男女聲識(shí)別系統(tǒng)

1、男女聲識(shí)別系統(tǒng)摘 要：本文通過對(duì)男性和女性聲音的語音特征的研究，發(fā)現(xiàn)男女聲的基音頻率存在較大的差異，并設(shè)計(jì)了基于基音頻率分析的男女聲識(shí)別系統(tǒng)。男女聲識(shí)別系統(tǒng)由以下三個(gè)模塊電路構(gòu)成：話筒放大器，低通濾波器，半波整流電路，單片機(jī)測(cè)量控制模塊。話筒放大器采用NE5532P音前置芯片，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行放大；八階低通濾波器MAX293完成基音信號(hào)的提取；單片機(jī)STC12C5410AD實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量和控制輸出功能。經(jīng)仿真與電路實(shí)測(cè)，男女聲的識(shí)別效果良好。關(guān)鍵詞：男女聲識(shí)別、基音頻率、低通濾波器、單片機(jī)。一、引言 人類基音的范圍約為70350Hz左右，由于生理結(jié)構(gòu)的不同，男性與女性的聲音呈現(xiàn)出不同的聽覺特征，男

2、聲的基音頻率大都在100200HZ之間，而女聲則在200350HZ之間；在會(huì)話中，同一發(fā)音者的基音頻率變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖一所示。女聲與男聲相比，前者的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差都為后者的兩倍左右。不同發(fā)音者的基音頻率分布如圖二所示，在對(duì)數(shù)頻率軸上男聲，女聲分別呈現(xiàn)正態(tài)分布，男聲的基音頻率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為125HZ及其20HZ。女聲約為男聲的2倍。鑒于男女聲存在基音頻率的明顯差異，基音頻率可作為男女聲識(shí)別的依據(jù)。二、方案論證與比較基于男女聲基音頻率的差異，男女聲識(shí)別的實(shí)現(xiàn)可以通過基音頻率的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)?；纛l率的實(shí)現(xiàn)有多種方法。如FFT分析、自相關(guān)分析等。方案一：基于FFT的短時(shí)頻譜分析。把語音信號(hào)數(shù)

3、字化，即經(jīng)AD采樣量化之后，用FFT算法處理，得到信號(hào)的頻譜，從而獲得基音頻率。這種方法由于算法較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，如用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，編程復(fù)雜，運(yùn)算速度慢，難以滿足實(shí)時(shí)要求。方案二：濾波器基音提取技術(shù)。利用低通濾波器濾除多次諧波及共振峰等高頻成分，得到近似的基音信號(hào)，此法可以用硬件電路構(gòu)成濾波器實(shí)現(xiàn)基音信號(hào)的粗略提取，避免了大量算法分析和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)簡(jiǎn)單。為了證明這種方法的有效性， 我們用計(jì)算機(jī)聲卡錄制了近20名男女同學(xué)的單音、詞組和句子的WAV文件，在MATLAB上編寫程序進(jìn)行仿真。1男女聲信號(hào)通過400HZ低通濾波后的仿真波形比較。我們將男女聲信號(hào)經(jīng)過八階低通濾波器，其截止頻率

4、設(shè)定為400HZ。仿真結(jié)果如圖三所示。從圖形上我們可以看到：通過400HZ的低通濾波器后，男聲輸出為約120HZ左右周期性信號(hào)（非單頻正弦波）；女聲輸出約250HZ左右周期性信號(hào)，其波形接近正弦波。這說明經(jīng)過400HZ低通濾波器后，女聲聲音主要由基音信號(hào)構(gòu)成，而男性聲音的非正弦性是由于其二次諧波及共振峰的存在的結(jié)果。2男女聲信號(hào)通過200HZ低通濾波后的仿真波形比較。我們將男聲、女聲輸入信號(hào)經(jīng)過八階低通數(shù)字濾波器濾波，截止頻率設(shè)定為200HZ。男聲、女聲及其通過200HZ低通濾波后的波形如圖四所示：從上邊的圖形我們看出：經(jīng)過200HZ的低通濾波器，男聲輸出為較好的正弦波（基音信號(hào)），而女聲基本

5、上沒有信號(hào)通過。從MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集信號(hào)分析的結(jié)果表明，用濾波器提取基音頻率的方法完全可行。我們?cè)谟?jì)算機(jī)上用這種方法編寫了男女聲識(shí)別軟件，對(duì)男女聲基音特征進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)了識(shí)別的仿真。實(shí)驗(yàn)表明，在正常說話條件下，系統(tǒng)具有較高的識(shí)別率，仿真效果令人滿意。三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)構(gòu)成：話筒放大200HZ低頻濾波400HZ低頻濾波單片機(jī)整流整流LED燈顯示 話筒產(chǎn)生的語音信號(hào)很微弱，大約50mV左右，必須經(jīng)過放大才能送往后級(jí)電路處理。兩個(gè)高階低通濾波器分別工作在400HZ的截止頻率和200HZ截止頻率。這主要是為了保證始終有一路信號(hào)是含諧波分量較少的近似基音信號(hào)。整形電路把正弦波轉(zhuǎn)化為

6、矩形脈沖，送往單片機(jī)STC12C5010AD測(cè)量其周期。單片機(jī)完成多次測(cè)量后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作出男聲還是女聲的判斷，送輸出顯示。2主要電路的設(shè)計(jì)與說明A、話筒放大電路通過用NE5532P芯片來實(shí)現(xiàn)語音放大，把微弱的語音信號(hào)放大的50倍左右。如圖所示，采用NE5532運(yùn)算放大器作音頻前置放大電路。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗小、一致性較好。電路如下圖所示：B、低通濾波電路采用MAX293可控截止頻率8階巴特沃夫低通濾波器，如圖所示，則電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍元件少，截止頻率可由外部時(shí)鐘控制或由時(shí)鐘輸入端所接電容決定。截止頻率控制簡(jiǎn)單，且濾波效果好。調(diào)試時(shí)，由外部時(shí)鐘控制截止頻率，調(diào)試完成后，可將濾波器的截止頻率固

7、定，即在時(shí)鐘輸入端（CLK）接一個(gè)一定大小的電容。比較兩個(gè)方案，方案二實(shí)現(xiàn)濾波簡(jiǎn)單方便，滿足系統(tǒng)要求。C、全整流電路 如圖所示，U5A、U6A各組成一線性半波整流電路，而U5B、U6B各組成一加法電路。U5A和U5B，U6A和U6B構(gòu)成一線性全波整流電路。D、單片機(jī)電路 把經(jīng)過整流后的兩路頻率信號(hào)輸入STC12C5410AD進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并采樣。再各求出兩組采樣好的數(shù)據(jù)的能量，以便來進(jìn)行比較。若求出來的兩個(gè)結(jié)果較接近就為男聲，那么男聲的那個(gè)發(fā)光二極管就會(huì)亮起來。若兩個(gè)結(jié)果相差較大就為女聲，那么女聲的那個(gè)發(fā)光二極管就會(huì)亮起。電路如下：3. 軟件設(shè)計(jì) A 程序設(shè)計(jì)流程圖：B 程序：#includes

8、fr ADC_LOW2 = 0xBE;/定義STC12C5410AD特殊功能寄存器sfr ADC_CONTR = 0xC5;sfr ADC_DATA = 0xC6;sfr p0m0 = 0x93;sfr p0m1 = 0x94;sfr p1m0 = 0x91;sfr p1m1 = 0x92;sfr p2m0 = 0x95;sfr p2m1 = 0x96;sfr p3m0 = 0xb1;sfr p3m1 = 0xb2;sbit getv = P21;/定義指示燈sbit male = P26;sbit female = P27;#define divgate 4/定義全局常量和全局變量#defi

9、ne countgate 185#define on 1#define off 0unsigned char div;unsigned char ad200,ad400;unsigned char test;unsigned char i,count;unsigned char code display_AD_channel_ID2 = 0x00,0x01;void delay100us( char Delay)/延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間=Delay*100us char d; for(;Delay0;Delay-) for(d=0;d0;t-) for(j=6245;j0;j-) ;unsigne

10、d char Ad_Change(unsigned char channel)/AD轉(zhuǎn)換子程序 ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xe0; /1110,0000 清ADC_FLAG,ADC_START位和低3位 ADC_CONTR = ADC_CONTR|(display_AD_channel_IDchannel&0x07); /設(shè)置當(dāng)前通道號(hào) /延時(shí)使輸入電壓達(dá)到穩(wěn)定 ADC_DATA = 0; /清A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 delay100us(5); ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x08; /0000，1000ADCS 1，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 do ; while(ADC_

11、CONTR & 0x10)=0); /0001,0000等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE7; /1110,0111清ADC_FLAG位，停止A/D轉(zhuǎn)換 return ADC_DATA;void get_result()/聲音采集和處理子程序 count=0; getv=on; male=off; female=off; for(i=0;idivgate) count+; else if(ad200countgate)/判別男女并指示 female=on;male=off; else male=on;female=off;getv=off; delay50m

12、s(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);delay50ms(50);/返回等待下次測(cè)試void main() SP=0x31; IE=0x85;/開系統(tǒng)中斷 getv=0; male=1; female=0; ADC_CONTR =0xe0; /1110,0000打開A/D轉(zhuǎn)換電源。設(shè)定采樣速率為210個(gè)機(jī)器周期 p1m0 = 0x03; /0000，0011P1.0-P1

13、.1先設(shè)為開漏。斷開內(nèi)部上拉電阻 p1m1 = 0x00; delay100us(10); while(1)/循環(huán)等待聲音信號(hào)輸入 male=male; female=female; delay50ms(50); test=Ad_Change(0);/先不跟你聊了，寫好程序部分的實(shí)驗(yàn)報(bào)告好給你們 if(test0x02) test=Ad_Change(0); if(test0x02)/重復(fù)先不跟你聊了，寫好程序部分的實(shí)驗(yàn)報(bào)告好給你們 test=Ad_Change(0); if(test0x02) get_result();/對(duì)聲音進(jìn)行判別 四、系統(tǒng)電路測(cè)試與分析1帶話筒放大器的測(cè)試：調(diào)整放大增

14、益，使輸出幅度較大而不失真。2低通濾波器性能的測(cè)試：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生200400HZ正弦波作為400Hz截止頻率低通濾波器的輸入信號(hào)，用示波器觀察輸出信號(hào)，可看到輸出為正弦波，450HZ以上正弦波輸入時(shí)基本無輸出信號(hào)，可見濾波效果很好。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生100300HZ正弦波作為200Hz截止頻率低通濾波器的輸入信號(hào)，用示波器觀察輸出信號(hào)，同樣可看到很好的濾波效果。3單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試：用仿真器調(diào)試測(cè)量與處理程序。4整機(jī)測(cè)試：下面是對(duì)若干位學(xué)生的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試聲音平均基音頻率(Hz)判定結(jié)果男聲164.4男男聲164.6男男聲139.2男男聲152.2男男聲161男女聲255.8男女聲242.4男女聲2

15、79.2女女聲264.6女女聲254.4男由測(cè)試結(jié)果得到，該系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確率為70。原因是，就一個(gè)說話者來說，基音頻率并不是固定不變的，不同聲音、不同聲調(diào)、說話者的情緒等都會(huì)影響基音頻率，另外輔音會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響。正因?yàn)槿绱?，容易造成誤判。（如某位男同學(xué)發(fā)的某些音，用系統(tǒng)測(cè)試誤判為女聲）。五 總結(jié) 這個(gè)科技制作，我們從三月份開始著手找方案，并多次找鐘老師指導(dǎo)，一開始，我們想嘗試用全軟件的ARM的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，可是近半個(gè)月的時(shí)間，找的資料都沒能讓我們很好的了解ARM的使用，所以我們最后決定改變方案，使用硬件跟單片機(jī)軟件相結(jié)合的辦法，硬件部分，對(duì)所需的芯片不熟悉，經(jīng)過鐘老師指導(dǎo)，我們應(yīng)用了MA

16、X293的濾波器，經(jīng)網(wǎng)上找資料，學(xué)會(huì)MAX293的應(yīng)用及其外圍電路的搭建，放大電路并沒有太大的問題，只是我們本來打算用一個(gè)具有自增益控制的芯片，但是在賽格找不到，所以只能單用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，放大跟濾波的電路完成后，整流部分則參考了模擬電子線路里面的一個(gè)圖。前面硬件部分基本完成，然后就開始制板，因?yàn)橹岸紱]有接觸過，所以只能從零開始，學(xué)著用PROTEI軟件，畫原理圖并畫PCB，然后去實(shí)驗(yàn)室做板，做伴并沒有太大的問題，但是因?yàn)樾酒翘庋b，所以焊帖片是很新的嘗試，還好有同學(xué)的指導(dǎo)才能掌握其中的訣竅。第一次制板，因?yàn)闆]有經(jīng)驗(yàn)，所以一口氣就把整個(gè)硬件電路做在一塊板上，結(jié)果調(diào)試的時(shí)候有問題，可是卻沒有辦法檢查哪里出問題，所以第一塊板就宣布廢掉，接下來，決定按模塊分開做，放大，濾波，整流，和單片機(jī)部分。放大部分我們用萬能板，其他三個(gè)部分都是用腐蝕板，濾波部分電路一次就完成，但是整流部分卻出現(xiàn)問題，檢查電路并沒有問題，可是就是沒有整流效果，所以最后只能重新用萬能板，最后終于完成整流部分的電路。單片機(jī)部分，主要是由另一個(gè)組員完成，所以單片機(jī)部分的程序設(shè)計(jì)我并沒有參與。這個(gè)科技制作中，我們遇到了很多很多的問題，大問題小問題都有，首先是怎么找資料，開始很茫然的在網(wǎng)上搜索，可是很多并沒有很完整，或者是沒有很規(guī)范，經(jīng)過鐘老師的推薦，我們很多資料都在的網(wǎng)頁上