基于MATLAB的語音信號分析和處理

1、WE ARE SEEING THE WORLD IN COLOR基于MATLAB 的語音信號分析和處理生物醫(yī)學工程 2 班 方燦課題的研究意義課題的研究意義 語言是我們人類所特有的功能，它是傳承和記載人類幾千年文明史，沒語言是我們人類所特有的功能，它是傳承和記載人類幾千年文明史，沒有語言就沒有我們今天人類的文明。語音是語言最基本的表現(xiàn)形式，是相互有語言就沒有我們今天人類的文明。語音是語言最基本的表現(xiàn)形式，是相互傳遞信息最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信傳遞信息最重要的手段，是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。人類用語言交流的過程可以看成是一個復雜的通信

2、過程，為了獲息的形式。人類用語言交流的過程可以看成是一個復雜的通信過程，為了獲取便于分析和處理的語音信源，必須將在空氣中傳播的聲波轉變?yōu)榘Z音取便于分析和處理的語音信源，必須將在空氣中傳播的聲波轉變?yōu)榘Z音信息并且記載著聲波物理性質的模擬（或數(shù)字）電信號，即語音信號，因此信息并且記載著聲波物理性質的模擬（或數(shù)字）電信號，即語音信號，因此語音信號就成為語音的表現(xiàn)形式或載體。語音信號就成為語音的表現(xiàn)形式或載體。 語音信號處理語音信號處理屬于信息科學的一個重要分支，大規(guī)模集成技術的高度發(fā)屬于信息科學的一個重要分支，大規(guī)模集成技術的高度發(fā)展和計算機技術的飛速前進，推動了這一技術的發(fā)展；它是展和計算

3、機技術的飛速前進，推動了這一技術的發(fā)展；它是研究用數(shù)字信號研究用數(shù)字信號處理技術對語音信號進行處理的一門新興學科，同時又是綜合性的多學科領處理技術對語音信號進行處理的一門新興學科，同時又是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科，因此我們進行語言信號處理具有時代的意義。域和涉及面很廣的交叉學科，因此我們進行語言信號處理具有時代的意義。語音信號的讀入與打開語音信號的讀入與打開 在在MATLABMATLAB中，中，y,fs,bits=wavread(Blip,N1 N2);y,fs,bits=wavread(Blip,N1 N2);用于讀取語音，采樣值放在向量用于讀取語音，采樣值放在向量y y中，

4、中，fsfs表示采樣頻率表示采樣頻率(Hz)(Hz)，bitsbits表示采樣位數(shù)。表示采樣位數(shù)。N1 N2N1 N2表示讀取的值從表示讀取的值從N1N1點到點到N2N2點的值。點的值。 sound(y); sound(y); 用于對聲音的回放。向量用于對聲音的回放。向量y y則就代表了一個信號，也即一個復雜的則就代表了一個信號，也即一個復雜的“函數(shù)表達函數(shù)表達式式”，也可以說像處理一個信號的表達式一樣處理這個聲音信號。，也可以說像處理一個信號的表達式一樣處理這個聲音信號。下面是語音信號在下面是語音信號在MATLABMATLAB中的語言程序，它實現(xiàn)了語音的讀入與打開，并繪出了語音信號中的語言程

5、序，它實現(xiàn)了語音的讀入與打開，并繪出了語音信號的波形頻譜圖。的波形頻譜圖。x,fs,bits=wavread(wzf.wav); x,fs,bits=wavread(wzf.wav); sound(x); sound(x); X=fft(x,4096);X=fft(x,4096);magX=abs(X);magX=abs(X);angX=angle(X)angX=angle(X); ;subplot(221);plot(x);title(subplot(221);plot(x);title(原始信號波形原始信號波形););subplot(222);plot(X); title(subplot(

6、222);plot(X); title(原始信號頻譜原始信號頻譜););subplot(223);plot(magX);title(subplot(223);plot(magX);title(原始信號幅值原始信號幅值););subplot(224);plot(angX);title(subplot(224);plot(angX);title(原始信號相位原始信號相位););程序運行可以聽到聲音，得到的結果圖所示：程序運行可以聽到聲音，得到的結果圖所示：語言信號處理語言信號處理語音信號分析語音信號分析用用MATLABMATLAB繪制出語音信號的時域波形圖和原始語音信號的繪制出語音信號的時域波形圖

7、和原始語音信號的頻率響應圖和原始語音信號的頻率響應圖和原始語音信號的FFTFFT頻譜圖。程序設計如下：頻譜圖。程序設計如下：fs=22050; %fs=22050; %語音信號采樣頻率為語音信號采樣頻率為2205022050 x,fs,bits=wavread(wzf.wav); x,fs,bits=wavread(wzf.wav); sound(x,fs,bits); %sound(x,fs,bits); %播放語音信號播放語音信號y1=fft(x,1024); %y1=fft(x,1024); %對信號做對信號做10241024點點FFTFFT變換變換f=fsf=fs* *(0:511)/

8、1024;(0:511)/1024;figure(1)figure(1)plot(x) %plot(x) %做原始語音信號的時域波做原始語音信號的時域波形圖形圖title(title(原始語音信號時域圖原始語音信號時域圖););xlabel(time n);xlabel(time n);ylabel(fuzhi n);ylabel(fuzhi n);figure(2)figure(2)freqz(x) %freqz(x) %繪制原始語音信號的頻率繪制原始語音信號的頻率響應圖響應圖title(title(頻率響應圖頻率響應圖)figure(3)figure(3)：plot(f,abs(y1(1:

9、512);plot(f,abs(y1(1:512);title(title(原始語音信號頻譜原始語音信號頻譜)xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fudu); ylabel(fudu); 如圖所示如圖所示含噪語音信號的合成含噪語音信號的合成在在MATLABMATLAB軟件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪軟件平臺下，給原始的語音信號疊加上噪聲，噪聲類型分為如下幾種：（聲，噪聲類型分為如下幾種：（1 1）單頻噪色（正弦干）單頻噪色（正弦干擾）；（擾）；（2 2）高斯隨機噪聲。繪出加噪聲后的語音信號）高斯隨機噪聲。繪出加噪聲后的語音信號時域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號圖形對

10、比，時域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號圖形對比，也可通過也可通過WindowsWindows播放軟件從聽覺上進行對比，分析并播放軟件從聽覺上進行對比，分析并體會含噪語音信號頻譜和時域波形的改變。程序代碼體會含噪語音信號頻譜和時域波形的改變。程序代碼如下：如下：fs=22050; %fs=22050; %語音信號采樣頻率語音信號采樣頻率為為2205022050 x,fs,bits=wavread(ding.wav); %x,fs,bits=wavread(ding.wav); %讀取語音信讀取語音信號的數(shù)據(jù)，賦給變量號的數(shù)據(jù)，賦給變量x x%sound(x)%sound(x)%t=0:1/22

11、050:(size(x)-1)/22050;%t=0:1/22050:(size(x)-1)/22050;y1=fft(x,1024); %y1=fft(x,1024); %對信號做對信號做10241024點點FFTFFT變換變換f=fsf=fs* *(0:511)/1024;(0:511)/1024;x1=rand(1,length(x); %x1=rand(1,length(x); %產生一與產生一與x x長度一致的長度一致的隨機信號隨機信號 x2=x1+x;x2=x1+x;%t=0:(size(x)-1); %t=0:(size(x)-1); %加入正弦噪音加入正弦噪音%Au=0.3;%

12、Au=0.3;%d=Au%d=Au* *sin(6sin(6* *pipi* *50005000* *t);t);%x2=x+d;%x2=x+d; sound(x2);sound(x2);figure(1)figure(1)subplot(2,1,1)subplot(2,1,1)plot(x) %plot(x) %做原始做原始 語音信號的時域圖形語音信號的時域圖形title(title(原語音信號時域圖原語音信號時域圖)subplot(2,1,2)subplot(2,1,2)plot(x2) %plot(x2) %做原做原始語音信號的時域圖形始語音信號的時域圖形title(title(加高斯噪

13、聲后語音信號時域圖加高斯噪聲后語音信號時域圖)xlabel(time n);xlabel(time n);ylabel(fudu);ylabel(fudu);y2=fft(x2,1024);y2=fft(x2,1024);figure(2)figure(2)subplot(2,1,1)subplot(2,1,1)plot(abs(y1)plot(abs(y1)title(title(原始語音信號頻譜原始語音信號頻譜););xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fudu);ylabel(fudu);subplot(2,1,2)subplot(2,1,2)plot(abs(y2

14、)plot(abs(y2)title(title(加噪語音信號頻譜加噪語音信號頻譜););xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fudu);ylabel(fudu);程序運行可以聽到聲程序運行可以聽到聲音，得到的結果圖所示：音，得到的結果圖所示：高斯高斯隨機隨機噪聲噪聲正弦正弦sinsin噪聲的噪聲的加噪語加噪語音信號音信號濾波器的設計濾波器的設計雙線性變換法設計了巴特沃斯低通濾波器對加噪雙線性變換法設計了巴特沃斯低通濾波器對加噪語音信號進行濾波語音信號進行濾波對加入高斯隨機噪聲和正弦噪聲的語音信號進對加入高斯隨機噪聲和正弦噪聲的語音信號進行濾波。用雙線性變換法設計了巴特沃

15、斯數(shù)字低行濾波。用雙線性變換法設計了巴特沃斯數(shù)字低通通IIRIIR濾波器對兩加噪語音信號進行濾波，并繪濾波器對兩加噪語音信號進行濾波，并繪制了巴特沃斯低通濾波器的幅度圖和兩加噪語音制了巴特沃斯低通濾波器的幅度圖和兩加噪語音信號濾波前后的時域圖和頻譜圖。程序設計如下：信號濾波前后的時域圖和頻譜圖。程序設計如下：x,fs,bits=wavread(wzf.wav);x,fs,bits=wavread(wzf.wav);%sound(x)%sound(x)% %隨機噪聲合成隨機噪聲合成x2=rand(1,length(x); %x2=rand(1,length(x); %產生一與產生一與x x長度一

16、長度一致的隨機信號致的隨機信號 y=x+x2;y=x+x2;% %加入正弦噪聲加入正弦噪聲%t=0:(size(x)-1);%t=0:(size(x)-1);%Au=0.3;%Au=0.3;%d=Au%d=Au* *sin(2sin(2* *pipi* *500500* *t);t);%y=x+d;%y=x+d;wp=0.1wp=0.1* *pi;pi;ws=0.4ws=0.4* *pi;pi;Rp=1;Rp=1;Rs=15;Rs=15;Fs=22050;Fs=22050;Ts=1/Fs;Ts=1/Fs;wp1=2/Tswp1=2/Ts* *tan(wp/2); %tan(wp/2); %將模

17、擬指標將模擬指標轉換成數(shù)字指標轉換成數(shù)字指標ws1=2/Tsws1=2/Ts* *tan(ws/2); tan(ws/2); N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,s); N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,s); % %選擇濾波器的最小階數(shù)選擇濾波器的最小階數(shù)Z,P,K=buttap(N); %Z,P,K=buttap(N); %創(chuàng)建創(chuàng)建butterworthbutterworth模擬濾波器模擬濾波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); b,a=lp2lp(Bap,A

18、ap,Wn); bz,az=bilinear(b,a,Fs); %bz,az=bilinear(b,a,Fs); %用雙用雙線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器線性變換法實現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉換的轉換H,W=freqz(bz,az);%H,W=freqz(bz,az);%繪制頻率響的轉換繪制頻率響的轉換figure(1)figure(1)plot(Wplot(W* *Fs/(2Fs/(2* *pi),abs(H)pi),abs(H)gridgridf1=filter(bz,az,y);f1=filter(bz,az,y);figure(2)figure(2)subplot(2,1,1)

19、subplot(2,1,1)plot(t,y) %plot(t,y) %畫出濾波前畫出濾波前的時域圖的時域圖title(title(濾波前的時域波形濾波前的時域波形););subplot(2,1,2)subplot(2,1,2)plot(t,f1); %plot(t,f1); %畫出濾波畫出濾波后的時域圖后的時域圖title(title(濾波后的時域波形濾波后的時域波形););sound(f1); %sound(f1); %播放濾波播放濾波后的信號后的信號F0=fft(f1,1024);F0=fft(f1,1024);f=fsf=fs* *(0:511)/1024;(0:511)/1024;f

20、igure(3)figure(3)y2=fft(y,1024);y2=fft(y,1024);subplot(2,1,1);subplot(2,1,1);plot(f,abs(y2(1:512);%plot(f,abs(y2(1:512);%畫出濾波前的畫出濾波前的頻譜圖頻譜圖title(title(濾波前的頻譜濾波前的頻譜)xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fuzhi);ylabel(fuzhi);subplot(2,1,2)subplot(2,1,2)F1=plot(f,abs(F0(1:512);%F1=plot(f,abs(F0(1:512);%畫出濾波畫出濾波

21、后的頻譜圖后的頻譜圖title(title(濾波后的頻譜濾波后的頻譜)xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fuzhi);ylabel(fuzhi);程序運行可以播放濾波前面的語音信號，程序運行可以播放濾波前面的語音信號，對比濾波前面的語音效果，得到的結果分別對比濾波前面的語音效果，得到的結果分別圖所示：圖所示：高斯高斯噪聲噪聲濾波濾波正弦正弦噪聲噪聲濾波濾波利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應S S域到域到Z Z域的變換域的變換利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應S S域到域到Z Z域的變域的變換法換法設計了巴特沃斯低通數(shù)字設計了巴特沃斯低

22、通數(shù)字IIRIIR濾波器，對加濾波器，對加入高斯隨機噪聲和正弦噪聲的語音信號進行濾波，入高斯隨機噪聲和正弦噪聲的語音信號進行濾波，并繪制了兩濾波器濾波前后的語音信號時域圖和并繪制了兩濾波器濾波前后的語音信號時域圖和頻譜圖。程序設計如下：頻譜圖。程序設計如下：Ft=8000;Ft=8000;Fp=1000;Fp=1000;Fs=1200;Fs=1200;wp=2wp=2* *pipi* *Fp/Ft;Fp/Ft;ws=2ws=2* *pipi* *Fs/Ft;Fs/Ft;fp=2fp=2* *FtFt* *tan(wp/2);tan(wp/2);fs=2fs=2* *FsFs* *tan(wp/

23、2);tan(wp/2);n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,s); %n11,wn11=buttord(wp,ws,1,50,s); %求求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率低通濾波器的階數(shù)和截止頻率b11,a11=butter(n11,wn11,s); %b11,a11=butter(n11,wn11,s); %求求S S域的頻率響應的參數(shù)域的頻率響應的參數(shù) num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5); %num11,den11=bilinear(b11,a11,0.5); %利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應利用雙線性變換實現(xiàn)頻率響應S S域到域到Z Z域的變

24、換域的變換 x,fs,nbits=wavread (wzf.wav);x,fs,nbits=wavread (wzf.wav);n = length (x) ; %n = length (x) ; %求出語音信號求出語音信號的長度的長度t=0:(n-1);t=0:(n-1);x2=rand(1,length(x); %x2=rand(1,length(x); %產生一與產生一與x x長度一致的隨機信號長度一致的隨機信號 y=x+x2;y=x+x2;% %加入正弦噪聲加入正弦噪聲%t=0:(size(x)-1);%t=0:(size(x)-1);%Au=0.03;%Au=0.03;%d=Au%d=Au* *sin(2sin(2* *pipi* *500500* *t);t);%y=x+d;%y=x+d;figure(1)figure(1)f2=filter(num11,den11,y)f2=filter(num11,den