信号与系统综合作业

13级

工程信号与系统大作业题目语音信号的采集与频谱分析

成绩

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姓名

日期2015-06-22

语音信号的采集与频谱分析

【摘要】本设计采集了一段语音，对其进行了时域分析，频谱分析,分析语音信号的特性。并应用matlab 平台对语音信号加入噪声，进一步设计了一个的低通滤波器，然后对加噪的语音信号进行滤波处理。

【关键词】语音信号；时域特性；频域特性; 滤波器

1绪论

1.1题目介绍

利用本课程中关于信号处理的相关内容，进行简单的语音信号采集及频谱分析工作，已达到加深对本课程信号与系统相关知识的理解，熟悉matlab工具的目的，并初步建立系统设计的概念。

1.2具体要求

（1）自己语音采集

自己唱一首歌，利用相关工具采集并存储为MATLAB可处理格式。

（2）歌星语音采集

将自己翻唱歌曲原曲处理为matlab可处理格式。

注意：自己语音与歌星语音应具有可比性，曲目、伴奏、时长等应相同

（3）频谱分析

利用matlab软件对两段音乐分别进行频谱分析，分析特性。

2基本原理

2.1 语音信号概述

语言是人类创造的，是人类区别于其他地球生命的本质特征之一。人类用语言交流的过程可以看成是一个复杂的通信过程，为了获取便于分析和处理的语音信源，必须将在空气中传播的声波转变为包含语音信息并且记载着声波物理性质的模拟（或数字）电信号，即语音信号，因此语音信号就成为语音的表现形式或载体。

语音学和数字信号处理的交叉结合便形成了语音信号处理。语音信号处理建立在语音学和数字信号处理基础之上。

2.2数字滤波器原理

2.2.1数字滤波器的概念

数字滤波器的实质是用一有限精度算法实现的离散时间线性时不变系统，以完成对信号进行滤波处理的过程。它是数字信号处理的一个重要分支，具有稳定性好、精度高、灵活性强、体积小、质量轻等诸多优点。

2.2.2数字滤波器的分类

数字滤波器根据不同的分类标准可以将滤波器分成不同的类别。

（1）根据单位冲激响应h(n)的时间特性分类

无限冲激响应（IIR）数字滤波器

有限冲激响应（FIR）数字滤波器

（2）根据实现方法和形式分类

递归型数字滤波器

非递归型数字滤波器

快速卷积型

（3）根据频率特性分类

低通数字滤波器、高通数字滤波器、带通数字波器、带阻数字滤波器

3具体实现

3.1声音信号获取

使用软件COOK EDIT PRO进行声音信号采集。对于44100Hz、22050Hz、11025Hz三种不同采样率共进行三次采集。采集完毕后使用COOL EDIT PRO软件进行后期处理，加入背景音乐。原唱音乐通过网络获得

所有音乐信号通过COOL EDIT PRO处理，统一音量大小、起始位置、时间长度并转换为matlab 可处理格式。

3.2声音信号的读取与打开

MATLAB中，[x,Fs,bits]=wavread('DATA');用于读取语音，采样值放在向量y中，fs表示采样频率(Hz)，bits表示采样位数。

wavplay(x,Fs); 用于对声音的回放。向量x则就代表了一个信号，也即一个复杂的“函数表达式”，也可以说像处理一个信号的表达式一样处理这个声音信号。

程序代码

[x,Fs,nbits,readinfo]=wavread('e:\myvoice');

t=(0:length(x)-1)/Fs;

X=fft(x); %快速傅里叶变换

Lx=length(X);

fx=(0:Lx-1)'*(Fs-1)/Lx;

figure(1);

subplot(211);plot(t,x);

grid on; hold on;

title('我的声音信号波形');xlabel('t/s');ylabel('x(t)'); subplot(212);

plot(fx(1:length(fx)),abs(X(1:length(fx))));

title('我的声音信号的频谱');xlabel('f/Hz');ylabel('幅值'); grid on; hold on;

原唱信号处理相同，只需将文件名更改即可。

结果波形如下。

分析：排除跑调，抢拍等因素，翻唱原唱差距依然存在。由于录音器材缘故，翻唱获得的音乐左右声道几乎相同，图中中蓝绿色差别可以看出。同时，由于录音环境不同，翻唱存在大量杂音干扰，原唱则在专业录音室中进行，也导致了波形的差异。而翻唱音乐的频谱更集中，而翻唱的频谱更离散。

3.3声道分离与合并

因双声道处理后所得图形显示不直观，故将双声道合并再进行归一化后再对音频信号进行处理。

程序代码

x1=x(:,1); % 提取第一声道

x2=x(:,2); % 提取第二声道

x12=x1+x2; % 两声道合并为单声道

x12m=max(max(x12),abs(min(x12))),

X=x12/x12m; % 归一化处理

注：因声音信号读取命令，绘制波形命令除文件名变量名外基本一致，此处省略。

值得一提的是，若使用x12=[x1,x2]进行合并，则声道合并后变为双声道，与原音乐相同。结果波形如下。两声道直接相加合并为单声道后声音过大丢失细节信息，所以进行归一化处理，将音量缩小。

wav文件的默认采样速率为44.1KHz，仍然远远高于我们通常说的语音信号需要的频谱宽