基于MATLAB的语音处理.pdf

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1、基于基于 MATLABMATLAB 语音信号处理语音信号处理(语音信语音信号处理的综合仿真号处理的综合仿真)摘要：针对目前在嘈杂的环境中手机接听电话时人声不清楚的缺点，本文介绍了一个基于 MATLAB 的算法来对语音信号进行处理。该算法通过计算机录音系统来实现对语音信号的采集，并且利用 MATLAB 的计算和信号处理能力进行频谱分析和设计滤波器，最终通过仿真得到滤波前后的波形，从而达到保留语音信号中的大部分人声并且滤除掉嘈杂噪声的目的。仿真实验表明，采用低通滤波器保留人声的效果显著，失真较少。本算法具有操作简单，运行速度快等优点。关键词：语音信号；MATLAB；滤波；低通；噪声Speech S

2、ignal Processing Based on MATLAB1 1/1717Abstract:At present,in view of the shortcomings of thatthe voice is not clear when people answering the phone ina noisy environment,this paper introduces a algorithm forspeechsignalprocessingbasedonMATLAB.Thealgorithm realizes the acquisition of the speech sig

3、nalthrough a computer recording system.And the softwarecan realize the capabilities of frequency spectrum analysisand filter design by the use of calculation and signalprocessing capabilities of MATLAB.Finally it can get thewaveform before and after filtering through the simulation.So that we can re

4、tain most of the voices in the speechsignal and at the same time remove noisy noise throughfilter.Simulation results show that the low pass filter has aremarkable effect of keeping voices and the distortion islittle.This algorithm has the advantages of simple tooperate and fast.Key Words:Speech sign

5、al;MATLAB;Filtering;Lowpass;Noise目录-范文最新推荐范文最新推荐-摘要 1引言 11.研究意义及研究现状 21.1 研究意义 21.2 研究现状 22.语音信号处理的总体方案2.1 研究的主要内容本课题主要介绍的是的语音信号的简单处理，目的就是为以后在手机上的移植打下理论基础。主要应用范围是用手机打电话时滤除人声以外的噪声。本论文就前文提到的情况，运用数字信号技术实现对加噪声后的语音信号的处理和分析，具体是在 MATLAB7.8.03 3/1717环境下结合使用信号采样和提取，两种变换方法、滤波等技术实现处理语音信号。所需要做的工作就是在MATLAB7.8.0

6、软件上编写一个处理加噪声语音信号的点 M 文件。这种文件在调用时比较方便，不仅能对语音信号进行采样，而且还对其实施信号的提取、调整、频谱分析和滤波处理，达到简单的滤除模拟噪声，保留人声的目的，为以后将这种功能移植到手机奠定基础。2.2 系统方框图本次论文的系统方框图如图 1 所示。图 1 系统方框图图 1 为系统方框图，系统共分为三大部分，分别是语音信号采集，语音信号处理和处理的效果显示。其中处理部分为核心部分。处理部分的分析又分为时域分析和频域分析。在进行时域分析时，经过提取和调整会得到语音信号的波形。而频域分析中会根据频谱-范文最新推荐范文最新推荐-图得到频谱信息，并且根据频谱信息判断得到

7、的有用信息是否在采集的一段语音信号中，包括需要保留的人声信号和需要滤除的噪声信号。如果没有噪声，那么就将这一语音信号添加噪声，然后再通过滤波器，滤除噪 声。通过 各种 滤波 器的 比较，然 后再 通过MTALAB 仿真图和试听进行效果显示，来找到一个较好的滤波效果，进而确定这种滤波器的应用前景。2.2.1 语音信号的采集使用手机的录音设备采集一段语音信号，最好是在大街上，这样可以令采集到的语音信号包含人声和汽车的喇叭噪声，并将其保存在电脑中。或者是用电脑自带的录音设备录取一段语音信号，然后再人工得加上一段噪声。因为在街上没有采集到想要的语音信号，信号噪声过于复杂，达不到对比明显的效果，所以本次

8、使用的是第二种方法进行语音信号的采集。2.2.3 语音信号的效果显示5 5/1717效果 显示 部分 主要 采用 试听 和观 察图 形。通过MATLAB 的指令，将处理后的信号进行试听。通过滤波前后的波形图和频谱图观察滤波后的效果。对比比较强烈，显示效果比较好。3.语音信号处理的基本知识3.1 语音信号处理理论依据3.1.1 采样定理在进行数模的转换过程中，需要满足公式（1）（1）经过采样之后的信号才能完好或者完整地保留原始采集到的语音信号中的信息，这样的采样定理又被称为奈奎斯特采样定理7。3.1.2 采样频率-范文最新推荐范文最新推荐-采样频率是指录音设备一秒钟的时间对对象进行抽样，是描述声

9、音样本各项指标的参考标准。包括语音信号的语言，最好是普通话，确保播放的效果每个人都能听懂。采样频率越高，单位时间内录音设备得到的声音样本数据就越多，这样得到的效果能够对声音波形的表示更加的精确。采样和声音在频率之间也有一定的关系，根据奈奎斯特定理可知，只有采样的频率至少高于声音信号最高频率的两倍时，才可以保证采集到的数字信号失真较少，才能做到声音包含全部的语音信息。否则会出现采样信号频谱混叠的现象，不可能无失真地恢复原连续信号8。这就是说采样频率在录音设备采集、记录和还原声音文件的过程中都是很重要的一项技术指标。3.1.3 采样位数采样位数又叫采样值或取样值，它是用来衡量声音波动变化的参数。这

10、个参数是指录音设备在采集和播放声音文件时需要使用的二进制位数。理论上来说，采样位数越多则获取的语音信号就会越精确，越完整。7 7/17173.2 语音的录入与打开在MATLAB中，指令x,fs,bits=wavread(‘*.wav’)；用于读取语音，采样值放在向量 x 中，fs 表示采样频率(Hz),bits表示采样位数。sound(x,fs,bits)用于对声音的回放9。图 3 滤波处理方框图图 3 为滤波处理方框图。滤波处理是本次语音信号处理中最主要的一部分。处理时，添加了噪声的语音信号会分别经过低通，高通，带通和带阻滤波器来进行滤波12。本次论文将采用四种滤波器

11、来进行滤波处理。主要过程是将采集到的语音信号分别通过以上几种滤波器，然后分别试听每一种滤波器的滤波效果，选择一种能够将人声得到尽可能的保留并能够滤除掉环境中的噪声的滤波器，为以后的运用打下理论基础。-范文最新推荐范文最新推荐-模拟滤波器的设计分为四种，但是基本的滤波器就是巴特沃斯型和切比雪夫型，通过这两种基本的滤波器，可以变换出其他不同的滤波器。下面首先介绍巴特沃斯型滤波器。巴特沃斯低通模拟滤波器的幅度平方函数用下式表示：（2）式中，称为滤波器的阶数。在 附近，随着 的加大，幅度迅速下降。越大，通带越平坦，过渡带越窄，幅度下降越快，总的频率特性与理想低通滤波器的误差越小。(1)巴特沃斯滤波器采

12、用对 3dB 截止频率 归一化，归一化后的系统函数为（3）将 去归一化。将 代入，得到实际的滤波器系统函9 9/1717数（4）(2)切比雪夫滤波器的幅度平方函数（5）接下来求滤波器阶数和参数，求归一化系统函数，将 去归一化，得到实际的，即图 4 原始信号波形图和频谱图如图中波形图所示，整段语音信号中的波形的高低起伏与录入的声音信号基本上一致；而通过频谱图可以发现，大部分音频信号的频谱分布在 3000Hz 以下而且原始信号中并没有没有太多的高频噪声。主要能量集中在 201000Hz 的范围内。上图需要作为文章后续-范文最新推荐范文最新推荐-工作中所有信号的参考标准，如果滤波处理后得到的波形和频

13、谱与图 4 越接近，那么说明滤波效果就越好。也可以采用这种滤波器进行日后的研究。4.2.2 语音信号的调整语音信号处理时，需要进行倍频和倍幅的调整。而且在日常应用中，这种变换调整也是经常要用到的。所以在本次设计中也实现了这种功能。通过波形图可以观察到前后的信号变化，而且能通过 sound 指令试听处理后的语音信号。频率的变换可以模拟变换声音，频率快了以后，就可以实现男生变为女声。还可以通过幅度的变化模拟增减语音信号的音量。经过MATLAB 仿真后得到频率和幅度调整前后波形图如图 5 所示。图 5 频率和幅度调整前后波形图从上图可以看出，频率调整后，采样频率提高一倍，1111/1717就得到了语

14、音信号频率为原频率两倍的语音信号。发现语音信号的周期明显变为了原始信号的一半，通过试听发现此时的语速明显变快，即实现了信号的倍频功能。相当于变换了人声，实现男声变为女声。而幅度调整是将原语音信号的幅度提高一倍。与原语音信号相比，幅度调整两倍后可以听到调整后声音音量变大，这说明幅度调整后是有效果的，相当于放大了音量。4.2.3 语音信号添加噪声图 4 中的语音信号中并没有包含多少背景噪声，这里利用 MATLAB 软件中的指令为其加入一些随机噪声来模拟环境中的不同噪声。然后通过滤波器进行滤波处理。得到的波形与原图即图 4 比较，选择一种滤波效果好的滤波器。使用 randn 指令对信号加入随机噪声，

15、可以模拟一下周围嘈杂的环境的声音，或者是别的能够影响人声信息的噪声。添加随机噪声后的波形和频谱图如图 6 所示。-范文最新推荐范文最新推荐-(2)语音信号的高通滤波用切比雪夫 II 型高通滤波器，对添加噪声后的语音信号进行滤波。切比雪夫滤波器的频谱特性具有等波纹特性。切比雪夫II 型在通带内是单调下降的，在阻带内是等波纹的。这种特性可以保证滤波的效果比较好，如果通带内有等波纹的效果，会把一部分的有用信号滤除掉。本设计采用的高通滤波器性能指标是wp=0.375pi，ws=0.425pi，Rp=0.25；As=50dB；意思就是频率为 375Hz以上的高频分量保留，低于这个频率的都被滤除。衰减为五

16、十分贝，经过 MATLAB 仿真，可以得到高通滤波后波形和频谱图如图 8 所示。图 8 高通滤波后波形和频谱图图 8 中的波形和频谱图能够很好的说明问题，经过高通滤波后，图 8 与图 4 比较可以发现波形图上只剩1313/1717下幅度很小的噪音。频谱图上只剩下了一些能量很小的高频分量，含有高能量的低频信号都被滤除了。说明滤波器将低频滤除，保留了高频信息。高通滤波器起到了效果。通过sound 指令回听，此时只能听见“滋滋”的杂音。人声部分正好是低频部分，如果经过高通滤波器，只会被滤除掉，所以只剩下杂音。这就说明，高通滤波器在含有人声信号的语音信号处理中不能应用，否则效果

17、只能是将人声滤掉。(3)语音信号的带通滤波MATLAB 中的 butter 函数功能是设计巴特沃斯模拟滤波器。它的调用格式b，a=butter(n，wn)。Wn 是带通滤波器的通带范围。带通就是设定一个范围，保留范围频率内的语音信号，滤除范围以外的语音信号。又因为本次的滤波设计是针对人声信号，所以，本次设定的范围是 20Hz300Hz。技术指标选定如下：阶数选择为 5 阶，选通频率 wc 范围是 0.020.3，经过MATLAB 仿真后，得到带通滤波后波形和频谱图如图9 所示。-范文最新推荐范文最新推荐-图 9 带通滤波后波形和频谱图通过迅雷软件播放包括原始语音信号，加噪后的语音信号和滤波后的

18、语音信号，表明仿真成功。通过试听和比较，经过低通滤波后的语音信号非常接近原始信号。经过整个流程，得出结论：语音信号中含有人声信号时用低通滤波器的效果比较好。经过滤波的仿真和试听，语音信号经过低通滤波后，声音稍微有些低沉，但是很接近原来的声音；高通滤波后只能听到高频的杂音；带通滤波和带阻滤波后，能够听到人声，但是噪声影响还是比较大。所以针对含有人声的语音信号处理时，采用低通滤波器效果比较好。另外，还认识到要想完成整次的操作，首先要对 MATLAB 这个软件需要特别的熟悉，因为无论是步骤还是指令，都是不能出一点差错的，出错了就不能运行，同时需要一点点的排除错误。再者，处理输出的波形图和频谱图时，1

19、515/1717需要将图形处理的清晰明了，对比鲜明，这样在论文中体现的时候可以很直观的展现，不能模棱两可，模糊不清。4.4 语音信号处理算法的移植当信号处理算法在 MATLAB 软件仿真后的结果满足要求后，可以对算法程序进行移植。在移植过程中，可以借助 VC+平台将 MATLAB 语言转换为 C 语言。转换后在进行 DSP 工程的建立时，应采用模块化的设计方法14。5.结束语本文针对目前在嘈杂的环境中手机接听电话时人声较小的缺点，介绍了一种基于 MATLAB 的算法来对语音信号进行处理的方法。对语音信号处理的基础知识和过程作了详细的介绍，并且利用 MATLAB 的计算和信号处理完成了对语音信号的基本处理的功能，经过MATLAB 仿真，较好的完成了对语音信号的读取与打开，频谱分析，添加其他噪声来模拟各种噪声，从而在不同的滤波器中选择出一种最适宜应用的滤波器，-范文最新推荐范文最新推荐-提高通话质量，并且得出了语音信号的频谱图。仿真实验表明，采用低通滤波器的保留人声的效果显著。1717/1717