基于MATLAB的語音信號(hào)分析和處理

1、WE ARE SEEING THE WORLD IN COLOR基于MATLAB 的語音信號(hào)分析和處理生物醫(yī)學(xué)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?nèi)祟愃赜械墓δ埽莻鞒泻陀涊d人類幾千年文明史，沒語言是我們?nèi)祟愃赜械墓δ?，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(gè)復(fù)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(gè)復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榘Z音信息并且記載著聲波物理性質(zhì)的模擬（或數(shù)字）電信號(hào)，即語音信號(hào)，因此信息并且記載著聲波物理性質(zhì)的模擬（或數(shù)字）電信號(hào)，即語音信號(hào)，因此語音信號(hào)就成為語音的表現(xiàn)形式或載體。語音信號(hào)就成為語音的表現(xiàn)形式或載體。 語音信號(hào)處理語音信號(hào)處理屬于信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)屬于信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速前進(jìn)，推動(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展；它是展和計(jì)算

3、機(jī)技術(shù)的飛速前進(jìn)，推動(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展；它是研究用數(shù)字信號(hào)研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的一門新興學(xué)科，同時(shí)又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)處理技術(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的一門新興學(xué)科，同時(shí)又是綜合性的多學(xué)科領(lǐng)域和涉及面很廣的交叉學(xué)科，因此我們進(jìn)行語言信號(hào)處理具有時(shí)代的意義。域和涉及面很廣的交叉學(xué)科，因此我們進(jìn)行語言信號(hào)處理具有時(shí)代的意義。語音信號(hào)的讀入與打開語音信號(hào)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(diǎn)到點(diǎn)到N2N2點(diǎn)的值。點(diǎn)的值。 sound(y); sound(y); 用于對(duì)聲音的回放。向量用于對(duì)聲音的回放。向量y y則就代表了一個(gè)信號(hào)，也即一個(gè)復(fù)雜的則就代表了一個(gè)信號(hào)，也即一個(gè)復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)函數(shù)表達(dá)式式”，也可以說像處理一個(gè)信號(hào)的表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。，也可以說像處理一個(gè)信號(hào)的表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。下面是語音信號(hào)在下面是語音信號(hào)在MATLABMATLAB中的語言程序，它實(shí)現(xiàn)了語音的讀入與打開，并繪出了語音信號(hào)中的語言程

5、序，它實(shí)現(xiàn)了語音的讀入與打開，并繪出了語音信號(hào)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(hào)波形原始信號(hào)波形););subplot(222);plot(X); title(subplot(

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

7、和原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖和原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖和原始語音信號(hào)的FFTFFT頻譜圖。程序設(shè)計(jì)如下：頻譜圖。程序設(shè)計(jì)如下：fs=22050; %fs=22050; %語音信號(hào)采樣頻率為語音信號(hào)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(hào)播放語音信號(hào)y1=fft(x,1024); %y1=fft(x,1024); %對(duì)信號(hào)做對(duì)信號(hào)做10241024點(diǎn)點(diǎn)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(hào)的時(shí)域波做原始語音信號(hào)的時(shí)域波形圖形圖title(title(原始語音信號(hào)時(shí)域圖原始語音信號(hào)時(shí)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(hào)的頻率繪制原始語音信號(hào)的頻率響應(yīng)圖響應(yīng)圖title(title(頻率響應(yīng)圖頻率響應(yīng)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(hào)頻譜原始語音信號(hào)頻譜)xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fudu); ylabel(fudu); 如圖所示如圖所示含噪語音信號(hào)的合成含噪語音信號(hào)的合成在在MATLABMATLAB軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)疊加上噪軟件平臺(tái)下，給原始的語音信號(hào)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(jī)噪聲。繪出加噪聲后的語音信號(hào)）高斯隨機(jī)噪聲。繪出加噪聲后的語音信號(hào)時(shí)域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號(hào)圖形對(duì)

10、比，時(shí)域和頻譜圖，在視覺上與原始語音信號(hào)圖形對(duì)比，也可通過也可通過WindowsWindows播放軟件從聽覺上進(jìn)行對(duì)比，分析并播放軟件從聽覺上進(jìn)行對(duì)比，分析并體會(huì)含噪語音信號(hào)頻譜和時(shí)域波形的改變。程序代碼體會(huì)含噪語音信號(hào)頻譜和時(shí)域波形的改變。程序代碼如下：如下：fs=22050; %fs=22050; %語音信號(hào)采樣頻率語音信號(hào)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(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量號(hào)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(duì)信號(hào)做對(duì)信號(hào)做10241024點(diǎn)點(diǎn)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(chǎn)生一與產(chǎn)生一與x x長度一致的長度一致的隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào) 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(hào)的時(shí)域圖形語音信號(hào)的時(shí)域圖形title(title(原語音信號(hào)時(shí)域圖原語音信號(hào)時(shí)域圖)subplot(2,1,2)subplot(2,1,2)plot(x2) %plot(x2) %做原做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖形始語音信號(hào)的時(shí)域圖形title(title(加高斯噪

13、聲后語音信號(hào)時(shí)域圖加高斯噪聲后語音信號(hào)時(shí)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(hào)頻譜原始語音信號(hào)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(hào)頻譜加噪語音信號(hào)頻譜););xlabel(Hz);xlabel(Hz);ylabel(fudu);ylabel(fudu);程序運(yùn)行可以聽到聲程序運(yùn)行可以聽到聲音，得到的結(jié)果圖所示：音，得到的結(jié)果圖所示：高斯高斯隨機(jī)隨機(jī)噪聲噪聲正弦正弦sinsin噪聲的噪聲的加噪語加噪語音信號(hào)音信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)濾波器的設(shè)計(jì)雙線性變換法設(shè)計(jì)了巴特沃斯低通濾波器對(duì)加噪雙線性變換法設(shè)計(jì)了巴特沃斯低通濾波器對(duì)加噪語音信號(hào)進(jìn)行濾波語音信號(hào)進(jìn)行濾波對(duì)加入高斯隨機(jī)噪聲和正弦噪聲的語音信號(hào)進(jìn)對(duì)加入高斯隨機(jī)噪聲和正弦噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波。用雙線性變換法設(shè)計(jì)了巴特沃

15、斯數(shù)字低行濾波。用雙線性變換法設(shè)計(jì)了巴特沃斯數(shù)字低通通IIRIIR濾波器對(duì)兩加噪語音信號(hào)進(jìn)行濾波，并繪濾波器對(duì)兩加噪語音信號(hào)進(jìn)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(hào)濾波前后的時(shí)域圖和頻譜圖。程序設(shè)計(jì)如下：信號(hào)濾波前后的時(shí)域圖和頻譜圖。程序設(shè)計(jì)如下：x,fs,bits=wavread(wzf.wav);x,fs,bits=wavread(wzf.wav);%sound(x)%sound(x)% %隨機(jī)噪聲合成隨機(jī)噪聲合成x2=rand(1,length(x); %x2=rand(1,length(x); %產(chǎn)生一與產(chǎn)生一與x x長度一

16、長度一致的隨機(jī)信號(hào)致的隨機(jī)信號(hào) 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(biāo)將模擬指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字指標(biāo)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(shí)現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器線性變換法實(shí)現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換H,W=freqz(bz,az);%H,W=freqz(bz,az);%繪制頻率響的轉(zhuǎn)換繪制頻率響的轉(zhuǎn)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(shí)域圖的時(shí)域圖title(title(濾波前的時(shí)域波形濾波前的時(shí)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(shí)域圖后的時(shí)域圖title(title(濾波后的時(shí)域波形濾波后的時(shí)域波形););sound(f1); %sound(f1); %播放濾波播放濾波后的信號(hào)后的信號(hào)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(yùn)行可以播放濾波前面的語音信號(hào)，程序運(yùn)行可以播放濾波前面的語音信號(hào)，對(duì)比濾波前面的語音效果，得到的結(jié)果分別對(duì)比濾波前面的語音效果，得到的結(jié)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(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)S S域到域到Z Z域的變換域的變換利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)S S域到域到Z Z域的變域的變換法換法設(shè)計(jì)了巴特沃斯低通數(shù)字設(shè)計(jì)了巴特沃斯低

22、通數(shù)字IIRIIR濾波器，對(duì)加濾波器，對(duì)加入高斯隨機(jī)噪聲和正弦噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波，入高斯隨機(jī)噪聲和正弦噪聲的語音信號(hào)進(jìn)行濾波，并繪制了兩濾波器濾波前后的語音信號(hào)時(shí)域圖和并繪制了兩濾波器濾波前后的語音信號(hào)時(shí)域圖和頻譜圖。程序設(shè)計(jì)如下：頻譜圖。程序設(shè)計(jì)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(yīng)的參數(shù)域的頻率響應(yīng)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(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)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(hào)求出語音信號(hào)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(chǎn)生一與產(chǎn)生一與x x長度一致的隨機(jī)信號(hào)長度一致的隨機(jī)信號(hào) 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