基于+MATLAB+的语音信号分析与处理的课程设计

课程设计(论文)任务书

软件 学 院 06信息工程 专 业 2006－(1) 班

一、课程设计(论文)题目 基于 MATLAB 的语音信号分析与处理的课程设计

二、课程设计(论文)工作自 2008 年 12 月 29 日起至 2009 年 1 月 2 日止。 三、课程设计(论文) 地点: 信息学院机房 四、课程设计(论文)内容要求： 1．本课程设计的目的:

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，从而加深对所学知识的理解，建 立概念。

2．课程设计的任务及要求 1）基本要求：

① 学会 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序设计方法。 ② 掌握在 Windows 环境下语音信号采集的方法。 ③ 掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。 ④ 掌握 MATLAB 设计 FIR 和IIR 数字滤波器的方法。 ⑤ 学会用 MATLAB 对信号进行分析和处理。

2）创新要求：

在基本要求达到后，可进行创新设计，如界面优化等。

（1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文

（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等 （3）毕业论文装订按学校的统一要求完成

4）答辩与评分标准： （1）完成原理分析：20分； （2）完成设计过程：40分； （3）完成调试：20分； （4）回答问题：20分。

5）参考文献：

胡广书 数字信号处理－理论、算法与实现（第二版） 清华出版社 陈桂明 应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像 科技出版社 程佩青 数字信号处理（第三版） 清华出版社

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6）课程设计进度安排

内容 天数 地点

构思及收集资料 1 图书馆 组装与调试 3 实验室

撰写论文 1 图书馆、实验室

学生签名： 时元斌

2008年12月29日

课程设计(论文)评审意见

（1）完成原理分析（20分）：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）； （2）设计分析 （40分）：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）； （3）完成调试 （20分）：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）； （4）回答问题 （20分）：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）； （5）格式规范性及考勤是否降等级：是（ ）、否（ ）

评阅人： 职称： 讲师

2009年 月 日

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目 录

1．课程设计目的………………………………………………………………（4）

2．课程设计基本要求……………………………………………...………….（4）

3．课程设计内容………………………………………..……………………..（4）

4．课程设计实现……………………………………………………..…..……………（4）

（1）语音信号的采集……………………………………………………..（4）

（2）语音信号的频谱分析………………………………………………..（5）

（3）设计滤波器和画出频率响应………………………………………..（5）

（4）用滤波器对信号进行滤波…………………………………………..（8）

（5）比较滤波前后语音信号的波形及其频谱…………………………..（8）

（6）回放语音信号………………………………………………………..（10）

（7）设计系统界面………………………………………………………..（10）

5、心得体会……………………………………………..……………………..（11）

6、参考文献…………………………………….……………………………..（11）

7、课程设计工作学生调查表…………….…………………………………..（12）

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基于 MATLAB 的语音信号分析与处理的课程设计

1．课程设计目的

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，从而加深对所学知识的理解，建立概念。

2．课程设计基本要求 ① 学会 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序设计方法。 ② 掌握在 Windows 环境下语音信号采集的方法。 ③ 掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。 ④ 掌握 MATLAB 设计 FIR 和IIR 数字滤波器的方法。 ⑤ 学会用 MATLAB 对信号进行分析和处理。

3．课程设计内容

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，采用窗函数法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的语音信号进行滤波，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。

4．课程设计实现

（1）语音信号的采集

选取一段语音信号，然后在matlab软件平台下，利用wavread函数对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过使用wavread函数，理解采样频率、采样位数等概念。

wavread函数调用格式 y=wavread（file），读取file所规定的wav文件，返回采样值放在响亮y中。 [y,fs,nbits]=wavread(file)，采样值放在向量y中，fs表示采样频率（hz），nbits表示采样位数。

y=wavread（file，N），读取钱N点的采样值放在向量y中。 y=wavread（file，[N1,N2]），读取从N1到N2点的采样值放在向量y中。

对语音信号ermiao.wav进行采样其程序如下： [y,fs,nbits]=wavread(‘ermiao’) >> ……

fs =

44100 nbits =

16

y=wavread（file，[20000,65000]） >>

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（2）语音信号的频谱分析

首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。在matlab中利用fft对信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。

其程序如下：

[y,fs,nbits]=wavread(‘ermiao’， [20000,65000])；

sound（y，fs，bits）； Y=fft（y，4096）；

subplot（211）；plot（y）；title（‘原始信号波形’）； subplot（212）；plot（abs（Y））；title（‘原始信号频谱’）； 程序结果如下图：

原始信号波形10.50-0.5-100.511.522.533.544.5x 10原始信号频谱15010054500050010001500200025003000350040004500

（3）设计滤波器和画出频率响应

根据语音信号的特点给出有关滤波器的新能指标： ① 低通滤波器的性能指标：fp=1000Hz，fc=1200Hz，As=100dB，Ap=1dB； ② 高通滤波器的性能指标：fp=4800Hz，fc=5000Hz，As=100dB，Ap=1dB； ③ 带通滤波器的性能指标：fp1=1200Hz，fp2=3000hZ，fc1=1000Hz，fc2=3200Hz，

As=100dB，Ap=1dB；

低通

用窗函数设计低通滤波器的程序如下： fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs=22050; wc=2*fc/fs;wp=2*fp/fs;

N=ceil((As-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2))+1; beta=0.1102*(As-8.7); Win=Kaiser(N+1,beta);

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b=fir1(N,wc,Win);

freqz(b,1,512,fs);

程序运行结果如下图所示：

原始信号波形100Magnitude (dB)0-100-2000200040006000Frequency (Hz)8000100000Phase (degrees)-2000-4000-6000-80000200040006000Frequency (Hz)800010000

用双线性变换设计的低通滤波器的程序如下： fp=1000;fc=1200;As=100;Ap=1;fs=22050; wc=2*fc/fs;wp=2*fp/fs;

[n,wn]=ellipord(wp,wc,Ap,As); [b,a]=ellip(n,Ap,As,wn); freqz(b,a,512,fs);

程序运行结果如下图所示：

50Magnitude (dB)0-50-100-1500200040006000Frequency (Hz)8000100000Phase (degrees)-200-400-600-800-10000200040006000Frequency (Hz)800010000

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高通

高通滤波器的程序如下： ws1=4800; wp1=5000; wc=22050; wp=wp1/wc; ws=ws1/wc;

[N,Wn]=buttord(wp,ws,1,100); [b,a]=butter(N,Wn,'high') freqz(b,a,521,10000)

程序运行结果如下图所示：

40Magnitude (dB)200-20-40050010001500200025003000Frequency (Hz)350040004500500010000Phase (degrees)50000-5000050010001500200025003000Frequency (Hz)3500400045005000

带通

设计带通滤波器的程序如下： wp1=[1200 3000]; ws1=[1000 3200]; wx=11025; wp=wp1/wc; ws=ws1/wc;

[n,Wn]=cheb1ord(wp,ws,1,100') [b,a]=cheby1(n,1,Wn); freqz(b,a,512,1000)

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程序运行结果如下图所示： n =

24

Wn =

0.0544 0.1361

400Magnitude (dB)2000-200-400050100150200250300Frequency (Hz)35040045050010000Phase (degrees)50000-5000050100150200250300Frequency (Hz)350400450500

（4）用滤波器对信号进行滤波

比较两种滤波器的性能，然后用性能较好的滤波器对采集的信号进行滤波。在MATLAB中，FIR咯其利用函数fftfilt对信号进行滤波，IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。

（5）比较滤波前后语音信号的波形及其频谱

要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及其频谱， FIR滤波：其程序如下： x=fftfilt(b,a,y);

X=fft(x,4096);

subplot(221);plot(y);title('原始信号波形'); subplot(222);plot(abs(Y));title('原始信号频谱'); subplot(223);plot(x);title('滤波后信号的波形'); subplot(224);plot(abs(X));title('滤波后信号的频谱');

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运行结果如下：

原始信号波形10.50-0.5-1024x 10滤波后信号的波形10.50-0.5-105101543210020004000600064原始信号频谱1501005000200040006000滤波后信号的频谱

IIR滤波：其程序如下： x=filter(b,a,y);

X=fft(x,4096);

subplot(221);plot(y);title('原始信号波形');

subplot(222);plot(abs(Y));title('原始信号频谱'); subplot(223);plot(x);title('滤波后信号的波形');

subplot(224);plot(abs(X));title('滤波后信号的频谱'); 运行结果如下：

原始信号波形10.50-0.5-1024x 10滤波后信号的波形10.50-0.5-1024x 1064原始信号频谱150100500640200040006000滤波后信号的频谱1501005000200040006000

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（6）回放语音信号

在MATLAB中，函数sound可以对声音进行回放。其调用格式为: Sound(x,fs,bits)

可以感觉滤波前后的声音变换。

（7）设计系统界面

系统界面-低通滤波器-滤波 后（运行结果）：

原始信号波形10.50-0.5-1024x 10滤波后信号的波形10.50-0.5-105101543210020004000600064

原始信号频谱1501005000200040006000滤波后信号的频谱

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/69m8.html