【文章內容簡介】 界其他一切聲音的本質區(qū)別。人體外的聲音自不必說 (如鐘聲、風聲、動物叫聲、機器聲 )，就是人的發(fā)音器官發(fā)出的聲音，也并非都是語言 ,如打噴嚏、打嗝兒、打哈欠、咳嗽等等，雖然也傳遞出了某種信息 ─病了，飽了，困了或是醒了，但聲音的發(fā)出不是為了交際，而是人體本能的生理反映；又如吹口哨、口技演員的表演、哭、笑等等，這些聲音的發(fā)出是有目的的，是一定的心理活動的表現，不是單純的生理現象，但聲音同意義之間沒有固定的結合關系，不能成為代表意義的聲音符號，只能表示情緒，展示技巧。以上這些聲音都不是語言 。 語言的聲音同它所代表的意義是相互依存的統(tǒng)一體，一方面，發(fā)音器官發(fā)出的聲音必須同意義緊密結合、成為一定意義的代表，才能成為語音；另一方面，意義必須借助聲音才能成為可被人感知、被人接受的東西，沒有聲音，意義便無法表達出來 [6]。 語音信號的特點 通過研究人員對大量語音信號的觀測和分析發(fā)現，語音信號主要是有以下兩個特點： a）在頻域內，語音信號的頻譜分量主要是集中在 300Hz— 3400Hz 的范圍內。利用這個特點，可以用一個帶通濾波器將此范圍的語音信號頻率分量提取出來，然后按一定的采樣頻率對語音信號進行 采樣，就可以得到我們想要的離散的語音信號。 b）在時域內，語音信號具有“短時性”的特點，即在總體上，語音信號的特征是隨著時間的變化而變化的，但在一定的較短的時間間隔內，語音信號會保持平穩(wěn)。在濁音部分表現出周期信號的特征，在輕音部分表現出隨機的噪聲的特征 [6]。 語音信號的處理的要求及可行性 本次語音信號的采集與分析的設計主要是介紹語音信號的采集與分析方法，通過 PC 機錄制一段聲音，通過制作圖形用戶界面 GUI，并運用 MATLAB 提供的函數進行分析，并畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖，對所采集的語音信 號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行播放，并進行時域和頻譜分析；對比加噪前后的時域圖和頻譜圖，并設計濾波器進陜西科技大學畢業(yè) 論文 4 行濾除噪聲。 對語音信號進行研究是一項極具市場價值和挑戰(zhàn)性的工作 ， 但在目前階段 ， 我們只能基于 MATLAB 進行分析仿真 ， 經調試和分析 ， 系統(tǒng)是可行的 [7]。 MATLAB 仿真軟件的介紹 MATLAB 是 matrix 和 laboratory 兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對 科學計算 、可視化以及交互式 程序設計 的高科技計算環(huán)境。它將 數值分析 、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式 程序設計語言 （如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平 [8]。如圖 21 所示 。 圖 21 MATLAB 的軟件系統(tǒng)介紹 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。 MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、 信號處理 與通訊、圖像處理 、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點，使 MATLAB 成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB 函數庫中方便自己以后調用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用 [9]。 語音信號采集與分析 5 3 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)設計的理論依據 采樣定理 在進行模擬 /數字信號的轉換過程中，當采樣頻率 大于信號中，最高頻率 fmax 的2 倍時，即： =2fmax,則采樣之后的數 字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的 5～ 10 倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理 [10]。 1924 年奈奎斯特 (Nyquist)就推導出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式 :想低通信道的最高大碼元傳輸速率 =2W*log2 N (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（也稱為采樣速度或者 采樣率 ）定義了每秒 從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數，它用赫茲（ Hz）來表示。采樣頻率的倒數是采樣周期或者叫作 采樣時間 ，它是采樣之間的時間間隔。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關系，根據奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數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量標準。 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。 [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 x 則就代表了一個信號（也即一個復雜的“函數表達式”）也就是說可以像處理一個信號表達式一樣處理這個聲音信號 [11]。 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行改進獲得的 [12]。 在 MATLAB 的信號處理工具箱中函數 FFT 和 IFFT 用于快速傅立葉變換和逆變換。函數FFT 用于序列快速傅立葉變換，其調用格式為 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行 FFT。如果 x長度是 2 的冪次方，函數 fft 執(zhí)行高速基－ 2FFT 算陜西科技大學畢業(yè) 論文 6 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 FFT 的另一種調用格式為 y=fft(x,N)，式中， x， y意義同前， N 為正整數。函數執(zhí)行 N 點的 FFT，若 x 為向量且長度小于 N，則函數將 x補零至長度 N；若向量 x的長度大于 N，則函數截短 x使之長度為 N；若 x 為矩陣，按相同方法對 x 進行處理。 語音信號的頻域分析 語音信號的頻域分析就是分析語音信號的頻域持征。從廣義上講，語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜包絡分析等，而常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變 換法、線件預測法等幾種。本文介紹的是語音信號的傅里葉分析法。因為語音波是一個非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機信號的標準傅里葉變換不能用來直接表示語音信號，而應該用短時傅里葉變換對語音信號的頻譜進行分析，相應的頻譜稱為“短時譜 ”。 數字濾波器設計原理 數字濾波是數字信號分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數容易改變、靈活性強、便于大規(guī)模集成和可實現多維濾波等優(yōu)點。在信號的過濾、檢測和參數的估計等方面，經典數字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。 數字濾 波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形 (或頻譜 )進行加工處理，或者說利用數字方法按預定的要求對信號進行變換。 數字濾波器的設計步驟 不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設計都包括三個步驟 [13]： a）按照實際任務的要求，確定濾波器的性能指標。 b）用一個因果、穩(wěn)定的離散線性時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數去逼近這一性能指標。根據不同的要求可以用 IIR 系統(tǒng)函數，也可以用 FIR 系統(tǒng)函數去逼近。 c）利用有限精度算法實現系統(tǒng)函數，包括結構選擇、字長選擇等。 IIR 濾波器與 FIR濾波 器的性能比較 FIR:Finite Impulse response，有限沖擊響應 IIR:Infinite Impulse response，無限沖擊響應 從性能上來說， IIR 濾波器傳輸函數的極點可位于單位圓內的任何地方，因此可用較低的階數獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經濟而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴重。相反， FIR 濾波器卻可以得到嚴格的線性相位，然而由于 FIR 濾波器傳輸函數的極點固定在原點，所以只能用較高的階數達到高的選擇性；對于同樣的濾波器設計 指標， FIR 濾波器所要求的階數可以比 IIR 濾波器高 5~10語音信號采集與分析 7 倍，結果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則 IIR濾波器就必須加全通網絡進行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數和復雜性。 系統(tǒng)的詳細設計 圖形用戶界面（ GUI）制作 在 本設計采用 GUIDE 的方法制作 GUI。 a） 新建一個空白 GUI 模板：進入 MATLAB 程序界面以后執(zhí)行 File→New→GUI 過程，即可進入 GUIDE 快速啟動界面 。 b） 選擇 Blank GUI 選項條，單擊 OK， 就會生成 一個空白 GUI 模板生成 c） 拖拉白色框的右下角調整界面大小，現在就可以開始設計 GUI 功能界面了。從左邊控件框選擇所需要的控件放置在 GUI 面板中，然后對各個控件進行編輯，包括位置、大小、顏色、名稱以及編寫回調函數等。本設計主要用到坐標系和按鈕，現分別介紹。 a） 按鈕 控件設計 ：按鈕鍵又稱命令按鈕或按鈕，是小的長方形屏幕對象，常常在對象本身標有文本。 將控件在指定位置添加，按鈕的標簽字符由 String 控制，返回由 Value 控制。將按鈕放在指定位置后，為實現某些功能 開始編寫回調函數，確定按鈕功能。在按鈕上單擊鼠標右鍵，選擇 view callbacks→callback 即可在 M文件中找到該按鈕的回調函數位置。然后編寫功能函數，本設計中該按鈕的功能是繪制原始波形，那么只需要讀取語音信號并畫出波形。 b） 坐標系設計： 只有在圖形用戶界面中添加坐標控件后，才能接受有關的圖形信息，該空間對象的屬性與坐標軸對象的屬性完全相同。 單擊空間框左側的 Axes 按鈕，在圖形編輯框中確定其位置后單擊鼠標左鍵即可放置。 本次畢業(yè)論文所需要的最終圖形用戶界面如圖 31 所示。 圖 31 圖形用戶界面 陜西科技大學畢業(yè) 論文 8 系統(tǒng)功能的實現 信號打開 。 在“打開信號”的按鈕上 單擊鼠標右鍵選擇 view callbacks→ callback，找到M 文件中該按鈕的回調函數位置，然后編寫相應的功能函數。功能函數具體如下： function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) global I。 global X。 global magX。 global angX。 H={39。畢設語音 .wav39。}。 [filename,pathname]=uigetfile(H,39。請選擇打開文件 39。)。 file=strcat(pathname,filename)。 I=wavread(file)。 X=fft(I,4096)。 magX=abs(X)。 angX=angle(X)。 plot(I)。 title(39。原始信號波形 39。)。 點擊此按鈕后，會出現原始信號的波形。 聲音播放 。 在“聲音播放”按鈕上單擊鼠標右鍵選擇 view callbacks→ callback，找到 M文件中該按鈕的回調函數位置，然后編寫該按鈕相應功能函數。功能函數具體如下： function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles) global I。 sound (I)。 點擊此按鈕，執(zhí)行此程序后，系統(tǒng)會自動播放“畢設語音 .wav”語音。 語音信號幅度、頻譜和相位的波形 。 在“幅度”按鈕上單擊鼠標右鍵選擇 view callbacks→ callback，在 M 文件中找到該按鈕的回調函數位置，然后在該按鈕下的回調函數位置編寫功能函數。功能函數具體如下： function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles) global I。 global X。 global magX。 global angX。%定義全局變量 X=fft(I,4096)。 magX=abs(X)。 angX=angle(X)。 %取變換后的幅值和角度 plot(magX)。 title(39。原始信號幅值 39。)。%顯示信號幅度波形 在“頻譜”按鈕上單擊鼠標右鍵選擇 view callbacks→ callback，在 M文件中找到該按鈕的回調函數位置，然后在該按鈕下的回調函數位置編寫功能函數。功能函數具體如下： 語音信號采集與分析 9 function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles) global I。 global X。 global magX。 global angX。%定義全局變量 X=fft(I,4096)。 magX=abs(X)。 angX=angle(X)。%取變換后的幅值和角度 plot(X)。 title(39。原始信號頻譜 39。)。%顯示信號頻譜波形 在“相位”按鈕上單擊鼠標右鍵選擇 view callbacks→ callback，在 M文件中找到該按鈕的回調函數位置，然后在該按鈕下的回調函數位置編寫功能函數。功能函數具體如