建筑给水排水课程设计 (2)

1 第一章 绪 论 1.1选题的意义和目的 语音信号处理是通信和电子信息专业的一门重要专业课程，它涉及到语音学和数字信号处理的知识，理论性强且工程应用广泛。为了使学生理解并能运用所学理论知识，我们通过MTLAB环境下的语音信号处理实验，不仅包括对语音信号理论分析验证性的演示，还包括实验的延伸设计，培养学生的工程实践能力和应用能力。 本文开发了用MTLAB软件实现语音信号处理的实验，使学生在实验室计算机或个人的计算机上完成各种语音信号处理实验和设计。学生在老师的指导下先熟悉实验的基本操作和过程，完成验证性实验，而后大量的实验内容、规律总结和延伸设计部分等要求可在学生个人计算机上完成，相应时间宽限度和灵活性加大。学生不仅学会MTLAB简单编程、调试、结果显示等操作，还要带着实验图l汉语语音信号某个音素的时域特。图2汉语语音信号某个音素的LPC特性延伸的设计要求，独立运用理论分析并编程实现，或对已有的算法或技术进行改进。从而提高语音信号的教学和实验的质量。

1.2 设计要求 在理论学习的基础上，进一步地理解和掌握语音信号短时分析的意义，短时时域分析的基本方法。进一步理解和掌握语音信号短时平均能量函数及短时平均过零数的计算方法和重要意义，熟悉语音信号的短时分析特性。 画出对一个语音信号的短时频谱。 比较窗长、窗口形状对语音短时谱的影响。 语音增强是解决噪声污染的一种有效方法，它的一个主要目标是从带噪语音信号中提取尽可能纯净的原始语音，语音增强目前已发展成为语音信号数字处理的一个重要分支。理解语音增强的原理，掌握滤波器法实现语音增强的方法。 理解基音检测方法原理。掌握其经典检测方法中的自相关法、中心消波法、三电平中心消波法的算法实现过程并理解线性预测分析方法原理，掌握其经典解法中的自相关法，理解lpc谱的特点。 熟悉语音信号求其倒谱与复倒谱的方法;计算一段语音信号的频谱、倒谱与复倒谱, 并进行相应的比较。比较由加窗语音信号求得的对数幅度谱与倒谱域滤波后得到的对数幅度谱的 2

1.3 研究内容及难点 我们提供给学生的语音库包含：汉语语音的全部音素及一些短旬，其中有男声和女声的不同发音。由于MTLAB软件处理语音信号的独特优势，易于实现编程和演示，可将语音信号的基础理论知识点用MATLAB软件展示在课堂教学和实验环节中。例如：语音信号的时域特性演示如图1所示，语音信号切割成音素单元后，各种音素的时域波形和时域参数的性质都可MTLAB直观的显示出来。让学生通过对这些波形观察，总结其规律，加深学生对各种音素的时域性质的感性认识。

1.3.1 教学方法上的注重 理论讲授与工程实际的紧密结合，正确把握好课程与教学两者之间的关系，改变传统的以教师为中心的教学结构，采用启发式或讨论式的教学方法以激发学生参与本课程的积极性，活跃课堂气氛和思维。收集工程实例并精心穿插到备教学章节中，将一些典型工程实例作为课外补充作、№的形式留给学生。课后学生思考，课堂上教师与学生共同分析解决问题，由此调动学生的学习积极性，激发学生的学习热情，使学生对本门课程产生强烈的参与意识。同时，还可以根据教学进度和内容有针对性地让学生走出教室，融入社会的大课堂，参观加压泵站、室内游泳馆、室外景观水等，调研高层建筑中的给排水系统，对工艺及运行管理中的优缺点和存在的问题进行分析并提出自己的看法。

1.3.2 各门课程的联系是难点 引导学生选择相关课程在国外许多国家将本课程与供热、通风、空调、供电和燃气等内容集为一体，称为建筑设备或建筑设备工程。在国内，为适应社会对人才需求的变化，有些新升本科院校开设了建筑环境与设备专业。从近年来人才市场招聘情况和本专科毕业生就业的反馈信息来看，社会对从事建筑给水排水工程设计、施工、管理人员的需求呈上升趋势，且要求具备较宽的相关专业的知识和实践能力，可以看出建筑给水排水工程课程内容单一，与相关专业知识的交叉与融入不够等缺陷。面对建筑给水排水工程学科的发展及各高校目前进行的课程教学改革，在建筑给水排水工程的教学中宜补充有关供热、通风、空调、供电和燃气等设备系统的基本知识，增加有关管理方面的基本知识，使之互相渗透与交叉，以满足社会对人才的要求。可以在教学大纲制定中有意识引导学生选择暖，电等相关课程，并创造条件为学生提供水、暖、电等知识点的实践性环节。 3

第二章 语音信号处理理论基础 2.1 短时分析和短时谱特性 一定时宽的语音信号，其能量的大小随时间有明显的变化。其中清音段（以清音为主要成份的语音段），其能量比浊音段小得多。短时过零数也可用于语音信号分析中，发浊音时，其语音能量约集中于3kHz以下，而发清音时，多数能量出现在较高频率上，可认为浊音时具有较低的平均过零数，而清音时具有较高的平均过零数，因而，对一短时语音段计算其短时平均能量及短时平均过零数，就可以较好地区分其中的清音段和浊音段，从而可判别句中清、浊音转变时刻，声母韵母的分界以及无声与有声的分界。这在语音识别中有重要意义。 周期性声门波可表示为： u[n]= g[n]* p[n]（其中, g[n]是声门波的单周期的波形，p[n]是间隔为 P 的周期采样序列。）当 u[n]通过线性非时变声道，且该声道的单位冲击响应为 h[n]时，声道输出为： x[n]=h[n]*(g[n]*p[n]) 为了观察一段语音，需要将声道输出乘以一个以时刻τ为中心的窗函数 w[n,τ],即得到: x [n , τ] = w [n , τ]{ h [ n]*( g [n]* p [n ])}

这段语音信号的频域表达式为 :])()()([),(1),(kkwwwGwHwWpwX 即语音信号的谱包络为 )()(wGwH 语谱图就是显示时变频谱幅度特征的图形表达式为 2),(),(wXwS，语谱图分析语音又称语谱分析，与谱图中显示了大量的语音的语句特性有关的信息，它综合了频谱图和时域波形的优点，明显地显示出语音频谱随时间的变化情况。预铺土实际上是一种三维频谱，即同时在实践和频率上显示出语音的特性，或者说是一种动态的频谱。 窄带语谱图可以得到较好的频域分辨率（即以较窄的频域间隔观察频域上的正弦波成分），窗长通常为至少两个基音周期的“长窗” ；而宽带语谱图可以给出较好的时域分辨率（即以较窄的时域间隔观察时域波动），窗长为小于一个基音周期的“短窗” 。 4

2.2 线性预测 由均方预测误差最小的得到正则方程 pknnkpiikia1,...3,2,1],0,[],[ （2-1）

其中，mnnnpkikmsimski,1],[][],[ （2-2） 在最佳解时的误差为 pknknnkaE1],0[]0,0[ （2-3） 在自相关法中式2-1，式2-3变为 pknnkpiirkira1,...3,2,1],0[][ （2-4）

pknknnkRaRE1][]0[ （2-5） 由 式2-4 可列出方程组式2-6





][]3[]2[]1[]0[]3[]2[]1[...]3[...]0[]1[]2[]2[...]1[]0[]1[]1[...]2[]1[]0[421pRRRRRpRpRpRpRRRRpRRRRpRRRR

nnnnnnnnnnnnnnnnnnnn



 （2-6）

解方程组 式2-6 求出线性预测系数，通过误差式2-5可求出增益G pknknnkRREG12][]0[ （2-7） 5

第三章 系统方案论证 3.1 系统模型构成 发送端包括：语音信号数字化、信道编码、数字调制。接收端包括：带通滤波、数字解调、信道解码、PCM译码。语音信号数字化采用PCM方式，信道编译码采用（7,4）循环编译码，数字调制解调采用QPSK方式。信道是高斯白噪声信道。

3.2 语音信号的输入输出设计 信号输入的方法:采用2种方法实现语音信号输入。第一种：利用Matlab的音频信号处理工具箱实现声音的录制。第二种：在Matlab中直接使用命令“wavread”读取并输入存储器中已经存在的音频文件。 信号输出的方法：信号输出跟输入相反，也有2 种方法，第一种：用“sound”命令将处理后的语音信号用扬声器播放； 第二种： 将信号用“wavwrite”命令保存为新的WAV文件,用播放器进行播放。

3.3 功能模块的设计与实现 设计过程中对所建通信系统模型中的模块采用Matlab编程的方式来实现，避免使用Matlab 中simulink 模块，有利于灵活性和实用性。本节重点是对发送端模块进行设计与实现，接收端设计将在GUI 界面仿真中给出。对原始语音信号的抽样频率为8 kHz，量化为A律13 折线的非均匀量化，每个采样点采用8 位2 进制代码来表示。

3.4 循环编码和QPSK调制模块实现 本设计直接采用Matlab 内置的函数，编码的调用格式为：encode(pcm,7,4,'cyclic',gx)，pcm 为数字化后的二进制码元，7 和4 以及'cyclic'代表的是（7,4）循环码，gx 为循环码生成多项式。QPSK 调制首先是串并转换，然后是I、Q 通道2PSK调制，最后将两个通道的已调信号相加得到QPSK 已调信号。