MATLAB语音信号采集与窗函数法滤波 .docx

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1、精品名师归纳总结目录摘要01 MATLAB程序设计的基本方法12 数字信号处理的基本理论与方法22.1 设计理论依据22.1.1采样定理 22.1.2采样频率 32.1.3采样位数与采样频率 33 利用 MATLAB采集语言信号并分析 43.1 语音的录入与打开 43.2 时域信号的 FFT分析 43.3 程序设计源代码54 用 MATLAB环境接受窗函数法设计数字滤波器 84.1 数字滤波器的设计过程84.2 利用窗函数法设计线性相位 FIR 数字滤波器 84.2.1常见窗函数 8 4.2.2MATLAB窗函数的实现 104.3 利用 hanning 窗设计低通滤波器 115 依据所设计的低

2、通滤波器对语音信号进行处理并分析146心得体会16参考文献17可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1 MATLAB程序设计的基本方法MATLAB是矩阵试验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美国Math Works 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值运算的高级技术运算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和 Simulink两大部分。 MATLAB和 Mathematica 、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值运算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其

3、他编程语言的程序等，主要应用于工程运算、把握设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号运算 工程与科学绘图 把握系统的设计与仿真 数字图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2 数字信号处理的基本理论与方法2.1 设计理论依据图 1原理示意图2.1.1 采样定理在进行模拟 / 数字信号的转换过程中，当采样频率 fs.max 大于信号中，最高频率 fmax 的 2 倍时，即： fs.max=2fmax, 就采样之后的数字信号完整的保

4、留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 510 倍。采样定理又称奈奎斯特定理 :理想低通信道的最高大码元传输速率 =2W*log2 N 其中 W是理想低通信道的带宽 ,N 是电平强度 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.1.2 采样频率采样频率（也称为采样速度或者采样率）定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。采样频率只能用于周期性采样的采样器，对于非周期性采样的采样器没有规章限制。采样频率的常用的表示符号是f_s 。2.1.3 采样位数与采样频率采样

5、位数可以懂得为声卡处理声音的解读度。这个数值越大，解读度就越高，录制和回放的声音就越真实。电脑中的声音文件是用数字0和 1 来表示的，所以在电脑上录音的本质就是把模拟声音信号转换成数字信号。反之，在播放时就是把数字信号仍原成模拟声音信号输出。采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的仍原就越真实越自然。采样位数和采样频率对于音频接口来说是最为重要的两个指标，也是选择音频接口的两个重要标准。无论采样频率如何，理论上来说采样的位数准备了音频数据最大的力度范畴。每增加一个采样位数相当于力度范畴增加了 6dB。采样位数越多就捕捉到的信号越精确。采样率越高，运算机摄取的图片越

6、多，对于原始音频的仍原也越加精确。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3 利用 MATLAB采集语言信号并分析3.1 语音的录入与打开利用 MATLAB中的 wavread 命令来读入（采集）语音信号，将它赋 值给某一向量。再将该向量看作一个一般的信号，对其进行FFT变换实现频谱分析，再依据实际情形对它进行滤波。对于波形图与频谱图（包括滤波前后的对比图）都可以用MATLAB画出。我们仍可以通过sound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。y,fs,bits=wavreadBlip,N1 N2，用于读取语音，采样值 放在向量 y 中， fs 表示采样频率 Hz ，

7、bits表示采样位数。 N1 N2 表示读取从 N1点到 N2点的值（如只有一个 N的点就表示读取前 N点的采样值）。soundx,fs,bits。 用于对声音的回放。向量 y 就就代表了一个信号（也即一个复杂的“函数表达式”）也就是说可以像处理一个信号 表达式一样处理这个声音信号。3.2 时域信号的 FFT分析函数的一种调用格式为：y=fftx其中， x 是序列， y 是序列的 FFT，x 可以为一向量或矩阵，如 x 为一向量， y 是 x 的 FFT。且和 x 相同长度。如 x 为一矩阵，就 y 是对矩阵的每一列向量进行 FFT。假如 x 长度是 2 的幂次方，函数 fft执行高可编辑资料

8、 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结速基 2FFT算法。否就 fft执行一种混合基的离散傅立叶变换算法， 运算速度较慢。函数 FFT的另一种调用格式为： y=fftx,N式中， x，y 意义同前， N为正整数。函数执行 N点的 FFT。如 x 为向量且长度小于 N，就函数将 x 补零至长度 N。如向量 x 的长度大于N，就函数截短 x 使之长度为 N。如 x 为矩阵，按相同方法对 x 进行处理。经函数 fft求得的序列 y 一般是复序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB供应求复数的幅值和相位函数：abs， angle ，这些函数一般和 FFT同时使用。3.3 程序设计源代码fs=8000

9、。x1=wavreadC:WINDOWSMediaWindows XP 关机.wav 。t=0:lengthx1-1/8000。figure1 plott,x1grid on 。axis tight。title原始语音信号 。xlabel时间s。ylabel幅度 。figure2plotabsfftx1,40480。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结grid on 。axis tight。title原始语音信号 FFT频谱 xlabelHz。ylabel幅度 。图 2 原始语音信号时域波形可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3原始语音信号频谱图可编辑资料 - -

10、- 欢迎下载精品名师归纳总结4 用 MATLAB环境接受窗函数法设计数字滤波器数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。依据其单位冲激响应函数的 时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR ）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。与IIR滤波器相比， FIR 的实现是非递归的，总是稳定的。更重要的是， FIR 滤波器在中意幅频响应要求的同时，可以获得严格的线性相位特性。因此，它在高保真的信号处理，如数字音频、图像处理、数据传输、生物医学等领域得到广泛应用。4.1 数字滤波器设计的过程不论是 IIR 滤波器仍是 FIR 滤波器的设计都包括三步：

11、(1) 依据实际任务的要求，确定滤波器的性能指标。(2) 用一个因果、稳固的离散线性时不变系统的系统函数去靠近这一性能指标。依据不同的要求可以用IIR 系统函数，也可以用FIR 系统函数去靠近。(3) 利用有限精度算法实现系统函数，包括结构选择、字长选择等。4.2 利用窗函数法设计线性相位FIR 数字滤波器4.2.1常用窗函数l矩形窗可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至显现负谱现象。(2) 三角窗三角窗亦称费杰（ Fejer ）窗，是幂窗的

12、一次方形式，三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣(3) 汉宁窗汉宁（ Hanning）窗又称升余弦窗，汉宁窗可以看作是3 个矩形时间窗的频谱之和，它可以使用旁瓣相互抵消，消去高频干扰和漏能。汉宁窗与矩形窗的谱图对比，可以看出，汉宁窗主瓣加宽（第一个 零点在 2/T 处）并降低，旁瓣就显著减小。第一个旁瓣衰减一32dB，而矩形窗第一个旁瓣衰减 -13dB。此外，汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快，约为 60dB/（ 10oct ），而矩形窗为 20dB/ （10oct ）。由以上比较可知，从减小泄漏观点动身，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗主瓣加 宽，相当于分析带宽加宽，频率辨

13、论力下降。(4) 海明窗海明（ Hamming）窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗，海 明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使 旁瓣达到更小。分析说明，海明窗的第一旁瓣衰减为-42dB。海明窗的频谱也是由 3 个矩形时窗的频谱合成，但其旁瓣衰减速度为20dB/（10oct ），这比汉宁窗衰减速度慢。海明窗与汉宁窗都是很有用的窗函数。除了以上几种常用窗函数以外，尚有多种窗函数，如平顶窗、帕仁（Parzen）窗、布拉克曼（ Blackman）窗、凯塞（ kaiser ）窗等。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要

14、求。假如仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，就可选用主瓣宽度比较窄而便于辨论的矩形窗，例如测量物体的自振频率等。假如分析窄带信 号，且有较强的干扰噪声，就应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等。对于随时间按指数衰减的函数，可接受指数窗来提高信噪 比。4.2.2 MATLAB 窗函数的实现利用 MATLAB实现窗函数法设计 FIR 滤波器，主要是选择合适的窗函数进行截断运算。先从理论上得到待靠近理想滤波器的单位脉冲响应，再由通带、阻带衰减指标确定窗函数类型，由过渡带确定FIR 滤波器阶数 M，最终利用 MATLAB运算出窗函数的值，以及hdkWnk 的值，由此即得所设计的 FIR 滤

15、波器的 hk 。MATLAB供应了许多常用的窗函数，其中部分窗函数的调用形式为W=hanningN W=hammingN W=BlackmanN W=KaiserN,beta其中 N 是窗函数的长度， beta 是把握 kaiser窗形状的参数。返回的变量 w 是一个长度为 N 的列向量，给出窗函数N 点的取值。对于kaiser窗， MATLAB仍供应了一个依据带设计滤波器的指标直接运算窗函数的函数，其基本调用形式为M,Wc,beta,ftype=kaiserordf,a,dev其中：参数 f 表示需要设计的 FIR 滤波器的 B个频带。参数 a 为 B 个频带的幅度值，一个通带取 1，阻带取

16、 0。参数 dev 为 B 个频带中的波动可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结值。4.3 利用 hanning 窗设计低通滤波器由题意可知：要设计滤波器滤除信号的高频成分，即设计低通滤波器。故确定设计的低通滤波器的设计指标为：Wp=0.3*pi,Ws=0.5*pi程序如下：fs=8000 。x1=wavreadC:WINDOWSMediaWindows XP 关机.wav 。t=0:lengthx1-1/8000。f=fs*0:2047/4096。A1=0.05。A2=0.10。d=A1*cos2*pi*3600*t+A2*sin2*pi*3800*t。x2=x1+d d 。wp=

17、0.3*pi 。ws=0.5*pi 。wdelta=ws-wp 。N=ceil6.6*pi/wdelta。 %取整wn=0.3+0.5*pi/2。bz,az=fir1N,wn/pi,hanningN+1。 %选择窗函数并归一化截止频率figure1 freqzbz,az。grid on 。axis tight。f2=filterbz,az,x2。figure2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结subplot2,1,1 plott,x2。grid on 。axis tight。title滤波前的时域波形 。subplot2,1,2 plott,f2。grid on 。axis ti

18、ght。title滤波后的时域波形 。y3=fftf2,4096。f=fs*0:2047/4096。 figure3y2=fftx2,4096。subplot2,1,1。plotf,absy21:2048。grid on 。axis tight。 title滤波前的频谱 xlabelHz。ylabel幅度 。subplot2,1,2 plotf,absy31:2048。grid on 。axis tight。 title滤波后的频谱 xlabelHz。ylabel幅度 。soundf2,8000。 %回放声音可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图3 滤波前后增益响应可编辑资料 -

19、- - 欢迎下载精品名师归纳总结5 依据所设计的低通滤波器对语音信号进行处理并分析图 4 滤波前后时域波形图通过对上图比较可得出设计的低通滤波器滤除了声音信号的高频成分，只剩下了低频成分。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结滤波前的频谱200150度幅 1005005001000 1500 2000 2500 3000 3500Hz滤波后的频谱200150度幅 1005005001000 1500 2000 2500 3000 3500Hz图 5 滤波前后频谱图由图 5 滤波前后对比的频谱图可知，高频成分的频谱幅度接近0，即滤除了高频成分。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归

20、纳总结心得体会语音信号处理是语音学与数字信号处理技术相结合的交叉学科，课题在这里不争辩语音学，而是将语音当做一种特殊的信号，即一种“复杂向量”来看待。也就是说，课题更多的仍是表达了数字信号处理技 术。课题的特色在于它将语音看作了一个向量，于是语音数字化了，就可以完全利用数字信号处理的学问来解决。我们可以像给一般信号做频谱分析一样，来给语音信号做频谱分析，也可以较简洁的用数字滤波器来对语音进行滤波处理。经过一个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽，感想颇多。在此期间我们也失落过，也曾一度热忱高涨。从开头时满富盛激情到最终汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。设计的确有些辛 苦，但苦中也有

21、乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮忙，协作默契，多少人间轻盈在这里洒下，经过这几天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。我想说，的确很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必需发扬团结协作的精神。团结协作是我们实习成功的一项特殊重要的保证。而这次实习也正好锤炼我们这一点，这也是特殊宝贵的。对我们而言，学问上的收成重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财宝，经受是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个特殊美

22、好的回忆！通过这次课程设计，加强了我们动手、摸索和解决问题的才能。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论学问是远远不够的，只有把所学的理论学问与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手才能和独立摸索的才能。这次课程设计最终顺当完成了，在设计中遇到了许多专业学问问 题，最终在老师的辛勤指导下，最终迎刃而解，我们学也到许多有用的学问，学到了许多课内学不到的东西，比如独立摸索解决问题，显现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅。在此，感谢老师的细心指导！可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结参考文献1、陈怀琛 .MATLAB及在电子信息课程中的应用M. 北京：电子工业出版社 .2021,12、陈后金 . 数字信号处理（其次版） . 高等训练出版社 .2021,33、张文 . 基于 MATLAB的语音信号的滤波与实现J.山西电子技术.2021,24、徐靖涛 . 基于 MATLAB的语音信号分析与处理 J.重庆科技学院学报 2021,1可编辑资料 - - - 欢迎下载