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《信号与系统》课程设计——语音信号的分析和处

【设计目标】尝试对语音信号进行时频域分析和处理的基本方法

【设计工具】MATLAB

【设计原理】

通过MATLAB的函数wavread()可以读入一个.wav格式的音频文件，并将该文件保存

到指定的数组中。例如下面的语句（更详细的命令介绍可以自己查阅MATLAB的帮助）中，

将.wav读入后存放到矩阵y中。

y=wavread(SpecialEnglish.wav);

对于单声道的音频文件，y只有一行，即一个向量；对于双声道的音频文件，y有两行，分

别对应了两个声道的向量。我们这里仅对一个声道的音频进行分析和处理即可。注意：.wav

文件的采样频率为44.1KHz，采样后的量化精度是16位，不过我们不用关心其量化精度，

因为在MATLAB读入后，已将其转换成double型的浮点数表示。

在获得了对应音频文件的数组后，我们可以对其进行一些基本的分析和处理。可以包括：

1、对语音信号进行频域分析，找到语音信号的主要频谱成分所在的带宽，验证为何电话可

以对语音信号采用8KHz的采样速率。

2、分析男声和女声的差别。我们知道男声和女声在频域上是有些差别的，一般大家都会认

为女声有更多高频的成分，验证这种差别。同时，提出一种方法，能够对一段音频信号

是男声信号、还是女声信号进行自动的判断。

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

度，例如在电话对语音信号的采样中，我们仅仅使用8KHz的采样速率。对读入的音频

数据进行不同速率的降采样，使用wavplay()命令播放降采样后的序列，验证是否会对

信号的质量产生影响。降采样的方法很简单，例如命令y=

wavread(SpecialEnglish.wav);将语音文件读入后保存在向量y中，这时对应的采样

频率为44.1KHz。使用y1=y(1:2:length(y))命令，就可以将原序列y每隔1个采样后

放入序列y1中，这时y1序列对应的采样频率即为22KHz。

4、比较不同音阶的频域差别，同时比较不同乐器音频信号的频域差别。

5、双径模型是无线通信中最简单的一种模型。发送方天线发出的信号，除了可以直接抵达

接收天线，还可能通过建筑物等反射到达接收天线，这时接收到的信号就变成了两路信

号的叠加，如图示意，两路信号显然会出现时间差。

以下是语音信号经过双径信道模型的MATLAB代码，接收信号为z。

y=wavread(Q2.wav);Fs=44.1e+3;wavplay(y,Fs);

delta_t=1;%unit:s

number_t=round(delta_t*Fs);%对应了需要延迟多少个采样点

power_ratio=0.8;%对应快通道的功率比值

z=sqrt(power_ratio)*y+sqrt(1-power_ratio)*[zeros(number_t,1);

y(1:length(y)-number_t)];%接收到的信号

wavplay(z,Fs);

想一种方法对接收信号z进行处理，还原初始信号y，并通过播放进行对比。

以下对提供的语音信号进行说明：

SpecialEnglish.mp3：原始的语音信号，.mp3格式

Q2.wav：男声信号

分析及结论：

（1），

要验证为何电话可以对语音信号采用8KHz的采样速率，可以推测傅里叶分析得

到频谱图主要频谱分布应该在4KHz以内。用wavread函数读入语音信号，用

fft函数进行频域分析。

代码如下

y=wavread(C:\Users\Administrator\Desktop\Q2.wav);%读入信号

Fs=44100;%采样频率

L=length(y);

NFFT=2^nextpow2(L);

Y=1/L*fft(y,NFFT);%傅里叶变换

f=Fs/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);