基于MATLAB的语音信号处理系统设计（程序+仿真图）--毕业设计

语音信号处理系统设计

摘要：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学科。语

音信号处理的目的是得到某些参数以便高效传输或存储,或者是用于某种应用，如人工合成出语音、辨识出讲话者、识别出讲话内容、进行语音增强等。本文简要介绍了语音信号采集与分析以及语音信号的特征、采集与分析方法，并在采集语音信号后，在MATLAB软件平台上进行频谱分析,并对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号。利用MATLAB来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量，再将该向量看作一个普通的信号，对其进行FFT变换实现频谱分析，再依据实际情况对它进行滤波，然后我们还可以通过sound命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。

关键词：Matlab，语音信号，傅里叶变换，滤波器 1课程设计的目的和意义

本设计课题主要研究语音信号初步分析的软件实现方法、滤波器的设计及应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的： 1.1．了解Matlab软件的特点和使用方法。

1.2．掌握利用Matlab分析信号和系统的时域、频域特性的方法； 1.3．掌握数字滤波器的设计方法及应用。 1.4．了解语音信号的特性及分析方法。

1.5．通过本课题的设计，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。

2 设计任务及技术指标

设计一个简单的语音信号分析系统，实现对语音信号时域波形显示、进行频谱分析，利用滤波器滤除噪声、对语音信号的参数进行提取分析等功能。采用Matlab设计语言信号分析相关程序，并且利用GUI设计图形用户界面。具体任务是：

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2.1．采集语音信号。

2.2．对原始语音信号加入干扰噪声，对原始语音信号及带噪语音信号进行时频域分析。 2.3．针对语音信号频谱及噪声频率，设计合适的数字滤波器滤除噪声。 2.4．对噪声滤除前后的语音进行时频域分析。

2.5. 对语音信号进行重采样，回放并与原始信号进行比较。 2.6．对语音信号部分时域参数进行提取。 2.7．设计图形用户界面（包含以上功能）。

3 设计方案论证

3.1语音信号的采集

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。 3.2语音信号的处理

语音信号的处理主要包括信号的提取播放、信号的重采样、信号加入噪声、信号的傅里叶变换和滤波等，以及GUI图形用户界面设计。 Ⅰ.语音信号的时域分析

语音信号是一种非平稳的时变信号，它携带着各种信息。在语音编码、语音合成、语音识别和语音增强等语音处理中无一例外需要提取语音中包含的各种信息。语音信号分析的目的就在与方便有效的提取并表示语音信号所携带的信息。语音信号分析可以分为时域和变换域等处理方法，其中时域分析是最简单的方法。 Ⅱ.语音信号的频域分析

信号的傅立叶表示在信号的分析与处理中起着重要的作用。因为对于线性系统来说，可以很方便地确定其对正弦或复指数和的响应，所以傅立叶分析方法能完善地解决许多信号分析和处理问题。另外，傅立叶表示使信号的某些特性变得更明显，因此，它能更深入地说明信号的各项红物理现象。

由于语音信号是随着时间变化的，通常认为，语音是一个受准周期脉冲或随机噪声源

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激励的线性系统的输出。输出频谱是声道系统频率响应与激励源频谱的乘积。声道系统的频率响应及激励源都是随时间变化的，因此一般标准的傅立叶表示虽然适用于周期及平稳随机信号的表示，但不能直接用于语音信号。由于语音信号可以认为在短时间内，近似不变，因而可以采用短时分析法。 Ⅲ.模拟滤波器原理

（1）模拟巴特沃思滤波器原理

巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性：在小于截止频率?c的范围内，具有最平幅度的响应，而在???c后，幅频响应迅速下降。 巴特沃思低通滤波器幅度平方函数为：

Ha(j?)2?1 (2-1) ?2N1?()?c式中N为滤波器阶数，?c为3dB截止角频率。将幅度平方函数写成s的函数：

Ha(s)Ha(?s)?1 (2-2) s2N1?()j?c12k?1j?(?)22N 该幅度平方函数有2N个等间隔分布在半径为?c的圆上的极点sk??ce ，

k?0,1,...2N?1 为了形成稳定的滤波器，取左半平面的N个极点构成Ha(s)，即：

NcHa(s)???(s?s) (2-3)

kk?0N?1 为使设计统一，将频率归一化，得到归一化极点pk?e统函数为：

12k?1j?(?)22N，相应的归一化系

Ha(p)?1?(p?p) (2-4)

kk?0N?1多项式形式为： Ha(p)?1(b0?b1p?...?pN) (2-5)

（2）模拟切比雪夫滤波器原理

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切比雪夫滤波器的幅频特性具有等波纹特性，有两种形式，在通带内等波纹、阻带单调的是I型滤波器，在通带内单调、在阻带内等波纹的是II滤波器。以I型滤波器为例。

切比雪夫滤波器的幅度平方函数为：

A2(?)?H(j?)2?a121??2CN( (2-6)

?)?p ε为小于1的正数，表示通带内幅度波动的程度。Ωp称为通带截止频率。令λ=Ω/Ωp，称为对Ωp的归一化频率。CN(x)为N阶切比雪夫多项式。幅度平方函数的极点是分布在bΩp为长半轴，aΩp为短半轴的椭圆上的点。同样取s平面左半平面的极点构成Ha(s)：

Ha(s)??Np??2N?1??(s?si) (2-7)

i?1NN进行归一化，得到：Ha(p)?1??2N?1??(p?pi) (2-8)

i?1其中pi??ch??sin[11(2k?1)?(2k?1)?]?jch??cos[] ，??Arsh()

N?2N2N （3）模拟滤波器数字化原理

将模拟滤波器转化为数字滤波器在工程上常用的有脉冲响应不变法和双线性变换法。 脉冲响应不变法时一种时域上的转换方法，它是数字滤波器的单位取样响应在抽样点上等于模拟滤波器的单位冲激响应，即：

h(n)?ha(nT) (2-9)

设模拟滤波器只有单阶极点，其系统函数为：

Ha(s)??i?1NAi (2-10) s?si对Ha(s)进行拉氏反变换得到ha(t)，对ha(t)进行等间隔抽样，得到h(n)?ha(nT)，对

h(n)进行Z变换，得到数字滤波器系统函数：

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H(z)??Ai (2-11) siT?1zi?11?eN这种方法s和z的关系是：z?esT。该方法的优点是频率坐标变换时线性的切数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好；缺点是会产生频谱混叠现象，适合低通、带通滤波器的设计，不适合高通、带阻滤波器的设计。 双线性变换法为了克服频谱混叠现象，采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到??/T之间，再用z?esT转换到Z平面上。

这种方法s和z的关系是：s?(2/T)(1?z?1/1?z?1)。该方法克服了频谱混叠现象，但带来了频率坐标变换的非线性：??(2/T)tan(?/2)，由模拟滤波器系统函数转换为数字滤波器系统函数公式为：

H(z)?Ha(s)| (2-12)

z?21?z?1T1?z?13.3语音信号的效果显示

图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）是由窗口、按键、菜单、文字说明等对象（Objects）构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标、键盘）选择激活这些图形对象，实现计算、绘图等。 创建图形用户界面须具有三类基本元素：

（1）组件：图形化控件（如按钮、编辑框、列表框等）、静态元素（如文本字符串）、菜单和坐标系。

（2）图形窗口：GUI的每一个组件都须安排在图形窗口中。

（3）回应：如用户用鼠标单击或用键盘输入信息后，程序要有相应的动作。 3.4短时能量及短时平均幅度

短时能量函数和短时平均幅度函数是基于语音信号幅度的变化。清音段幅度小，其能量集中于高频段；浊音段幅度较大，其能量集中于低频段。短时能量函数对信号电平值过于敏感。由于需要计算信号样值的平方和，在实际应用中（如定点设备）很容易溢出，所以可以用平均幅度函数来代替短时能量函数。 短时能量函数定义：

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