1、姓名：郑咪 班级：电子 21002 学号:1014781053课题一:数字语音信号的 Matlab仿真实验一、语音信号分析与处理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行处理的新兴的学科，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。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
2、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。信号处理是 Matlab 重要应用的领域之一。本文主要介绍的是的语音信号的简单处理。本文针对以上问题，运用数字信号学基本原理实现语音信号的处理，在 matlab7.0 环境下综合运用信号提取，幅频变换以及傅里叶变换、滤波等技术来进行语音信二、语音信号处理的总体方案2.1 系统实现1） 语音信号的采集 2） 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。3） 语音信号的处理.语音信号的时域分析提取：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
3、息的提取，并得到该语音信号的波形图。.语音信号的频域分析变换：在用户图形界面下对采集的语音信号进行 Fourier 等变换，并画出变换前后的频谱图和变换后的倒谱图。三、语音信号处理实例分析3.1 语音信号的提取在 Matlab 中使用 Wavread 函数，可得出信号的采样频率为 22500，并且声音是单2声道的。利用 Sound 函数可以清晰的听到“主人，信息收到了”的语音。采集数据并画出波形图。其中声音的采样频率 Fs=22050Hz，y 为采样数据，NBITS 表示量化阶数。部分程序如下：fn=input( Enter WAV filename:,s); %获取一个*.wav 的文件x,
4、fs,nb=wavread(fn);ms2=floor(fs*0.002);ms10=floor(fs*0.01);ms20=floor(fs*0.02);ms30=floor(fs*0.03);t=(0:length(x)-1)/fs; %计算样本时刻 subplot(2,1,1); %确定显示位置plot(t,x); %画波形图legend(Waveform);xlabel( Time(s);ylabel(Amplitude); 运行后弹出语音信号处理系统的操作界面如图 1：图 1 语音信号处理系统的操作界面然后点击 File 菜单中的子菜单 Input，回到 Matlab 软件的输入界面
5、如图 2：图 2 输入界面3输入要处理的语音信号的名称，便可得到语音语音的波形图如图 3：图 3 语音语音的波形图如图中提取的语音的波形图所示，整段音频数据中得声音高低起伏与录入的声音信号基本一致，并且可以观察到其中包含部分高频噪声。31 数字语音信号的采集举例y,fs,bits=wavread();fs = 22050 %采样频率bits =16 %采样点数图 3-1数字语音信号的采集3.12 数字语音信号的频谱分析实验程序：x1,Fs,bits=wavread(C:WINNTMediading.wav);%sound(y,Fs,bits);figure(1);plot(x1); %做原始语
6、音信号的时域图形title(原始语音信号 );xlabel(时间 n);ylabel(音量 n);figure(2);y1=fft(x1); %做 length(x1)点的 FFT4y1=fftshift(y1);%平移，是频率中心为 0derta_Fs = Fs/length(x1);%设置频谱的间隔，分辨率plot(-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs,abs(y1);%画出原始语音信号的频谱图title(原始语音信号的频谱);grid on;图 3-2原始语音信号图 3-3原始语音信号的频谱3.2 语音信号的频率调整在设计中，可以将语音信号的采样频率提高或降低，来实
7、现语音信号的调整，得到理想的语音信号。例如将采样频率提高一倍，即可得到语音信号频率为原频率 2 倍新的语音信号。运行 ProcessAdjustFrequency，得到如图 4 的信号波形图，并试听调整后的效果。图 4 频率调整后波形图与原语音信号相比，经过调整后的信号周期变为原来的 1/2，此时的语速明显变快，5即实现了信号的 2 倍频功能3.3 语音信号的振幅调整在设计中，可以将语音信号的幅度进行提高或降低操作，来实现语音信号的调整，得到声音音量大小不同的语音信号，例如将原语音信号的幅度提高一倍，得到如下图5 的信号波形图，可以通过 GUI 操作界面的输出功能试听调整后的效果。图 5 幅度
8、调整后波形图此时听到的调整后声音声调变高，但不是很明显，可以将幅度的变化值设置的比较大，那样的话就可以得到效果相当明显的语音信号了。3.4 语音信号的傅里叶变换倒谱分析是指信号短时振幅谱的对数进行傅里叶反变换。它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。对语音信号进行频谱分析，在Matlab中可以利用函数fft对信号行快速傅里叶变换，得到信号的频谱图，并进行倒谱分析，得到倒谱图。傅里叶变换的部分程序如下：x=y(44101:55050,1); %提取原语音信号的一部分t=(0:length(x)-1)/fs; %计算样本时刻subplot(3,1,1); %确定显示位置plot
9、(t,x); %画波形图legend(波形图);xlabel( Time(s);ylabel(Amplitude);Y=fft(x,hamming(length(x); %做加窗傅里叶变换fm=5000*length(Y)/fs; %限定频率范围f=(0:fm)*fs/length(Y); %确定频率刻度subplot(3,1,2);plot(f,20*log10(abs(Y(1:length(f)+eps);6legend(频谱图); %画频谱图ylabel(幅度(db);xlabel(频率(Hz);c=fft(log(abs(x)+eps); %倒频谱计算ms1=fs/1000;ms20=
10、fs/50q=(ms1:ms20)/fs; %确定倒频刻度subplot(3,1,3);plot(q,abs(c(ms1:ms20); %画倒谱图legend(倒谱图);xlabel(倒频（s）);ylabel(倒频谱幅度（Hz）);运行Process Transform ，对语音信号的一部分进行傅里叶变换，并进行倒谱分析，得到如图6图 6 声音样本波形图、频谱图和倒谱图从上面的倒谱图可以看出当读“主人，信息收到了”时，所对应的频率大概在200Hz左右。这与人的语音信号频率集中在200 Hz到4.5 kHz之间是相一致的。而在未发声的时间段内，相对的小高频部分(200500Hz)应该属于背景噪
11、声。73.5 语音信号的滤波从图 7 中发现，语音信号中包含背景噪声，这些噪声的频率一般较高。所以可以利用 MATLAB 软件中的滤波器进行滤波处理，得到较为理想的语音信号。3.6 语音信号的低通滤波系统中设计了一个截止频率为 200Hz 切比雪夫I 型低通滤波器，它的幅频特性如下图 7：图 7 低通滤波器的幅频特性低通滤波器性能指标： wp=0075pi，ws =0125pi，Rp=025；As =50dB；经过低通滤波器处理后，比较处理前后的波形图的变化，如下图 8：图 8 低通滤波后波形和频谱的变化低通滤波后，声音稍微有些发闷、低沉，原因是高频分量被低通滤波器衰减。但是很接近原来的声音。
12、8五、总结在这次课题中我不但对 数字语音信号处理和 Matlab 这两门课有了更深的了解而且锻炼了自己的动手和自学能力，本文对语音信号处理系统的设计作了详细的介绍，采用一系列图像分析和处理技术，实现了语音信号的基本处理的功能，经过测试运行，本设计圆满的完成了对语音信号的读取与打开；较好的完成了对语音信号的频谱分析，通过 fft 变换，得出了语音信号的频谱图；在滤波这一块，课题主要是从数字滤波器入手来设计滤波器，基本实现了滤波，完成了各种滤波器的滤波效果比较，与课题的要求十分相符。课题二：数字语音处理电路原理分析一 数字语音信号处理介绍通过语音传递倍息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信
13、息的形式。语言是人类持有的功能声音是人类常用的工具，是相互传递信息的最主要的手段。因此，语音信号是人们构成思想疏通和感情交流的最主要的途径。并且，由于语言和语音与人的智力活动密切相关，与社会文化和进步紧密相连，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平。现在，人类已开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。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行处理的新兴的学科，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。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
14、形式。同时，语言也是人与机器之间进行通信的重要工具，它是一种理想的人机通信方式，因而可为信息处理系统建立良好的人机交互环境，进一步推动计算机和其他智能机器的应用，提高社会的信息化程度。二 数字语音信号处理理论基础语音信号处理是一门新兴的学科，同时又是综合性的多学科领域和涉及面很广的交叉学科。虽然从事这一领域研究的人员主要来自信号与信息处理及计算机应用等学科，但是它与语音学、语言学、声学、认知科学、生理学、心理学等许多学科也有非常密切的联系。1、语音信号处理的目的：得到某些语音特征参数以便高效地传输或存储；通过某种处理运算以达到某种用途的要求。2、语音信息的交换大致上可以分为三大类：9（1）人与
15、人之间的语言通信：包括语音压缩与编码、语音增强等。（2）第一类人机语言通信问题：语音合成机器讲话、人听话的研究。（3）第二类人机语言通信问题：语音识别和理解 ；语音识别和理解：人讲话、机器听话的情况。3、语音信号处理的发展分为语音合成、语音编码、语音识别三、数字语音处理的电路结构分析1、语音信号处理过程的总体结构 信息加工和处理的一般流程如图 1.1 所示 图 1.1 信号处理和加工的一般示意图2、语音处理过程的结构框图10图 1.2 语音处理过程的结构框图3、整体设计思路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
16、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 , 信号处理是 Matlab 重要应用的领域之一 。本设计是用 Matlab对含噪的的语音信号同时在时域和频域进行滤波处理和分析。整个设计思路的设计原理示意图如图所示：图 3-1 语音信号处理的工作流11图 3-2 语音信号的滤波示意图4、语音信号的数字化用可编程逻辑器件来设计数字语青电路，前提是先要把语音信号数字化，也就是语音的 A/D 变换。通常还要对 A/D 变换后的语音数据进行 编码。PCM( 脉冲编码调制)技术是一种本的语音数字化编解码技术，在语音通信中得到广泛的应用。我国采用的是
17、 A 律 PCM 码，即对 A/D 变换后的语音信号按照“A 律”进行对数式压缩处理，使得 8位的 PCM 码相当于压缩前的 13 位之线性码，符合 G.711 标准。还有一种提“ 律” 的PCM 码，方法略异，主要通行干北美等地。PCM 编码的特点是，对语音信号按 8kHz 的速率取样，每次取样得到 8bit 数据，1 路语音占用 64kbit/s 的带宽。PCM 码的最高位是符号位，其余 7 位表示语音振幅绝对值的：大小。为了避免在无语音时出现一长串的“0” 。使数据通信难以同步，还要对偶数位进行“ 反转” 处放，如把“00000000”的偶数位取反成为“01010101”来表示实际语音的
18、零振幅，又如用“10101010”和“00101010”分别表示实际语音的正向和负向最大振幅。（1）PCM 编解码器件和信号时序有很多专用集成电路能够完成 PCM 编解码，美国国家半导体公司的 TP3094 就是其中一种。TP3094 是 4 路双向 PCM 编解码芯片，芯片内部的电原理见下图12PCM 取样时钟的频率是 2048kHz。由于 1 路语音占用 64k 带宽，因此 1 个PCM 的基本信道能够容纳 32 路语音，称为 1“帧” 。这 32 路语音分时复用传输电路，每路数据每次占用的时间称为 1 个“ 时隙” 。容易算出，时隙的宽度是 13280003.9 ( s)。有了各自的时隙
19、，32 路信号就可以在 1 条信号线上互不影响地分时传输了。(2) 用 P 扣设计数字语音电路用 PLD 芯片和 PCM 编解码芯片设计的数字语音电路见下图。来自 电话送受话器 (即电话手柄，用来试验通话) 插座 JOJ3 的 4 路双向语音连接到 TP3094 做编解码处理。 TP3094 的 VXIO-VXI3 是各路模拟语音输入踹，连接到电话送话器，电阻 R1-R8 用来调节各路语音的输人增益。TP3094 的 VROO-VRO3 是各路模拟语音输出端，连接到电话受话器。135、整体实现过程采 样 器 的 作 用 是 把 连 续 信 号 变 为 脉 冲 或 数 字 序 列 。 图 中 示
20、 出 了 一 个 连 续信 号 f(t)经 采 样 器 采 样 后 变 为 离 散 信 号 的 过 程图 3-3连 续 信 号 f(t)经 采 样 器 采 样 后 变 为 离 散 信 号图 中 f(t)为 被 采 样 的 连 续 信 号 ， S（ t） 为 周 期 性 窄 脉 冲 信 号 ， fs(t)为 采 样 后 的 离 散 信 号 ， 它 用 下 式 来 表 征 ： fs(t)=f(t)s(t) 采 样 信 号 的 频 率 特 性 为 ：如 果 F*(j) 中 各 个 波 形 不 重 复 搭 接 ， 相 互 间 有 一 定 的 距 离 (频率 )即 若即 采 样 定 理 可 叙 述 如
21、下 ： 如 果 采 样 周 期 满 足 下 列 条 件 ， 即 ：式 中 max 为 连 续 信 号 f(t)的 最 高 次 谐 波 的 角 频 率 。 则 采 样 信 号f*(t)就 可 以 无 失 真 地 再 恢 复 为 原 连 续 信 号 f(t)。 需 要 指 出 的 是 ， 采 样 定 理只 是 在 理 论 上 给 出 了 信 号 准 确 复 现 的 条 件 。我们可以利用 windows 自带的录音机录制语音文件，进行数字信号的采集。 （开始程序附件娱乐录音机，文件属性立即转换8000KH z，8 位，单声道）或其他软件，将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机，录制一段自己的
22、话音。然后在 MATLAB 软件平台下，利用函数 wavread 对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过 wavread 函数的使用进一步理解采样频率、采样位数等概念。模拟语音信号发生器滤波器 功率放大器 扬声器直流稳压电源此电路由模拟语音信号产生电路、滤波器、功率放大电路、直流稳14压电源组成。在试验中由模拟语音信号产生电路产生频率为 50HZ15KHZ的正弦波，然后经过低通滤波器和高通滤波器、最后产生 300Hz 3000Hz的波形， 由于要求带宽范围很广，采用一级二阶高通滤波器和一级低通滤波器相极级联的方法，获得所要的波段，滤波器的带宽有两个滤波器的截止频率锁决定。最后经过功率
23、放大器进行放大。由模拟语音信号产生电路、滤波器、功率放大电路、直流稳压电源组成模拟语音信号产生电路。四、总结学习了数字语音处理，我对语音信号系统有了更进一步了解，本文对语音信号处理系统的设计作了详细的介绍，采用一系列图像分析和处理技术，实现了语音信号的基本处理的功能，经过测试运行，本设计圆满的完成了对语音信号的读取和打开；较好的完成了对语音信号的频谱分析，通15过 FFT 变换，得出了语音信号的频谱图；在滤波这一块，课题主要是从数字滤波器入手来设计滤波器，基本实现了滤波，完成了各种滤波器效果比较与课题的要求十分相符。通过这次课程设计，使我对语音信号有了全面的认识，对数字信号处理的知识又有了深刻的理解，在之前数字信号与处理的学习以及完成课后的作业的过程中，已经使用过 MATLAB，对其有了一些基础的了解和认识。通过这次练习是我进一步了解了信号的产生、采样及频谱分析的方法。以及其中产生信号和绘制信号的基本命令和一些基础编程语言。让我感受到只有在了解课本知识的前提下，才能更好的应用这个工具；并且熟练的应用 MATLAB 也可以很好的加深我对课程的理解，方便我的思维。这次设计使我了解了 MATLAB 的使用方法，学会分析滤波器的优劣和性能，提高了分析和动手实践能力。同时我相信，进一步加强对 MATLAB 的学习与研究对我今后的学习将会起到很大的帮助。16
