数字信号课程设计

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1、数字信号处理课程设计说明书设计题目：语音信号的处理与滤波系 别 计算机工程系 专业班级 通信071班 学生姓名 学 号 200700402041 指导教师 周坚和 日 期 2010年1月8日目录*摘要.1*关键词.1一、引言.1二、matlab工具介绍.1三、设计目的2四、语音信号概况2五、设计内容3六、设计原理.4七、设计步骤51语音信号的采集及频谱分析2分别取8000个和16000个数据进行频谱分析，得到幅度和相位谱3. 针对电话信道（最高3500Hz），设计一个FIR或IIR滤波器进行滤波，把抽样率转变为7000Hz/s，并进行频谱分析，得到幅度和相位谱。4设计数字滤波器并画出其频率响应

2、八、心得体会14*参考文献.15 装 订 线 摘要: 本课程设计介绍了基于Matlab的对语音信号采集、处理及滤波器的设计，并使之实现的过程。理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，用Matlab进行数字语音信号处理，并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容。综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。此外，系统实现了对语音信号处理的整体过程，从语音信号的采集到分析、处理、频谱分析、显示和储存。本课程设计介绍了在Mat

3、lab环境中如何采集语音信号和语音信号采集后的文档处理方法，文中利用MATLA B的wavrecord、wavwrite 、wavplay进行录音、存储、回放，并通过实例分析了经过Mat1ab处理的语音信号。关键词： MATLAB 工具 信号语音采集 滤波器一. 引言随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为今一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理在通信语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理应用中，数字滤波器十分重要并已获得广泛应用。二MATLAB工具介绍MATLAB软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图

4、形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。MATLAB环境下，用户集成了程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项功能。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩陈对象时，不要求作明确的维数说明。与利用C语言或FORTRAN语言作数值计算的程序设计相比，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。MTALAB系统由五个主要部分组成：1MATALB语言体系。MATLAB是高层次的矩阵数组语言。具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模端程，完

5、成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。2MATLAB工作环境包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。3图形图像系统。这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特征控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。4MATLAB数学函数库。这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称。包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法等。5MATLAB应用程序接口。这是MATLAB为用户

6、提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用C程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用程序(如动态链接库)，读写MAT文件的功能。由此可见，MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MATLAB还具有很强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务三设计目的通过对课程设计，对信号的采集，处理，传输，显示，存储和分析等有一个系统的掌握和理解。巩固和运用在数字信号处理课程中所学的理论知识和实验技能，掌握最基本的数字信号处理的理论和方法，培养发现问题，分析问题和解决问题的能力。并利用MATLA

7、B作为工具进行实现，从而复习巩固课堂所学的理论知识，提高对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理。四语音信号概述语音信号声音可以理解成由振幅和相位随时间缓慢变化的正弦波构成。人的听觉对声音的感觉特征主要包含在振幅信息中，相位信息一般不起作用。在研究声音的性质时，往往把时域信息（波形图）变换得到它的频域信息（频谱），通过研究频谱和与频谱相关联的特征获得声音的特性。语音信号是一种典型的非平稳信号，但是由于语音的形成过程是与语音器官的运动密切相关的。这种物理运动比起声音振动速度要缓慢的多。因此，语音信号常常可以假定为短时平稳的。在1030ms这样的时间段内，其频谱特性和某些物理特

8、征参量可近似地看作是不变的。这样我们可以采用平稳的分析方法来处理。语音信号处理是研究数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科。其目的是通过处理得到一些反映语音信号重要特征的语音参数以便高效的传输或储存语音信号信息。或是通过处理某种运算以达到某种用途的要求，例如人工合成出声音，辨别出讲话者，识别出讲话的内容等。数字滤波器，快速傅里叶变（FFT）等是语音信号处理的理论技术基础。利用MATLAB工具实现对语音质量进行客观评测。 五设计内容1熟悉并掌握MATLAB中有关声音（wave）录制、播放、存储和读取的函数。2在MATLAB环境中，使用声音相关函数录制2秒左右自己的声音，抽样率是8000Hz

9、/s。（考虑如何解决一个实际问题：录制刚开始时，常会出现实际发出声音落后录制动作半拍的现象，如何排除对这些无效点的采样？）3分别取8000个和16000个数据进行频谱分析，得到幅度和相位谱，比较二者异同并分析原因。4针对电话信道（最高3500Hz），设计一个FIR或IIR滤波器进行滤波，把抽样率转变为7000Hz/s，并进行频谱分析，得到幅度和相位谱。六、设计原理 利用Matlab软件中有关声音的录制、播放、存储和读取的函数对声音进行录制、播放、存储和读取，并对声音信号抽取8000个和16000个数据进行频谱分析，比较不同数据个数时的幅度和相位谱。并用已学过的知识设计一个FIR滤波器进行滤波，

10、比较不同的抽样频率下的幅度和相位谱。七. 设计步骤1语音信号采集实现过程采集语音信号程序如下： fs=8000;channel=1;t=3;fprintf(按任意键后开始 %d 秒录音：,t); pause;%文字提示 %暂停命令fprintf(录音中.);%文字提示x=wavrecord(t*fs, fs,channel,double);%录制语音信号fprintf(录音结束n);%文字提示wavwrite(x,fs,F: 数字信号课程设计huangchunmei1.wav);%存储录音信号fprintf(按任意键后回放:);pausewavplay(x,fs);由图看声音文件huangch

11、unmei.wav的时域图形如下：在录音的过程中，有时会出现实际发出声音落后录制动作半拍的现象，如何排除对这些无效点的采样？解决的办法：可在x1=wavread(F:数字信号课程设计huangchunmei1.wav);读取原始信号加上个限制窗即x1=wavread(F: 数字信号课程设计huangchunmei1.wav,7500 16000); %读取语音信号的数据，赋给变量x1，窗的长度可根据需要定义。滤除无效点的程序为：x1=wavread(F:数字信号课程设计huangchunmei1.wav,7500 16000); %读取语音信号的数据，赋给变量x1plot(x1); %得到相位

12、谱图 title(滤除无效点后信号时域图); %加图形标题说明xlabel(时间)ylabel(幅值); grid; %添加网格线滤除前面的无效点后的图形为：2、分别取8000个和16000个数据进行频谱分析，得到幅度和相位谱 （1）取8000点 试验源代码：x1=wavread(F: 数字信号课程设计huangchunmei1.wav,1 8000); %读取语音信号的数据，赋给变量x1y1=fft(x1,8000); %对读取的信号做8000点FFT变换figure(1)plot(angle(y1); %得到相位谱图title(相位谱图)figure(1)可以得出声音文件 huangchu

13、nmei1.wav取8000个数据时的频谱图形：（2）取16000个数据分析 试验源代码： x2=wavread(F:数字信号课程设计huangchunmei1.wav,1 16000); %读取语音信号的数据，y2=fft(x2,16000); %对信号做16000点FFT变换 figure(2)subplot(2,1,1); %两行一列第二个图plot(angle(y2); title(相位谱图) figure(2)subplot(2,1,2); %两行一列第二个图plot(abs(y2); %16000点语音信号频谱图title(幅度谱图); %加图形标题说明ylabel(幅值);gri

14、d; %添加网格线 可以得出声音文件huangchunmei1.wav取16000个数据时的图形如下： 经过观察两图比较可以看出取8000数据和取16000数据的相位特性变化较小，而幅度变化较明显，同时可以看出由于抽样点数的不同，抽样点数越多幅度谱显得越密（3）针对电话信道（最高3500Hz），设计一个FIR或IIR滤波器进行滤波，把抽样率转变为7000Hz/s，并进行频谱分析，得到幅度和相位谱。IIR滤波器的设计，具体程序如下：1.%低通滤波器设计wp=2*1200/7000; %归一化通带数字频率wpws=2*2000/7000; %归一化阻带数字截止频率wsRp=0.5; %通带波纹系数

15、RpRs=60; %最小阻带衰减RsN,Wn=buttord(wp,ws,Rp,Rs); %求阶数N和滤波器截止频率Wnnum,den=butter(N,Rp); %传输分子和分母的系数h,w=freqz(num,den); %求频率响应subplot(2,1,1); %窗口分成2行1列绘图区,第1个区为当前活动区plot(w/pi,abs(h); %二维连续图形grid; %添加网格title(巴特沃思型低通滤波器的幅频响应); %加图形说明xlabel(omega/pi); %加X轴说明（/后表示转义字符）ylabel(振幅(幅值); %加Y轴说明subplot(2,1,2); %窗口分成

16、2行1列绘图区,第2个区为当前活动区plot(w/pi,20*log10(abs(h); %二维连续图形grid; %添加网格title(巴特沃思型低通滤波器的幅频响应); %加图形说明xlabel(omega/pi); %加X轴说明（/后表示转义字符）ylabel(振幅(分贝); %加Y轴说明运行后得到该滤波器的谱图如下：.应用以上滤波器对声音进行滤波：fs=8000; y=wavread(F:数字信号课程设计huangchunmei1.wav); %读取原始语音信号f=filter(num,den,y); %滤波f1=fft(f,7000);subplot(2,1,1)plot(abs(f

17、1); %画出滤波后的时域图title(滤波后的幅度谱);grid;subplot(2,1,2)plot(angle(f1); %画出滤波后的时域图title(滤波后的相位谱);grid;wavwrite(f,fs,F:数字信号课程设计huangchunmei2.wav);滤波后的谱图如下：把处理后的所有数据存储为声音文件，与原始声音进行比较比较程序如下：fs=8000;y=wavread(F:数字信号课程设计huangchunmei1.wav); %读取原始语音信号y1=wavread(F:数字信号课程设计huangchunmei2.wav); %读取滤波后语音信号yx=fft(y);yx1

18、=fft(y1);subplot(2,1,1)plot(20*log10(abs(yx); title(滤波前的相对幅度谱);subplot(2,1,2);plot(20*log10(abs(yx1); title(滤波后的相对幅度谱);滤波前后的幅度谱如下：说明：比较上里两个图可以看出，幅度谱走向大致一样，但滤波后的幅度明显不一样，中间频率的幅度为恒定不变，可能的原因为，滤波器设计不符合要求，或者是因为录音的时候过于偏高或者偏低；由上两图可以看出，经过滤波器后的幅度谱没有原来的清晰，原因应该是，滤波器把高频的部分滤掉了，声音比较低沉。八心得体会 数字信号处理课程是一门理论性和实践性都很强，

19、它具备高等代数、数值分析、概率统计、随机过程等计算学科的知识; 要求我们学生掌握扎实的基础知识和理论基础。 又是跟其他学科密切相关，即与通信理论、计算机、微电子技术不可分，又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。这次课程设计是用学过的数字信号理论为依据，用MATLAB代码实现，通过这次课程设计，感触特别多，也学到了很多东西。首先，为了完成这次的课程设计，翻阅了很多有关这次设计的参考书，对这些参考书的有关内容都做了认真的分析，了解了一些函数的用法。其次，通过本次课程设计，使我们对信号的采集，处理，传输，显示，存储和分析等有一个系统的掌握和理解。同时可以看到滤波器在语音处理的重要

20、性，学到了很多滤波器的设计方法，对MATLAB这个软件有了进一步的了解，学了会用 MATLAB 对信号进行分析和处理。通过综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，再利用 MATLAB 作为编程工具进行计算机实现，从而加深了对所学知识的理解，建立概念。对以前在课本上所学的东西有了更深入的理解和掌握。同时在设计过程中遇到许多问题都是在平时的过程中所未接触到的，尤其是在使用MATLAB的相关程序对语音信号的录制和处理的函数都需要我们自己去查找资料，这加强了我们的动手能力和自觉性，巩固和运用在数字信号处理课程中所学的理论知识和实验技能，掌握最基本的数字信号处理

21、的理论和方法，提高了自己的发现问题，分析问题和解决问题的能力。再次，在做课程设计的过程中会遇到很多的困难，在困难面前不要放弃，只要有细心和耐心，坚持下去会达到想要的设计结果。最后，无论做什么课程设计，都需要要有一定的理论知识作为基础，同时通过这次课程设计，我对于以前所学的数字信号处理知识有了更深的理解。参考文献1 肖伟、刘忠等 MATLAB程序设计与应用清华大学出版社、北京交通大学出版社.2 胡良剑、孙晓君 MATLAB数学实验.高等教育出版社.3程佩青数字信号处理教程北京清华大学出版社2007年2月.4赵知劲、刘顺兰数字信号处理实验.浙江大学出版社.5 杨述斌、李永全数字信号处理实践教程华中科技大学出版社.