设计的滤波器对含噪语音信号进行滤波。对滤波后的语音信号进行FFT频谱分

4、 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，对所得结果和滤波器性能进行频谱分析，阐明原因，得出结论3.1设计原理利用MATLAB寸语音信号进行分析和处理，采集语音信号后，利用MATLA软件平台进行频谱分析；并对所采集的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。语音信号的“短时谱”对于非平稳信号，它 是非周期的，频谱随时间连续变化，因此由傅里叶变换得到的频谱无法获知其在各个 时刻的频谱特性。如果利用加窗的方法从语音流中取出其中一个短断，再进行傅里叶变换，就可以得到该语音的

5、短时谱。3.1.1信号的采集与分析基于声卡进行数字信号的采集。利用Windows7系统自带的录音机软件进行录音，启动录音机。按下录音按钮，对话筒说话，说完后停止录音。要保存文件时，利用了计算机上的A/D转换器，把模拟的声音信号变成了离散的量化了的数字信号，放音时，它又通过D/A转换器，把保存的数字数据恢复为原来的模拟的声音信号。在Matlab软件平台下可以利用函数wavread对语音信号进行采样,得到了声音数据变量 X，同时把x的采样频率fs=22050Hz和数据位Nbits=16Bit放进了 MATALB的 工作空间。图figure 1为原始语音信号的时域图形。从图中可以看出在时域环境下，信

6、号呈现出不规则的信号峰值。通过 freqz函数绘制原始语音信号的频率响应图figure 2。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figure 3，从图中可以看出对各个频点上的随机信号在频域进行抽样，抽样频率为22050Hz。3.3.2添加高频噪声在Matlab中人为设计一个固定频率3000Hz的噪声干扰信号。噪声信号通常为随机 序列,在本设计中用正弦序列代替，干扰信号构建命令函数为d=Au*sin(2*pi*3000*t)',给出的干扰信号为一个正弦信号，针对上面的语音信号，采集了其中一段。再对噪音信号 进行频谱变换得到

7、其频谱图，从图中可以看出干扰信号，在2000Hz和4000Hz频点处有一高峰，其中3000Hz正是本设计所要利用的。3.3.3设计滤波器并滤掉噪声信号本设计是用双线性变换法设计巴特沃斯带阻型滤波器。在MATLAB中，可以利用函 数butterworth，设计FIR滤波器，利用MATLAB中的函数freqz画出各滤波器的频率响 应。用设计好的带阻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。从图中可以看出，3000Hz看到的高峰消失了，语音信号与开 始的一

8、样，滤波器成功的滤除了干扰信号。利用MATLAB对语音信号进行分析和处理， 采集语音信号后，利用 MATLAB软件平台进行频谱分析；并对所采集的语音信号加入 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。3.2实验结果与分析E冇3«r管2Rid Edit Vlitw Insart IddJs Desktop 空ndow HelpD序口占E致&榔倉W (0 箱車应1000102 OH 040$0$0708091Fainuilized Frequency fxz radample)jcm*Figurel为原始信号的时域图，figure2为原始信号的

9、频率响应图，figure3为原始信号的 频谱图。4系统综合设计报告Figure4, figure5以此为原始信号叠加噪声之后的时域图和频率响应图。由figure5可见,叠加噪声后，3000hz附近幅值突然变大，为噪声干扰。Figure9为巴特沃斯滤波器的原理图，滤波范围为20004000hz= FigurelO, figure"为滤波前后信号的时域图和频率响应图。可以看出滤波后原来3000hz附近的幅值明显变5系统综合设计报告小，噪声信号被滤掉。但是原始信号本身也发生了变化，所以滤波对原始信号也会造成 一定的影响。本设计改进建议与不足由于Windows7自带的录音机软件录音后保存的文

10、件为wms格式，需进行格式转换才能被matlab读取，而且录音音量太小，影响实验效果。所以本次设计中的wav文件采用了我自己通过外置声卡录制的音乐文件。可能是由于滤波器设计过程中参数设计不准确，噪声信号无法完全滤掉，而且滤波 器对原始信号的相关频率也会产生一定影响，在将来可以尝试不同类型的滤波器以达到效果。五、总结本次课程设计让我了解了数字信号处理领域中语音信号处理的方法，以及对模拟信号的采集与 数字化，滤波器的原理，滤波过程都有了实质性的认识。并且对matlab的功能有了更全面的了解。与此同时也反映了一些理论知识方面的不足，导致在噪声信号的滤波过程中没能把噪声信号完全滤 干净。同时，程序设计

11、的过程中也应更加仔细，如在将原始信号和噪声信号叠加的过程中应注意两 个矩阵的维数应该一致。六、主要参考文献1 杨毅明数字信号处理机械工业出版社2012年.2 李秀霞数字信号处理国防工业出版社2013年张高记 罗朝霞 数字滤波器的 matlab和PFGA实现陕西 西安邮电学院6系统综合设计报告附录:clcclear%原始语音信号fs=22050;x,fs,Nbits=wavread('D:matlab7worka.wav');t=0:1/fs:(length(x)-1)/fs;%sound(x,fs) %回放原始信号y1=fft(x,1024);仁 fs*(0:511)/1024

12、; % 得出频点figureplot(x) %原始信号时域图title('原信号')xlabel('时间 n')ylabel('幅值 n')figure(2)freqz(x) %绘制原始信号频率响应图title('频率响应')figure(3)subplot(2,1,1)plot(abs(y1(1:512) %做原始信号的FFT频谱图 title('原始信号FFT频谱') subplot(2,1,2)plot(f,abs(y1(1:512) %绘制原始信号频谱图 title('原始信号频谱')xla

13、bel('时间 n')ylabel('幅值 n')%加入噪声信号d=0.1*sin(2*pi*3000*t); %噪声信号(正弦高频噪声) d2=d;zeros(1,length(d);x2=x+d2'%sound(x2,fs);y1=fft(x,1024);y2=fft(x2,1024);figure(4)plot(t,x2);title('加噪声后的信号')xlabel('Hz');ylabel('幅值');figure®subplot(2,1,1);plot(f,abs(y1(1:512);

14、title('原始语音信号频率响应图')xlabel('Hz');ylabel('幅值');subplot(2,1,2);plot(f,abs(y2(1:512);title('加噪声后的信号频谱');xlabel('Hz');ylabel('幅值');%设计低通滤波器wp=0.25*pi; %通带截止频率ws=0.3*pi; %阻带截止频率Rp=1; %通带最大衰减Rs=50; %阻带最大衰减Fs=22050;Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2);ws1=2/Ts*tan(ws/2

15、); %模数转换N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s'); % 选择滤波器最小阶数 Z,P,K=buttap(N); %创建巴特沃斯滤波器Bap,Aap=zp2tf( Z, P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn);bz,az=bilinear(b,a,Fs); %用双线滤波法将模拟滤波器转换为数字滤波器H,W=freqz(bz,az); %绘制频率响应曲线figure(9)plot(W*Fs/(2*pi),abs(H)gridxlabel('频率 /Hz')ylabel('频率响应幅度')title('巴特沃斯滤波器')f1=filter(bz,az,x2);figure(10)subplot(2,1,1)plot(t,x2) %画出滤波前的时域图title('滤波前的时域波形')subplot(2,1,2)plot(t,f1); %画出滤波后的时域图title('滤波后的时域波形')sound(f1,fs); %播放滤波后的信号p=length(f1);F0=fft(f1,p);仁 fs*(0:511)/1024;figure(1