1摘要語(yǔ)音信號(hào)處理包括語(yǔ)音通信、語(yǔ)音增強(qiáng)、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話人識(shí)別等方面。只有通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字處理，語(yǔ)音信號(hào)的好壞、語(yǔ)音識(shí)別率的高低，都取決于語(yǔ)音信號(hào)處理的好壞。因此，語(yǔ)音信號(hào)處理是一項(xiàng)非常有意義的研究課程。語(yǔ)音，即語(yǔ)言的聲音，是語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的載體。它由人的發(fā)音器官發(fā)出，負(fù)載著一定的語(yǔ)言意義。語(yǔ)言依靠語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)它的社會(huì)功能。語(yǔ)言是音義結(jié)合的符號(hào)系統(tǒng)，語(yǔ)言的聲音和語(yǔ)言的意義是緊密聯(lián)系著的，因此，語(yǔ)言雖是一種聲音，但又與一般的聲音有著本質(zhì)的區(qū)別語(yǔ)音是人們交流思想和進(jìn)行社會(huì)活動(dòng)的最基本手段,因此我們要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理分析，優(yōu)化人類(lèi)通信交流。本次實(shí)訓(xùn)用windows的錄音機(jī)錄制一段自己說(shuō)的話（語(yǔ)音信號(hào)），并畫(huà)出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；在MATLAB軟件平臺(tái)下，給語(yǔ)音信號(hào)加上噪聲，繪出加噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形和頻譜；采用雙線性變換法，設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，并畫(huà)出濾波器的頻率響應(yīng)；用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，并對(duì)濾波前、后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，畫(huà)出時(shí)域波形差，分析語(yǔ)言信號(hào)濾波前后的變化。本次實(shí)訓(xùn)是利用MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，通過(guò)MATLAB對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)字處理。關(guān)鍵詞：語(yǔ)音；噪聲；MATLAB；濾波器；信號(hào)處理2AbstractSpeechsignalprocessingincludingvoicecommunications,speechenhancement,speechsynthesis,speechrecognitionandspeakerrecognitionandsoon.Onlythroughthedigitalprocessingofvoicesignals,voicesignalsgoodorbad,highandlowspeechrecognitionratearegoodorbaddependsonthevoicesignalprocess.Therefore,thevoicesignalprocessingisaverysignificantresearchprograms.Voice,thevoiceofthelanguageisthecarrieroflinguisticsignsystems.Itisissuedbythehumanvocalorgans,loadacertainamountoflinguisticmeaning.Languagedependentvoicetoachieveitssocialfunction.Languageisthecombinationofsoundandmeaningofthesymbolsystem,language,themeaningofthevoiceandlanguagearecloselylinked,andtherefore,althoughthelanguageisavoice,butthesoundingeneralisessentiallydifferent.Voicethatpeopleexchangeideasandconductthemostbasicmeansofsocialactivities,sowehavetodealwiththespeechsignalanalysisandoptimizationofhumancommunicationexchange.Thetrainingrecordataperecorderwithwindowsownwords(audiosignal),anddrawthespeechsignalintimedomainwaveformandfrequencyspectrum；IntheMATLABsoftwareplatform,tothespeechsignalwithnoise,drawnafterthespeechsignalplusnoisetimedomainwaveformandfrequencyspectrum；Bilineartransformmethod,todesignafilter,anddrawthefrequencyresponsefilter；Designedtofiltertheirownfilteringofthespeechsignal,drawthefilteredsignalintimedomainwaveformandfrequencyspectrum,andfilterbeforeandafterthesignalsarecomparedtodrawdifferencetime-domainwaveformanalysislanguagesignalchangesbeforeandafterfiltering.ThetrainingistheuseofMATLABonthevoicesignalintimedomainandfrequencydomainanalysis,carriedoutbyMATLABdigitalprocessingofspeech.Keyword:Voice；Noise；MATLAB；Filter；SignalProcessing3引言語(yǔ)言是人類(lèi)持有的功能聲音是人類(lèi)常用的工具，是相互傳遞信息的最主要的手段。語(yǔ)音信號(hào)是人們構(gòu)成思想疏通和感情交流的最主要的途徑，通過(guò)語(yǔ)音傳遞倍息是人類(lèi)最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式?，F(xiàn)在隨著時(shí)代的發(fā)展，人類(lèi)已開(kāi)始進(jìn)入了信息化時(shí)代，用現(xiàn)代手段研究語(yǔ)音信號(hào)，使人們能更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)、獲取和應(yīng)用語(yǔ)音信息，這對(duì)于促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義。在本次實(shí)訓(xùn)中我設(shè)計(jì)的題目是：語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字處理。實(shí)訓(xùn)的設(shè)計(jì)是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字處理，通過(guò)對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域波形和頻譜圖分析，采用雙線性變換法設(shè)計(jì)濾波器，語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)對(duì)濾波器進(jìn)行濾波，然后回放語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)其濾波前和濾波后的語(yǔ)音變化進(jìn)行分析。現(xiàn)在社會(huì)衍生了很多現(xiàn)代的語(yǔ)音通信方式，手機(jī)語(yǔ)音、語(yǔ)音聊天軟件以及語(yǔ)音小說(shuō)等，涉及語(yǔ)音的方面幾乎遍及了我們的大部分生活，和我們生活息息相關(guān)，因此語(yǔ)音信號(hào)處理是具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課程。1.語(yǔ)音信號(hào)降噪處理分析MATLAB介紹1.1語(yǔ)音信號(hào)語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析作為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號(hào)處理方法和技術(shù)，如數(shù)字濾波器、快速博里葉變換(FFT)等成為語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在方法上，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，以往的以硬件為中心的研究逐漸轉(zhuǎn)化為以軟件為主的處理研究。然而，在語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域內(nèi)，初期有幾種語(yǔ)音打字機(jī)的研究也很活躍，但后來(lái)已全部停了下來(lái)，這說(shuō)明了當(dāng)時(shí)人們對(duì)話音識(shí)別難度的認(rèn)識(shí)得到了加深。所以1969年美國(guó)貝爾研究所的Pierce感嘆地說(shuō)“語(yǔ)音識(shí)別向何處去?”1971年，以美國(guó)ARPA(AmericanResearchProjectsAgency)為主導(dǎo)的“語(yǔ)音理解系統(tǒng)”的研究計(jì)劃也開(kāi)始起步。這個(gè)研究計(jì)劃不僅在美國(guó)園內(nèi)，而且對(duì)世界各國(guó)都產(chǎn)生了很大的影響，它促進(jìn)了連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別研究的興起。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，語(yǔ)音信號(hào)采集與分析在實(shí)用化方面取得了許多實(shí)質(zhì)性的研究進(jìn)展。其中，語(yǔ)音識(shí)別逐漸由實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没Ｒ环矫?，?duì)聲學(xué)語(yǔ)音學(xué)統(tǒng)計(jì)模型的研究逐漸深入，魯棒的語(yǔ)音識(shí)別、基于語(yǔ)音段的建模方法及隱馬爾可夫模型與人工種經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合成為研究的熱點(diǎn)。另一方面，為了語(yǔ)音識(shí)別實(shí)用化的需要，講者自適應(yīng)、聽(tīng)覺(jué)模型、快速搜索識(shí)別算法以及進(jìn)一步的語(yǔ)言模型的研究等課題倍受關(guān)注。其中MATLAB音頻信號(hào)的分析與合成，采用MATLAB分析WAV文件。首先選擇一個(gè)WAV文件作為分析的對(duì)象。繼而進(jìn)行FFT變換并畫(huà)頻域圖形，進(jìn)行該聲波主要頻譜的分析，根據(jù)該聲音的頻譜，反演時(shí)域圖形，最后進(jìn)行付立葉逆變換IFFT并畫(huà)頻域圖形。1.2語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)4通過(guò)對(duì)大量語(yǔ)音信號(hào)的觀察和分析發(fā)現(xiàn)，語(yǔ)音信號(hào)主要有下面兩個(gè)特點(diǎn)：第一、在頻域內(nèi)，語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分量主要集中在3003400Hz的范圍內(nèi)。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以用一個(gè)防混迭的帶通濾波器將此范圍內(nèi)的語(yǔ)音信號(hào)頻率分量取出，然后按8kHz的采樣率對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，就可以得到離散的語(yǔ)音信號(hào)。第二、在時(shí)域內(nèi)，語(yǔ)音信號(hào)具有“短時(shí)性”的特點(diǎn)，即在總體上，語(yǔ)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(yǔ)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。下面是一段語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形圖(圖2-1)和頻域圖(圖2-2)，由這兩個(gè)圖可以看出語(yǔ)音信號(hào)的兩個(gè)特點(diǎn)。圖1-1語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形圖1-2語(yǔ)音信號(hào)頻域波形1.3語(yǔ)音信號(hào)的采集在將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化前，必須先進(jìn)行防混疊預(yù)濾波，預(yù)濾波的目的有兩個(gè)：（1）抑制輸入信導(dǎo)各領(lǐng)域分量中頻率超出2/sf的所有分量（sf為采樣頻率），以防止混疊干擾。（2）抑制50Hz的電源工頻干擾。5為了將原始模擬語(yǔ)音信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和量化兩個(gè)步驟，從而得到時(shí)間和幅度上均為離散的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)。采樣也稱(chēng)抽樣，是信號(hào)在時(shí)間上的離散化，即按照一定時(shí)間間隔t在模擬信號(hào))(tx上逐點(diǎn)采取其瞬時(shí)值。采樣時(shí)必須要注意滿(mǎn)足奈奎斯特定理，即采樣頻率sf必須以高于受測(cè)信號(hào)的最高頻率兩倍以上的速度進(jìn)行取樣，才能正確地重建波它是通過(guò)采樣脈沖和模擬信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下圖是一段語(yǔ)音信號(hào)在采樣頻率44.1KHz情況下的頻譜圖。圖1-3語(yǔ)音信號(hào)頻譜圖由圖可知，這段語(yǔ)音信號(hào)的頻率主要集中在1KHz左右，當(dāng)采樣頻率為44.1KHz時(shí)，由于采樣頻率比較大，所以采樣點(diǎn)數(shù)就越密，所得離散信號(hào)就越逼近于原信號(hào)，頻譜也沒(méi)有發(fā)生混疊。對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行1/80采樣頻率抽取，即采樣頻率變?yōu)閷⒔?00Hz時(shí)，由于采樣頻率比較小，所以采樣點(diǎn)數(shù)就稀疏，所得離散信號(hào)就越偏離于原信號(hào)，頻譜也發(fā)生了混疊。在采樣的過(guò)程中應(yīng)注意采樣間隔的選擇和信號(hào)混淆：對(duì)模擬信號(hào)采樣首先要確定采樣間隔。如何合理選擇t涉及到許多需要考慮的技術(shù)因素。一般而言，采樣頻率越高，采樣點(diǎn)數(shù)就越密，所得離散信號(hào)就越逼近于原信號(hào)。但過(guò)高的采樣頻率并不可取，對(duì)固定長(zhǎng)度（T）的信號(hào)，采集到過(guò)大的數(shù)據(jù)量)/(tTN，給計(jì)算機(jī)增加不必要的計(jì)算工作量和存儲(chǔ)空間；若數(shù)據(jù)量（N）限定，則采樣時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)信息被排斥在外。采樣頻率過(guò)低，采樣點(diǎn)間隔過(guò)遠(yuǎn)，則離散信號(hào)不足以反映原有信號(hào)波形特征，無(wú)法使信號(hào)復(fù)原，造成信號(hào)混淆。根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)的兩倍帶寬時(shí)，采樣過(guò)程不會(huì)丟失信息，利用理想濾波器可從采樣信號(hào)中不失真地重構(gòu)原始信號(hào)波形。量化是對(duì)幅值進(jìn)行離散化，即將振動(dòng)幅值用二進(jìn)制量化電平來(lái)表示。量化電平按級(jí)數(shù)變化，實(shí)際的振動(dòng)值是連續(xù)的物理量。具體振值用舍入法歸到靠近的量化電平上。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)濾波和采樣后，由A/D變換器變換為二址制數(shù)字碼。這種防混疊濾波通常與模數(shù)轉(zhuǎn)換器做在一個(gè)集成塊內(nèi)，因此目前來(lái)說(shuō)，語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化的質(zhì)量還是有保證的。市面上購(gòu)買(mǎi)到的普通聲卡在這方面做的都很好，語(yǔ)音聲波通過(guò)話筒輸入到聲卡后直接獲得的6是經(jīng)過(guò)防混疊濾波、A/D變換、量化處理的離散的數(shù)字信號(hào)。在實(shí)際工作中，我們可以利用windows自帶的錄音機(jī)錄制語(yǔ)音文件，基于PC機(jī)的語(yǔ)音信號(hào)采集過(guò)程，聲卡可以完成語(yǔ)音波形的A/D轉(zhuǎn)換，獲得WAVE文件，為后續(xù)的處理儲(chǔ)備原材料。調(diào)節(jié)錄音機(jī)保存界面的“更改”選項(xiàng)，可以存儲(chǔ)各種格式的WAV文件。采集到語(yǔ)音信號(hào)之后，需要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，如畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；雙線性變換設(shè)計(jì)濾波器，并畫(huà)出濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；回放語(yǔ)音信號(hào)。1.4信號(hào)頻譜分析信號(hào)的頻譜分析是將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開(kāi)，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律，稱(chēng)為頻譜分析。頻譜分析主要分析信號(hào)是由哪些頻率的正弦信號(hào)疊加得到的，7以及這些正弦信號(hào)的振幅。信號(hào)的頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對(duì)數(shù)譜等等。對(duì)信號(hào)作頻譜分析的設(shè)備主要是頻譜分析儀，它把信號(hào)按數(shù)學(xué)關(guān)系作為頻率的函數(shù)顯示出來(lái)，其工作方式有模擬式和數(shù)字式二種。模擬式頻譜分析儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，從信號(hào)中選出各個(gè)頻率成分的量值；數(shù)字式頻譜分析儀以數(shù)字濾波器或快速傅立葉變換為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系轉(zhuǎn)換分析。傅立葉變換是信號(hào)頻譜分析中常用的一個(gè)工具，它把一些復(fù)雜的信號(hào)分解為無(wú)窮多個(gè)相互之間具有一定關(guān)系的正弦信號(hào)之和，并通過(guò)對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的研究來(lái)了解復(fù)雜信號(hào)的頻率成分和幅值。信號(hào)頻譜分析是采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來(lái)了解信號(hào)的特征。時(shí)域信號(hào)x(t)的傅氏變換為：式中X(f)為信號(hào)的頻域表示，x(t)為信號(hào)的時(shí)域表示，f為頻率。頻譜分析主要用于識(shí)別信號(hào)中的周期分量，是信號(hào)分析中最常用的一種手段。典型信號(hào)正弦波、方波、三角波和白噪聲信號(hào)是實(shí)際工程測(cè)試中常見(jiàn)的典型信號(hào)，這些信號(hào)時(shí)域、頻域之間的關(guān)系很明確，并且都具有一定的特性，通過(guò)對(duì)這些典型信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，對(duì)掌握信號(hào)的特性，熟悉信號(hào)的分析方法大有益處，并且這些典型信號(hào)也可以作為實(shí)際工程信號(hào)分析時(shí)的參照資料。本次實(shí)驗(yàn)利用DRVI快速可重組虛擬儀器平臺(tái)可以很方便的對(duì)上述典型信號(hào)作頻譜分析。1.5信號(hào)的時(shí)域分析語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。進(jìn)行語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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，如語(yǔ)音的分割、預(yù)處理、大分類(lèi)等。這種分析方法的特點(diǎn)是：（1）表示語(yǔ)音信號(hào)比較直觀、物理意義明確；（2）實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)算且少；（3）可以得到語(yǔ)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(jiǎn)單等。語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)有短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率、短時(shí)白相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等，這是語(yǔ)音信號(hào)的一組最基本的短時(shí)參數(shù)，在各種語(yǔ)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)使用的一般是凱澤窗或漢明窗。2.MATLAB軟件功能介紹2.1matlab簡(jiǎn)介dtetxfXftj2)()(8MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專(zhuān)用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類(lèi)型的問(wèn)題。Matlab優(yōu)勢(shì)：（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境；（2）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言；（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力；（4）出色的圖形處理功能；（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱；（6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)；（7）應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)（包括用戶(hù)界面）；2.2基于MATLAB的語(yǔ)音處理Matlab是一個(gè)非常好的語(yǔ)音處理工具箱,對(duì)學(xué)習(xí)語(yǔ)音處理的讀者非常有用