课程设计——语音信号的分解及合成分析

中北大学信息商务学院课程设计说明书学生姓名：张世奇武学谦董越学号：1405034129所在系：电子信息工程系专业：电子信息工程题目：信息处理技术实践：语音信号的分解及合成分析指导教师：金永陈友兴徐美芳职称:教授副教授副教授2017年6月12日中北大学信息商务学院课程设计任务书16/17学年第二学期所在系：电子信息工程系专业：电子信息工程课程设计题目：语音信号的分解及合成分析起迄日期：2017年6月12日～2017年6月30日课程设计地点：系专业实验室指导教师：金永陈友兴徐美芳系主任：王浩全下达任务书日期:2017年6月12日课程设计任务书1．设计目的：通过设计，掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构。较全面地掌握语音信号频谱分析的基本理论、原理和实现手段，较系统地分析语音信号的基本特征，使学生具有一定综合分析问题和解决问题的能力。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：原始数据：仿真信号或实验采集语音信号。技术要求：（1）通过A/D卡，利用高级语言编写信号的采集、存储和显示程序。（2）完成题目所要求技术：完成语音信号频域子带的分解方法，利用语音调幅-调频联合分解模型，将语音频谱划分为多个互不重叠的频域子带，即语音多成分分离；运用某算法（如能量分离算法）做AM-FM分解，并估计共振峰频率；再利用共振峰对语音进行有效合成，分析比较结果。设计要求：课程设计的目的在于培养学生的综合素质，要求学生做到：（1）根据题目要求查阅有关资料，确定方案，写出设计方案；（2）根据对选题的理解，消化查阅资料，给出相关的实现算法和理论根据；(3)在Matlab或VC环境下，实现算法，并给出仿真结果；3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：设计工作任务：(1)了解选题背景，掌握基本技术，制定设计思路，写出设计方案。(2)完成设计内容：包括算法和程序设计；实验验证及技术改进，写出设计说明书。(3)设计答辩。工作量的要求：(1)通过查阅资料了解选题相关的基本理论、原理以及技术背景，理解选题意义；(2)掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构。；(3)完成语音信号频谱分析实现手段；(4)通过实验仿真验证算法的可行性；(5)给出技术总结。课程设计任务书4．主要参考文献：[1]L.R.Rabiner,B.H.Juang.FundamentalsofSpeechRecognition.PrenticeHall,EnglewoodCliffs,1993.清华大学出版社（影印），2002年.[2]胡航.语音信号处理（修订版），哈尔滨工业大学出版社，2002年.[3]吴家安等.语音编码技术及应用，机械工业出版社，2006年.[4]韩继庆等.语音信号处理，清华大学出版社，2004年.[5]D.G.Childers.Matlab之语音处理与合成工具箱（影印版），清华大学出版社，2004年.[6]ThomasF.Quatieri著，赵胜辉等译，《离散时间语音信号处理—原理与应用》，电子工业出版社，2004.5．设计成果形式及要求：仿真结果；完成关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告。课程设计说明书。6．工作计划及进度：2017年6月12日~6月17日：查阅相关资料6月18日~6月21日：设计方案，编写程序并调试6月22日~6月29日：完成课程设计说明书6月30日：答辩系主任审查意见：签字：年月日目录一、设计方案简介....................................................................................................................1二、设计条件............................................................................................................................21、信号抽取与插值的理论分析.......................................................................................21.1、M-抽取时域分析................................................................................................21.2、M-抽取频域分析................................................................................................21.3、L-插值时域分析................................................................................................31.4、L-插值频域分析................................................................................................32、滤波器组的基本原理...................................................................................................33、正交镜像滤波器组.......................................................................................................44、树形结构的滤波器组...................................................................................................5三、设计结果............................................................................................................................5四、设计评述............................................................................................................................7五、参考文献............................................................................................................................9六、附录..................................................................................................................................101、主程序.........................................................................................................................102、子程序.........................................................................................................................132.1、带通滤波..........................................................................................................132.2、频谱分析..........................................................................................................132.3、树形结构分解子程序(完成信号的2通道分解以及降采样率)..................142.4、信号的8通道的分解（信号的两通道1次分解）......................................142.5、信号插值子程序（完成信号的零插值和高通滤波）..................................142.6、树形结构综合子程序（完成信号的零插值和低通滤波）..........................152.7、树形结构综合子程序（完成8通道信号的综合）......................................15中北大学信息商务学院2018届本科课程设计说明书第1页一、设计方案简介一个语音处理系统主要包括语音信号的采集，预处理，语音信号的压缩编码，语音信号的解码，语音信号的增强，最后通过音频输出设备输出。为了能够使采集到的语音信号能够完全恢复出来，一般信号的采样频率都是很高的，例如44100HZ，但是人耳能够识别的声音信号的频率范围在300~3400HZ，高于3400HZ的频率基本对人耳无效，因此可以滤除不予编码，同时在300~3400的频率段也有部分频率段占用很少一部分能量，可以子带分解后用较短的码长编码，以此来降低码率，而对低频部分可以通过抽取，来减少传输和处理的数据量。在接收端可以通过插值恢复出低频信号。本系统主要实现的关键步骤是针对语音信号的频谱设计与之相适应的树形滤波器组，在信源段首先对音频信号进行预处理滤除多余的频段，然后就是设计信源端得分析滤波器组和信宿段综合滤波器组的设计。分析滤波器组的设计：将信号经过2通道正交镜像滤波器组和2-抽取器，完成信号的第一次高低分频和抽取，然后将分解出来的低频信号再次通过2通道正交镜像滤波器组和2-抽取器，实现对第一次分解出来的低频信号的高低分频和抽取，这次分解出来的次低频成分就是音频信号的需要传输或者处理的有用信号，然后对分解出来的有用信号的高低频信号分别进行等分辨率的3级抽样的8通道分解，分解出16通道音频信号，这样信宿段的子带分解滤波器组就完成了，将音频信号分解成18通道信号，接下来就可以进行编码，存储或传输等一系列处理。综合滤波器组的设计：综合滤波器组是分析滤波器组的逆过程，对解码出来的18通道信号中的16通道低频信号经过3级由2-内插器和高通滤波器或者低通滤波器组成的16通道综合滤波器，就将这16通道信号综合成一路低频信号，然后将这一路信号2-内插和低通滤波，然后将次高频信号经过2-内插和高通滤波器，将这两路信号相加合并为一路信号，并再次通过2-内插和低通滤波器，再将最高频信号进行2-内插和高通滤波器，将这两路信号相加就合成了原来音频信号，这样音频信号就可以送到音频设备。读取音频文件预滤波（300~3400）信号分解信号合成保存为音频文件中北大学信息商务学院2018届本科课程设计说明书第2页二、设计条件1、信号抽取与插值的理论分析1.1、M-抽取时域分析假设x(n)是对模拟信号x(t)以采样频率fs进行采样得到的信号，其频谱为X(ejω)，传送或处理信号时，为了减少数据量，需要降低信号的采样速率，最简单的方法是将x(n)中每隔M-1个点抽取一点，形成一个新的