畢業(yè)論文設計題目音頻信號數(shù)字處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)學生魏江紅學號20110311107專業(yè)電子信息工程指導教師馬令坤陜西科技大學職業(yè)教育師范學院2015年6月2日畢業(yè)設計（論文）任務書職業(yè)教育師范學院電子信息工程專業(yè)信工111班級學生魏江紅題目音頻信號數(shù)字處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)畢業(yè)設計（論文）從2015年3月8日起到2015年6月2日課題的意義及培養(yǎng)目標本題目來源于實驗室建設項目。旨在將數(shù)字信號處理課程中的抽象的算法通過真實系統(tǒng)來實現(xiàn)。采用采集卡實現(xiàn)處理器的AD和DA功能，采用通用計算機作為處理器，在MATLAB或LABVIEW平臺上實現(xiàn)常見的語音信號的時域和頻域處理。通過該題目的設計，一方面讓學生更加清楚的掌握一個處理系統(tǒng)的組成、相關參數(shù)的設計和選擇、構建系的考慮要素等；同時，通過在系統(tǒng)中開發(fā)必要的課程實驗，加強學生對算法的理解，提高信號處理算法的應用能力。本設計旨在培養(yǎng)學生編程能力、獨立分析問題、解決問題的能力；此外，在此設計的過程中對已學知識得以回顧，加深對其的理解。同時，了解本學科的前沿、掌握必備的基礎知識。設計（論文）所需收集的原始數(shù)據(jù)與資料相關資料1）數(shù)字信號處理原理2）微機原理與接口技術3）采集卡的原理與應用4）MATLAB語言5）信號檢測理論6）閱讀20092015年國內(nèi)外期刊相關論文不少于15篇課題的主要任務（需附有技術指標分析）1）掌握信號時域和頻域處理算法的基本原理。2）完成處理系統(tǒng)的設計和必要外圍電路的設計。3）完成語音信號的濾波、頻譜分析等功能。4）完成數(shù)字信號處理課程上實驗的開發(fā)問題。設計（論文）進度安排及完成的相關任務（以教學周為單位）周次設計（論文）任務及要求12查閱文獻，完成畢業(yè)設計的開題工作。34四川長虹完成畢業(yè)實習。5開題68學習必要的理論知識，進行理論設計。9中期檢測。1011算法仿真實現(xiàn)預期設計目標。1213整理設計結果，撰寫畢業(yè)論文，答辯。學生簽名日期指導教師日期教研室主任日期音頻信號數(shù)字處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘要語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術和語音學知識對語音信號進行處理的新興的學科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學研究領域的核心技術之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。MATLAB語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析以及信號的可視化，使人機交互更加便捷。信號處理是MATLAB重要應用的領域之一。本設計針對現(xiàn)在大部分語音處理軟件內(nèi)容繁多、操作不便等問題，采用MATLAB70綜合運用GUI界面設計、各種函數(shù)調(diào)用等來實現(xiàn)語音信號的變頻、變幅、傅里葉變換及濾波，程序界面簡練，操作簡便，具有一定的實際應用意義。最后，本文對語音信號處理的進一步發(fā)展方向提出了自己的看法。關鍵字音頻信號，MATLAB，信號處理THEDESIGNOFANALYSISANDPROCESSINGVOICESIGNALABSTRACTSPEECHSIGNALPROCESSINGISTOSTUDYTHEUSEOFDIGITALSIGNALPROCESSINGTECHNOLOGYANDKNOWLEDGEOFTHEVOICESIGNALVOICEPROCESSINGOFTHEEMERGINGDISCIPLINEISTHEFASTESTGROWINGAREASOFINFORMATIONSCIENCEONEOFTHECORETECHNOLOGYTRANSMISSIONOFINFORMATIONTHROUGHTHEVOICEOFHUMANITYSMOSTIMPORTANT,MOSTEFFECTIVE,MOSTPOPULARANDMOSTCONVENIENTFORMOFEXCHANGEOFINFORMATIONMATLABLANGUAGEISADATAANALYSISANDPROCESSINGFUNCTIONSAREVERYPOWERFULCOMPUTERAPPLICATIONSOFTWARE,SOUNDFILESWHICHCANBETRANSFORMEDINTODISCRETEDATAFILES,THENUSEITSPOWERFULABILITYTOPROCESSTHEDATAMATRIXOPERATIONS,SUCHASDIGITALFILTERING,FOURIERTRANSFORM,WHENDOMAINANDFREQUENCYDOMAINANALYSIS,SOUNDPLAYBACKANDAVARIETYOFMAPRENDERING,ANDSOONITSSIGNALPROCESSINGANDANALYSISTOOLKITFORVOICESIGNALANALYSISPROVIDESAVERYRICHFEATUREFUNCTION,USEOFTHESEFUNCTIONSCANBEQUICKANDCONVENIENTFEATURESCOMPLETEVOICESIGNALPROCESSINGANDANALYSISANDVISUALIZATIONOFSIGNALS,MAKESCOMPUTERINTERACTIONMORECONVENIENTMATLABSIGNALPROCESSINGISONEOFTHEIMPORTANTAREASOFAPPLICATIONTHEDESIGNOFVOICEPROCESSINGSOFTWAREFORMOSTOFTHECONTENTARENUMEROUS,EASYTOMANEUVERANDSOON,USINGMATLAB70COMPREHENSIVEUSEGUIINTERFACEDESIGN,VARIOUSFUNCTIONCALLSTOVOICESIGNALSSUCHASFREQUENCY,AMPLITUDE,FOURIERTRANSFORMANDFILTERING,THEPROGRAMINTERFACECONCISE,SIMPLE,HASSOMESIGNIFICANCEINPRACTICEFINALLY,THESPEECHSIGNALPROCESSINGFURTHERDEVELOPMENTPUTFORWARDTHEIROWNVIEWSKEYWORDSMATLAB，VOICESIGNAL，F(xiàn)OURIERTRANSFORM，SIGNALPROCESSING目錄摘要IABSTRACTII1緒論111課題背景及意義112國內(nèi)外研究現(xiàn)狀113本課題的研究內(nèi)容和方法1131研究內(nèi)容1132運行環(huán)境2133開發(fā)環(huán)境22語音信號處理的總體方案321系統(tǒng)基本概述322系統(tǒng)基本要求323系統(tǒng)框架及實現(xiàn)324系統(tǒng)初步流程圖43語音信號處理基本知識631語音的錄入與打開632采樣位數(shù)和采樣頻率633時域信號的FFT分析634數(shù)字濾波器設計原理635倒譜的概念74語音信號處理實例分析841圖形用戶界面設計842信號的采集843語音信號的處理設計8431語音信號的提取8432語音信號的調(diào)整10433語音信號的傅里葉變換11434語音信號的濾波1344語音信號的輸出175實驗186總結49參考文獻50致謝511緒論語音是語言的聲學表現(xiàn)，是人類交流信息最自然、最有效、最方便的手段。隨著社會文化的進步和科學技術的發(fā)展，人類開始進入了信息化時代，用現(xiàn)代手段研究語音處理技術，使人們能更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲、和獲取語音信息，這對于促進社會的發(fā)展具有十分重要的意義，因此，語音信號處理正越來越受到人們的關注和廣泛的研究。11課題背景及意義語音信號處理是一門比較實用的電子工程的專業(yè)課程，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。通過語言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和記載幾千年人類文明史的根本手段，沒有語言就沒有今天的人類文明。語音是語言的聲學表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術對語音信號進行處理的一門學科，它是一門新興的學科，同時又是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀60年代中期形成的一系列數(shù)字信號處理的理論和算法，如數(shù)字濾波器、快速傅立葉變換（FFT）等是語音信號數(shù)字處理的理論和技術基礎。隨著信息科學技術的飛速發(fā)展，語音信號處理取得了重大的進展進入70年代之后，提出了用于語音信號的信息壓縮和特征提取的線性預測技術（LPC），并已成為語音信號處理最強有力的工具，廣泛應用于語音信號的分析、合成及各個應用領域，以及用于輸入語音與參考樣本之間時間匹配的動態(tài)規(guī)劃方法；80年代初一種新的基于聚類分析的高效數(shù)據(jù)壓縮技術矢量量化（VQ）應用于語音信號處理中；而用隱馬爾可夫模型（HMM）描述語音信號過程的產(chǎn)生是80年代語音信號處理技術的重大發(fā)展，目前HMM已構成了現(xiàn)代語音識別研究的重要基石。近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡ANN的研究取得了迅速發(fā)展，語音信號處理的各項課題是促進其發(fā)展的重要動力之一，同時，它的許多成果也體現(xiàn)在有關語音信號處理的各項技術之中。13本課題的研究內(nèi)容和方法131研究內(nèi)容本論文主要介紹的是的語音信號的簡單處理。本論文針對以上問題，運用數(shù)字信號學基本原理實現(xiàn)語音信號的處理，在MATLAB70環(huán)境下綜合運用信號提取，幅頻變換以及傅里葉變換、濾波等技術來進行語音信號處理。我所做的工作就是在MATLAB70軟件上編寫一個處理語音信號的程序，能對語音信號進行采集，并對其進行各種處理，達到簡單的語音信號處理的目的。132運行環(huán)境運行環(huán)境主要介紹了硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。硬件環(huán)境處理器INTERPENTIUM166MX或更高內(nèi)存512MB或更高硬盤空間40GB或更高顯卡SVGA顯示適配器軟件環(huán)境操作系統(tǒng)WINDOW98/ME/2000/XP133開發(fā)環(huán)境開發(fā)環(huán)境主要介紹了本系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)、開發(fā)語言。1操作系統(tǒng)WINDOWSXP2開發(fā)環(huán)境MATLAB702語音信號處理的總體方案21系統(tǒng)基本概述圖形用戶界面（GRAPHICALUSERINTERFACE，簡稱GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。GUI的廣泛應用是當今計算機發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。22系統(tǒng)基本要求本文是用MATLAB對含噪的的語音信號同時在時域和頻域進行濾波處理和分析，在MATLAB應用軟件下設計一個簡單易用的圖形用戶界面（GUI），來解決一般應用條件下的各種語音信號的處理。23系統(tǒng)框架及實現(xiàn)1）語音信號的采集使用電腦的聲卡設備采集一段語音信號，并將其保存在電腦中。2）語音信號的處理語音信號的處理主要包括信號的提取、信號的調(diào)整、信號的變換和濾波等。語音信號的時域分析語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成、語音識別和語音增強等語音處理中無一例外需要提取語音中包含的各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析可以分為時域和變換域等處理方法，其中時域分析是最簡單的方法，直接對語音信號的時域波形進行分析，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時能量，短時平均過零率，短時自相關函數(shù)等。提取通過圖形用戶界面上的菜單功能按鍵采集電腦設備上的一段音頻信號，完成音頻信號的頻率，幅度等信息的提取，并得到該語音信號的波形圖。調(diào)整在設計的用戶圖形界面下對輸入的音頻信號進行各種變化，如變化幅度、改變頻率等操作，以實現(xiàn)對語音信號的調(diào)整。語音信號的頻域分析信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。因為對于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復指數(shù)和的響應，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項紅物理現(xiàn)象。由于語音信號是隨著時間變化的，通常認為，語音是一個受準周期脈沖或隨機噪聲源激勵的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應與激勵源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響應及激勵源都是隨時間變化的，因此一般標準的傅立葉表示雖然適用于周期及平穩(wěn)隨機信號的表示，但不能直接用于語音信號。由于語音信號可以認為在短時間內(nèi)，近似不變，因而可以采用短時分析法。變換在用戶圖形界面下對采集的語音信號進行FOURIER等變換，并畫出變換前后的頻譜圖和變換后的倒譜圖。濾波濾除語音信號中的噪音部分，可采用低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帯阻濾波，并比較各種濾波后的效果。3）語音信號的效果顯示通過用戶圖形界面的輸出功能，將處理后的信號的語音進行播放，試聽處理后的效果。24系統(tǒng)初步流程圖圖21列出了整個語音信號處理系統(tǒng)的工作流程圖21語音信號處理系統(tǒng)的工作流程其中信號調(diào)整包括信號的幅度和頻率的任意倍數(shù)變化。如下圖22信號采集信息提取信號調(diào)整信號濾波信號變換效果顯示幅度調(diào)整圖22信號調(diào)整信號的濾波采用了四種濾波方式，來觀察各種濾波性能的優(yōu)缺點圖23語音信號濾波的方式在以上三圖中，可以看到整個語音信號處理系統(tǒng)的流程大概分為三步，首先要讀入待處理的語音信號，然后進行語音信號的處理，包括信息的提取、幅度和頻率的變換以及語音信號的傅里葉變換、濾波等；濾波又包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等方式。最后對處理過的語音信號進行處理后的效果顯示。以上是本系統(tǒng)的工作流程，本文將從語音信號的采集開始做詳細介紹。信號濾波切比雪夫I型低通濾波橢圓數(shù)字帶通濾波切比雪夫型帶阻濾波切比雪夫型高通濾波信號調(diào)整頻率調(diào)整3語音信號處理基本知識31語音的錄入與打開在MATLAB中，Y,FS,BITSWAVREADBLIP,N1N2用于讀取語音，采樣值放在向量Y中，F(xiàn)S表示采樣頻率HZ，BITS表示采樣位數(shù)。N1N2表示讀取從N1點到N2點的值（若只有一個N的點則表示讀取前N點的采樣值）。SOUNDX,FS,BITS用于對聲音的回放。向量Y則就代表了一個信號（也即一個復雜的“函數(shù)表達式”）也就是說可以像處理一個信號表達式一樣處理這個聲音信號。32采樣位數(shù)和采樣頻率采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標，也是選擇音頻接口的兩個重要標準。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個采樣位數(shù)相當于力度范圍增加了6DB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機，441KHZ意味著音頻流進入計算機時計算機每秒會對其拍照達441000次。顯然采樣率越高，計算機攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。33時域信號的FFT分析FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。在MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為YFFTX，其中，X是序列，Y是序列的FFT，X可以為一向量或矩陣，若X為一向量，Y是X的FFT且和X相同長度；若X為一矩陣，則Y是對矩陣的每一列向量進行FFT。如果X長度是2的冪次方，函數(shù)FFT執(zhí)行高速基2FFT算法，否則FFT執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為YFFTX,N，式中，X，Y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點的FFT，若X為向量且長度小于N，則函數(shù)將X補零至長度N；若向量X的長度大于N，則函數(shù)截短X使之長度為N；若X為矩陣，按相同方法對X進行處理。34數(shù)字濾波器設計原理數(shù)字濾波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形或頻譜進行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預定的要求對信號進行變換。數(shù)字濾波器可以理解為是一個計算程序或算法，將代表輸入信號的數(shù)字時間序列轉化為代表輸出信號的數(shù)字時間序列，并在轉化過程中，使信號按預定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應的時域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應（IIR）濾波器和有限長沖激響應（FIR）濾波器。從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點固定在原點，所以只能用較高的階數(shù)達到高的選擇性；對于同樣的濾波器設計指標，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高510倍，結果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡進行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復雜性。整體來看，IIR濾波器達到同樣效果階數(shù)少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；FIR濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大。4語音信號處理實例分析41圖形用戶界面設計在MATLAB主窗口中，選擇FILE菜單中的NEW菜單項，再選擇其中的GUI命令，就會顯示圖形用戶界面的設計模板。MATLAB為GUI設計一共準備了4種模板，分別是BLANKGUI默認、GUIWITHUICONTROLS帶控件對象的GUI模板、GUIWITHAXESANDMENU帶坐標軸與菜單的GUI模板與MODALQUESTIONDIALOG帶模式問話對話框的GUI模板。設計語音信號處理系統(tǒng)的用戶圖形操作界面（GUI）SOUNDPROCESS，其中菜單主要包括FILE、PROCESS和OUTPUT三大主要部分，其中FILE菜單包括輸入（INPUT）、保存（SAVE）和退出（QUIT）等功能；PROCESS菜單主要包括提?。‥XTRACT）、調(diào)整（EXTRACT）、變換（TRANSFORM）和濾波（FILTER）菜單，其中調(diào)整（EXTRACT）包括幅度調(diào)整（RANGE）和頻率調(diào)整（FREQUENCY），濾波（FILTER）菜單包含低通濾波（LOWPASSFILTER）、高通濾波（HIGHPASSFILTER）、帶通濾波（BANDPASSFILTER）和帯阻濾波（BANDSTOPFILTER）等功能菜單。42信號的采集該系統(tǒng)是以一段簡短的的語音信號做為分析樣本，通過計算機系統(tǒng)將一段“主人，信息收到了”的語音信號保存到到計算機中，并且保存格式為“WAV”。43語音信號的處理設計431語音信號的提取在MATLAB中使用WAVREAD函數(shù)，可得出信號的采樣頻率為22500，并且聲音是單聲道的。利用SOUND函數(shù)可以清晰的聽到“主人，信息收到了”的語音。采集數(shù)據(jù)并畫出波形圖。其中聲音的采樣頻率FS22050HZ，Y為采樣數(shù)據(jù)，NBITS表示量化階數(shù)。部分程序如下FNINPUTENTERWAVFILENAME,S獲取一個WAV的文件X,FS,NBWAVREADFNMS2FLOORFS0002MS10FLOORFS001MS20FLOORFS002MS30FLOORFS003T0LENGTHX1/FS計算樣本時刻SUBPLOT2,1,1確定顯示位置PLOTT,X畫波形圖LEGENDWAVEFORMXLABELTIMESYLABELAMPLITUDE運行后彈出語音信號處理系統(tǒng)的操作界面如圖41圖41語音信號處理系統(tǒng)的操作界面然后點擊FILE菜單中的子菜單INPUT，回到MATLAB軟件的輸入界面如圖42圖42輸入界面輸入要處理的語音信號的名稱，便可得到語音語音的波形圖如圖43圖43語音語音的波形圖如圖中提取的語音的波形圖所示，整段音頻數(shù)據(jù)中得聲音高低起伏與錄入的聲音信號基本一致，并且可以觀察到其中包含部分高頻噪聲。432語音信號的調(diào)整在語音信號的研究中，經(jīng)常會對語音信號進行進行多倍頻率以及多倍幅度變換調(diào)整，日常應用中，這種變換調(diào)整也經(jīng)常要用到。所以在設計中也添加了這種功能，并能夠觀察調(diào)整后的信號的波形圖得變化，而且能通過語音處理界面的輸出功能試聽處理后的語音信號。4321語音信號的頻率調(diào)整在設計中，可以將語音信號的采樣頻率提高或降低，來實現(xiàn)語音信號的調(diào)整，得到理想的語音信號。例如將采樣頻率提高一倍，即可得到語音信號頻率為原頻率2倍新的語音信號。運行PROCESSADJUSTFREQUENCY，得到如圖44的信號波形圖，并試聽調(diào)整后的效果。圖44頻率調(diào)整后波形圖與原語音信號相比，經(jīng)過調(diào)整后的信號周期變?yōu)樵瓉淼?/2，此時的語速明顯變快，即實現(xiàn)了信號的2倍頻功能。4322語音信號的振幅調(diào)整在設計中，可以將語音信號的幅度進行提高或降低操作，來實現(xiàn)語音信號的調(diào)整，得到聲音音量大小不同的語音信號，例如將原語音信號的幅度提高一倍，得到如下圖45的信號波形圖，可以通過GUI操作界面的輸出功能試聽調(diào)整后的效果。圖45幅度調(diào)整后波形圖此時聽到的調(diào)整后聲音聲調(diào)變高，但不是很明顯，可以將幅度的變化值設置的比較大，那樣的話就可以得到效果相當明顯的語音信號了。433語音信號的傅里葉變換倒譜分析是指信號短時振幅譜的對數(shù)進行傅里葉反變換。它具有可近似地分離并提取出頻譜包絡信息和細微結構信息的特點。對語音信號進行頻譜分析，在MATLAB中可以利用函數(shù)FFT對信號行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜圖，并進行倒譜分析，得到倒譜圖。傅里葉變換的部分程序如下XY4410155050,1提取原語音信號的一部分T0LENGTHX1/FS計算樣本時刻SUBPLOT3,1,1確定顯示位置PLOTT,X畫波形圖LEGEND波形圖XLABELTIMESYLABELAMPLITUDEYFFTX,HAMMINGLENGTHX做加窗傅里葉變換FM5000LENGTHY/FS限定頻率范圍F0FMFS/LENGTHY確定頻率刻度SUBPLOT3,1,2PLOTF,20LOG10ABSY1LENGTHFEPSLEGEND頻譜圖畫頻譜圖YLABEL幅度DBXLABEL頻率HZCFFTLOGABSXEPS倒頻譜計算MS1FS/1000MS20FS/50QMS1MS20/FS確定倒頻刻度SUBPLOT3,1,3PLOTQ,ABSCMS1MS20畫倒譜圖LEGEND倒譜圖XLABEL倒頻（S）YLABEL倒頻譜幅度（HZ）運行PROCESSTRANSFORM，對語音信號的一部分進行傅里葉變換，并進行倒譜分析，得到如圖46圖46聲音樣本波形圖、頻譜圖和倒譜圖從上面的倒譜圖可以看出當讀“主人，信息收到了”時，所對應的頻率大概在200HZ左右。這與人的語音信號頻率集中在200HZ到45KHZ之間是相一致的。而在未發(fā)聲的時間段內(nèi)，相對的小高頻部分200500HZ應該屬于背景噪聲。434語音信號的濾波從圖44中發(fā)現(xiàn)，語音信號中包含背景噪聲，這些噪聲的頻率一般較高。所以可以利用MATLAB軟件中的濾波器進行濾波處理，得到較為理想的語音信號。4341語音信號的低通濾波系統(tǒng)中設計了一個截止頻率為200HZ切比雪夫I型低通濾波器，它的幅頻特性如下圖47圖47低通濾波器的幅頻特性低通濾波器性能指標WP0075PI，WS0125PI，RP025；AS50DB；經(jīng)過低通濾波器處理后，比較處理前后的波形圖的變化，如下圖48圖48低通濾波后波形和頻譜的變化低通濾波后，聲音稍微有些發(fā)悶、低沉，原因是高頻分量被低通濾波器衰減。但是很接近原來的聲音。4342語音信號的高通濾波運用切比雪夫型數(shù)字高通濾波器，對語音信號進行濾波處理。高通濾波器性能指標WP0375PI，WS0425PI，RP025；AS50DB；然后將其與原信號的比較圖如下圖49圖49高通濾波后波形和頻譜的變化高通濾波后，此時只有少許雜音，原因是低頻分量被高通濾波器衰減，而人聲部分正好是低頻部分，所以只剩下雜音，或者發(fā)出高頻雜音但人的耳朵聽不到。4343語音信號的帶通濾波運用橢圓數(shù)字帶通濾波器函數(shù)，對語音信號進行濾波處理后其與原信號的比較圖如下圖410圖410帶通濾波后波形和頻譜的變化4344語音信號的帶阻濾波運用切比雪夫型數(shù)字帶阻濾波器，對語音信號進行濾波處理后其與原信號的比較圖如下圖411圖411帯阻濾波后波形和頻譜的變化從以上各種數(shù)字濾波器經(jīng)過濾波后得出的語音信號相比較，低通濾波后，聲音稍微有些發(fā)悶，但是很接近原來的聲音；高通濾波后聽不到人的聲音；帶通濾波后聲音有點像機器人小叮當發(fā)出的聲音。帶阻濾波后，聲音比較接近原來的聲音。從頻譜圖中我們可以看出聲音的能量主要集中在低頻02PI即22045HZ以內(nèi)部分。44語音信號的輸出可以將處理后的語音信號在MATLAB軟件先播放，體驗處理后的語音信號的效果。還可以將處理后的語音信號保存在電腦上。運行FILESAVE，保存處理后的語音信號。如果沒有語音信號被處理，則系統(tǒng)會出現(xiàn)提示如下圖412圖412保存提示界面如果有語音信號被處理，運行FILESAVE，系統(tǒng)會出現(xiàn)提示如下圖413。保存后，整個操作過程就完成了。圖413保存界面5實驗實驗一系統(tǒng)響應及系統(tǒng)穩(wěn)定性時域采樣與頻域采樣一、實驗目的（1）掌握求系統(tǒng)響應的方法（2）掌握時域離散系統(tǒng)的時域特性（3）分析、觀察及檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性（4）時域采樣理論與頻域采樣理論是數(shù)字信號處理中的重要理論。要求掌握模擬信號采樣前后頻譜的變化，以及如何選擇采樣頻率才能使采樣后的信號不丟失信息；要求掌握頻率域采樣會引起時域周期化的概念，以及頻率域采樣定理及其對頻域采樣點數(shù)選擇的指導作用。二、實驗原理與方法在時域中，本實驗僅在時域求解。在計算機上用遞推法求差分方程的解，最簡單的方法是采用MATLAB語言的工具箱函數(shù)FILTER函數(shù)。也可以用MATLAB語言的工具箱函數(shù)CONV函數(shù)計算輸入信號和系統(tǒng)的單位脈沖響應的線性卷積，求出系統(tǒng)的響。系統(tǒng)的時域特性指的是系統(tǒng)的線性時不變性質(zhì)、因果性和穩(wěn)定性。重點分析實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括觀察系統(tǒng)的暫態(tài)響應和穩(wěn)定響應。系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指對任意有界的輸入信號，系統(tǒng)都能得到有界的系統(tǒng)響應。或者系統(tǒng)的單位脈沖響應滿足絕對可和的條件。系統(tǒng)的穩(wěn)定性由其差分方程的系數(shù)決定。實際中檢查系統(tǒng)是否穩(wěn)定，不可能檢查系統(tǒng)對所有有界的輸入信號，輸出是否都是有界輸出，或者檢查系統(tǒng)的單位脈沖響應滿足絕對可和的條件?？尚械姆椒ㄊ窃谙到y(tǒng)的輸入端加入單位階躍序列，如果系統(tǒng)的輸出趨近一個常數(shù)（包括零），就可以斷定系統(tǒng)是穩(wěn)定的19。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出是指當時，系統(tǒng)的輸出。如果系統(tǒng)穩(wěn)定，信N號加入系統(tǒng)后，系統(tǒng)輸出的開始一段稱為暫態(tài)效應，隨N的加大，幅度趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)態(tài)輸出。注意在以下實驗中均假設系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零。時域采樣定理的要點是A對模擬信號以間隔T進行時域等間隔理想采樣，形成的采樣信號的頻譜TXA是原模擬信號頻譜以采樣角頻率（）為周期進行周期JXAXJST/2延拓。B采樣頻率必須大于等于模擬信號最高頻率的兩倍以上，才能使采樣信的頻譜S不產(chǎn)生頻譜混疊。在數(shù)字信號處理的應用中，只要涉及時域或者頻域采樣，都必須服從這兩個采樣理論的要點。對比上面敘述的時域采樣原理和頻域采樣原理，得到一個有用的結論，這兩個采樣理論具有對偶性“時域采樣頻譜周期延拓，頻域采樣時域信號周期延拓”。因此放在一起進行實驗。三、實驗步驟及程序解答分析1系統(tǒng)響應及系統(tǒng)穩(wěn)定性（1）編制程序，包括產(chǎn)生輸入信號、單位脈沖響應序列的子程序，用FILTER函數(shù)或CONV函數(shù)求解系統(tǒng)輸出響應的主程序。程序中要有繪制信號波形的功能。（2）給定一個低通濾波器的差分方程為19050NYXNY輸入信號81RX（51）2UA分別求出系統(tǒng)對和的響應序列，并畫出其波形。812UXB求出系統(tǒng)的單位沖響應，畫出其波形。（3）給定系統(tǒng)的單位脈沖響應為（52）101NRH32512NNH用線性卷積法分別求系統(tǒng)H1N和H2N對的輸出響應，并畫出波8RX形。（4）給定一諧振器的差分方程為（53）2290183700NXBNYNYNY令，諧振器的諧振頻率為04RAD。4910/BA用實驗方法檢查系統(tǒng)是否穩(wěn)定。輸入信號為時，畫出系統(tǒng)輸出波形。UB給定輸入信號為（54）40SIN10SINX求出系統(tǒng)的輸出響應，并畫出其波形。四、實驗程序及結果（1）FILTER求系統(tǒng)響應函數(shù)，COVN求線性卷積函數(shù)。（2）程序CLOSEALLCLEARALLA1,09B005,005系統(tǒng)差分方程系數(shù)向量B和AXLN11111111ZEROS1,50產(chǎn)生信號X1NR8NX2NONES1,128產(chǎn)生信號X2NUNHNIMPZB,A,58求系統(tǒng)單位脈沖響應HNSUBPLOT2,2,1YHNTSTEMHN,Y調(diào)用函數(shù)TSTEM繪圖TITLEA系統(tǒng)單位脈沖響應HNBOXONY1NFILTERB,A,XLN求系統(tǒng)對X1N的響應Y1NSUBPLOT2,2,2YY1NTSTEMY1N,YTITLEB系統(tǒng)對R8N的響應Y1NBOXONY2NFILTERB,A,X2N求系統(tǒng)對X2N的響應Y2NSUBPLOT2,2,4YY2NTSTEMY2N,YTITLEC系統(tǒng)對UN的響應Y2NBOXON結果圖51響應函數(shù)卷積結果3）程序內(nèi)容2調(diào)用CONV函數(shù)計算卷積X1N11111111產(chǎn)生信號X1NR8NH1NONES1,10ZEROS1,10H2N125251ZEROS1,10Y21NCONVH1N,X1NY22NCONVH2N,X1NFIGURE2SUBPLOT2,2,1YH1NTSTEMH1N,Y調(diào)用函數(shù)TSTEM繪圖TITLED系統(tǒng)單位脈沖響應H1NBOXONSUBPLOT2,2,2YY21NTSTEMY21N,YTITLEEH1N與R8N的卷積Y21NBOXONSUBPLOT2,2,3YH2NTSTEMH2N,Y調(diào)用函數(shù)TSTEM繪圖TITLEF系統(tǒng)單位脈沖響應H2NBOXONSUBPLOT2,2,4YY22NTSTEMY22N,YTITLEGH2N與R8N的卷積Y22NBOXON結果圖52單位脈沖響應卷積（4）程序UNONES1,256產(chǎn)生信號UNN0255XSINSIN0014NSIN04N產(chǎn)生正弦信號A1,18237,09801B1/10049,0,1/10049系統(tǒng)差分方程系數(shù)向量B和AY31NFILTERB,A,UN諧振器對UN的響應Y31NY32NFILTERB,A,XSIN諧振器對UN的響應Y31NFIGURE3SUBPLOT2,1,1YY31NTSTEMY31N,YTITLEH諧振器對UN的響應Y31NBOXONSUBPLOT2,1,2YY32NTSTEMY32N,YTITLEI諧振器對正弦信號的響應Y32NBOXON結果圖53正弦信號響應2時域采樣與頻域采樣（1）時域采樣理論的驗證。給定模擬信號，（55）SIN0TUAETXTA式中A444128，50，50RAD/S，它的幅頻特性曲線如圖221021圖54的幅頻特性曲線TXA現(xiàn)用DFTFFT求該模擬信號的幅頻特性，以驗證時域采樣理論。安照的幅頻特性曲線，選取三種采樣頻率，即1KHZ，300HZ，200HZ。觀TXASF測時間選。MSTP50為使用DFT，首先用下面公式產(chǎn)生時域離散信號，對三種采樣頻率，采樣序列按順序用，表示。1NX23NX（56）SIN0TUAETTA因為采樣頻率不同，得到的，的長度不同，長度（點數(shù)）用公1X23X式計算。選FFT的變換點數(shù)為M64，序列長度不夠64的尾部加零。SPFTNXKFFTXN，K0,1,2,3,M1式中K代表的頻率為。（5K27）要求編寫實驗程序，計算、和的幅度特性，并繪圖顯示。觀察分1NX23NX析頻譜混疊失真。（2）頻域采樣理論的驗證。給定信號如下（58）其它02614273NNX程序及結果（1）程序時域采樣理論驗證程序EXP2AMCLOSEALLCLEARALLTP64/1000觀察時間TP64微秒產(chǎn)生M長采樣序列XNFS1000T1/FSFS1000T1/FSMTPFSN0M1A444128ALPHPI50205OMEGAPI50205XNTAEXPALPHNTSINOMEGANTXKTFFTXNT,MM點FFTXNTYNXANTSUBPLOT3,2,1TSTEMXNT,YN調(diào)用自編繪圖函數(shù)TSTEM繪制序列圖BOXONTITLEAFS1000HZYLABELXANTAXIS0,60,10,160K0M1FKK/TPSUBPLOT3,2,2PLOTFK,ABSXKTITLEATFTXANT,FS1000HZXLABELFHZYLABEL幅度AXIS0,FS,0,12MAXABSXKFS300T1/FSFS300T1/FSMTPFSN0M1A444128ALPHPI50205OMEGAPI50205XNTAEXPALPHNTSINOMEGANTXKTFFTXNT,MM點FFTXNTYNXANTSUBPLOT3,2,3TSTEMXNT,YN調(diào)用自編繪圖函數(shù)TSTEM繪制序列圖BOXONTITLEAFS300HZYLABELXANTAXIS0,19,10,160K0M1FKK/TPSUBPLOT3,2,4PLOTFK,ABSXKTITLEATFTXANT,FS300HZXLABELFHZYLABEL幅度AXIS0,FS,0,12MAXABSXKFS200T1/FSFS200T1/FSMTPFSN0M1A444128ALPHPI50205OMEGAPI50205XNTAEXPALPHNTSINOMEGANTXKTFFTXNT,MM點FFTXNTYNXANTSUBPLOT3,2,5TSTEMXNT,YN調(diào)用自編繪圖函數(shù)TSTEM繪制序列圖BOXONTITLEAFS200HZYLABELXANTAXIS0,12,10,160K0M1FKK/TPSUBPLOT3,2,6PLOTFK,ABSXKTITLEATFTXANT,FS200HZXLABELFHZYLABEL幅度AXIS0,FS,0,12MAXABSXK結果圖55調(diào)用函數(shù)繪制序列圖（2）程序頻域采樣理論驗證程序EXP2BMCLOSEALLCLEARALLM27N32N0M產(chǎn)生M長三角波序列XNXA0FLOORM/2XBCEILM/2110XNXA,XBXKFFTXN,10241024點FFTXN,用于近似序列XN的TFX32KFFTXN,3232點FFTXNX32NIFFTX32K32點IFFTX32K得到X32NX16KX32K12N隔點抽取X32K得到X16KX16NIFFTX16K,N/216點IFFTX16K得到X16NSUBPLOT3,2,2STEMN,XN,BOXONTITLEB三角波序列XNXLABELNYLABELXNAXIS0,32,0,20K01023WK2K/1024SUBPLOT3,2,1PLOTWK,ABSXKTITLEAFTXNXLABELOMEGA/PIYLABEL|XEJOMEGA|AXIS0,1,0,200K0N/21SUBPLOT3,2,3STEMK,ABSX16K,BOXONTITLEC16點頻域采樣XLABELKYLABEL|X_1_6K|AXIS0,8,0,200N10N/21SUBPLOT3,2,4STEMN1,X16N,BOXONTITLED16點IDFTX_1_6KXLABELNYLABELX_1_6NAXIS0,32,0,20K0N1SUBPLOT3,2,5STEMK,ABSX32K,BOXONTITLEE32點頻域采樣XLABELKYLABEL|X_3_2K|AXIS0,16,0,200N10N1SUBPLOT3,2,6STEMN1,X32N,BOXONTITLEF32點IDFTX_3_2KXLABELNYLABELX_3_2NAXIS0,32,0,20結果圖56采樣定理五、實驗總結系統(tǒng)響應及系統(tǒng)穩(wěn)定性部分實驗內(nèi)容（2）系統(tǒng)的單位沖響應、系統(tǒng)對和的響應序列81NRX2NUX分別如圖FIGURE1的A、B和C所示；實驗內(nèi)容（3）系統(tǒng)H1N和H2N對的輸出響應分別如圖FIGURE2的E81N和G所示；實驗內(nèi)容（4）系統(tǒng)對和的響應序列分別如圖NU40SI0SINXFIGURE3的H和I所示。由圖H可見，系統(tǒng)對的響應逐漸衰減到零，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。U由圖I可見，系統(tǒng)對的穩(wěn)態(tài)響應近似為正弦序列IN14SIX，這一結論驗證了該系統(tǒng)的諧振頻率是04RAD。SIN0時域采樣與頻域采樣部分實驗內(nèi)容（1）FS1000HZ,300HZ,200HZ分別如圖FIGURE1的前三個圖所示，X1N,X2N,X3N分別如圖FIGURE1的后三個圖所示；實驗內(nèi)容（2）、的幅度譜，XN、的波形如JXE1632KX和1632NX和圖FIGURE2所示；序列長度為26，所以采樣點數(shù)N26才可以恢復，16點DFT圖由于存在時域混疊失真，無法恢復原序列，已經(jīng)失去意義，而32點DFT圖可以恢復XN。思考題1如果輸入信號為無限長序列，系統(tǒng)的單位脈沖響應是有限長序列，可否用線性卷積法求系統(tǒng)的響應如何求（2）如果信號經(jīng)過低通濾波器，把信號的高頻分量濾掉，時域信號會有何變化，用前面第一個實驗結果進行分析說明。（3）如果序列XN的長度為M，希望得到其頻譜在上的N點等間隔JXE2,0采樣，當NM時，如何用一次最少點數(shù)的DFT得到該頻譜采樣答1如果輸入信號為無限長序列，系統(tǒng)的單位脈沖響應是有限長序列，可否用線性卷積法求系統(tǒng)的響應。對輸入信號序列分段；求單位脈沖響應HN與各段的卷積；將各段卷積結果相加。（2）如果信號經(jīng)過低通濾波器，把信號的高頻分量濾掉，時域信號的劇烈變化將被平滑，由實驗內(nèi)容（1）結果圖1011A、B和C可見，經(jīng)過系統(tǒng)低通濾波使輸入信號、和的階躍變化變得緩慢上升與下降。N81NRX2NUX（3）因為XN長度M，而采樣點數(shù)NM，所以可以對XN先N點循環(huán)移位，取主值區(qū)間，即X（N）N，再進行N點DFT。實驗二用FFT對信號作頻譜分析一、實驗目的學習用FFT對連續(xù)信號和時域離散信號進行譜分析的方法，了解可能出現(xiàn)的分析誤差及其原因，以便正確應用FFT。二、實驗原理用FFT對信號作頻譜分析是學習數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容。經(jīng)常需要進行譜分析的信號是模擬信號和時域離散信號。對信號進行譜分析的重要問題是頻譜分辨率D和分析誤差。頻譜分辨率直接和FFT的變換區(qū)間N有關，因為FFT能夠實現(xiàn)的頻率分辨率是，因此要求?？梢愿鶕?jù)此式選擇FFT的變換區(qū)間N。誤差主要N/2DN/2來自于用FFT作頻譜分析時，得到的是離散譜，而信號（周期信號除外）是連續(xù)譜，只有當N較大時離散譜的包絡才能逼近于連續(xù)譜，因此N要適當選擇大一些。周期信號的頻譜是離散譜，只有用整數(shù)倍周期的長度作FFT，得到的離散譜才能代表周期信號的頻譜。如果不知道信號周期，可以盡量選擇信號的觀察時間長一些。對模擬信號進行譜分析時，首先要按照采樣定理將其變成時域離散信號。如果是模擬周期信號，也應該選取整數(shù)倍周期的長度，經(jīng)過采樣后形成周期序列，按照周期序列的譜分析進行。三、實驗步驟及內(nèi)容選擇FFT的變換區(qū)間N為8和16兩種情況進行頻譜分析。分別打印其幅頻特性曲線。并進行對比、分析和討論。四、實驗程序及結果（1）程序第10章實驗3程序EXP3M用FFT對信號作頻譜分析CLEARALLCLOSEALLX1NONES1,4產(chǎn)生序列向量X1NR4NM8XA1M/2XBM/211X2NXA,XB產(chǎn)生長度為8的三角波序列X2NX3NXB,XAX1K8FFTX1N,8計算X1N的8點DFTX1K16FFTX1N,16計算X1N的16點DFTX2K8FFTX2N,8計算X1N的8點DFTX2K16FFTX2N,16計算X1N的16點DFTX3K8FFTX3N,8計算X1N的8點DFTX3K16FFTX3N,16計算X1N的16點DFT以下繪制幅頻特性曲線FIGUREN101/421/4SUBPLOT3,2,1STEMN1,ABSX1K8,繪制8點DFT的幅頻特性圖TITLE1A8點DFTX_1NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX1K8N201/821/8SUBPLOT3,2,2STEMN2,ABSX1K16,繪制16點DFT的幅頻特性圖TITLE1B16點DFTX_1NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX1K16N301/421/4SUBPLOT3,2,3STEMN3,ABSX2K8,繪制8點DFT的幅頻特性圖TITLE2A8點DFTX_2NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX2K8N401/821/8SUBPLOT3,2,4STEMN4,ABSX2K16,繪制16點DFT的幅頻特性圖TITLE2B16點DFTX_2NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX2K16N501/421/4SUBPLOT3,2,5STEMN5,ABSX3K8,繪制8點DFT的幅頻特性圖TITLE3A8點DFTX_3NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX3K8N601/821/8SUBPLOT3,2,6STEMN6,ABSX3K16,繪制16點DFT的幅頻特性圖TITLE3B16點DFTX_3NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX3K16結果57幅頻特性圖（2）程序N8N0N1FFT的變換區(qū)間N8X4NCOSPIN/4X5NCOSPIN/4COSPIN/8X4K8FFTX4N,8計算X4N的8點DFTX5K8FFTX5N,8計算X5N的8點DFTN16N0N1FFT的變換區(qū)間N16X4NCOSPIN/4X5NCOSPIN/4COSPIN/8X4K16FFTX4N,16計算X4N的16點DFTX5K16FFTX5N,16計算X5N的16點DFTFIGURE3N101/421/4SUBPLOT2,2,1STEMN1,ABSX4K8,繪制8點DFT的幅頻特性圖TITLE4A8點DFTX_4NXLABEL/YLABEL幅度AXIS0,2,0,12MAXABSX4K8N201/821/8SUBPLOT2,2,3STEMN2,ABSX4K16,繪制16點DFT的幅頻特性圖TITLE4B16點DFTX_4NXLABEL/YLABEL幅度