1、兰 州 商 学 院本科生毕业论文（设计）论文（设计）题目：基 于 Matlab的 语 音 信 号 处 理 与 仿 真 学 院、 系： 信息工程学院 计算机科学与技术系 专 业 (方 向)： 电子信息工程 年 级、 班： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师的指导下取得的成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业论文（设计）成果归兰州商学院所有。特此声明毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日I基于 Matlab 的语音信号处理与仿真摘 要语音信号处
2、理是研究数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴学科，是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。本 文 采 用 Matlab7.0 综 合 运 用 GUI 界 面 设 计 ， 各 种 函 数 调 用 等 对 语音 信 号 进 行 采 集 、 提 取 、 变 频 、 变 幅 ， 傅 里 叶 变 换 、 滤 波 等 简 单 处 理 。程 序 界 面 简 练 ， 操 作 简 便 ， 具 有 一 定 的 实 际 应 用 意 义 。关键词 语音信号 Matlab 信号处理 GUIIIABSTRACTVoice signal processing is to study the us
3、e of digital signal processing technology and knowledge of the voice processing of the emerging discipline is the fastest growing areas of information science one of the core technology. In this article, using Matlab7.0 comprehensive use GUI interface design, various function calls to simple process
4、ing of the voice signals such as collection, extraction, adjustment of frequency and amplitude, Fourier transform and filtering. The program interface is concise, simple and has some significance in practice.Key Words Voice Signal, Matlab, Signal Processing, GUIIII目 录一、引言 .1（一）课题的背景及意义 .1（二）国内外的研究现状
5、 .1（三）本文主要内容 .1二、语音信号处理基本知识和仿真环境 .1（一）语音信号处理理论依据 .11、采样定理 .12、采样频率 .13、采样位数和采样频率 .1（二）语音信号的分析及处理 .11、语音的录入与打开 .12、时域信号的 FFT 分析 .13、倒谱的概念 .14、数字滤波器设计原理 .1（三）仿真环境 .1三、语音信号处理的总体方案 .1（一）本文基本要求 .1（二）语音信号的处理 .11、语音信号的采集 .12、语音信号的处理 .13、语音信号的效果显示 .14、语音信号处理方框图 .1四、语音信号处理实例 .1（一）信号的采集 .1（二）语音信号的提取 .1（二）语音信号
6、的调整 .11、语音信号的频率调整 .12、语音信号的振幅调整 .1（三）语音信号的傅里叶变换 .1（四）语音信号的滤波 .11、语音信号的低通滤波 .12、语音信号的高通滤波 .13、语音信号的带通滤波 .14、语音信号的带阻滤波 .1五、图形用户界面制作 .1六、结论 .1参考文献 .1致 谢 .11基于 Matlab 的语音信号处理与仿真一、引言（一）课题的背景及意义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根本手段，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
7、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。随着计算机技术和信息技术的发展，语音交互已经成为人机交互的必要手段，而语音信号的采集和处理是人机交互的前提和基础。尽管在 Windows 附件的娱乐中带有一个录音机，通过它可以驱动声卡采集语音信号并保存为语音文档，但是要对采集的信号进一步分析处理就必须另外编程或通过其它软件，而且Windows 附件中的录音机功能极其有限不能扩展。而在 Matlab 环境中，可以通过多种编程方法驱动声卡，实现对语音信号的采集和回放。同时由于Matlab 是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析
8、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视化，使人机交互更加便捷。语音信号处理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。作为高科技应用领域的研究热点，语音信号处理技术从理论的研究实际应用已2经走过了几十个春秋并且取得了长足的进步。它正在直接与办公、交通、金融、保安、商业、旅游等行业的语音咨询与管理等各种实际应用领域相接轨。可见，语音信号处理技术的研究将是一项挑战性的工作。（二）国内外的研究现状20 世纪 60 年代中期形成的一系列数字信号处理方法和技术，如数字滤波器、快速傅
9、里叶变换（FFT）等成为语音信号数字处理的理论和技术基础。随着信息科学技术的飞速发展，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矢量量化（VQ ） 1应用于语音信号处理中；而用稳马尔可夫模型 1（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发展，目前 HMM 已构成了现代语音识别研究的重要基石 1,8,10。近年来
10、人工神经网络（ANN）的研究取得了迅速发展，语音信号处理的各项课题是促进其发展的重要动力之一，同时，它的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术之中。（三）本文主要内容本文主要介绍的是语音信号的简单处理。在第一部分引言中简要介绍了语音信号处理的研究发展状况；第二部分主要介绍了语音信号处理所需要的基础知识，如：采样频率、采样位数的概念、采样定理；时域信号的FFT 分析；数字滤波器的设计原理和方法，各种不同类型滤波器的性能比3较等等，以及 Matlab 仿真环境；第三部分对语音信号的处理作了详细介绍，语音信号的处理包括信号的提取、调整、变换和滤波；第四部分是语音信号的实例分析，是对前面所讲知识的
11、应用；第五部分是图形用户界面（GUI）的设计与实现。二、语音信号处理基本知识和仿真环境（一）语音信号处理理论依据1、采样定理在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率 fs.max 大于信号中最高频率 fmax 的 2 倍时，即： fs.max=2fmax，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 510 倍；采样定理又称奈奎斯特定理 1,3,4。2、采样频率采样频率 1,3,4是指计算机每秒钟采样多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音调，衡量声卡、声音文件的质量标准。采样频率越高，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本
12、数据就越多，对声音波形的表示也越精确。采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奈奎斯特理论，只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。这就是说采样频率是衡量声卡采集、记录和还原声音文件的质量标准。43、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，声音还原就越真实越自然。采样位数和采样率 1,3,4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
13、的位数决定了音频数据最大的力度，每增加一个采样位数相当于力度范围增加了 6dB，采样位数越多则捕捉到的信号越精确，对于采样率来说你可以想象它类似于一个照相机，44.1khz 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，计算机提取的图片越多，对于原始音频的还原也越加精确。（二）语音信号的分析及处理1、语音的录入与打开在 Matlab 中，x,fs,bits=wavread(File.wav,N1 N2);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。N1 N2表示读取从 N1 点到 N2 点的值（若只有一个 N 的
14、点则表示读取前 N 点的采样值） 。Sound(x,fs,bits)；用于对声音的回放。向量 x 则就代表了一个信号（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。52、时域信号的 FFT 分析FFT 即快速傅里叶变换 3,4,9，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。在 Matlab 的信号处理工具箱中函数 FFT 和 IFFT 用于快速傅里叶变换和逆变换，函数 FFT 用于序列快速傅里叶变换，其调用格式为y=fft(x),其中，x 是序列， y 是序列 x 的 FFT，x 可以为一
15、向量或矩阵，若x 为一向量，y 是 x 的 FFT 且和 x 相同长度；若 x 为一矩阵，则 y 是对矩阵的每一列向量进行 FFT。如果 x 长度是 2 的幂次方，函数 fft 执行高速基2FFT 算法，否则 fft 执行一种混合基的离散傅里叶变换算法，计算速度较慢，函数 FFT 的另外一种调用格式为 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，若 x 为向量且长度小于 N，则函数将x 补零至长度 N；若向量 x 的长度大于 N，则函数截短 x 使之长度为 N；若 x 为矩阵，按相同方法对 x 进行处理。3、倒谱的概念定义：倒谱 1,10,11,13定义为信号短时振幅谱的对数傅里叶反变换。特点：具有可近似地分离并提取出频谱包络信息和细微结构信息的特点用途：提取声道特征信息：提取频谱包络特征，以此作为描述音韵的特征参数而应用于语音识别。提取音源信息：提取基音特征，以此作为描述音韵特征的辅助参数而应用于语音识别。
