语音信号分析和处理系统设计.docx

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1、语音信号分析与处理系统设计语音信号分析与处理系统设计摘要语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进展处理的新兴的学科，是目前开展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。Matlab语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件，它可以将声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据，如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数，利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可

2、视化，使人机交互更加便捷。信号处理是Matlab重要应用的领域之一。本设计针对现在大局部语音处理软件内容繁多、操作不便等问题，采用MATLAB7.O综合运用GUl界面设计、各种函数调用等来实现语音信号的变频、变幅、傅里叶变换及滤波，程序界面简练，操作简便，具有一定的实际应用意义。最后，本文对语音信号处理的进一步开展方向提出了自己的看法。关键字：Matlab；语音信号；傅里叶变换；信号处理；目录1绪论11.1 课题背景及意义112国内外研究现状11. 3本课题的研究内容和方法21.3. 1研究内容21.1 .2运行环境21.2 .3开发环境22语音信号处理的总体方案22.1 系统基本概述22.2

3、 系统基本要求32.3 系统框架及实现32. 4系统初步流程图43语音信号处理基本知识42.3. 语音的录入与翻开43. 2采样位数和采样频率533时域信号的FFT分析53.4数字滤波器设计原理53. 5倒谱的概念64语音信号处理实例分析64.1图形用户界面设计64.2信号的采集74. 3语音信号的处理设计74 .3.1语音信号的提取75 .3.2语音信号的调整84. 3.2.1语音信号的频率调整84. 3.2.2语音信号的振幅调整84. 3.3语音信号的傅里叶变换84. 3.4语音信号的滤波104. 3.4.1语音信号的低通滤波104. 3.4.2语音信号的高通滤波104. 3.4.3语音信

4、号的带通滤波104. 3.4.4语音信号的带阻滤波104.4语音信号的输出115总结11参考文献12致谢错误!未定义书签。1绪论语音是语言的声学表现，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段。随着社会文化的进步和科学技术的开展，人类开场进入了信息化时代，用现代手段研究语音处理技术，使人们能更加有效地产生、传输、存储、和获取语音信息，这对于促进社会的开展具有十分重要的意义，因此,语音信号处理正越来越受到人们的关注和广泛的研究。1.1 课题背景及意义语音信号处理是一门比较实用的电子工程的专业课程，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段。通过语言相互传递信息是人类最重要的基本功能之一。语

5、言是人类特有的功能，它是创造和记载几千年人类文明史的基本手段，没有语言就没有今天的人类文明。语音是语言的声学表现，是相互传递信息的最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进展处理的一门学科，它是一门新兴的学科，同时又是综合性的多学科领域和涉及面很广的穿插学科。1.2 国内外研究现状20世纪60年代中期形成的一系列数字信号处理的理论和算法，如数字滤波器、快速傅立叶变换(FFT)等是语音信号数字处理的理论和技术根基。随着信息科学技术的飞速开展，语音信号处理取得了重大的进展：进入70年代之后，提出了用于语音信号的信息压缩和特征

6、提取的线性预测技术(LPC),并已成为语音信号处理最强有力的工具，广泛应用于语音信号的分析、合成及各个应用领域，以及用于输入语音与参考样本之间时间匹配的动态规划方法；80年代初一种新的基于聚类分析的高效数据压缩技术一矢量量化(VQ)应用于语音信号处理中；而用隐马尔可夫模型(HMM)描述语音信号过程的产生是80年代语音信号处理技术的重大开展，目前HMM已构成了现代语音识别研究的重要基石。近年来人工神经网络(ANN)的研究取得了迅速开展，语音信号处理的各项课题是促进其开展的重要动力之一，同时，它的许多成果也表达在有关语音信号处理的各项技术之中。1.3 本课题的研究内容和方法1.3. 1研究内容本论

7、文主要介绍的是的语音信号的简单处理。本论文针对以上问题，运用数字信号学基本原理实现语音信号的处理，在Inatlab7.0环境下综合运用信号提取，幅频变换以及傅里叶变换、滤波等技术来进展语音信号处理。我所做的工作就是在matlab7.0软件上编写一个处理语音信号的程序，能对语音信号进展采集，并对其进展各种处理，到达简单的语音信号处理的目的。1.3.2运行环境运行环境主要介绍了硬件环境和软件环境。硬件环境：处理器：InterPentium166MX或更高内存：512MB或更高硬盘空间：40GB或更高显卡：SVGA显示适配器软件环境：操作系统：Window98/ME/2000/XP1. 3.3开发环

8、境开发环境主要介绍了本系统采用的操作系统、开发语言。(1)操作系统：WindowsXP(2)开发环境：Matlab7.02语音信号处理的总体方案1.1 系统基本概述图形用户界面(GraPhiCalUSerInterface,简称GUI,又称图形用户接口)是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于承受。Gin的广泛应用是当今计算机开展的重大成就之一，他极大地方便了非专业用户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进展操作。2. 2系统基本要求本文是用MatIab对含噪的的语音信

9、号同时在时域和频域进展滤波处理和分析，在MATLAB应用软件下设计一个简单易用的图形用户界面（GUI）,来解决一般应用条件下的各种语音信号的处理。3. 3系统框架及实现D语音信号的采集使用电脑的声卡设备采集一段语音信号，并将其保存在电脑中。2）语音信号的处理语音信号的处理主要包括信号的提取、信号的调整、信号的变换和滤波等。I .语音信号的时域分析语音信号是一种非平稳的时变信号，它携带着各种信息。在语音编码、语音合成、语音识别和语音增强等语音处理中无一例外需要提取语音中包含的各种信息。语音信号分析的目的就在与方便有效的提取并表示语音信号所携带的信息。语音信号分析可以分为时域和变换域等处理方法，其

10、中时域分析是最简单的方法，直接对语音信号的时域波形进展分析，提取的特征参数主要有语音的短时能量，短时平均过零率，短时自相关函数等。提取：通过图形用户界面上的菜单功能按键采集电脑设备上的一段音频信号，完成音频信号的频率，幅度等信息的提取，并得到该语音信号的波形图。调整：在设计的用户图形界面下对输入的音频信号进展各种变化，如变化幅度、改变频率等操作，以实现对语音信号的调整。II .语音信号的频域分析信号的傅立叶表示在信号的分析与处理中起着重要的作用。因为对于线性系统来说，可以很方便地确定其对正弦或复指数和的响应，所以傅立叶分析方法能完善地解决许多信号分析和处理问题。另外，傅立叶表示使信号的某些特性

11、变得更明显，因此，它能更深入地说明信号的各项红物理现象。由于语音信号是随着时间变化的，通常认为，语音是一个受准周期脉冲或随机噪声源鼓励的线性系统的输出。输出频谱是声道系统频率响应与鼓励源频谱的乘积。声道系统的频率响应及鼓励源都是随时间变化的，因此一般标准的傅立叶表示虽然适用于周期及平稳随机信号的表示,但不能直接用于语音信号。由于语音信号可以认为在短时间内，近似不变，因而可以采用短时分析法。变换：在用户图形界面下对采集的语音信号进展FOUrier等变换，并画出变换 前后的频谱图和变换后的倒谱图。 滤波：滤除语音信号中的噪音局部，可采用低通滤波、高通滤波、带通滤波和 帚阻滤波，并比较各种滤波后的效

12、果。3）语音信号的效果显示通过用户图形界面的输出功能，将处理后的信号的语音进展播放，试听处理后的 效果。2. 4系统初步流程图图2. 1列出了整信号调整幅度调整勺工作流程!频率调整图五一语信甘熟舞公其中信号调整包括信号的嗝震帚赢面存市额（变化。如以以下图2. 2图2.2信号调整信借感提取了俏用调螫来观察御萼变换腌的代倍号滤波辉2信号滤波t的方式在以上三图中，可以看到整度语音消处理系充的流程大概分步，首先要读入待处理阿静信号，然后进展S切比雪夫之叶加!型低通滤波；对处椭圆数字带通施波企息的提取、幅度和3隹的变换以切比雪夫一n高通耳切比雪夫- 下带阻.进展型带阻滤波：示。以型高通滤波：作流程，本文

13、将从语音信号的采集开场做详细介绍。3语音信号处理基本知识3.1语音的录入与翻开在MATLAB中,y,fs,bits=wavreadCBlip,NIN2）;用于读取语音,采样值放在向量y中，fs表示采样频率（Hz）,bits表示采样位数。NIN2表示读取从Nl点到N2点的值（假设只有一个N的点那么表示读取前N点的采样值）。sound（x,fs,bits）;用于对声音的回放。向量y那么就代表了一个信号（也即一个复杂的“函数表达式）也就是说可以像处理一个信号表达式一样处理这个声音信号。3.2采样位数和采样频率采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数

14、字声音信号的二进制位数。采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的复原就越真实越自然。采样位数和采样率对于音频接口来说是最为重要的两个指标，也是选择音频接口的两个重要标准。无论采样频率如何，理论上来说采样的位数决定了音频数据最大的力度范围。每增加一个采样位数相当于力度范围增加了6dBo采样位数越多那么捕捉到的信号越准确。对于采样率来说你可以想象它类似于一个照相机，44.IkHz意味着音频流进入计算机时计算机每秒会对其拍照达441000次。显然采样率越高，计算机摄取的图片越多，对于原始音频的复原也越加准确。3.3时域信号的FFT分析FFT即为快速傅氏变换，是离散傅氏变

15、换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进展改进获得的。在MATLAB的信号处理工具箱中函数FFT和IFFT用于快速傅立叶变换和逆变换。函数FFT用于序列快速傅立叶变换，其调用格式为y=fft（x）,其中，X是序列，y是序列的FFT,X可以为一向量或矩阵，假设X为一向量，y是X的FFT且和X一样长度；假设X为一矩阵,那么y是对矩阵的每一列向量进展FFT。如果X长度是2的塞次方，函数fft执行高速基一2FFT算法，否那么fft执行一种混合基的离散傅立叶变换算法，计算速度较慢。函数FFT的另一种调用格式为y=fft（x,N）,式中，X,y意义同前，N为正整数。函数执行N点的FFT,假设X为向量且长度小于N,那么函数将X补零至长度N；假设向量X的长度大于N,那么函数截短X使之长度为N；假设X为矩阵，按一样方法对X进展处理。3.4数字滤波器设计原理数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形（或频谱）进展加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进展变换。数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列，并在转化过程中，使信号按预定