【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于 Matlab語(yǔ)音信號(hào)處理 單 位（系別） ： 電子信息工程系 學(xué) 生 姓 名 ： 何謹(jǐn)西 (何赟 ) 專 業(yè) ： 電子信息工程 班 級(jí) ： 01120802 學(xué) 號(hào) ： 0112080225 指 導(dǎo) 教 師 ： 唐伶 俐 答辯組 負(fù)責(zé)人 ： 填表時(shí)間： 20 年 月 重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院 教務(wù)處制 摘 要 在本文中，我們分別研究了在 MATLAB 環(huán)境下 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器完全設(shè)計(jì)等方法。 語(yǔ)音處理研究的歷史可以追溯到 1876 年貝爾 (Bell)發(fā)明電話，那是首次采用聲電、電聲轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離語(yǔ)音通信。共振蜂合成法就是源于這一思想的，它至今還被認(rèn)為是 種較好的語(yǔ)音合成方法。 80 年代以來出現(xiàn)的語(yǔ)音處理技術(shù)產(chǎn)品化的熱潮，與上述三種技術(shù)的推動(dòng)作用是分不開的。但是，這一時(shí)期的漢語(yǔ)聽寫機(jī)系統(tǒng)基本上都是基于特定人孤立音節(jié)識(shí)別技術(shù)的。從這時(shí)起，MATLAB 的內(nèi)核采用 C 語(yǔ)言編寫，而且除原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能。一個(gè)以 Maple 為“引擎”的 Symbolic Math Toolbox 。 MATLAB 是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。 第二節(jié) 濾波器簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)在 matlab 平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了 IIR 和 FIR濾波器各種類型的濾波器。所以 FIR 濾波器的應(yīng)用越來越廣泛。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 熟悉并掌握 MATLAB 中有關(guān)聲音（ wave）錄制、播放、存儲(chǔ)和讀取的函數(shù)。 Matlab 的含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ MATRIX LABORATORY）。語(yǔ)音信號(hào)處理是一門發(fā)展十分迅速，應(yīng)用非常廣泛的前沿交叉學(xué)科，同時(shí)又是一門跨學(xué)科的綜合性應(yīng)用研究領(lǐng)域和新興技術(shù)。 然后，對(duì)每個(gè)采樣樣本進(jìn)行數(shù)字化處理。由信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知 , 若原始信號(hào)是周期的 , 則其自相關(guān)函數(shù)也是周期的 , 且自相關(guān)函數(shù)的周期就是原始信號(hào)的周期。矩形窗函數(shù)可表示為 w (n) =1 0 = N = N 1 0 其它 假設(shè) S(n)是原始語(yǔ)音 , Sw(n)是加窗語(yǔ)音 , 非零區(qū)間為 n= 0～ N1, 即Sw(n)=S(n)w(n) Sw(n)的自相關(guān)函數(shù)就是 S(n)的短時(shí)自相關(guān)函數(shù) , 定義為 Rw(l)=ΣSw(n)Sw(n+l) 式中 : l∈ [N+1,n1]。實(shí)驗(yàn)中可以自己選擇采用哪種濾波方法。 fprintf(39。double39。 %存儲(chǔ)語(yǔ)音信號(hào) 二、去除無效點(diǎn)并與原始信號(hào)比較： %原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖與濾除無效點(diǎn)后語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖的比較 n=wavread(39。 %注明圖形標(biāo)題 xlabel(39。F:\畢業(yè) \畢業(yè) \139。采樣點(diǎn)數(shù) 39。)。8000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 FFT 幅度譜 39。 grid。)。 %顯示語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜圖 title(39。)。數(shù)字頻率 39。 %歸一化通帶數(shù)字截止頻率 wp Ws=2*3200/fs。 %二維連續(xù)圖形 title(39。)。\omega/\pi39。)。數(shù)字頻率 39。濾波后的相位譜 39。 grid。F:\學(xué)習(xí) \學(xué)習(xí) \ 數(shù)字信號(hào) \139。)。 plot(20*log10(abs(m2)))。振幅 39。) %讀取濾波后的語(yǔ)音信號(hào) sound(n2,7000)。 程序 2 為濾除原始聲音的無效信號(hào)。此程序設(shè)計(jì)的是IIR 契比雪夫 I 型低通濾波器，抽樣頻率為 Fs=6500。 filter 函數(shù) 該函數(shù)用于實(shí)現(xiàn) IIR 和 FIR 濾波器對(duì)數(shù)據(jù)濾波，常用來計(jì)算濾波器對(duì)輸入的響應(yīng)。 [n,wn]=ellipord([wp1/(fs/2),wp2/(fs/2)],[ws1/(fs/2),ws2/(fs/2)],rp,rs)。)。 圖 橢圓帶通濾波器濾波后波形及頻譜 fftfilt 函數(shù) 該函數(shù)利用效率高的基于 FFT 重疊相加算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)濾波，該函數(shù)只適用于 FIR 濾波器，其調(diào)用格式為： 24 y=fftfilt（ b， x） y=fftfilt（ b， x， n） 其中， b 為 FIR 濾波器系數(shù)向量； x 為輸入數(shù)據(jù)； n 為 FFT 長(zhǎng)度，默認(rèn)時(shí)，函數(shù)選擇最佳的 FFT 長(zhǎng)度； y為濾波器輸出。%%使用默認(rèn)海明窗的低通濾波器 window=chebwin(n+1,40)。)。 函數(shù)返回： h 為復(fù)頻率響應(yīng)；ω為點(diǎn)頻率向量（弧度），返回ω范圍與輸入?yún)?shù)＇ whole＇有關(guān)； f 為 n 點(diǎn)頻率向量。 28 致 謝 經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的努力和完善，系統(tǒng)終于可以正常的運(yùn)行。最后，感謝所有對(duì)我提供過幫助的人。但這對(duì)我來說絕對(duì)是一個(gè)非常寶貴的歷練。 論文初步完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，由于本人能力有限，還存在許多不足的地方，比如濾波器的設(shè)計(jì)種類還比較單一，沒有做更多的濾波效果比較等。 濾波后的波形和頻譜如圖 所示： 對(duì)比圖 （ a）和圖 （ b）再結(jié)合圖 濾波器的頻率響應(yīng)，可以看出濾波后信號(hào)頻譜的第一主峰海明窗比切比雪夫窗低，信號(hào)波形主峰后的那個(gè)“缺口”也要低些，其原因都是海明窗阻帶第一波紋比切比雪夫窗衰減得快一些。title(39。 n=38。 濾波后的波形和頻譜如圖 所示： 23 從圖中可以看出，濾波后信號(hào)低頻部分被濾掉了，只剩下第二峰值，可見濾波效果較好。title(39。 wp1=3000,wp2=4000,ws1=2500,ws2=4500,rp=1。從播放的效果看，濾波后的語(yǔ)音信號(hào)更加低沉，有些許失真，但是傳輸?shù)男畔⒉o遺漏。 運(yùn)行結(jié)果如下： 19 0 2020 4000 6000 800001020308000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 FFT 幅度譜數(shù)字頻率振幅0 2020 4000 6000 8000420248000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 FFT 相位譜數(shù)字頻率相位0 0 . 5 1 1 . 5 2x 1 04010203016000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 FFT 幅度譜數(shù)字頻率振幅0 0 . 5 1 1 . 5 2x 1 044202416000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 FFT 相位譜數(shù)字頻率相位 圖 程序 4 為設(shè)計(jì)濾波器對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。錯(cuò)誤雖小，但問了幾個(gè)同學(xué)都無法知道出錯(cuò)的原因，在唐 伶 俐 老師指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)是文章路徑中多了一個(gè)空格，使程序無法正常運(yùn)行，可見做事要認(rèn)真。 %播放原始語(yǔ)音信號(hào) n2=wavread(39。)。)。 %顯示濾波后的語(yǔ)音信號(hào)的相對(duì)幅度譜圖 title(39。)。相位 39。 subplot(2,1,2) plot(angle(y))。)。 %顯示經(jīng)過濾波后的語(yǔ)音信號(hào)的幅度譜和相位譜圖形 n=wavread(39。)。 % /后表示轉(zhuǎn)義字符 ylabel(39。 %求 頻率響應(yīng) subplot(2,1,1)。 四 、設(shè)計(jì)濾波器存儲(chǔ)過濾信號(hào)： %設(shè)計(jì) IIR 契比雪夫 I型低通濾波器 ,對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波 ,并存儲(chǔ)經(jīng)過濾波后的 %語(yǔ)音信號(hào) %IIR 契比雪夫 I型低通濾波器的設(shè)計(jì) fs=6500。)。 ylabel(39。 %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做 16000 點(diǎn)的 FFT 變換 subplot(2,2,2)。 xlabel(39。振幅 39。 plot(abs(x))。 wavwrite(m,8000,39。)。 %注明 y軸 grid。原始語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域圖 39。F:\畢業(yè) \畢業(yè) \139。)。 channel=1。 (4) 所有清晰點(diǎn)中最左邊的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是語(yǔ)音的基音周期 的 估計(jì) 。因此計(jì)算自相關(guān)函數(shù)前要對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行分段 , 分段最常用的方法是加窗。（根據(jù)研究結(jié)果顯示，超過 16 位的量化精度，正常人的耳機(jī)也分辨不出來，所以現(xiàn)在最常用的是采用16位量化來處理聲音。這個(gè)過程的實(shí)際操作是，每隔一個(gè)很短的時(shí)間，比如 1/8000 秒甚至更短的時(shí)間，對(duì)模擬聲音信號(hào) 采 一個(gè)樣本，也就是， 獲取模擬聲音信號(hào)在此時(shí)的電壓值（音量），我們把每一秒鐘之內(nèi)采樣的次數(shù)稱為 “ 采樣頻率 “ ，用赫茲（ HZ）做單位。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而使其廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理、數(shù)字圖形處理等領(lǐng)域的分仿真和設(shè)計(jì)工作中，而且利用MATLAB 產(chǎn)品的開發(fā)式結(jié)構(gòu)，用戶可以非常容易地對(duì) MATLAB 進(jìn)行擴(kuò)充。 7 第三章 設(shè)計(jì)原理 第一節(jié) 相關(guān)軟件介紹 采用 Matlab 進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，使 我們 加深了對(duì)課堂抽象概念的理解，鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，并能很好地理解與掌握數(shù)字信號(hào)處理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。本設(shè)計(jì) 在 MATLAB 環(huán)境中，使用聲音相關(guān)函數(shù)錄制 2 秒左右自己的聲音，抽樣率是 8000Hz/s， 針對(duì)電話信道（最高 3500Hz），設(shè)計(jì)一個(gè) FIR或 IIR 濾波器進(jìn)行濾波，把抽樣率轉(zhuǎn)變?yōu)?7000Hz/s，并進(jìn)行頻譜分析，得到幅度和相位譜。一般，當(dāng)著眼于濾波器的時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，采用脈沖響應(yīng)不變法較好，而其它情況下，對(duì)于 IIR 的設(shè)計(jì)，大多采用雙線性變換法。但是，和其他 的高級(jí)語(yǔ)言相比，matlab 程序的執(zhí)行速度較慢。 假如說，在上世紀(jì)九十年代，新、老一代教科書的區(qū)別性標(biāo)志是“教材是否包含 MATLAB 內(nèi)容”，那末進(jìn)入二十一世紀(jì)后， MATLAB 對(duì)教材的影響又以嶄新的形式出現(xiàn)：新教材正在更徹底地摒棄那些手工計(jì)算、計(jì)算尺計(jì)算、手搖或電動(dòng)計(jì)算機(jī)、電子模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代建立的“老的但久被當(dāng)作經(jīng)典的”表述、分析和計(jì)算方法；而逐步地建立以現(xiàn) 代計(jì)算工具（包括軟硬件）為平臺(tái)的新的表述、分析和計(jì)算方法，其中包括采用交互式圖形用戶界面去完成各種表述、分析和計(jì)算目的。 版在繼承和發(fā)展其原有的數(shù)值計(jì)算和圖形可視能力的同時(shí)，出現(xiàn)了以下幾個(gè)重要變化：（ 1）推出了 SIMULINK，一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境 。那是 20世紀(jì)七十年代后期的事：時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任的 Cleve Moler 教授出于減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的動(dòng)機(jī)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一組調(diào)用 LINPACK 和EISPACK庫(kù)程序的“通俗易用”的接口，此 即用 FORTRAN編寫的萌芽狀態(tài)的 MATLAB。無限詞匯的漢語(yǔ)聽寫機(jī)研制首先由清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所于 1988 年取得突破，緊接著西安電子科技大學(xué)也研制成功 。特別是研究 2 出多種線性預(yù)測(cè)參數(shù)形式和多種譜距離測(cè)度，對(duì)話音識(shí)別和語(yǔ)音編碼研究的發(fā)展起了重要作用；③ 70 年代末， Linda． Buzo． Gray 和 Markel 等人首次解決了矢量量化碼書生成的 方法，并先將矢量量化技術(shù)用于語(yǔ)音編碼獲得成功。1948 年美國(guó) Haskins 實(shí)驗(yàn)室研制成功“語(yǔ)圖回放機(jī)”，它把手工繪制在薄膜片的語(yǔ)譜圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換為語(yǔ) 音，可以進(jìn)行語(yǔ)音合成。最后回放處理前后的語(yǔ)音信號(hào)。 完全設(shè)計(jì)方法中我們利用函數(shù)直接設(shè)計(jì)出低通、高通和帶通濾波器，并分別編 號(hào) ： ____________ 審定成績(jī) ： ____________ 2 用巴特沃斯 (Butterworth)濾波器、切比雪夫 (Chebyshev)濾波器、橢圓 (Cauer)濾波器來實(shí)現(xiàn)，并比較了各自的頻率響應(yīng)曲線。在此之前還有一件越事值得提及，那就是奧地利皇帝命令他的科學(xué)家 Von KempeIen 研制一臺(tái)能說話的機(jī)器，并且終于在 1780 年獲得了一定成功。 70 年代初美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)技術(shù)研究項(xiàng)目管理局 (ARPA)制定了一個(gè)龐大的計(jì)劃，資助多個(gè)著名的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行語(yǔ)音理解系統(tǒng)研究。 1985 年 IBM 公司研制成功 5000 詞匯的英語(yǔ)聽寫機(jī)Tangora5，后來到 80 年代未又發(fā)展為能識(shí)別 20200 詞匯的 Tangora20，識(shí)別率達(dá)到 ％，而且具有快速自適應(yīng)于說話者的特性。由于漢語(yǔ)音節(jié)種類較少，結(jié)構(gòu)很規(guī)則，便于以音節(jié)識(shí)別為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)無限詞匯識(shí)別，因而很快獲得了可與國(guó)際先進(jìn)水平相比擬的成果。 MATLAB 以商品形式出現(xiàn)后的短短幾年，就以其良好的開放性和運(yùn)行的可靠性，使原先控制領(lǐng)域里的封閉式軟件包紛紛淘汰，而改在 MATLAB 平臺(tái)上重建。此舉結(jié)