20141学期11级课程设计
学生 姓名 | 汤迎逍 | 所在 院系 | 信息工程系 | 所在班级 | 1101 | 指导教师 | 田文汇 | ||
学生 学号 | 2011316020128 | 专业 方向 | 电子信息工程 | 中文翻译英文转换器开题时间 | 2014-5-13 | 导师职称 | 讲师 | ||
论文题目 | 基于MATLAB的语音信号分析与处理 | ||||||||
文献综述： [1] 刘敏，魏玲. MATLAB通信仿真与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2001.1. 这本书系统讲述了MATLAB在通信工程仿真中的应用与方法，向我们展示如何有效地使用MATLAB特别是SimulinK各项功能使我们能迅速掌握其使用方法，内容涉及MATLAB仿真应用数学基础，控制系统仿真、通信仿真等，涵盖了通信工程的电子仿真的各个方面，也反映了近年来电子通信仿真的本书着重讲述了MATLAB通信仿真的应用。 [2] 胡航. 语音信号处理[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.1 本书系统地介绍了语音信号处理的基础、概念、原理、方法与应用，以及该学科领域取得的新进展，同时介绍了本门学科的背景知识、发展概况、研究现状、应用前景和发展趋势与方向。既着重基本理论、方法的阐述，又着重新方法和新技术。介绍了语音信号的各种分析方法和技术，包括时域分析、短时傅里叶分析、同态滤波及倒谱分析、线性预测分析、矢量量化技术、隐马尔可夫模型技术以及语音检测分析；书中讲述了语音信号处理技术与应用，介绍了语音编码，波形编码等，声码器技术及混合编码、语音合成、语音识别、说话人识别、语音增强、神经网络在语音信号处理中的应用及语音信号处理中的一些新兴与前沿技术。 [3] 周渊，王炳和，刘斌胜. 基于MATLAB的噪声信号采集和分析系统的设计[J]. 噪声控制.2004(7)：52—54. 这篇文章介绍了最新 设计和研制的一种基于MATLAB的噪声信号采集与分析系统,该系统利用MATLAB强大的数值计算和分析能力,可以高精度、低成本地完成信号的实时采集、处理与分析工作。给出了系统在MATLAB环境中二次开发编程的设计和实现过程。最后给出了一个利用该系统采集与分析噪声信号的应用实例 现代噪声测试与分析技术是建立在声学测量理论、电子技术、数字计算技术和信号处理理论上的一门不断发展的技术。其中噪声采集和分析仪器的小型化、智能化、数字化以及多功能化的发展越来越快,分析速度较以往也有了大幅度的提升。但一般的噪声采集与分析系统通常价格昂。 [4]赵红怡，张常年.数字信号处理及其MATLAB实现[M]. 北京：化学工业出版社，2002.1. 当前计算机应用朝着多领域发展，信息化技术涉及多方面的工作，主要包括计算机的广泛利用；企业内部网的建立并与外界实现网络互联；方便访问和利用的信息资源；生产过程控制方面的信息技术应用；计算机辅助设计用于设计新产品；企业生产、流通或服务信息系统有效运转并利用信息网络等手段与外界进行商务往来；建立企业综合管理信息系统等等。随着计算机新技术的不断出现，信息化的内容和工作也将不断扩展。凡是关心国家信息化建设、 数字信号处理作为自动控制的重要环节在各个工业部门都有广泛的应用。计算机用于数字信号处理，由于基本身强大的数据处理能力，显示出频谱分析仪等传统处理技术更加高效、灵活的特点。本书介绍了用科学计算语言MATLAB实现数字信号处理的方法和实践，所有程序均经作者调试运行过。全书内容包括数字信号处理基本理论及实现、数字滤波器设计与实现、一维信号处理的应用及实现、二维信号处理的应用及实现以及MATLAB语言中与数字信号处理有关内容的简单介绍。 [5]马明建．数据采集与处理技术（第二版）［M］．西安交通大学出版社．2005．1. 全书全面而又系统地讲述了数据采集与处理技术。主要内容包括：模拟信号的数字化处理，模拟多路开关、测量放大器、采样/保持器、模/数和数/模转换器等芯片的结构原理及应用，数据的接口板卡采集，数字信号的采集，数据的串行端口采集，数据采集系统的抗干扰技术，采样数据的预处理，数据采系统设计，数据采集系统实例。 书中附有大量工程应用实例和程序，其中大部分系作者近年来科研工作的经验总结，具有内容新颖、实用和工程性强的特，其目的是希望帮助读者在实际应用中正确、合理地设计数据采集系统。 [6]刘春等.MATLAB在数字滤波器设计中的应用[J].仪表技术，2006（5）：28-30. 这篇文章主要介绍了数字滤波器的基本概念,详细论述了利用MATLAB软件设计数字滤波器的原理、步骤和实现方法,并给出了设计实例和运行结果。在数字信号处理中,数字滤波占有极重要地位,目前对数字滤波器的设计有多种方法,其中著名的MATLAB软件是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值运算可视化软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,功能强大,编程效率高,是设计数字滤波器的强有力工具。 [7]陈佩青. 数字信号处理教程[M]. 北京：清华大学出版社，2002.7. 本书系统地讨论了数字信号处理的基本理论、基本分析方、基本算法和基本实现方法。离散时间信号与系统的基本理论,即离散时间信号与系统、z变换及离散傅里叶变换。讨论了各种快速傅里叶变换算法。介绍了数字滤波器的结构、理论和设计方法,包括计算机辅助设计方法和数字信号处理的有限字长效应。并以公司的系列为例,介绍数字信号处理器。 | |||||||||
开题报告(正文)： 选题背景及意义： 语音信号处理是一门比较实用的电子工程的专业课程，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段。小到平时的生活中买卖的讨价还价，大到国际上的外交谈判，都是通过语言进行的，通过语言人们进行信息上的交流与沟通。 语音处理技术应用到了生活的方方面面，如公交车上的自动报站设备，汽车上的喇叭，给耳朵不好的人用的助听器，工业中的自动报警设备等。目前，语音处理技术的研究与实际应用方面结合的很好，充分做到了产研一体化，我们有理由相信在今后语音技术会发展更好，给大家带来更多的帮助。 语音信号处理早已经给人类社会带来了巨大的经济和社会效益，以后它在理论上有更广的发展，在应用方面也会成为社会各个方面非常有用的工具，它是我们发展不可缺少的一部分，不论是民用还是军用，不论是社会生产还是科学研究，它都会发挥出巨大的作用。 目前，科学家们正在研究如何进行人机对话。这个课题具有非常实际的意义，如口呼打字机（即语音输入，文字输出的机器），如语音翻译机（戴在耳朵上，可实现实时中英文翻译），还有用语音指挥机器自动化生产等，这些都是目前研究的焦点，它们并不是科幻中的产物，二十马上就会实现的科学产品。 语音信号处理技术的日益发展，体现在我们生活中的方方面面，90年的电话到2000年的手机，都充分说明了语音信号处理技术的重要性及其意义。 研究目标及任务： 本论文主要研究语音信号的简单处理，运用数字信号学基本原理实现语音信号的处理，在MATLAB7.0的环境下综合运用信号的提取，幅频变换以及傅里叶变换，滤波等技术来进行语音信号的处理，我所做的工作就是在MATLAB7.0软件里编写一个语音信号处理的程序，能对语音信号进行采集，并对其进行各种处理，达到简单的语音信号处理的目的。 主要研究内容： （一） 语音信号的采集：使用电脑设备录制自己的一段声音信号。 （二） 语音信号的处理：语音信号的处理主要包括信号的提取、信号的调整、信号的变换、滤波等 1. 提取：通过电脑的设备输入一段音频信号到设计的软件，完成音频信号的频率、幅度等信息的提取。 2. 调整：在设计的操作界面下对输入的音频信号进行变化，如幅度、改变频率等操作，实现对语音信号的调整。 3. 变换：在操作界面下对语音信号进行Fourier等变换。 4. 滤波：滤除语音信号中的噪音部分。 （三） 处理后的语音信号的效果显示 预期目标： 利用windows下的录音设备，录制一段自己的声音，时间在5-10秒内，然后在Matlab软件平台下，对语音信号进行处理与仿真，针对现在大部分语音处理软件内容繁多、操作不便等问题，采用Matlab7.0综合运用GUI界面设计、各种函数调用等来实现语音信号的变频、变幅、傅里叶变换及滤波。 分析报告: 本文的特在于它将语音信号看作一个向量，于是就把语音数字化了。那么，就可以完全利用数字信号处理的知识来解决语音及加噪处理问题。我们可以像给一般信号做频谱分析一样，来对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。 此设计的操作界面简练，在进行语音信号处理的操作界面中，菜单按键明了，每个功能只对应一个按键，省去了大型软件的操作复杂步骤；处理速度较快，整个操作步骤存在多个分步骤，并且每个步骤联系不是很紧密，所以每个步骤运行速度会很快；占用内存空间比较小，整个程序仅占用数十kb的物理空间，省去了软件的安装麻烦，代表了语音信号处理的重大突破。 拟定的方案： 本文是用MATLAB对含噪的语音信号同时在时域与频域进行滤波处理与分析，在MATLAB应用软件下设计一个简单易用的图形用户界面（GUI），来解决一般应用条件下的各种语音信号的 处理。其整个信号分析与处理系统的初步流程图如下图1所示。 图1语音信号处理系统工作流程图 1．语音信号的采集：使用电脑的声卡设备采集一段语音信号，并保存在电脑上。 2．语音信号的提取：通过图形用户界面上的菜单功能按键采集电脑设备上的一段音频信号，完成音频率号的频率、幅度等信息的提取，并得到该语音信号的波形图。 3．语音信号的调整：语音信号的调整主要包括了语音信号的幅度调整和频率调整，在设计的操作界面下对输入的音频信号进行变化，如幅度、改变频率等操作，实现语音信号的调整。其中信号调整包括信号的幅度和频率的任意倍数变化。如下图2所示。 . 图2 信号的调整图 （1）语音信号的时域FFT分析 语音信号是一种非平稳的时变信号，它携带着各种信息。在语音编码、语音合成、语音识别与语音增强等语音处理中无一例外需要提取语音中包含的各种信息，语音信号分析的目的就在于方便有效地提取并表示语音信号所携带的信息，语音信号分析可分为时域与变换域等处理方法，其中时域分析是最简单的方法，直接对语音信号的时域波形进行分析，提取的特征参数主要有语音的短时能量，短时平均过零率，短时自相关函数等。 FFT即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。在MATLAB的信号处理工具箱中数FFT和IFFT用于快速傅立叶变换和逆变换。函数FFT用于序列快速傅立叶变换，其调用格式为y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以为一向量或矩阵，若x为一向量，y是x的FFT且和x相同长度；若x为一矩阵，则y是对矩阵的每一列向量进行FFT。如果x长度是2的幂次方，函数fft执行高速基－2FFT算法，否则fft执行一种混合基的离散立叶变换算法，计算速度较慢。函数FFT的另一种调用格式为y=fft(x,N)x，y意义同前，N正整数。函数执行N点的FFT，若x为向量且长度小于N，则函数将x补零至长度N；若量x的长度大于N，则函数截短x使之长度为N；若x 为矩阵，按相同方法对x进行处理。 （2）语音信号的频域分析 信号的傅里叶表示在信号的分析与处理中起着重要的作用，因为对于线性系统来说，可以很方便的确定其对正弦或复指数的影响，所以傅里叶分析方法能完善的解决语音信号分析与处理的很多问题，另外，傅里叶表示使信号的某些特性变得更明显，因此它能更深入的说明信号的各种红物理现象。 由于语音信号是随着时间变化的，通常认为语音是一个受准周期脉冲或随机噪声源激励的线性系统的输出，输出频谱是声道系统频率响应与激励源频谱的乘积。声道系统地频率响应及激励源都是随时间变化的，因此一般标准的傅里叶表示虽然适用于周期及平稳随机信号的表示，但不能直接用于语音信号，由于语音信号可以认为在短时间内近似不变，因此可以采用短时分析法。 4.语音信号的变换：在用户图形界面下对采集的语音信号进行傅里叶等变换，并画出变换前后的频谱图和变换后的倒谱图。 5.语音信号的滤波：滤除语音信号的中的噪音部分，可采用低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波，并比较各种滤波后的效果。信号的滤波采用了四种滤波方式，来观察各种滤波性能的优缺点。如图3所示。 图3 语音信号滤波的方式 6.语音信号的效果显示：通过用户图形界面的输出功能，将处理后的信号的语音进行播放，试听处理后的效果。 撰写提纲及实施计划： 1.绪论 1.1 :选题背景及意义 1.2 国内外研究现状 1.3 本文的主要内容 1.3.1 研究内容 1.3.2 运行环境 1.3.3 开发环境 2.语音信号处理的理论方案验证 2.1语音信号处理的基本理论知识 2.1.1语音信号采样频率与采样位数的选择 2.1.2语音信号的合成 2.1.3时域信号的FFT分析 2.1.4数字滤波器的比较 2.2语音信号采集知识 2.3语音信号处理知识 3．语音信号的处理实例分析 3.1 语音信号的录入 3.2 语音信号的提取 3.3 语音信号的时域与频谱图 3.4 语音信号的“污染” 3.5 IIR语音滤波器的设计与滤波 3.6 FIR语音滤波器的设计与滤波 3.7 语音信号的傅里叶变换 3.8语音信号的滤波 3.9 语音信号的输出 4．总结 5．参考文献 实施计划： 2014年05月13下达和确定任务 2014年05月14阅读参考文献和资料 2014年05月15安装相关软件Matlab 2014年05月15掌握软件用法并构思 2014年05月16提出设计方案与思路 2014年05月18语音信号的提取与调整 2014年05月20信号的变换与滤波 2014年05月25整理操作结果及资料 2014年05月30完成设计报告 参考文献： [1] 陈佩青. 数字信号处理教程[M]. 北京：清华大学出版社，2002.7. [2] 刘敏，魏玲. MATLAB通信仿真与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2001.1. [3] 胡航. 语音信号处理[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.7. [4] 周渊，王炳和，刘斌胜. 基于MATLAB的噪声信号采集和分析系统的设计[J]. 噪声控制.2004(7)：52—54. [5] 赵红怡，张常年.数字信号处理及其MATLAB实现[M]. 北京：化学工业出版社，2002.1. ［6］马明建．数据采集与处理技术（第二版）［M］．西安交通大学出版社．2005． [7] 刘春等.MATLAB在数字滤波器设计中的应用[J].仪表技术，2006（5）：28-30. | |||||||||
指导教师意见： 签名： 年 月 日 | 教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日 | ||||||||
说明 | |||||||||
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