基于matlab_的语音信号分析和处理

1 基于MATLAB 的语音信号分析和处理 福建师范大学协和学院 信息技术系 电子信息科学与技术专 124122006028 王祯飞 指导老师 黄小芬【摘要】本设计用微软录音机采集了一段语音，对其进行了时域分析， 频谱分析,分析语音信号的特性。并应用 matlab 平台 对语音信号加入了不同的噪声，进 一步用双线性变换法设计了一个的巴特沃思低通滤波器，基于巴特沃斯模 拟滤波器设计数 字带通滤波器和用窗函数法设计了 FIR 低通滤波器，然后对加噪的语音信号进行滤波处理。最后 对比滤波前后的语音信号 的时域和频域特性，回放加噪语音信号和去噪 语音信号， 对比研究了巴特沃思 IIR 滤波器和 FIR 滤波器在信号处理尤其是 信号滤波去噪方面的特性和应用。论文从理论和实践上比较不同数字滤波器的滤波效果。 【关键词】 语音信号；频域特性; 时域特性; 滤波器2 1绪论 1.1 课题的研究意义 语言是我们人类所特有的功能，它是传承和记载人类几千年文明史，没有语言就没有我们今天人类 的文明。语音是语言最基本的表现形式，是相互传递信息最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常 用和最方便的交换信息的形式。 语音信号处理属于信息科学的一个重要分支，大规模集成技术的高度发展和计算机技术的飞速前进， 推动了这一技术的发展；它是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门新兴学科，同时又是 综合性的多学科领域和涉及面很广的交叉学科，因此我们进行语言信号处理具有时代的意义。 1.2 设计任务 本设计先完成语音信号的采集，然后设计低通，高通，带通等滤波器对采集到的语音信号进行滤波 处理，分析语音信号各频率段的特性。并对所采集的语音信号加入不同的干扰噪声，对加入噪声的信号 进行频谱分析，针对受干扰语音信号的特点设计不同的滤波器，对加噪信号进行滤波，恢复原信号。把 原始语音信号、加噪语音信号和滤波后的信号进行时域变换和频域变换，画出它们的时域波形和频域波 形图，从视觉角度比较分析滤波的效果。也可将这3类信号进行播放从听觉角度感受滤波的效果。3 2基本原理 2.1 语音信号概述 语言是人类创造的，是人类区别于其他地球生命的本质特征之一。人类用语言交流的过程可以看成 是一个复杂的通信过程，为了获取便于分析和处理的语音信源，必须将在空气中传播的声波转变为包含 语音信息并且记载着声波物理性质的模拟(或数字)电信号，即语音信号，因此语音信号就成为语音的 表现形式或载体。 语音学和数字信号处理的交叉结合便形成了语音信号处理。语音信号处理是建立在语音学和数字信 号处理基础之上的，对语音信号模型进行分析、存储、传输、识别和合成等方面的一门综合性学科。 2.2 数字滤波器原理 2.2.1数字滤波器的概念 若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲激响应h(n)也必然是离散的，这 种滤波器称为数字滤波器(DF) 。数字滤波器实质上是一种运算过程——用来描述离散系统输入与输出关 系的差分方程的计算或卷积计算。数字滤波器的实质是用一有限精度算法实现的离散时间线性时不变系 统，以完成对信号进行滤波处理的过程。它是数字信号处理的一个重要分支，具有稳定性好、精度高、 灵活性强、体积小、质量轻等诸多优点。 2.2.2数字滤波器的分类 数字滤波器根据不同的分类标准可以将滤波器分成不同的类别。 (1)根据单位冲激响应 h(n)的时间特性分类无限冲激响应(IIR)数字滤波器有限冲激响应(FIR)数字滤波器 (2)根据实现方法和形式分类递归型数字滤波器非递归型数字滤波器快速卷积型 (3)根据频率特性分类低通数字滤波器、高通数字滤波器、带通数字波器、 带阻数字滤波器4 3总体设计思想 3.1 语音信号的采集 Windows 自带了一个录音机程序(简称录音机)，通过它可以驱动声卡采集、播放和简单处理语音 信号。语音信号的采集可以用麦克风直接录制人的语音，也可以通过音频线或者MIDI 线将收音机、电视 机或磁带录机中的语音信号采集到计算机中。在录音机中可以进行简单的声音处理，如加大或降低音量， 加速或减速，声音的反转或添加回音效果等。加速或减速的改变可以完成变音功能，反转可以达到对声 音文件保密的功能。 本设计用是收音机接到电脑上用录音机录的，保存起来以备处理。 3.2 语音信号处理工具的选择 语音信号的进一步处理分析工作选用了matlab平台。MATLAB是一种科学计算软件，专门以矩阵的形 式处理数据。MATLAB 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，不断完善 MATLAB 产品以提高产品自身的竞争能力Matlab的数据分析和处理功能十分强大，运用它来进行语音信 号的分析、处理和可视化相当便捷。在编程效率、程序可读性、可移植性和可扩充性上matlab远远优于 其它的高级编程语言，而且编程易学、直观，代码非常符合人们的思维习惯。另外matlab为用户提供了 丰富的windows图形界面设计方法，使用户能够在利用其强大的数值计算功能的同时可设计出友好的图 形界面，它受到了越来越多的用户的欢迎 Matlab几乎可以在各种机型和操作系统上运行，所以在可移植性和可扩充性上，matlab远优越于 其他的高级编程语言。Matlab语言具有强大的数值计算能力和视图能力，其偏微分方程工具箱提供了有 限元求解的一个强大而灵活的环境，并且有限元网格可做精细划分以满足要求。但是，和其他的高级语 言相比，matlab程序的执行速度较慢。在目前电脑处理速度不断提升的情况下，如果实时性要求不是非 常高的情况下，使用matlab开发就不存在此类问题了。 3.3 数字滤波器的设计 本设计在matlab平台上，设计了IIR和FIR滤波器各种类型的滤波器。用以对语音原始信号及加噪 的语音信号进行滤波，重点对加噪信号进行了滤波。 对于IIR 滤波器，它的极点可以在单位圆内的任何位置，实现 IIR 滤波器的阶次可以较低，所用的存 储单元较少，效率高，又由于 IIR 数字滤波器能够保留一些模拟滤波器的优良特性，因此应用很广。 设计 IIR 数字滤波器的常用方法是从模拟滤波器来设计数字 IIR 滤波器。模拟滤波器设计已经有了一 套相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且还有较为完整的图表供查询，因此充分利用这些已 有的资源将会给数字滤波器的设计带来很大的方便。再将模拟滤波器转换为数字滤波器，其转换方法有 冲激响应不变法和双线性Z 变换法。一般，当着眼于滤波器的时域瞬态响应时，采用脉冲响应不变法较 好，而其它情况下，对于 IIR 的设计，大多采用双线性变换法。 对于 FIR 滤波器，它有精确、严格的线性相位特性，并且可以做成既是因果的又是稳定的系统。所 以 FIR 滤波器的应用越来越广泛。 IIR 与 FIR 滤波器的性能比较如下图 3.1 所示。表 3.1 IIR 滤波器与 FIR 滤波器的性能比较 IIR DF FIR DF5 (1)相位一般是非线性的 (1)相位可以做到严格线性 (2)不一定稳定 (2)一定是稳定的 (3)不能用FFT作快速卷积 (3)信号通过系统可采用快速卷积 (4