DSP基于Matlab的语音信号处理（代码）.doc

数字信号处理
2.1.2 采样频率
采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音调，衡量声卡、声音文件的质量标准。采样频率越高，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奎斯特理论，只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。这就是说采样频率是衡量声卡采集、记录和还原声音文件的质量标准。
2.1.3 采样位数与采样频率
采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。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还原就越真实越自然。
采样位数和采样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决定了音频数据最大的力度范围。每增加一个采样位数相当于力度范围增加了6dB。采样位数越多则捕捉到的信号越精确。对于采样率来说你可以想象它类似于一个照相机，44.1kHz意味着音频流进入计算机时计算机每秒会对其拍照达441000次。显然采样率越高，计算机摄取的图片越多，对于原始音频的还原也越加精确。
2.2 语音信号的分析及处理方法
2.2.1 语音的打开
在matlab平台下，利用wavread进行语音采集, 得到语音的分辨率、采样率以频率特性。

2.2.2 语音信号的频谱分析
画出语音信号的时域波形，利用函数fft对信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。
2.2.3产生噪声信号
利用matlab产生固定频率的交流噪声，并加到语音信号中去，得到被污染的语音信号，并播放语音信号，利用函数fft对噪声进行快速傅里叶变换，得到噪声的频谱特性。
2.2.4 数字滤波器设计原理
数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，与模拟滤波相比，它具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性强、便于大规模集成和可实现多维滤波等优点。在信号的过滤、检测和参数的估计等方面，经典数字滤波器是使用最广泛的一种线性系统。
数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形(或频谱)进行加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。
2.2.5数字滤波器的设计步骤
不论是IIR滤波器还是FIR滤波器的设计都包括三个步骤：
(1) 按照实际任务的要求，确定滤波器的性能指标。
(2) 用一个因果、稳定的离散线性时不变系统的系统函数去逼近这一性能指标。根据不同的要求可以用IIR系统函数，也可以用FIR系统函数去逼近。
(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。
2.2.6 IIR滤波器与FIR滤波器的性能比较
FIR:Finite Impulse response，有限冲击响应
IIR:Infinite Impulse response，无限冲击响应
从性能上来说，IIR滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方，因此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存贮单元少，所以经济而效率高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。相反，FIR滤波器却可以得到严格的线性相位，然而由于FIR滤波器传输函数的极点固定在原点，所以只能用较高的阶数达到高的选择性；对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可以比IIR滤波器高5~10倍，结果，成本较高，信号延时也较大；如果按相同的选择性和相同的线性要求来说，则IIR滤波器就必须加全通网络进行相位较正，同样要大增加滤波器的节数和复杂性。
整体来看，IIR滤波器达到同样效果阶数少，延迟小，但是有稳定性问题，非线性相位；FIR滤波器没有稳定性问题，线性相位，但阶数多，延迟大

第三章 图形用户界面设计
3.1 图形用户界面概念
图形用户界面或图形用户接口(Graphical User Interface，GUI)是指采用图形方式显示的计算机操作环境用户接口。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说更为简便易用。
GUIDE是Matlab提供的图形用户界面开发环境，提供了一系列用于创建图形用户界面的工具，从而简化界面布局和编程工作。
3.2 图形用户界面设计
1．GUI设计模板
在MATLAB主窗口中，选择File菜单中的New菜单项，再选择其中的GUI命令，就会显示图形用户界面的设计模板。
MATLAB为GUI设计一共准备了4种模板，分别是Blank GUI(默认) 、GUI with Uicontrols(带控件对象的GUI模板) 、GUI with Axes and Menu(带坐标轴与菜单的GUI模板)与Modal Question Dialog(带模式问话对话框的GUI模板)。
当用户选择不同的模板时，在GUI设计模板界面的右边就会显示出与该模板对应的GUI图形。
2．GUI设计窗口
在GUI设计模板中选中一个模板，然后单击OK按钮，就会显示GUI设计窗口。选择不同的GUI设计模式时，在GUI设计窗口中显示的结果是不一样的。
GUI设计窗口由菜单栏、工具栏、控件工具栏以及图形对象设计区等部分组成。GUI设计窗口的菜单栏有File、Edit、View、Layout、Tools和Help 6个菜单项，使用其中的命令可以完成图形用户界面的设计操作。
3．GUI设计窗口的基本操作
在GUI设计窗口创建图形对象后，通过双击该对象，就会显示该对象的属性编辑器。例如，创建一个Push Button对象，并设计该对象的属性值。

3.3 图形用户界面模块调试
3.3.1 语音信号的读入与打开
下面的一段程序是语音信号在MATLAB中的最简单表现，它实现了语音的读入打开，以及绘出了语音信号的波形频谱图。
[y,fs,nbits]=wavread(file);
n = length (y) ; %求出语音信号的长度
Y=fft(y,n); %傅里叶变换
magX=abs(Y);
angX=angle(Y);
figure(1)
subplot(2,2,1);plot(y);title('原始信号波形');
subplot(2,2,2);plot(abs(Y));title('原始信号频谱')
subplot(223);plot(magX);title('原始信号幅值');
subplot(224);plot(angX);title('原始信号相位');
程序运行可以听到声音，得到的结果如图3-1所示：

图3-1 语音信号的读入与打开

3.3.2 加噪信号
n = length (y) ; %求出语音信号的长度
t=[0:1/8000:2 zeros(1,23520-1)]';
noise=rand(1,n);%sin函数产生噪声
s=y'+noise; %语音信号加入噪声
figure
subplot(2,1,1);plot(s);title('加噪语音信号的时域波形');
S=fft(s); %傅里叶变换
subplot(2,1,2);plot(abs(S));title('加噪语音信号的频域波形')
axis([0,2000,0,1000])

图3-2 噪声波形

3.3.3 N阶高通滤波器
在这里，以5阶为例，其中wc为其3dB边缘频率,程序设计如下：
x = y; %N介高通滤波
N=5;wc=0.3;
[b,a]=butter(N,wc,'high');
X=fft(x);
figure
subplot(321);plot(x);title('滤波前信号的波形');
subplot(322);plot(X);title('滤波前信号的频谱');
y=filter(b,a,x);
Y=fft(y);
subplot(323);plot(y);title('IIR滤波后信号的波形');
subplot(324);plot(Y);title('IIR滤波后信号的频谱');
z=fftfilt(b,x);
Z=fft(z);
subplot(325);plot(z);title('FIR滤波后信号的波形');
subplot(326);plot(Z);title('FIR滤波后信号的频谱');
得到结果如图3-3所示：

图3-3 N阶高通滤波器
3.3.4 N阶低通滤波器
在这里，同样以5阶为例，其中wc为其3dB边缘频率，程序设计如下：
x = y;%N介低通滤波
N=5;wc=0.3;
[b,a]=butter(N,wc);
X=fft(x);
figure
subplot(321);plot(x);title('滤波前信号的波形');
subplot(322);plot(X);title('滤波前信号的频谱');
y=filter(b,a,x);
Y=fft(y);
subplot(323);plot(y);title('IIR滤波后信号的波形');
subplot(324);plot(Y);title('IIR滤波后信号的频谱');
z=fftfilt(b,x);
Z=fft(z);
subplot(325);plot(z);title('FIR滤波后信号的波形');
subplot(326);plot(Z);title('FIR滤波后信号的频谱');得到结果如图3-4所示：

图3-4 N阶低通滤波器
3.3.5 2N阶带通滤波器
2N阶带通滤波器的设计（在这里，以10阶为例，其中wc为其3dB边缘频率，wc=[w1,w2],w1 wc w2），程序设计如下：
x = y;%2N介带通滤波
N=5;wc=[0.3,0.6];
[b,a]=butter(N,wc);
X=fft(x);
figure
subplot(321);plot(x);title('滤波前信号的波形');
subplot(322);plot(X);title('滤波前信号的频谱');
y=filter(b,a,x);
Y=fft(y);
subplot(323);plot(y);title('IIR滤波后信号的波形');
subplot(324);plot(Y);title('IIR滤波后信号的频谱');
z=fftfilt(b,x);
Z=fft(z);
subplot(325);plot(z);title('FIR滤波后信号的波形');
subplot(326);plot(Z);title('FIR滤波后信号的频谱');
得到结果如图3-5所示：

图3-5 带通滤波器

3.4 图形用户界面制作
MATLAB中图形用户界面的制作有两种方法：M文件和GUIDE，本设计采用GUIDE的方法制作GUI。
1.新建一个空白GUI模板：进入MATLAB程序界面以后执行File→New→GUI过程，即可进入
2.选择空白模板选项条，单击OK，一个空白GUI模板生成
3.拖拉白色框的右下角调整界面大小，现在就可以开始设计GUI功能界面了。从左边控件框选择所需要的控件放置在GUI面板中，然后对各个控件进行编辑，包括位置、大小、颜色、名称以及编写回调函数等。本设计主要用到下拉菜单、坐标系、框架和按钮，现分别介绍。
4.按钮设计：按钮键又称命令按钮或按钮，是小的长方形屏幕对象，常常在对象本身标有文本。将鼠标指针移至对象，单击鼠标按钮执行由回调字符串所定义的动作。
单击空间框左侧的Push Button按钮，在图形编辑框中确定其位置后单击鼠标左键即可放置
现在开始编写回调函数，确定按钮功能。在按钮上单击鼠标右键，选择view
- callbacks→callback即可在M文件中找到该按钮的回调函数位置。然后编写功能函数，本设计中该按钮的功能是绘制原始波形，那么只需要读取语音信号并画出波形。
本次课程设计的最终图形用户界面如图3-6所示

图3-6 图形用户界面

第四章 总结
本设计圆满的完成了对语音信号的读取与打开，与课题的要求十分相符；
本设计也较好的完成了对语音信号的频谱分析，通过fft变换，得出了语音信号的频谱图；
在滤波这一块，课题主要是从巴特沃斯滤波器入手来设计滤波器，也从一方面基本实现了滤波；
初略的完成了界面的设计，但也存在相当的不足，只是很勉强的达到了打开语音文件、显示已定滤波前后的波形等图。
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，课题在这里不讨论语音学，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，课题更多的还是体现了数字信号处理技术。
从课题的中心来看，课题是希望将数字信号处理技术应用于某一实际领域，这里就是指对语音的处理。作为存储于计算机中的语音信号，其本身就是离散化了的向量，我们只需将这些离散的量提取出来，就可以对其进行处理了。
在这里，用到了处理数字信号的强有力工具MATLAB，通过MATLAB里几个命令函数的调用，很轻易的在实际化语音与数字信号的理论之间搭了一座桥。
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，则可以完全利用数字信号处理的知识来解决。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，也可以较容易的用数字滤波器来对语音进行滤波处理。
最后，还利用了MATLAB的另一强大功能——gui界面设计。设计出了一个简易的用户应用界面，可以让人实现界面操作。更加方便的进行语音的频谱分析与滤波处理。
但由于知识能力有限，当中也存在相当的不足，特别体现在滤波与界面设计这一块。对滤波的研究，本文只是举出了很小的一个方面，还有许多精髓都未能一一列举。至于用户界面的设计，由于笔者是初次接触，也未能有特别的掌握，仅就刚学习到的一些加以运用，于是设计的还是很粗燥。当然，这些问题与不足在今后的进一步学习中，我会一步一步的去进行解决。特别是对gui界面的设计，还有特别多的地方要学习。

参考文献
【1】(美) Sanjit K. Mitra著；孙洪, 余翔宇等译.数字信号处理实验指导书：MATLAB版.北京：电子工业出版社，2005
【2】杨述斌，李永全. 数字信号处理实践教程.武汉：华中科技大学出版社，2007年1月
【3】 余成波，杨菁，杨如民，等. 数字信号处理及 MATLAB 实现[M]. 北京：清华大学出版社，2005.
【4】 Hartung F, Kutter M. Multimedia Watermarking Techniques [J]. Proc. IEEE, 1999,87(7):1079-1107.

小组分工
数字信号处理课程设计简况表

课程设计标题
现场录音中语音信号的干扰去除
指导教师
XX
小组成员
姓名
性别
学号
成员分工
XX
（组长）
男

XXXXXXX
查阅搜集资料，列举出相关文件；熟悉掌握MATLAB应用；对系统结构分析；编程；优化代码
XX
男
XXXXXX
查阅资料；熟悉掌握MATLAB应用；对系统进行分析；进行GUI界面制作；优化代码；撰写实验报告
XX
男
XXXXXX
查阅资料；熟悉掌握MATLAB应用；对系统结构分析；编程；设计撰写报告
XX
男
XXXXXXX
查阅资料；对系统结构分析；编程；优化代码；撰写实验报告
XX
男
XXXXXXXX
查阅资料；熟悉掌握MATLAB应用；对系统结构分析；编程；撰写实验报告

各成员出勤情况：满勤

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