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1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学 生 姓 名： 吕涛 学 号：10050644X23 学 生 姓 名： 王丽 学 号：10050644X09学 生 姓 名： 赵芳 学 号：10050644X15 学 生 姓 名： 孟庆慧 学 号：10050644X05 学 院： 信息商务学院 专 业： 电子信息工程 题 目： 信息处理综合实践: 数据的采集与语音信号的频谱分析 指导教师： 金 永 职称: 副教授 2013 年 6 月 28 日 / 文档可自由编辑 中北大学课程设计任务书 12/13 学年第 二 学期学 院： 信息商务学院 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 吕涛 学 号：100506
2、44X23 学 生 姓 名： 王丽 学 号：10050644X09学 生 姓 名： 赵芳 学 号：10050644X15 学 生 姓 名： 孟庆慧 学 号：10050644X05 课程设计题目:信息处理综合实践: 数据的采集与语音信号的频谱分析 起 迄 日 期： 2013年6月7日2013年6月28日 课程设计地点： 学院楼201、510、608实验室 指 导 教 师： 金永 系 主 任： 王明泉 下达任务书日期: 2013 年6 月 7 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1）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；（2）掌握数据采集卡采
3、集数据的过程和原理；（3）了解MATLAB的信号处理技术；（4）掌握MATLAB 实现音乐信号的读取、保存、拼接与频谱分析。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）：（1）查阅相关资料，撰写关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告；（2）采用麦克采集本组各个同学的语音信号；（3）采用MATLAB读取采集的语音信号，截取各信号中的一段进行拼接，并进行频谱分析；（4）保存拼接后的语音信号，并进行播放证实存储的正确性，同时对拼接后信号与原有信号的频谱作对比；（5）提高内容：编写语音采集数据程序。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：（1
4、）要求设计组的每个成员都要了解设计的要求和思路；（2）MATLAB数据处理部分要求有正确的运行结果及结果分析；（3）总线部分和A/D采集卡部分要求每位同学有自己的理解；（4）每位同学针对上述内容撰写设计说明书（每人1份）。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写，例：1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985 （5篇以上）5设计成果形式及要求：课程设计说明书程序运行结果6工作计划及进度：2013年6月7日 6月15日：查资料，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构以及A/D采集卡的应用；6月15日
5、6月25日：MATLAB 实现语音信号的读取、保存、拼接与频谱分析；6月26日 6月27日：撰写课程设计说明书； 6月28日：答辩系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录摘要21基于USB总线A/D卡的报告2 1.1 USB总线介绍2 1.2 USB接口电路设计3 1.3 接口的数据采集系统的设计实现3 1.4 A/D转换电路42 设计方案简介53 语音信号的采集54 语音信号的分析6 4.1语音信号时域分析6 4.2语音信号频域分析65 程序设计及仿真图76语音信号的读取、拼接、保存与频谱分析9 6.1设计条件及主要参数表9 6.2设计主要参数计算11 6.3设计结果127设计体会138 参
6、考文献14摘要语音信号的采集与分析技术是一门涉及面很广的交叉科学，它的应用和发展与语音学、声音测量学、电子测量技术以及数字信号处理等学科紧密联系。该设计主要介绍语音信号的采集与分析方法，通过PC机录制自己的一段声音，运用Matlab提供的函数进行仿真分析，并画出采样后语音信号的时域波形和频谱图，对所采集的语音信号加入干扰随机高斯噪声，对加入噪声的信号进行播放，并进行时域和频谱分析；对比加噪前后的时域图和频谱图，分析讨论采用什么样的滤波器进行滤除噪声。关键词：语音信号；采集与分析；Matlab一 基于USB总线A/D卡的报告1.USB总线介绍USB总线为通用串行总线，USB接口位于PS/2接口和
7、串并口之间，允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来127个外设，传输速率可达480Mb/S，P它可以向低压设备提供5伏电源，同时可以减少PC机I/O接口数量。USB是基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。数据采集就是把来自各种传感器的信号数据实时地、准确地测量或汇集起来,用计算机进行实时处理或记录存储,实时完成测试和控制功能。数据采集系统结构通过微机的标准接口连接各种功能模块、仪器仪表和传感器,组成测量系统。2USB接口电路设计R3是上拉电阻器，它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端，表示USB主机系统是高速设备，同时这个
8、上拉电阻器告诉主机有USB设备插入。该上拉电阻器的设置对适配器的影响很大，它的负载值和1-Wire网络的总长决定1-Wire总线电压上升到5 V的速度。经过实验测试选择R3的阻值为27 lO%。R1、R2为USB数据线保护电阻器。L、L2具有禁止高频干扰并且减弱EMI辐射的功能。LF33CV为3.3 V电压稳压器，与周围元件C1、C2组成强上拉部分，给EEPROM或温度传感器等器件提供额外的电源。3.USB接口的数据采集系统的设计实现 数据采集系统使用采集卡进行数据采集,然后经过A/D转换器供计算机加工处理。基于USB接口的数据采集与频谱分析系统本系统结构由硬件部分和软件部分组成,硬件部分主要
9、有计算机、I/ O 接口设备. 计算机作为硬件平台的核心可采用台式机,系统采用的I/ O 设备为A/ D 数据采集卡,该采集卡是一种基于USB 总线数据采集产品,可与带USB 接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统.整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和AD转换电路。USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对AD转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知E
10、Z-USB控制器，由主机取出数据。整个系统框图如图1所示。4.AD转换电路 声卡是计算机对语音信号进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采样保持、A/D和D/A转换等功能。系统中AD转换芯片采用了MAXIM公司的MAX122，该芯片是12 b的高速的AD转换器。在完全转换模式下，他的转换时间可以达到26μs，采样率为333 kSs。MAX122有5种工作模式，在数据采集系统中，采用了模式2即连续转换模式。在这种模式下，每次转换需要1314个时钟脉冲节拍，转换可以不间断地进行，但是需要提供开始转换使能信号，并且要保证使能信号和时钟信号同步，读信号和片选始终处于有效状态。数据输出使能信
11、号一直有效，在转换结束时产生新的数据。二 设计方案简介 本实验通过应用MATLAB软件实现音乐信号的读取、拼接、保存与频谱分析。将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。频谱分析主要分析信号是由哪些频率的正弦信号叠加得到的，以及这些正弦信号的振幅。分析和处理音频信号，首先要对声音信号进行采集，MATLAB 的数据采集工具箱提供了一整套命令和函数,通过调用这些函数和命令,可直接控制声卡进行数据采集。Windows自带的录音机程序也可驱动声卡来采集语音信号，并能保存为WAV格式文件，供MATLAB相关函数直接读取、写入或播放。本实验以WAV格式音频信号
12、作为分析处理的输入数据，用MATLAB处理音频信号的基本流程是：先将WAV格式音频信号经wavread 函数转换成MATLAB列数组变量；再用MATLAB强大的运算能力进行数据分析和处理，如时域分析、频域分析、数字滤波、信号合成、信号变换、识别和增强等等；处理后的数据如是音频数据，则可用wavwrite转换成WAV格式文件或用sound函数直接回放。三 语音信号的采集配置好数据采集设备的参数后，使用start命令便可启动声卡开始语音信号的采集。采集到的数据被暂时存放在PC机的内存里，理论上可采集的最大数据量是由PC机的内存容量决定的，这一点相对于一般的数据采集系统而言有较强的优势。MATLAB还可以记录采集过程中出现错误，如出错的时间、错误产生的来源以及数据采集设备的状态等信息都会被记录下来作为以后工作的参考。Matlab自带的数据采集工具箱里面，提供了专门用于语音采集的命令和函数。数据采集的硬件设备的内部特性对Matlab的接口完全是透明的，通过调用Matlab提供的语音采集函数和命令可以对其进行访问。而且，Matlab可以对其采集的数据进行实时的分析，也可在存储后再进行处理。四
