數(shù)字語音處理課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)字語音處理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　語音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的一門學(xué)科，是一門新興的交叉學(xué)科，是在多門學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性技術(shù)。它涉及到數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別、語言學(xué)、語音學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)及認(rèn)知科學(xué)和人工智能等許多學(xué)科領(lǐng)域。語音信號(hào)處理是目前發(fā)展最為迅速的信息科

2、學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)，其研究設(shè)計(jì)一系列前沿課題，切處于發(fā)展之中。其研究成果具有重要的學(xué)術(shù)及應(yīng)用價(jià)值！</p><p>　　語音信號(hào)的采集和分析技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展與語音學(xué)、聲音測(cè)量學(xué)、電子測(cè)量技術(shù)等學(xué)科緊密聯(lián)系，其中語音采集和分析儀器的小型化、智能化、數(shù)字化以及多功能化的發(fā)展越來越快，分析速度較以往也有了大幅度的提高。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)主要介紹了語音信號(hào)的錄制、語音信號(hào)的采集與分

3、析、語音信號(hào)的采樣、語音信號(hào)的頻譜分析、疊加噪聲后的頻譜分析、濾波器的設(shè)計(jì)以及對(duì)于語音信號(hào)的回放等知識(shí)。通過PC機(jī)或COOL EDIT PRO錄制一段語音信號(hào)，運(yùn)用MATLAB或PRAAT對(duì)其進(jìn)行仿真分析，然后設(shè)計(jì)濾波器加入噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，比較濾波前后語音信號(hào)時(shí)域波形或頻譜的變化，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)于語音的回放設(shè)計(jì)！</p><p>　　關(guān)鍵詞：語音信號(hào)，數(shù)字濾波器，PARRT，MATLAB</p>

4、;<p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　2.語音信號(hào)處理的原理</p><p>　　3.語音信號(hào)的錄制與采集</p><p>　　4.語音信號(hào)的時(shí)域及頻域分析</p><p>　　5.語音信號(hào)的加噪

5、與頻譜分析</p><p>　　6.濾波器的設(shè)計(jì)及分析</p><p><b>　　7.語音信號(hào)的回放</b></p><p><b>　　8.小結(jié)</b></p><p><b>　　9.參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　10.附

6、錄</b></p><p><b>　　1.緒論 </b></p><p>　　1.1課題背景及意義</p><p>　　語音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和語音學(xué)知識(shí)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的新興的學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學(xué)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。同時(shí)，語言也

7、是人與機(jī)器之間進(jìn)行通信的重要工具，它是一種理想的人機(jī)通信方式，因而可為信息處理系統(tǒng)建立良好的人機(jī)交互環(huán)境，進(jìn)一步推動(dòng)計(jì)算機(jī)和其他智能機(jī)器的應(yīng)用，提高社會(huì)的信息化程度。</p><p>　　語音信號(hào)處理是語音學(xué)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，它和認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別和人工智能等學(xué)科聯(lián)系緊密。語音信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展依賴于這些學(xué)科的發(fā)展，而語音信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步也會(huì)促進(jìn)這些學(xué)科的進(jìn)步。&l

8、t;/p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號(hào)處理的理論和算法，如數(shù)字濾波器、快速傅立葉變換（FFT）等是語音信號(hào)數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，語音信號(hào)處理取得了重大的進(jìn)展：進(jìn)入70年代之后，提出了用于語音信號(hào)的信息壓縮和特征提取的線性預(yù)測(cè)技術(shù)（LPC），并已成為語音信號(hào)處理最強(qiáng)有力的工具，廣泛應(yīng)用于語音信號(hào)的分

9、析、合成及各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，以及用于輸入語音與參考樣本之間時(shí)間匹配的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法；80年代初一種新的基于聚類分析的高效數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)—矢量量化（VQ）應(yīng)用于語音信號(hào)處理中；而用隱馬爾可夫模型（HMM）描述語音信號(hào)過程的產(chǎn)生是80年代語音信號(hào)處理技術(shù)的重大發(fā)展，目前HMM已構(gòu)成了現(xiàn)代語音識(shí)別研究的重要基石。近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的研究取得了迅速發(fā)展，語音信號(hào)處理的各項(xiàng)課題是促進(jìn)其發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?，同時(shí)，它的許多成果也體現(xiàn)在有關(guān)語音信號(hào)處

10、理的各項(xiàng)技術(shù)之中。 </p><p><b>　　1.3課題研究目的</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，鞏固所學(xué)的語音信號(hào)處理相關(guān)的理論知識(shí)，使自己掌握語音信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本設(shè)計(jì)方法，掌握語音信號(hào)采集過程以及語音信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，同時(shí)培養(yǎng)自身分析和解決問題的能力！</p><p><b>　　1.4

11、軟件介紹</b></p><p>　　1.4.1 MATLAB</p><p>　　MATLAB的名稱源自于Matrix Laboratory，它是一款科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATALB將高性能的數(shù)值計(jì)算和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域中的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作等環(huán)節(jié)，而且利用MATL

12、AB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對(duì)MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)原有知識(shí)的認(rèn)識(shí)同時(shí)，還可以不斷完善MATALB產(chǎn)品，以提高自身產(chǎn)品的競爭能力！</p><p>　　MATLAB主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾

13、多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。而且由于MATLAB操作比較簡單，上手比較快，深受廣大設(shè)計(jì)人員的喜愛。</p><p>　　1.4.2 PRAAT</p><p>　　PRAAT語音學(xué)軟件，原名PRAAT: doing phonetics by computer，通常簡

14、稱PRAAT。它是一款跨平臺(tái)的多功能語音學(xué)專業(yè)軟件，主要用于對(duì)數(shù)字化的語音信號(hào)進(jìn)行分析、標(biāo)注、處理及合成等實(shí)驗(yàn)，同時(shí)生成各種語圖和文字報(bào)表。</p><p>　　PRAAT的主要功能是對(duì)自然語言的語音信號(hào)進(jìn)行采集、分析和標(biāo)注，并執(zhí)行包括變換和濾波等在內(nèi)的多種處理任務(wù)。作為分析結(jié)果的文字報(bào)表和語圖，不但可以輸出到個(gè)人計(jì)算機(jī)的磁碟文件中和終端的顯示器上，更能夠輸出精致的向量圖或點(diǎn)陣圖，供寫作和印刷學(xué)術(shù)論文專用。<

15、;/p><p>　　此外，PRAAT還可用于合成語音或聲音、統(tǒng)計(jì)分析語言學(xué)數(shù)據(jù)、輔助語音教學(xué)測(cè)試等等。隨著新版本的發(fā)布，PRAAT的功能和用途仍在不斷擴(kuò)展，但實(shí)際上多數(shù)用戶只需要用到其中很少部分的功能。</p><p>　　2.語音信號(hào)處理的原理 </p><p>　　2.1 采樣、采樣頻率及采樣位數(shù)</p><p>　　由于聲音為模擬連續(xù)信號(hào)，

16、而計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字離散信號(hào)，因此要想使用計(jì)算機(jī)來分析和處理聲音，就需要經(jīng)歷模數(shù)轉(zhuǎn)換過程[Analog to Digital Converter，即ADC]，即將模擬的連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字離散信號(hào)。采樣就是按照一定的時(shí)間間隔從模擬連續(xù)信號(hào)提取出一定數(shù)量的樣本來，其樣本值用二進(jìn)制碼0和1來表示，這些0和1便構(gòu)成了數(shù)字音頻文件，其過程實(shí)際上是將模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字離散信號(hào)。</p><p>　　采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒

17、鐘采集多少個(gè)聲音樣本，采樣頻率越高，即采樣的間隔時(shí)間越短，則在單位內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對(duì)聲音波形的表示也越精確，即數(shù)字信號(hào)的保真度越高，但同時(shí)占用的存儲(chǔ)空間也越大。奈圭斯特采樣定理指出只有當(dāng)采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音還原成原來的聲音。</p><p>　　采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)

18、。采樣位數(shù)和采集率對(duì)于音頻接口來說是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要指標(biāo)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。采樣率越高，計(jì)算機(jī)社區(qū)的圖片越多，對(duì)于原始音頻的還原也越加精確！</p><p>　　2.2 時(shí)域分析與頻域分析</p><p>　　語音信號(hào)是一種非平穩(wěn)、事變、離散性大、信息量大的復(fù)雜信號(hào)，處理難度很大。它攜帶著各種信息。在語音通信、

19、語音合成、語音識(shí)別和語音增強(qiáng)等語音處理中無一例外需要提供語音中包含的各種信息。只有將語音信號(hào)分析成表示其本質(zhì)特性的參數(shù)，才有可能利用這些參數(shù)進(jìn)行高效的語音通信，才能用于語音合成的語音庫以及語音識(shí)別的模版或知識(shí)庫。語音信號(hào)分析可以分為時(shí)域和變換域等處理方法，其中時(shí)域分析是最簡單的方法，直接對(duì)語音信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行分析，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時(shí)平均能量，短時(shí)平均過零率，短時(shí)自相關(guān)函數(shù)等。</p><p>　　信

20、號(hào)的傅立葉表在信號(hào)的分析與處理中起著極其重要的作用。因?yàn)閷?duì)于線性系統(tǒng)來說，可以很方便的確定其對(duì)正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號(hào)分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號(hào)的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號(hào)的各項(xiàng)變化。由于語音信號(hào)是隨著時(shí)間變化的，通常認(rèn)為語音是一個(gè)受準(zhǔn)周期脈沖或隨機(jī)噪聲源激勵(lì)的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應(yīng)與激勵(lì)源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和激勵(lì)源，它們都是隨時(shí)間變化的

21、，因此一般標(biāo)準(zhǔn)的傅立葉表示雖然適用于周期及平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的表示，但不能直接用于語音信號(hào)。由于語音信號(hào)可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)，近似不變，因而可以采樣短時(shí)分析法。</p><p><b>　　2.3 數(shù)字濾波器</b></p><p>　　數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目

22、的。數(shù)字濾波器是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)（按預(yù)定的算法，將輸入離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時(shí)間信號(hào)的特定功能裝置）。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器，以及FIR濾波器。</p><p>　　3.語音信號(hào)的錄制與采集 </p><p>　　對(duì)于語音信號(hào)的錄制與采集主要可以使用兩種方法

23、：使用windows自帶錄音機(jī)錄制、使用專業(yè)錄音工具cool edit pro。</p><p>　　3.1 使用window自帶錄音工具</p><p>　　使用windows自帶錄音機(jī)錄制語音文件，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語音輸入查扣上，啟動(dòng)錄音機(jī)。錄制一段錄音，錄音停止后，文件存儲(chǔ)器的后綴默認(rèn)為.Wav。將錄制好文件保存，記錄保存路徑。</p><p

24、>　　圖3.1是基于PC機(jī)的語音信號(hào)采集過程：</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　3.2 Cool Edit Pro錄音操作</p><p>　　打開Cool Edit Pro軟件，通過“文件”菜單下的“新建工程”選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇采樣頻率以及聲道；連接好麥克風(fēng)即可開始錄音，具體設(shè)置可根據(jù)個(gè)人要求做

25、不同設(shè)置！</p><p>　　圖3.2為Cool Edit Pro錄制過程截圖：</p><p><b>　　圖3.2</b></p><p>　　由于沒有麥克風(fēng)，我們采用酷我鈴音制作軟件將現(xiàn)有的.mp3格式直接轉(zhuǎn)換wav格式。酷我鈴音制作軟件設(shè)置界面如下圖3.3所示：</p><p><b>　　圖3.3&

26、lt;/b></p><p>　　該軟件用戶界面良好，操作及其簡單。</p><p>　　3.3 語音信號(hào)的讀取</p><p>　　在MATLAB軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。通過使用wavread函數(shù)，理解采樣、采樣頻率、采樣位數(shù)等概念！</p><p>　　wavread函數(shù)調(diào)用格式

27、：</p><p>　　y=wavread（file），讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。(注意file要打引號(hào)，否則會(huì)報(bào)錯(cuò))。</p><p>　　[y，fs，nbits]=wavread（file），采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（hz），nbits表示采樣位數(shù)。</p><p>　　y=wavread（file，N），讀取前N點(diǎn)的采

28、樣值放在向量y中。</p><p>　　y=wavread（file，[N1，N2]）,讀取從N1到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。用法如下所示：</p><p><b>　　clear</b></p><p>　　%Read the data back into MATLAB,and listen to audio.</p><

29、;p>　　[y,fs,nbits]=wavread ('zhajiawen.wav');</p><p>　　sound (y,Fs);</p><p>　　3.4 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣</p><p>　　語音信號(hào)名為zhajiawen，內(nèi)容為一段歌謠，在command框中輸入輸入以下程序：</p><p>　　[y,F

30、s,nbits]=wavread('zhajiawen');</p><p>　　圖3.4為運(yùn)行結(jié)果：</p><p><b>　　圖3.4</b></p><p>　　根據(jù)結(jié)果可知：該語音信號(hào)的采樣頻率為44100Hz，采樣位數(shù)為16bit,存儲(chǔ)了6269184*2個(gè)數(shù)據(jù)，乘以2是由于左右聲道。</p><

31、p>　　4.語音信號(hào)的時(shí)域及頻域分析</p><p>　　4.1語音信號(hào)的時(shí)域分析</p><p>　　語音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。進(jìn)行語音分析時(shí)，最先接觸到并且也是最直觀的是它的時(shí)域波形。語音信號(hào)本身就是時(shí)域信號(hào)，因而時(shí)域分析是最早使用，也是應(yīng)用最廣泛的一種分析方法，這種方法直接利用語音信號(hào)的時(shí)域波形。時(shí)域分析通常用于最基本的參數(shù)分析及應(yīng)用，比如語音的分割、

32、預(yù)處理、大分類等。這種分析方法的特點(diǎn)是：①表示語音信號(hào)比較直觀、物理意義明確。②實(shí)現(xiàn)起來比較簡單、運(yùn)算且少。③可以得到語音的一些重要的參數(shù)。④只使用示波器等通用設(shè)備，使用較為簡單等。</p><p>　　語音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)有短時(shí)能量、短時(shí)過零率、短時(shí)自相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等，這是語音信號(hào)的一組最基本的短時(shí)參數(shù)，在各種語音信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)中都要應(yīng)用在計(jì)算這些參數(shù)時(shí)使用的海明窗。</p><

33、;p>　　時(shí)域信號(hào)的FFT分析：FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，他是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅里葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLAB的信號(hào)處理工具箱中FFT和IFFT用于快速傅里葉變換和反變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft（x），其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長度；若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每

34、一列向量進(jìn)行FFT。如果x長度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基—2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅里葉變換算法，計(jì)算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為y=fft（x，N），式子中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT，若x為向量且長度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長度N；若向量x的長度大于N，則函數(shù)截短x使之長度為N；若x為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。</p><p>　　4.2語音信號(hào)

35、的頻域分析</p><p>　　語音信號(hào)的頻域分析就是分析語音信號(hào)的頻域特征。從廣義上將，語音信號(hào)的頻域分析包括語音信號(hào)的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜包絡(luò)等，而常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅立葉變換法、線性預(yù)測(cè)法等幾種。因?yàn)檎Z音信號(hào)是非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變、或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能直接表示語音信號(hào)，而應(yīng)該用短時(shí)傅立葉變換對(duì)語音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜成為“短時(shí)譜”</p>

36、;<p>　　把語音信號(hào)加載入MATLAB仿真軟件平臺(tái)的工作空間中，然后畫出信號(hào)的時(shí)域波形，然后再對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。MATLAB提供了快速傅立葉變換算法FFT計(jì)算DFT的函數(shù)fft。</p><p>　　在時(shí)域內(nèi)，語音信號(hào)具有“短時(shí)性”的特點(diǎn)，即在總體上，語音信號(hào)的特征是隨著時(shí)間而變化的，但在一段較短的時(shí)間間隔內(nèi)，語音信號(hào)保持平穩(wěn)。在濁音段表現(xiàn)出周期信號(hào)的特征，在清音段表現(xiàn)出隨機(jī)噪聲的特征。&

37、lt;/p><p>　　在頻域內(nèi)，語音信號(hào)的頻譜分量主要集中在300～3400Hz的范圍內(nèi)。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以用一個(gè)抗混疊帶通濾波器將此范圍內(nèi)的語音信號(hào)頻率分量取出，然后按8kHz的采樣率對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，就可以得到離散的語音信號(hào)。</p><p>　　在command框中輸入輸入以下程序：</p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread ('l

38、uocaizhi.wav');</p><p>　　sound(y,fs,nbits); %回放語音信號(hào)</p><p>　　N= length (y) ; %求出語音信號(hào)的長度</p><p>　　Y=fft(y,N); %傅里葉變換</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　

39、plot(y);title('原始信號(hào)時(shí)域波形');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(Y));</p><p>　　title('原始信號(hào)頻譜')</p><p>　　axis([0,2000000,0,1500]);</p><p&

40、gt;　　以下為運(yùn)行結(jié)果，圖4.2.1為時(shí)域波形和頻譜圖</p><p><b>　　圖4.2.1</b></p><p><b>　　4.3語譜圖</b></p><p>　　語音的時(shí)域分析和頻域分析是語音分析的兩種重要方法。顯然這兩種單獨(dú)分析的方法均有局限性：時(shí)域分析對(duì)語音信號(hào)的頻率特性沒有直觀的了解；而頻域分析出的特

41、征中又沒有語音信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系：語音信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，所以其頻譜也是隨時(shí)間變化的。但是由于語音信號(hào)隨時(shí)間變化是很緩慢的，因而在一段短時(shí)間內(nèi)(如10～30ms之間，即所謂的一幀之內(nèi))可以認(rèn)為其頻譜是固定不變的，這種頻譜又稱為短時(shí)譜。短時(shí)譜只能反映語音信號(hào)的靜態(tài)頻率特性，不能反映語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)頻率特性。因此，人們致力于研究語音的時(shí)頻分析特性。</p><p>　　語譜圖，英文全稱是sonogram或者spectro

42、gram，是一種三維頻譜，它是表示語音頻譜隨時(shí)間變化的圖形，其縱軸為頻率，橫軸為時(shí)間，任一給定頻率成分在給定時(shí)刻的強(qiáng)弱用相應(yīng)點(diǎn)的灰度或色調(diào)的濃淡來表示。用語譜圖分析語音又稱為語譜分析。語譜圖中顯示了大量的與語音的語句特性有關(guān)的信息，它綜合了頻譜圖和時(shí)域波形的特點(diǎn)，明顯地顯示出語音頻譜隨時(shí)間的變化情況，或者說是一種動(dòng)態(tài)的頻譜?？梢杂谜Z譜儀來記錄這種譜圖。</p><p>　　使用PRAAT軟件觀察語音luocaiz

43、hi.wav的語譜圖：</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　由圖可見4.2為寬帶語譜圖，其中橫軸坐標(biāo)為時(shí)間，縱軸坐標(biāo)為頻率。由圖可知，該語音信號(hào)播放時(shí)間帶改為142s.</p><p>　　5.語音信號(hào)的疊加噪聲與頻譜分析</p><p><b>　　5.1噪聲的構(gòu)建</b&

44、gt;</p><p>　　利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)人（rand或randn）產(chǎn)生噪聲加入到語音信號(hào)中，模仿語音信號(hào)被污染的過程，并對(duì)被污染后的語音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。</p><p>　　MATLAB中的rand函數(shù)：均勻分布的隨機(jī)數(shù)或矩陣</p><p>　　Rand函數(shù)產(chǎn)生由在（0，1）之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)組成的數(shù)組</p><p>

45、　　Y=randn(n) </p><p>　　功能說明：返回一個(gè)n×n隨機(jī)矩陣。</p><p>　　Y=randn(m,n)</p><p>　　功能說明：返回一個(gè)m×n的隨即矩陣</p><p>　　Y=randn(m,n,p…)</p><p>　　功能說明：產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)組</p>

46、;<p>　　Y=randn(size(A))</p><p>　　功能說明：返回一個(gè)和A有相同尺寸的隨機(jī)矩陣</p><p>　　Randn()函數(shù)默認(rèn)均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1。若想生成均值為1，標(biāo)準(zhǔn)差為2，則需要按照以下格式調(diào)用該函數(shù)：</p><p>　　r = 1 + 2.*randn(100,1);</p><p>　　構(gòu)

47、建隨機(jī)噪聲的代碼如下：</p><p>　　構(gòu)建的隨機(jī)噪聲結(jié)果如下：圖5.1.1為噪聲信號(hào)的波形，圖5.1.2為噪聲信號(hào)的頻譜</p><p><b>　　圖5.1.1</b></p><p><b>　　圖5.1.2</b></p><p>　　5.2語音信號(hào)疊加噪聲后的語音信號(hào)分析</p&

48、gt;<p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　疊加噪聲后的語音信號(hào)分析結(jié)果如下：圖5.2.1為加噪后的時(shí)域波形和加噪后的頻譜圖</p><p><b>　　圖5.2.1</b></p><p>　　從圖5.2.1可以看出原始信號(hào)疊加噪聲過后頻帶被展寬，存在大量噪聲。</p>

49、<p>　　6.濾波器的設(shè)計(jì)及分析</p><p>　　6.1數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　數(shù)字濾波是語音信號(hào)分析中的重要組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成，可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號(hào)的過濾、檢測(cè)和參數(shù)的估計(jì)等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)

50、字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形（或頻譜）進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。</p><p>　　數(shù)字濾波器有很多種類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長沖擊響應(yīng)

51、（FIR）濾波器。從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的濾波器階數(shù)，就可獲得高的選擇性，所用的存儲(chǔ)單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高，但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的濾波器階數(shù)，來達(dá)到較高的選擇性；對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，相比于IIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器要滿足

52、要求所需的濾波器階數(shù)是它的 5~10倍。結(jié)果，成本較高，信號(hào)延時(shí)也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位矯正，同樣增加濾波器的階數(shù)、復(fù)雜性。</p><p>　　設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的任務(wù)就是尋求一個(gè)因果穩(wěn)定的線性時(shí)不變系統(tǒng)，并使系統(tǒng)函數(shù)H（z）具有指定的頻率特性。</p><p>　　IIR濾波器和FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法完全不同。</p>

53、;<p>　　FIR濾波器通常采用間接法。常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對(duì)于線性相位濾波器，經(jīng)常采用FIR濾波器。在MATLAB數(shù)字信號(hào)處理工具箱中提供了一些濾波器的函數(shù)，使FIR濾波器的運(yùn)算更加方便快捷。在本論文中，我們主要采用fir1( )函數(shù)，此函數(shù)以經(jīng)典的方法實(shí)現(xiàn)加窗線性相位FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，可以很方便的設(shè)計(jì)出低通、高通、帶通、帶阻濾波器。</p><p>　

54、　IIR濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直接法。</p><p><b>　　間接法：</b></p><p>　　根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)模擬原型低通濾波器，然后進(jìn)行頻率變換，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬濾波器(高通、帶通等)，最后利用沖激響應(yīng)不變法或雙線性變換法，將模擬濾波器數(shù)字化成相應(yīng)的數(shù)字濾波器。原理框圖如6.1.1所示：</p><p><b&

55、gt;　　圖6.1.1</b></p><p>　　在本篇論文中，我們主要采用直接法來設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器。</p><p>　　以下函數(shù)為MATLAB中提供的相關(guān)函數(shù)，可以用于IIR和FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)：</p><p>　?。?）卷積函數(shù)conv</p><p>　　調(diào)用格式：c=conv（a，b）</p>&l

56、t;p>　　功能描述：該函數(shù)主要計(jì)算兩向量a和b的卷積，可以直接用于對(duì)有限長信號(hào)采用FIR濾波器和濾波。</p><p>　　（2）函數(shù)filter</p><p>　　調(diào)用格式：y=filter（b，a，x）</p><p>　　功能描述：該函數(shù)采用數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，既可以用于IIR濾波器，也可以用于FIR濾波器。其中向量b和a分別表示系統(tǒng)函數(shù)的分子

57、、分母多項(xiàng)式的系數(shù)。如a=1，此時(shí)則表示FIR濾波器，否則就是IIR濾波器。該函數(shù)是利用所給出的向量b和a，對(duì)x中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，結(jié)果放入向量y中。</p><p>　?。?）函數(shù)fftfilt</p><p>　　調(diào)用格式：y=fftfilt（b，x）</p><p>　　功能描述：該函數(shù)是利用基于FFT的重疊相加法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，這種頻域?yàn)V波技術(shù)只對(duì)FIR濾波器

58、有效。該函數(shù)是通過向量b描述的濾波器x數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。</p><p>　　在本篇論文中，主要采用fftfilt( )函數(shù)來實(shí)現(xiàn)FIR濾波器對(duì)語音信號(hào)的濾波。采用filter( )函數(shù)對(duì)IIR濾波器對(duì)語音信號(hào)的濾波。</p><p>　　6.2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　不論是IIR濾波器還是FIR濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個(gè)步驟：</p>&l

59、t;p>　　按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。</p><p>　　用一個(gè)因果、穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求可以用IIR系統(tǒng)函數(shù)，也可以用FIR系統(tǒng)函數(shù)去逼近。</p><p>　　利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長選擇等。</p><p>　　6.3有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)：</p>&

60、lt;p>　?。?）低通濾波器的性能指標(biāo)：</p><p>　　fp=3400Hz，fs=3500Hz，As=80db ,Rp=1dB</p><p>　?。?）高通濾波器的性能指標(biāo)：</p><p>　　fp=200Hz，fs=300Hz，As=80dB，Rp=1dB；</p><p>　　（3）帶通濾波器的性能指標(biāo)：</p&g

61、t;<p>　　fp1=300Hz，fp2=3400hZ，fs1=200Hz，fs2=3500Hz，As=80dB，Rp=1dB</p><p><b>　　6.4具體設(shè)計(jì)</b></p><p>　?。?）IIR低通濾波器的設(shè)計(jì) </p><p>　　圖6.4.1為IIR低通濾波器：</p><p>&l

62、t;b>　　圖6.4.1</b></p><p>　　（2）IIR高通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖6.4.2為IIR高通濾波器：</p><p><b>　　圖6.4.2</b></p><p>　?。?）IIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖6.4.3為IIR帶

63、通濾波器：</p><p><b>　　圖6.4.3</b></p><p>　?。?）FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖6.4.4為FIR低通濾波器：</p><p><b>　　圖6.4.4</b></p><p>　?。?）FIR高通濾波器的設(shè)計(jì)</p

64、><p>　　圖6.4.5為FIR高通濾波器：</p><p><b>　　圖6.4.5</b></p><p>　　（6）FIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖6.4.6為FIR帶通濾波器：</p><p><b>　　圖6.4.6</b></p><

65、;p>　　6.5使用濾波器對(duì)疊加噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波</p><p>　　（1）IIR低通濾波器：</p><p>　　圖6.5.1為使用IIR低通濾波器對(duì)疊加噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波分析結(jié)果：</p><p><b>　　圖6.5.1</b></p><p>　?。?）IIR高通濾波器</p>&l

66、t;p>　　圖6.5.2為使用IIR高通濾波器對(duì)疊加噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波分析結(jié)果：</p><p><b>　　圖6.5.2</b></p><p>　?。?）FIR低通濾波器</p><p>　　圖6.5.3為使用FIR低通濾波器對(duì)疊加噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波分</p><p><b>　　圖6.5.3

67、</b></p><p>　　從圖6.5.3中可以看出大于3400Hz的頻率成分幾乎被濾除干凈</p><p>　?。?）FIR高通濾波器</p><p>　　圖6.5.4為使用FIR高通濾波器對(duì)疊加噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波分析結(jié)果：</p><p><b>　　圖6.5.4</b></p>&l

68、t;p><b>　　7.語音信號(hào)的回放</b></p><p>　　以上六種濾波器，通過對(duì)比濾波前后的語音信號(hào)時(shí)域波形以及頻域頻譜圖，可以知道各種濾波器的濾波效果。</p><p>　　語音信號(hào)經(jīng)過疊加噪聲后，在Matlab中我們可以調(diào)用函數(shù)sound( )對(duì)濾波前后的語音格式的文件進(jìn)行播放。其調(diào)用格式有后面幾種：sound(y,Fs)，sound(y)和sou

69、nd(y,Fs,nbits)。通過對(duì)語音進(jìn)行播放，很容易可以辨別語音信號(hào)的變化。</p><p>　　隨著當(dāng)今電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)字濾波器逐漸吸引人們的關(guān)注。由于它具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，它在語聲信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。在語音及數(shù)字系統(tǒng)中，任何信號(hào)處理器都可以看成是一個(gè)濾波器。濾波器的設(shè)計(jì)是語音處理的重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)時(shí)需要根

70、據(jù)信號(hào)的特征以及所需滿足的功能來確定濾波器的類型、階數(shù)、截止頻率、衰減幅度等。，只有得到上述參數(shù)，我們才能有效地對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，刪減無用信息，保留信號(hào)中的有用信息。</p><p><b>　　8.小結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過了一周的緊張忙碌，本次語音處理課程設(shè)計(jì)就在自己的原意與不愿意中結(jié)束了！面對(duì)著已經(jīng)結(jié)束的課程設(shè)計(jì)，一時(shí)間感慨頗多！</p>

71、<p>　　本次語音信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)是本學(xué)期唯一的一個(gè)課程設(shè)計(jì)，由于個(gè)人在信息工程專業(yè)課方面不算太出色，尤其是對(duì)于MATLAB軟件的掌握上比較欠缺，因此為了能夠盡量更好的完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)，在課程設(shè)計(jì)的完成過程中還是花費(fèi)了很多功夫和時(shí)間的！</p><p>　　本次次課程設(shè)計(jì)主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)于一段語音信號(hào)的分析，通過分析能夠更好的掌握語音信號(hào)處理的基本原理、基本概念以及基本方法等，整個(gè)課設(shè)過程中大體上主

72、要包含了以下幾個(gè)方面：</p><p>　　對(duì)于語音信號(hào)的采集與抽樣</p><p>　　對(duì)于語音信號(hào)的時(shí)域及頻域分析，其中包括對(duì)于原始信號(hào)的分析以及對(duì)于被噪聲污染信號(hào)的相關(guān)分析！</p><p><b>　　濾波器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)對(duì)于經(jīng)過濾波處理的語音信號(hào)的回放。</p><

73、p>　　整個(gè)課設(shè)過程中還是遇到很多困難的，首先最主要的就是感覺自己對(duì)于課堂上學(xué)習(xí)過的有關(guān)語音信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)掌握的不是太扎實(shí)，除了課堂上的學(xué)習(xí)外，像類似于濾波器的設(shè)計(jì)以及語音加噪處理這些知識(shí)在其余時(shí)間基本很少接觸，因此課設(shè)剛剛開始的時(shí)候有點(diǎn)無從下手的感覺，但是通過對(duì)于以前學(xué)習(xí)過的數(shù)字信號(hào)處理以及這學(xué)期學(xué)習(xí)的語音信號(hào)處理課程的復(fù)習(xí)，以及通過網(wǎng)絡(luò)查找的相關(guān)資料，自己終于能夠?qū)τ谡Z音信號(hào)處理有了稍微深入一點(diǎn)的了解，知道應(yīng)該該從何入手！

74、</p><p>　　另外，讓自己在課程過程中比較郁悶的是自己對(duì)于MATLAB軟件實(shí)在是太不熟悉了，因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中MATLAB軟件是最主要的工具，如果不能熟練的運(yùn)用，難么是很難順利完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)的！因此自己再這幾天的課設(shè)過程中，再次溫習(xí)了一下MATLAB軟件的相關(guān)應(yīng)用。同時(shí)，Praat語音處理軟件以及語音錄制軟件cool edit pro的熟練應(yīng)用也是順利完成課設(shè)任務(wù)所必不可少的！</p>

75、<p>　　其它的一些小困難也不少，但是基本上只要能夠掌握好專業(yè)課的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)能夠熟練使用這幾款軟件，基本上還是能夠完成課程設(shè)計(jì)的。雖然困難重重，但是當(dāng)你真正經(jīng)過自己的努力完成了任務(wù)的時(shí)候，卻又真的很有成就感！即便在其中的很多地方還需要同學(xué)高手的指點(diǎn)或者查閱參考各種網(wǎng)絡(luò)資源！但最起碼自己在語音信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)的過程中獲得了很大的提高！</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)真的讓我學(xué)到了很多，不僅僅是

76、在語音信號(hào)處理方面！更是在對(duì)待課程設(shè)計(jì)的態(tài)度方面！如果想要做好課程設(shè)計(jì)，完成要求的任務(wù)！無論困難與簡單！最重要的就是要有耐心，遇到困難要真正的研究！即便自己真的無法解決，但是在研究過程中就已經(jīng)增長了很多知識(shí)！僅僅一次課程設(shè)計(jì)給我們的不僅僅只是實(shí)現(xiàn)某些功能，完成某些任務(wù)，更是在這個(gè)課程設(shè)計(jì)過程中帶給我們的一些列收獲與理解！課程設(shè)計(jì)的過程更是一個(gè)讓我們不斷復(fù)習(xí)和不斷學(xué)習(xí)的過程。在這個(gè)過程中，我們要不斷的復(fù)習(xí)從前的知識(shí)，并且要深入的了解某些需

77、要的知識(shí)。這是我們課堂學(xué)習(xí)所得不到的體驗(yàn)。同時(shí)我們也要不同的學(xué)習(xí)新的知識(shí)來盡量使自己的程序變得完美！</p><p><b>　　9.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）王永琦.《MATLAB與音視頻技術(shù)》清華大學(xué)出版社 </p><p>　?。?）程佩青.《數(shù)字信號(hào)處理教程》清華大學(xué)出版社</p><p>