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基于MATLAB的语音信号的时、频域分析
摘要: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、声音回放等。
本课程设计通过PC机分别在安静环境和噪杂环境录制自己的语音文件,运用MATLAB提供的函数进行仿真分析,画出采样后语音信号的时域波形和频谱图,分析相应的图形参数含义。并设计合适的数字滤波器,对含有噪声的语音信号进行滤波,进行时域、频域分析,比较滤波前后的时域、频域变化,且进行相应的参数分析!
关键词:MATLAB;语音信号;时频域;滤波
目录
1. 语音信号的采集 1
2. 语音信号的时、频域分析 2
语音信号的时域分析 2
语音信号的时域波形 2
短时平均能量分析 3
语音信号的频域分析 6
3. 数字滤波器的设计 7
滤波器的设计选择 7
IIR数字滤波器的设计 8
对含噪语音信号进行滤波 10
4. 心得体会 10
参考文献 11
附录 12
1. 语音信号的采集
为了将原始模拟语音信号变为数字信号,必须经过采样和量化两个步骤,从而得到时间和幅度上均为离散的数字语音信号。取样是将时间上连续的语音信号离散化为一个样本序列。根据取样定理,当取样频率大于信号的两倍带宽时,取样过程不会丢失信息,且从取样信号中可以精确地重构原始信号波形。
经过预滤波和采样后,由A/D变换器变换为二进制数字码。这种防混叠滤波通常与模数转换器做在一个集成块内,因此目前来说,语音信号的数字化的质量还是有保证的。市面上购买到的普通声卡在这方面做的都很好,语音声波通过话筒输入到声卡后直接获得的是经过防混叠滤波、A/D变换、量化处理的离散的数字语音信号。
实际工作中,我们可以通过很多种方式录制语音信号,如手机、电脑、MP3、录音笔等,然后通过转换工具将音频格式转换为MATLAB可以识别的音频文件格式,这里的转换工具可以是千千静听或者其它的专用音频文件格式转换软件,可以获得任何我们想要的音频格式。本设计中我们利用windows自带的录音机录制语音文件,图1-1是基于PC机的语音信号录制过程,声卡可以完成语音波形的A/D转换,获得WAV文件,为后续的处理储备原材料。
wav
A/D
采样
滤波
麦克风
声卡
声音
Windows自带的录音机
图1-1 基于PC机的语音信号录制过程
本设计分别在安静环境和噪杂环境下录制自己的一段语音,内容相同,均为“语音信号处理”,保存在MATLAB软件的工作目录下,分别命名为
“”和“”
2. 语音信号的时、频域分析
语音信号的时域分析
语音信号的时域波形
语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数。进行语音分析时,最先接触到并且也是最直观的是它的时域波形。语音信号本身就是时域信号,因而时域分析是最早使用,也是应用最广泛的一种分析方法,这种方法直接利用语音信号的时域波形。时域分析通常用于最基本的参数分析及应用,如语音的分割、预处理、大分类等。
这种分析方法的特点是:①表示语音信号比较直观、物理意义明确。②实现起来比较简单、运算量少。③可以得到语音的一些重要的参数。④只使用示波器等通用设备,使用较为简单等。
MATLAB数据采集箱中提供的进行语音信号分析的函数命令如下:
wavread :wavread 用于读取扩展名为“.wav”的声音文件。其调用形式为: y = wavread (‘filename’) 。其作用是读取wave 文件,将读取的采样数据送到y 中。
sound:音频信号是以向量的形式表示声音采样的。sound 函数用于将向量转换为声音,其调用形式为:sound (y ,fs) ,作用是向扬声器送出向量y 中的音频信号(采样频率为fs) 。
通过wavread和plot()函数即可显示语音信号的时域波形。如图2-1所示。
图2-1 语音信号的时域波形
短时平均能量分析
贯穿于语音分析全过程的是“短时分析技术”。因为,语音信号从整体来看其特性及表征其本质特征的的参数均是随时间而变化的,所以它是一个非平稳过程,不能用处理平稳信号的数字信号处理技术对其进行分析处理。但是,由于不同的语音是由人的口腔肌肉运动产生的,相对于语音频率来说是非常缓慢的,所以从另一方面来看,虽然语音信号具有时变特性,但是在一个短时间范围内(一般可认为在10~30ms的短时间内),其特性基本保持不变即相对稳定,因而可以将其看作是一个准稳态过程,即语音信号具有短时平稳性。所以