10自动化二班 冯骏 毕业论文

2014届本科生毕业设计分类号：TP273.2题目:语音信号的采集与处理作者姓名：冯骏学号：2010080808学院：机械与电子工程学院专业：自动化指导教师姓名：温艳指导教师职称：讲师2014年5月1日宿州学院毕业设计结束语21摘要随着计算机和科学技术的飞速发展，数字信号处理逐渐成为一门独立的学科，成为信息科学的重要组成部分，在语音处理，雷达，图像处理，通信，生物，、医学等众多领域中得到广泛应用。语音信号在数字信号处理中占有极其重要的地位，因此选择通过对语音信号的研究来巩固和掌握数字信号处理的基本能力十分具有代表性。对数字信号处理离不开滤波器，因此滤波器的设计在信号处理中占有极其重要的地位而MATLAB软件工具箱提供了对各种数字滤波器的设计。本论文简单研究研究了语音信号的采集方法以及给语音信号加噪语音信号进行谱分析和滤波处理。通过理论推导得出相应的结论，再利用MATLAB作为编程工具来进行计算机实现以论证推导出来的结论。在设计过程中，通过设计IIR数字滤波器和FIR数字滤波器来完成滤波处理。在设计过程中，运用了MATLAB对整个设计图形的绘制和一些数据的计算以及仿真。关键词：语音处理，滤波器，MATLAB，仿真ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofcomputerandinformationscience,digitalsignalprocessinghasgraduallydevelopedintoanindependencediscipline,becomeanimportantpartofinformationscience,speechprocessing,rader,imageprocessing,communications,biomedicalengineeringandmanyotherfieldshasbeenwidelyapplication.Voicesignalsoccupiesanextremelyimportantpositionindigitalsignalprocessing,soitisveryrepresentativetochoosetoconsolidateandmasterthebasicskillsofdigitalsignalprocessingthroughthestudyoftheVoicesignal.digitalsignalprocessingcannotbeseparatedfromthefilter,thefilterdesignoccupiesanextremelyimportantroleinsignalprocessing.TheMATLABsoftwaretoolboxprovidesavarietyofdigitalfilterdesign.Thesubjectsimplystudystheacquisitionmathodsofvoicesignalandthemathodstoplusnoisetovoicesignal,oftheuseofbasicknowledgeofdigitalsignalprocessing,speechsignalandthenoisespeechsignalspecctralsnalysisandfiltering.Bythetheoreticalderivationofthecorrespondingconclusions,thentothecomputerthroughtheuseofMATLABasaprogrammingtoolToachiveparitytheconclusionsderived.Inthedesignprocess,usingthewindoowfunctiondesignIIRdigitalfilter,FIRdigitalfiltertoperformfilteringprocess.Inthedesignprocess,theuseofcomputerandsimulationofMATLABtheentiredesign,graphicsrendering,andsomedate.Keywords：Voiceprocessing,filter,MATLAB,simulation,filtering目录摘要..................................................................3Abstract..............................................................4第1章绪论.........................................................5课题的背景与意义...............................................6国内外研究现状.................................................6本文主要工作...................................................8本文的仿真软件Matlab...........................................8第2章语音信号的特点与采集..........................................92.1语音信号的特点.................................................92.2语音信号的采集.................................................9第3章语音信号的分析...............................................123.1语音信号的分析技术............................................123.2语音信号的时域分析............................................133.2.1短时能量及短时平均幅度分析..............................133.2.2.短时过零率分析.........................................143.3语音信号的频域分析............................................153.3.1利用短时傅里叶变换求语音的短时食谱......................153.4语音信号的语谱图..............................................18第4章语音信号的综合仿真分析.......................................21总结.................................................................24致谢.................................................................25参考文献..........................................................26附录一：.............................................................26附录二：.............................................................26附录三：.............................................................27附录四：.............................................................28附录五：.............................................................28宿州学院本科生毕业设计语音信号的采集与处理1第1章绪论课题的背景与意义通过语音传递信息是人类最重要，最有效，最常用和最方便的交换信息的形式。语言是人类特有的功能，声音是人类常用的工具，是相传递信息的最主要的手段，因此，语音信号时人们构成思想疏通和感情交流的最主要的途径，并且，由于语言和语音与人的智力活动密切相关，与社会文化和进步精密相连，所以它具有最大的的信息容量和最高的智能水平。现在，人类已经开始进入了信息化的时代，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效的产生，传输，存储，获取和应用语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。让计算机能听懂人类的语言，是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法。随着计算机越来越向便携化方向发展，随着计算机环境的日趋复杂化，人们越来越迫切要求摆脱键盘的束缚而代之以语音输入这样便于使用的，自然的，人性化的输入方式。作为高科技鼓励应用领域的研究热点，语音信号采集与分析从理论的研究到产品的开发已经走过了几十个春秋并且取得了长足的进步。它正在直接与办公，交通，金融，公安，商业，旅游等行业的语音咨询与管理,工业生产部门的语音控制，电话，电信系统的自动拨号，辅助控制与查询以及医疗卫生和福利事业的生活支援系统等各种实际应用领域相接轨，并且有望成为下一代操作系统和应用程序的用户界面。可见，语音信号采集与处理的研究将是一项极具市场价值和挑战性的工作。我们今天进行这一领域烦人研究与开拓就是要让语音信号处理技术走入人们的日常生活当中，并不断朝更高目标而努力。语音信号采集与分析之所以能够那样长期的，深深的吸引广大科学者去不断的对其进行研究和探讨，除了它的实用性外，另一个重要的原因是，它始终与当时信息科学中最活跃的前沿学科保持密切的联系，并且一起发展。语音信号采集与分析是已语音语言学和数字信号处理为基础而形成的一门涉及面很广的综合性学科，与心理，生理学，计算机科学，通信与信息科学以及模式识别和人工智能等学科都有着非常密切的关系。对语音信号采集与分析的研究一直是数字信号处理技术发展的重要推动力量。因为许多处理的新方法的提出，首先是在语音信号处理中获得成功，然后再推广到其他；领域。国内外研究现状90年代以来，在美国国防部的darpa测试，Ears计划，近期的Gales计划，以及我国863计划等推动下，一大批高水平的研究机构和企业加入到语音识别的研究领域，极大地推动了语音识别技术的发展和应用，语音识别系统已经从过去的小词汇量，孤立词识别，特定人识别，安静环境等简单简单任务逐步发展到大词汇量，连续语音，非特定人，噪声环境下的识别任务，从单纯的语音识别任务发展到语音翻译任务，从实验室系统走向商业系统，90年代以后在基于HMM的技术上，关键词识别技术研究重点转为集合其他模式识别方法，进行性能提高和方法改进，以及改进搜索识别算法提高速度等，首先如基于人工神经网络的方法，该方法用人工神经网络对语音流进行模拟，通过人工神经网络对语音流进行识别，其中主要配合HMM以达到较高的性能，其次如基于支持向量机的方法，这些方法都是HMM方法的补充，目前还处于研究状态，并无稳定系统出现。而研究方向则集中在对预处理特征矢量的选择，HMM框架的改良，垃圾模型的选择等。本文主要工作本文简要介绍了语音信号采集与处理的发展史以及语音信号的特征，采集与分析方法，并通过PC机录制自己的一段声音，运用Matlab进行仿真分析，最后加入噪声进行滤波处理，比较滤波前后的变化。第2章主要介绍语音信号的特点与采集，仿真主要是验证奈奎斯特定律。第3章主要是对语音信号进行时域，频域上的分析，如时短功率谱，短时能量，短时平均过零率，语谱图分析等等。第4章是对语音信号的综合和分析，包括语音信号的调制，叠加，和滤波。本文的仿真软件MatlabMatlab是一种用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用Matlab您可以比较使用传统的编程语言，如C。C++和Fortran更快的解决技术计算问题。Matlab的应用范围非常广，包括信号的图像处理，通讯，控制系统设计，测试和测量，财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱，单独提供的专用MATLAB函数集，扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB提供了很多用于记录和分享工作成果的功能。可以将MATLAB代码与其他语言和应用程序集成来分发MATLAB算法和应用。24第2章语音信号的特点与采集2.1语音信号的特点通过对大量语音信号的观察和分析发现，语音信号主要有下面两个特点：①在频域内，语音信号的频谱分量主要集中在300~3400Hz的范围内。利用这个特点，可以用一个防混迭的带通滤波器将此范围内的语音信号频率分量取出，然后按8kHz的采样率对语音信号进行采样，就可以得到离散的语音信号。②在时域内，语音信号具有“短时性”的特点，即在总体上，语音信号的特征是随着时间而变化的，但在一段较短的时间间隔内，语音信号保持平稳。在浊音段表现出周期信号的特征，在清音段表现出随机的噪声的特征。下面是一段语音信号的时域波形图（图2-1）和频域图（图2-2），由这两个图可以看出语音信号的两个特点。图2-1语音信号时域波形图Figure2-1Speechsignaltime-domainwaveform图2-2语音信号频域波形图Figure2-2frequency-domainspeechsignalwaveform2.2语音信号的采集2.2.1基于PC机的信号采集系统目前PC机的外部扩展设备已经很齐全，windows一般带有的音频操作软件很全面，硬件方面秩序一个可以将语音转换成电子信号的设备，比如麦克风。软件采用MATLAB高级程序设计语言，MATLAB有相应的软件工具箱，最新版本的MATLAB不仅可以与C/C++,VC,VB等高级语言混合编程，互相调用，还可以调用计算机硬件设备，是目前最为流行的软件之一。为制作基于MATLAB的信号采集系统提供了很好地条件。PC机信号的采集方法为：首先将随机时间变化的力，位移，时间变化的电压信号降压处理，其变化范围在-1—1V之间以满足声卡的输入要求，然后就可以将两路信号连接到声卡的LINEIN接口上，利用MATLAB环境下数据采集工具箱采集声音信号，为提高声音信号的质量，可对采样频率等属性进行必要的设置。在对声音进行录制过程中，不可避免的会夹杂一些噪音，需要通过过滤波器才能过滤掉这些噪音。实际上，数字滤波器设计是信号处理工具箱的一个重要组成部分，可以根据频谱的特点和处理信号的目的组成部分，设计出各种各样符合要求的数字滤波器。2.2.2基于DSP的语音信号采集系统数据采集技术是一项基本的实用性技术，已被广泛的应用于测量，监测，控制，诊断，科学实验等各个领域。近二十年来，数据采集技术由于采用了微机等一系列新技术，得到了飞速的发展。由于数据采集技术涉及的领域广，采集信号的动态范围宽，处理的数据量大，对系统实时性能要求高，所以对数据采集和处理系统提出了严格的要求，许多新产品，新技术也就在数据采集系统中大量涌现。近年来，随着DSP的功能日益增强，性能价格比不断上升，开发手段不断改进，DSP在数据采集系统的应用也在不断完善，性能价格比不断上升，开发手段不断改进，DSP在数据采集系统的应用也在不断的完善。用DSP采集语音信号主要是用一种基于16位定点DSPTMS320VC5410的语音参考文献[1]潘新民王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京:电子工业出版社,2008:55-67.[2]唐灵军,唐洁,谌超等.基于单片机的水位控制系统设计[J].电子工程设计,2012,8(5):12-16.