课程设计基于MATLAB的语音信号录制采集和分析的程序设计.doc-资料库

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MATLAB 课程设计说明书摘要语音信号的采集与分析技术是一门涉及面很广的交叉科学，它的应用和发展与语音学、声音测量学、电子测量技术以及数字信号处理等学科紧密联系。该设计主要介绍语音信号的采集与分析方法，通过 PC 机录制自己的一段声音，运用 Matlab 提供的函数进行仿真分析，并画出采样后语音信号的时域波形和频谱图，对所采集的语音信号加入干扰随机高斯噪声，对加入噪声的信号进行播放，并进行时域和频谱分析；对比加噪前后的时域图和频谱图，分析讨论采用什么样的滤波器进行滤除噪声。关键词：语音信号；采集与分析；Matlab I

目录摘要 ....................................................... I 1 语音信号的录制 ............................................ 1 2 语音信号的采集 ............................................ 3 3 语音信号的分析 ............................................ 4 3.1 语音信号时域分析 ..................................... 4 3.2 语音信号频域分析 ..................................... 5 4 语音信号的加噪处理 ........................................ 7 5 滤噪设计分析 ............................................. 11 6 设计总结 ................................................. 12 参考文献 ................................................... 13 附录 ....................................................... 14

MATLAB 课程设计说明书 1 语音信号的录制为了将原始模拟语音信号变为数字信号，必须经过采样和量化两个步骤，从而得到时间和幅度上均为离散的数字语音信号。语音信号经过预滤波和采样后，由 A／D 变换器变换为二址制数字码。这种防混叠滤波通常与模数转换器做在一个集成块内，因此目前来说，语音信号的数字化的质量还是有保证的。市面上购买到的普通声卡在这方面做的都很好，语音声波通过话筒输入到声卡后直接获得的是经过防混叠滤波、A/D 变换、量化处理的离散的数字信号。将声卡作为对象处理采集语音信号 Matlab 将声卡作为对象处理,其后的一切操作都不与硬件直接相关,而是通过对该对象的操作来作用于硬件设备（声卡）。操作时首先要对声卡产生一个模拟输入对象(ai),给 ai 对象添加一个通道设置采样频率后,就可以启动设备对象,开始采集数据,采集完成后停止对象并删除对象。实际工作中，我们可以利用 windows 自带的录音机录制语音文件，图 1 是基于 PC 机的语音信号录制过程，声卡可以完成语音波形的 A/D 转换，获得 WAVE 文件，为后续的处理储备原材料。调节录音机保存界面的 “更改”选项，可以存储各种格式的 WAVE 文件。 1

MATLAB 课程设计说明书声音麦克风声卡滤波采样 A/D 转换 Wav Windows 自带的录音机图 1.1 基于 PC 机的语音信号录制过程录制过程：打开电脑左下角的程序——附件——娱乐——录音机图 1.2 PC 自带的录音机录音本设计录制自己的一段语音，内容：“郑州轻工业学院电气信息工程学院，电子信息工程”，时长 6 秒 14，保存在 C 盘命名为“yuyin” 格式为.WAV。 2

MATLAB 课程设计说明书 2 语音信号的采集配置好数据采集设备的参数后，使用 start 命令便可启动声卡开始语音信号的采集。采集到的数据被暂时存放在 PC 机的内存里，理论上可采集的最大数据量是由 PC 机的内存容量决定的，这一点相对于一般的数据采集系统而言有较强的优势。MATLAB 还可以记录采集过程中出现错误，如出错的时间、错误产生的来源以及数据采集设备的状态等信息都会被记录下来作为以后工作的参考。如图 2.1 所示，语音采集子系统是通过 PC 录音机 Realtek AC’97 型声卡和 Matlab 的数据采集工具箱实现的。其中 Realtek AC’97 型声卡的采样位数为 16 位，支持 8~44.1kHz 的采样速率，可以满足语音采集的硬件要求[1]。Matlab 自带的数据采集工具箱里面，提供了专门用于语音采集的命令和函数。数据采集的硬件设备的内部特性对 Matlab 的接口完全是透明的，通过调用 Matlab 提供的语音采集函数和命令可以对其进行访问。而且，Matlab 可以对其采集的数据进行实时的分析，也可在存储后再进行处理。话筒数据采集设备（声卡） MATLAB 语音采集工具箱图 2.1 语音信号采集框图 3

MATLAB 课程设计说明书 3 语音信号的分析 3.1 语音信号时域分析语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数。进行语音分析时，最先接触到并且也是最直观的是它的时域波形。语音信号本身就是时域信号，因而时域分析是最早使用，也是应用最广泛的一种分析方法，这种方法直接利用语音信号的时域波形。时域分析通常用于最基本的参数分析及应用，如语音的分割、预处理、大分类等。这种分析方法的特点是：①表示语音信号比较直观、物理意义明确。②实现起来比较简单、运算且少。③可以得到语音的一些重要的参数。④只使用示波器等通用设备，使用较为简单等。 ATLAB 数据采集箱中提供的函数命令进行图像分析的函数命令： wavrecord : wavrecord 利用 Windows 音频输入设备记录声音, 其调用形式为:wavrecord (n ,fs ,ch) 。利用 Windows 音频输入设备记录 n 个音频采样, 频率为 fs Hz ,通道数为 ch。采样值返回到一个大小为 n*ch 的矩阵中。缺省时,fs = 11025 ,ch = 1。 waveplay: waveplay 利用 Windows 音频输出设备播放声音,其调用形为:waveplay(y ,fs) 。以采样频率 fs 向 Windows 音频设备发送向量信号。标准的音频采样率有:8000、11025、22050 和 44100Hz。 wavread :wavread 用于读取 Microsoft 的扩展名为“.wav”的声音文件。其调用形式为: y = wavread (file) 。其作用是从字符串 file 所指的文件路径读取 wave 文件,将读取的采样数据送到 y 中。Y 的取值范围: [ -1 ,1 ] 。 sound:音频信号是以向量的形式表示声音采样的。sound 函数用于 4

MATLAB 课程设计说明书将向量转换为声音,其调用形式为:sound (y ,fs) ,作用是向扬声器送出向量 y 中的音频信号(采样频率为 fs) 。通过 Wavread 和 plot(x)函数即可显示图像的时域波形。图 3.1 原始语音信号的时域波形 3.2 语音信号频域分析语音信号的频域分析就是分析语音信号的频域持征。从广义上讲，语音信号的频域分析包括语音信号的频谱、功率谱、倒频谱、频谱包络分析等，而常用的频域分析方法有带通滤波器组法、傅里叶变换法、线件预测法等几种。本文介绍的是语音信号的傅里叶分析法。因为语音波是一个非平稳过程，因此适用于周期、瞬变或平稳随机信号的标准傅里叶变换不能用来直接表示语音信号，而应该用短时傅里叶变换对语音信号的频谱进行分析，相应的频谱称为“短时谱 ” 5

MATLAB 课程设计说明书 FFT 即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。在 MATLAB 的信号处理工具箱中函数 FFT 和 IFFT 用于快速傅立叶变换和逆变换。函数 FFT 用于序列快速傅立叶变换，其调用格式为 y=fft(x)，其中，x 是序列，y 是序列的 FFT，x 可以为一向量或矩阵，若 x 为一向量，y 是 x 的 FFT 且和 x 相同长度；若 x 为一矩阵，则 y 是对矩阵的每一列向量进行 FFT。如果 x 长度是 2 的幂次方，函数 fft 执行高速基－2FFT 算法，否则 fft 执行一种混合基的离散傅立叶变换算法，计算速度较慢。函数 FFT 的另一种调用格式为 y=fft(x,N)，式中，x，y 意义同前，N 为正整数。函数执行 N 点的 FFT，若 x 为向量且长度小于 N，则函数将 x 补零至长度 N；若向量 x 的长度大于 N，则函数截短 x 使之长度为 N；若 x 为矩阵，按相同方法对 x 进行处理。图 3.2 原始语音信号的频谱 6

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