基于 MATLAB 的語音信號仿真分析

摘 要：語音信號處理是一門新興的涉及面很廣的交叉學科，是許多信息領域應用的核心技術之一。本文簡要介紹了語音信號的采集與處理過程，并利用 MATLAB 對語音信號進行時域和頻域分析，并對語音進行處理。

關鍵詞：語音信號；仿真原理；實現過程

一、引言

人類已進入了信息化時代，用現代手段研究語音信號，使人們能更加有效地產生、傳輸、存儲、獲取和應用語音信息，這對于促進社會的發展具有十分重要的意義。作為高科技應用領域的研究熱點，語音信號的采集和分析從理論的研究到產品的開發已經取得了長足的進步。語音信號的采集與分析之所以能夠被不斷地進行研究和探討，除了它的實用性之外，另一個重要的原因是，它始終與當時信息科學中最活躍的前沿學科保持密切聯系，并且一起發展。對語音信號的采集與分析的研究一直是數字信號處理技術發展的重要推動力量。因為許多處理的新方法的提出，首先是在語音信號處理中獲得成功，然后再推廣到其他領域。

語音信號的仿真與處理技術一直以來都是很熱門的研究領域，具有重要的理論和實踐研究價值。針對語音信號自身的時域頻域特性的研究是語音信號處理技術能夠取得進一步突破的重要基礎，必須有針對性地對語音信號做一個系統性分析。語音信號傳輸過程中會受到噪聲的干擾，導致語音質量的下降從而降低了語音辨識度，因此要進行濾波濾去不需要的噪聲或者混頻干擾。

二、語音信號的簡介

語音具有成為聲學特征的物理物質，基本的組成單位是音素。音素是發出各不相同音的最小單位，可以將音素分為濁音和清音兩大類。如果把不存在語音而只有背景噪聲的情況稱為無聲時，音素又可以分為無聲、濁音和清音三類。一個音節由元音和輔音構成。元音在音節中占主要部分。所有元音都是濁音。

語音信號處理的目的有兩個：一個是要通過處理得到一些反應語音信號重要特征的語音參數，以便高效地傳輸或儲存語音信號信息；另一個是要通過處理某種運算以達到某種用途的要求，例如人工合成出語音、辨識出講話者、識別出講話的內容等。

傅里葉變換在信號處理中能夠將信號在時間域和頻率域之間進行有效的聯系和轉換，能夠將信號的頻率特征清晰準確的表現出來，而在時域中這種頻率性能是沒有定量的表現的，因此傅里葉變換在信號處理上具有十分重要的作用。在語音信號處理上，傅里葉變換一直起著主要作用。穩態的語音生成模型有線性系統組成，系統輸入為隨時間作周期變化或隨機變化時，系統輸出的頻譜則反應了激勵與聲道頻率響應特性。此外，語音信號的頻譜具有非常明顯的語言學意義，可以獲得某些重要的語音特征，如共振峰頻率帶寬等。

三、語音信號的仿真原理

利用 MATLAB 對語音信號進行分析和處理，采集語音信號后，利用 MATLAB 軟件平臺進行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進行頻譜分析，設計合適的濾波器濾除噪聲，恢復原信號。語音信號的“短時譜”對于非平穩信號，它是非周期的，頻譜隨時間連續變化，因此由傅里葉變換得到的頻譜無法獲其在各個時刻的頻譜特性。如果利用加窗的方法從語音流中取出其中一個片斷，再進行傅里葉變換，就可以得到該語音的短時譜。MATLAB 可以有效地實現濾波器的設計、分析和仿真，極大地減輕了工作量，有利于濾波器設計的最優化。利用 MATLAB 中的隨機函數產生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，并對其進行頻譜分析，設計一濾波器，并對被噪聲污染的語音信號進行濾波，對濾波前后信號進行時域分析。

四、語音信號的仿真實現

1.語音信號的采集

基于聲卡進行數字信號的采集，在 MATLAB 軟件平臺下可以利用函數 wavread對語音信號進行采樣，得到了相應的聲音數據變量。可以得知，在時域環境下，信號呈現出不規則的信號峰值。通過 freqz 函數給出原始語音信號的頻率響應。然后對語音信號進行頻譜分析，在 MATLAB 中可以利用函數 fft 對信號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜圖。

2.語音信號的分析

語音信號幅度值的變化一般用短時能量顯示，鑒于短時能量對高電平非常敏感，可以采用短時平均幅度用來表征語音信號能量大小。兩者的主要區別在于計算時取樣值的大小不同，但這些參數在處理時對取樣值都做平方處理，在一些應用上可能會帶來一些好處。

3.設計低通濾波器

在MATLAB中，設計濾波器的方法和函數較多，本文中是采用 butterworth 設計 FIR 低通濾波器，然后采用雙線性變換法設計成數字低通濾波器。

4.語音信號的處理和GUI界面的設計

在回聲和添加背景音樂語音特效處理后信號發生明顯變化，可以感受不一樣的聽覺效果。綜合以上，課題設計了GUI人機交互界面操作平臺，可以方便地實現對語音信號的采集分析和處理。

五、結語

通過用低通濾波器對原始信號進行濾波，對濾波前后的波形分析對比可知，總體可以恢復原始信號波形。濾波后的輸出波形明顯在對應時間幅度比原語音加噪聲信號的要小，而且濾波的效果也與濾波器的選擇有關，可以看出濾波器的性能差異以及參數的調節會對濾波器產生一定的影響，并且通過加入可以發現濾波前后的聲音有變化。但經過低通濾波器后，已很接近原來的聲音，人耳幾乎辨別不出。

參考文獻：

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