1、 语音信号的采集及其基本处理技术仿真 摘 要 随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理逐渐发展成为一门独立的学科，成为信息科学的重要组成部分，在语音处理、雷达、图像处理、通信、生物医学工程等众多领域中得到广泛应用。 语音信号在数字信号处理中占有极其重要的地位，因此选择通过对语音信号的研究来巩固和掌握数字信号处理的基本能力十分具有代表性。对数字信号处理离不开滤波器，因此滤波器的设计在信号处理中占有极其重要的地位而 MATLAB 软件工具箱提供了对各种数字滤波器的设计。 本论文简单研究了语音信号的采集方 法以及给语音信号加噪的方法，综合运用了数字信号处理的各种基本知识，进而对不带噪语音信号进行
2、谱分析以及加噪语音信号进行谱分析和滤波处理。通过理论推导得出相应的结论，再利用 MATLAB 作为编程工具来进行计算机实现以验证推导出来的结论。在设计过程中，通过设计 IIR 数字滤波器和 FIR数字滤波器来完成滤波处理。在设计过程中，运用了 MATLAB 对整个设计中的图形的绘制和一些数据的计算以及仿真。 关键字： 语音处理，滤波器， MATLAB，仿真 The voice signal acquisition and its basic processing technology simulation Author:zhang ruirui Tutor:Tang Hailing Abstr
3、act With the rapid development of computer and information science, digital signal processing has gradually developed into an independent discipline, become an important part of information science, speech processing, radar, image processing, communications, biomedical engineering and many other fie
4、lds has been widelyapplication. Voice signals occupies an extremely important position in digital signal processing , so it is very representative to choose to consolidate and master the basic skills of digital signal processing through the study of the Voice signal.Digital signal processing can not
5、 be separated from the filter, the filter design occupies an extremely important role in signal processing. The MATLAB software toolbox provides a variety of digital filter design. The subject simply studys the acquisition mathods of voice signal and the mathods to plusnoise to voice signal, of the
6、use of basic knowledge of digital signal processing, speech signal and the noisy speech signal specctral snalysis and filtering,By the theoretical derivation of the corresponding conclusions, then to the computer through the use of MATLAB as a programming tool To achieve parity to verify the conclus
7、ions derived. In the design process, using the windoow function design IIR digital filter,FIR digital filter to perform filtering process.In the design process,the use of computer and simulation of MATLAB the entire design, graphics rendering,and some date1. Key words： Voice processing， filter， MATL
8、AB， simulation， filtering 目 录 1 绪论 . 1 1.1 研究的意义及现状 . 1 1.2 研究的内容 . 1 2 语音信号的采集方法 . 3 2.1 基于 PC 机的信号采集系统 . 3 2.2 基于 DSP 的语音信号采集系统 . 3 2.3 基于 WINDOWS 语音信号的采集 . 4 3 原始语音信号的研究 . 5 3.1 MATLAB 软件介绍 . 5 3.2 原始语音信号分析与处理 . 5 4 语音信号加噪和频谱分析 . 7 4.1 加入高斯白噪声的原始语音信号 . 7 4.2 加入余弦波噪声的原始语音信号 . 9 4.3 加入两种噪声的对比 . 11
9、5 语音信号去噪研究 . 12 5.1 设计滤波器对语音信号去噪的理论依据 . 12 5.1.1 采样定理 . 12 5.1.2 采样频率 . 12 5.1.3 设计原理 . 12 5.2 设计 IIR 数字滤波器的基本思想 . 13 5.2.1 IIR 高通滤波器 . 13 5.2.2 IIR 低通滤波器 . 18 5.2.3 IIR 带通滤波器 . 22 5.3 设计 FIR 滤波器的基本思想 . 27 5.3.1 FIR 高通滤波器 . 27 5.3.2 FIR 低通滤波器 . 31 5.3.3 FIR 带通滤波器 . 36 结论 . 41 参考文献 . 42 第 1 页 1 绪论 1.
10、1 研究的意义及现状 语音是语言的声学表现，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段。随着社会文化的进步和 科学技术的发展，人类开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音处理技术，使人们能更加有效地产生、传输、存储、和获取语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义，因此，语音信号处理正越来越受到人们的关注和广泛的研究。语音信号是信息技术处理中最重要的一门科学，是人类社会进步的标志。那么什么是语音？语音是人类特有的功能，也是人类获取外界信息的重要工具，也是人与人交流必不可少的重要手段。那么什么又是信号？那信号是什么呢？信号是传递信息的函数。离散时间信号 序列 可以用图形来表示。 语音信号处
11、理是一门用研究数字 信号处理研究信号的科学。它是一新兴的信息科学，同时又是综合多个学科领域的一门交叉科学。语音在我们的日常生活中随时可见，也随处可见，语音很大程度上可以影响我们的生活。所以研究语音信号无论是在科学领域上还是日常生活中都有其广泛而重要的意义。 20 世纪 60 年代中期形成的一系列数字信号处理的理论和算法，如数字滤波器、快速傅立叶变换 FFT 等是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
12、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 应用于语音信号处理中，而用隐马尔可夫模型 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。近年来人工神经网络 (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，他的各项成果也体现在语音信号处理的各项技术之中 2-4。 1.2 研究的 内容 本论文主要介绍的是的语音信号的简单处理。本论文针对以上问题，运用数字信号第 2 页 学基本原理实现语音信号的处理，
13、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号处理。我所做的工作就是在 matlab7.0 软件上编写一个处理语音信号的程序，能对语音信号进行采集，并对其进行加噪处理，达到简单语音信号处理的目的。对语音信号的研究，本论文采用了设计两种滤波器的基本研究方法来达到研究语音信号去噪的目的，最终结合图像以及对语音信号的回放，通过对比得出结论。 本课题的研究基本步骤如下 ： (1)语音信号的录制。 (2)在 MATLAB 平台上读入语音信号。 (3)绘制频谱图并回放原始语音信号。 (4)利用 MATLAB 编程加入一段余弦波噪音和一段随机噪声信号。 (5
14、)设计 IIR 和 FIR 滤波器去噪，并分别绘制频谱图、回放语音信号。 (6)通过仿真后的图像以及对语音信号的回放，对比两种去噪方式的优缺点。 第 3 页 2 语音信号的采集方法 2.1 基于 PC 机的信号采集系统 目前 PC 机的外部扩展设备已经很齐全， windows 一般带有的音频操作软件很全面，硬件方面只需一个可以将语 音转换成电子信号的设备，比如麦克风。软件采用 MATLAB高级程序设计语言， MATLAB 有相应的软件工具箱，最新版本的 MATLAB 不仅可以与C/C+、 VC、 VB等高级语言混合编程，互相调用，还可以调用计算机硬件设备，是目前最为流行的软件之一。为制作基于
15、MATLAB 的信号采集系统提供了很好的条件。 PC机信号的采集方法为：首先将随时间变化的力、位移、时间变化的电压信号降压处理，其变化范围在 -1 1V 之间以满足声卡的输入要求，然后就可以将两路信号连接到声卡的 LINEIN 接口上，利用 MATLAB 环境下数据采集工具 箱采集声音信号，为提高声音信号的质量，可对采样频率等属性进行必要的设置。在对声音进行录制过程中，不可避免的会夹杂一些噪音，需要通过滤波器才能过滤掉这些噪音。实际上，数字滤波器设计是信号处理工具箱的一个重要组成部分，可以根据频谱的特点和处理信号的目的组成部分，设计出各种各样符合要求的数字滤波器 5。 2.2 基于 DSP 的
16、语音信号采集系统 数据采集技术是一项基本的实用性技术，已被广泛地应用于测量、监测、控制、诊断、科学试验等各个领域。近二十年来，数据采集技术由于采用了微机等一系列新技术，得到了飞速的发展。由于数 据采集技术涉及的领域广，采集信号的动态范围宽，处理的数据量大，对系统实时性能要求高，所以对数据采集和处理系统提出了严格的要求，许多新产品、新技术也就在数据采集系统中大量涌现。近年来，随着 DSP 的功能日益增强，性能价格比不断上升，开发手段不断改进， DSP 在数据采集系统的应用也在不断完善。用 DSP 采集语音信号主要是用一种基于 16 位定点 DSP TMS320VC5410 的语音信号采集系统，该
17、系统应用了集 ADC 和 DAC 于一体的 SIGMA-DELTA 型单片机模拟接口芯片 TLC320AD50C，采用 FIFO 技术进行缓存， CPLD 实现控制逻辑， EZ-USB 外围接口期间实现串行通信 6。 第 4 页 2.3 基于 WINDOWS 语音信号的采集 Windows 附件的娱乐中有个录音机程序，通过它可以驱动声卡采集、播放和简单处理语音信号。语音信号的采集可以用麦克风直接录制人得语音，也可以通过音频线或者MIDI 线将收音机、电视机或磁带录音机中的语音信号采集到计算机中，可通过对文件属性设置文件格式、采样频率、位数等。在录音机中可以进行简单的声音处理，如加大或降低音量，
18、加速或减速，声音的反转或添加回音效果等。加速或减速的改变乐意完成音变功能，反转可以达 到对声音文件保密的功能。 本文采用此方法采集一段 WAV 语音文件，然后对声音信号进行采样， 画出其时域波形和频谱图，利用程序编一个噪声信号加载在原声音信号里面 ， 将这个被污染的语音信号通过滤波器，将滤波后的信号进行抽样再和原始信号进行比较。其流程图如下所示： 图 2.1 语音信号的采集及处理流程图 录音 噪声 +录音 时域波形 频谱图 滤波 结束 开始 噪声 第 5 页 3 原始语音信号的研究 3.1 MATLAB 软件介绍 MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算
19、语言和交互式环境。使用 MATLAB 您可以较使用传统的编程语言，如 C、 C+和Fortran 更快地解决技术计算问题。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱，单独提供的专用 MATLAB 函数集，扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。 MATLAB 提供了很多用于记录和分享工作成果的功能。可以将 MATLAB 代码与其他语言和应用程序集成来分发 MATLAB 算法和应用 7。 3.2 原始语音信号分析与处理 利用 MATLAB 中的 wavread 命令来读入（
20、采集）语音信号，将它赋值给某一向量。对于波形图与频谱图（包括滤波前后的对比图）都可以用 MATLAB 画出。我们还可以通过 sound 命令来对语音信号进行回放 8。 下面的一段程序是语音信号在 MATLAB 中的最简单表现，它实现了语音的读入打开，以及绘出了语音信号的波形频谱图。来感受声音的变化。 程序如下： y,fs,nbits=wavread(D:2.wav); sound(y,fs,nbits); N=length(y); Y=fft(y,N); subplot(2,1,1); plot(y); title(原始信号波形 ); subplot(2,1,2); plot(abs(Y); 第 6 页 title(原始信号频谱 ) 运行结果： 0 2 4 6 8 10 12x 1 04-1- 0 . 500 . 51原始信号波形0 2 4 6 8 10 12x 1 0401000200030004000原始信号频谱图 3.1 原始语音信号波形及频谱
