【正文】 第3章 語音信號分析 語音信號概述語音信號基本組成語音信號的基本組成單位是音素。音素可分成“濁音”和“清音”兩大類。如果將不存在語音而只有背景噪聲的情況稱為“無聲”, 那么音素可以分成“無聲”、“濁音”、“清音”三類。一個音節(jié)由元音和輔音構(gòu)成。元音在音節(jié)中占主要部分。所有元音都是濁音。在漢語普通話中, 每個音節(jié)都是由“輔音 元音”構(gòu)成的。語音信號的“短時譜”對于非平穩(wěn)信號, 它是非周期的, 頻譜隨時間連續(xù)變化, 因此由傅里葉變換得到的頻譜無法獲知其在各個時刻的頻譜特性。如果利用加窗的方法從語音流中取出其中一個短斷, 再進(jìn)行傅里葉變換, 就可以得到該語音的短時譜。濁音的短時譜有兩個特點: 第一, 有明顯的周期性起伏結(jié)構(gòu), 這是因為濁音的激勵源為周期脈沖氣流。第二, 頻譜中明顯地有凸出點, 即“共振峰”, 它們的出現(xiàn)頻率與聲道的諧振頻率相對應(yīng)。清音的短時譜則沒有這兩個特點, 它十分類似于一段隨機噪聲的頻譜。短時分析技術(shù)語音信號具有時變特性, 但在一個短時間范圍內(nèi)( 一般認(rèn)為在10~30ms 的短時間內(nèi)) , 其特性基本保持不變, 即相對穩(wěn)定, 因而可以將其看作是一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程, 即語音信號具有短時平穩(wěn)性。任何語音信號的分析和處理必須建立在“短時”的基礎(chǔ)上, 即進(jìn)行“短時分析”, 將語音信號分段來分析其特征參數(shù),其中每一段稱為一“幀”, 幀長一般取為10~30ms。這樣, 對于整體的語音信號來講, 分析出的是由每一幀特征參數(shù)組成的特征參數(shù)時間序列。倒譜分析倒譜分析是指信號短時振幅譜的對數(shù)傅里葉反變換。它具有可近似地分離并提取出頻譜包絡(luò)信息和細(xì)微結(jié)構(gòu)信息的特點。本文按照以下設(shè)計思路進(jìn)行闡述: 錄制采集語音信號, 對錄制的信號進(jìn)行采樣。 繪制采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖, 設(shè)計濾波器, 并運用所設(shè)計的濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波, 繪制濾波后信號的時域波形和頻譜。 理論依據(jù) 采樣定理在進(jìn)行模擬∕數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，即：=2fmax，則采樣之后的數(shù)字信號完整的保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5—10倍，采樣定理又稱為耐奎斯特定理。1924年耐奎斯特（Nyquist）就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式：理想低通信道的最高大碼元傳輸速率=2W*log2N（其中W是理想低通信道的帶寬，N是電平強度） 采樣頻率采樣頻率是指計算機每秒采集多少個聲音樣本，是秒速聲音文件的音質(zhì)、音調(diào)、衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率越高，即采樣的時間間隔越短，則在單位時間內(nèi)計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)耐奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號的最高頻率兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。這就是說采樣頻率是衡量聲卡采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 采樣位數(shù)與采樣頻率采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采集次數(shù)，采樣頻率越高，聲音的還原就越真實越自然。采樣位數(shù)和采樣頻率對于音頻接口來說事最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)的最大力度范圍。每增加一個采樣位數(shù)，相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機。顯然采樣頻率越高，計算機攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。 語音信號分析及處理方法 語音的錄入與打開 在MATLAB中，[y,fs,bits]=wavread(39。Blip39。,[N1 N2])。用于讀取語音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。[N1 N2]表示讀取從N1點到N2點的值（若只有一個N的點則表示讀取前N點的采樣值）。sound(x,fs,bits)。 用于對聲音的回放。向量y則就代表了一個信號（也即一個復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式”）也就是說可以像處理一個信號表達(dá)式一樣處理這個聲音信號。 時域信號的FFT分析 FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT且和x相同長度；若x為一矩陣，則y是對矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果x長度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基－2FFT算法，否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為y=fft(x,N)，式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點的FFT，若x為向量且長度小于N，則函數(shù)將x補零至長度N；若向量x的長度大于N，則函數(shù)截短x使之長度為N；若x 為矩陣，按相同方法對x進(jìn)行處理。第4章 濾波器的設(shè)計 濾波器的簡介按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種，按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。與模擬濾波器相對應(yīng)，在離散系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用數(shù)字濾波器。它的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形或頻率進(jìn)行加工處理?；蛘哒f，把輸入信號變成一定的輸出信號，從而達(dá)到改變信號頻譜的目的。數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種方法是用數(shù)字硬件裝配成一臺專門的設(shè)備，這種設(shè)備稱為數(shù)字信號處理機；另一種方法就是直接利用通用計算機，將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成，即利用計算機軟件來實現(xiàn)。數(shù)字濾波器一詞出現(xiàn)在60年代中期。由于電子計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器已可用計算機軟件實現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實時實現(xiàn)。 　　數(shù)字濾波器是一個離散時間系統(tǒng)（按預(yù)定的算法，將輸入離散時間信號轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時間信號的特定功能裝置）。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時，首先須對輸入模擬信號進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應(yīng)大于被處理信號帶寬的兩倍，其頻率響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性，且以折疊頻率即1／2抽樣頻率點呈鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點。數(shù)字濾波器在語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學(xué)生物信號處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。 數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時不變的或時變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時不變數(shù)字濾波器，以及FIR濾波器。從濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應(yīng)分類：可分為IIR濾波器(即無限長單位沖激響應(yīng)濾波器)和FIR濾波器(即有限長單位沖激響應(yīng)濾波器)。它們的函數(shù)如公式41，公式42所示： （41） （42）式（41）中的H (z)稱為N階IIR濾波器函數(shù)，式（42）中的H (z)稱為(N1)階FIR濾波器函數(shù)。IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式。 IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。由于運算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。 IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計工作量比較小，對計算工具的要求不高。在設(shè)計一個IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。 IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對相位要求較高時，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。 在MATLAB下設(shè)計IIR濾波器可使用Butterworth函數(shù)設(shè)計出巴特沃斯濾波器，使用Cheby1函數(shù)設(shè)計出契比雪夫I型濾波器，使用Cheby2設(shè)計出契比雪夫II型濾波器，使用ellipord函數(shù)設(shè)計出橢圓濾波器。下面主要介紹前兩個函數(shù)的使用。 與FIR濾波器的設(shè)計不同，IIR濾波器設(shè)計時的階數(shù)不是由設(shè)計者指定，而是根據(jù)設(shè)計者輸入的各個濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等），由軟件設(shè)計出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在MATLAB下設(shè)計不同類型IIR濾波器均有與之對應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。 IIR單位響應(yīng)為無限脈沖序列FIR單位響應(yīng)為有限的 IIR幅頻特性精度很高，不是線性相位的，可以應(yīng)用于對相位信息不敏感的音頻信號上； FIR幅頻特性精度較之于IIR低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過FIR濾波器后他們的時間差不變。這是很好的性質(zhì)。 另外有限的單位響應(yīng)也有利于對數(shù)字信號的處理，便于編程，用于計算的時延也小，這對實時的信號處理很重要。 本次設(shè)計濾波器要求本次論文需要設(shè)計一個數(shù)字語音信號濾波器。我們知道，人可以感受到的語音頻率范圍為20Hz—20000Hz，而語音信號的帶寬是比較窄的。試驗證明，能夠較好的保持語音的清晰度，語音信號只要有500Hz—3KHz的帶寬就足夠了，所以本次設(shè)計中，我們只需要設(shè)計帶寬為500Hz—3KHz的語音信號濾波器，即可實現(xiàn)所要求的功能。一方面，抑制了不需要的可聞音頻信號，如低頻噪聲（交流感應(yīng)噪聲，電唱機唱盤噪聲等），另一方面，也抑制了高頻噪聲（磁帶噪聲，無線電接收機中的嘯叫聲等）。從而改善語音信號的信噪比，提高語音清晰度。通過前文的介紹，我們也知道了，數(shù)字濾波器可以劃分為FIR與IIR兩種濾波器，而兩種濾波器無論是在性能上，還是在設(shè)計方法上，都有很大區(qū)別。FIR濾波器可以對給定的頻率特性直接設(shè)計，而IIR濾波器目前最通用的辦法是利用已經(jīng)很成熟的模擬濾波器的實際方法來進(jìn)行設(shè)計。其中，IIR數(shù)字濾波器設(shè)計借助模擬濾波器原型，再將模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器，這些過程已經(jīng)成為一套成熟的設(shè)計程序。模擬濾波器設(shè)計已經(jīng)有了一套相當(dāng)成熟的方法，它不但有完整的設(shè)計公式，而且還有較為完整的圖標(biāo)以供查詢，因此，充分利用這些已經(jīng)有的資源，將會給數(shù)字濾波器的設(shè)計帶來很大的方便?？紤]到本設(shè)計需要用簡單直接的方法設(shè)計一個語音信號濾波器，而IIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點是給定一組指標(biāo)時，他的階數(shù)要比相同組的FIR濾波器的低得多，故選擇IIR數(shù)字濾波器。在討論由模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器時，普遍采用的是雙線性變換法，它保留的是從模擬域到數(shù)字域的系統(tǒng)函數(shù)表示。同時，在IIR 型的濾波器的濾波器中，應(yīng)用最廣泛的便是Butterworth 濾波器。綜上所述，本次方案是在MATLAB軟件基礎(chǔ)上，利用雙線性變換法，設(shè)計一個巴特沃斯型IIR低通數(shù)字濾波器。第5章 方案論述 方案總述此次“基于MATLAB的語音信號濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)”課程設(shè)計要求要求自行采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進(jìn)行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號?？傮w思路如圖41所示。繪制采樣后的語音信號時域波形和頻譜對錄制的信號進(jìn)行采樣錄制采集語音信號分析設(shè)計濾波器構(gòu)建干擾信號與合成 圖41 語音信號的濾波流程圖 聲音信號的錄制和處理 利用WINDOWS自帶的媒體錄音工具錄制長度適中的一段聲音。保存文件時，利用計算機上的A/D轉(zhuǎn)換，把聲音信號由模擬信號轉(zhuǎn)換成離散量化的數(shù)字信號（放音時，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬聲音信號）。然后在MATLAB中，調(diào)入此聲音文件，再利用函數(shù)Wavread對已錄制的語音信號進(jìn)行采樣，然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析。噪音信號的生成，需要自行在在MATLAB中人為設(shè)計一個干擾信號（如高斯噪聲），運用MATLAB軟件對語音信號和干擾信號進(jìn)行合成。 濾波器的設(shè)計濾波器的設(shè)計是本次設(shè)計的重點，也是難點所在。數(shù)字濾波器分為FIR濾波器和IIR濾波器。采用軟件設(shè)計來實現(xiàn)，主要方法有脈沖響應(yīng)不變法，雙線性變換法，窗函數(shù)法。本設(shè)計是用雙線性變換法設(shè)計一個低通濾波器。通過對語音信號的數(shù)據(jù)分析，對濾波器的參數(shù)性能設(shè)定，可以成功濾除干擾信號，從而利用軟件仿真完成硬件濾波器的功能。設(shè)計時要考慮濾波器的類型，階數(shù)，截止頻率，衰減幅度等。第6章 方案實現(xiàn) 語音信號采集在本論文中，需要一個相對無噪聲的語音信號來進(jìn)行與固定頻率的噪聲信號的合成，并對合成后信號通過語音濾波器進(jìn)行濾波處理。由于絕對無噪聲的語音信號是不存在的，所以現(xiàn)在使用PC機在相對安靜無噪聲的環(huán)境下錄取一段語音信號來作為相對無噪聲的語音信號。在一臺裝有MATLAB的多媒體PC機上，利用PC 機上的聲卡和WINDOWS 操作系統(tǒng)中的錄音軟件就可以進(jìn)行語音信號的采集（即錄音）。在PC機上加一個語言輸入設(shè)備（麥克風(fēng)），接著在WINDOWS的桌面上依次點擊：【開始】、【所有程序】、【附件】、【錄音機】，啟動錄音機，然后單擊錄音鍵，對麥克風(fēng)大聲地說出“安徽工程大學(xué)”錄制一段長度適中的語音信號。完成后停止錄音，屏幕左側(cè)將顯示所錄聲音的長度。點擊放音按鈕，可以實現(xiàn)所錄音的重現(xiàn)。并將其保存于計算機硬盤上，保存為“”。 語音信號分析 原信號分析打開MATLAB軟件，對無噪聲語音信號進(jìn)行時域和頻域的定性分時析。在MATLAB中，導(dǎo)入此語音信號，利用函數(shù)Wavread對已錄制的語音信號進(jìn)行采樣。通過對信號的采樣，得到了聲音數(shù)據(jù)變量X，同時把X的采樣頻率