基于MATLAB的語音信號仿真與分析

杜海龍 黃池軍

（鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院，河南 鄭州 451150）

語音信號的仿真與處理技術(shù)一直以來都是很熱門的研究領(lǐng)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(shù)能夠取得進一步突破的重要基礎(chǔ)，必須有針對性地對語音信號做一個系統(tǒng)性分析[1]。 語音信號傳輸過程中會受到噪聲的干擾， 導(dǎo)致語音質(zhì)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[2]。 除了要對語音信號的本質(zhì)以及干擾進行分析之外，聲音特殊效果的處理仍具有重大的科研和生活意義[3，4]，例如電影中對聲音進行特效處理以達到某種特殊的效果。

1 語音信號的采集

課題使用麥克風(fēng)錄取聲音， 通過聲卡轉(zhuǎn)換器進行格式轉(zhuǎn)換，然后得到MATLAB 環(huán)境下的.wav 文件。 在MATLAB 環(huán)境下對原始語音信號進行了抽樣，并在時域和頻域進行了對比，結(jié)果如圖1 所示。

圖2 短時平均幅度

圖1 原始和抽樣后的信號時頻域分析

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，結(jié)果如圖2 所示。 兩者的主要區(qū)別在于計算時取樣值的大小不同，但這些參數(shù)在處理時對取樣值都做平方處理，在一些應(yīng)用上可能會帶來一些好處。 圖3 為語音信號的語譜圖。

3 語音信號的加噪和濾波處理

圖3 采集信號的語譜圖

圖4 語音信號添加噪聲之后的對比

圖5 FIR 濾波對比圖

圖6 IIR 濾波對比圖

圖4 為原始和加噪之后信號波形和頻譜對比，從圖中可以看到，加了噪聲之后的信號，頻譜明顯發(fā)生了變化，幅值明顯增大。 通過sound 函數(shù)可以聽到明顯的雜音，通過調(diào)整加噪聲的幅度值倍數(shù)大小可以改變原始語音和噪聲的比例， 實現(xiàn)各種效果的加噪。 圖5 和圖6 為分別設(shè)計FIR 和IIR 濾波器對加噪后的信號進行濾波分析的比較。在FIR 濾波中，濾波后的波形與加噪之前的很接近，語音信號變化不大，但仍存在雜音；在IIR 低通濾波中，可聽辨出明顯不同的濾波效果，較FIR 低通的音質(zhì)效果明顯提高，雜音減少。

4 語音信號的處理和GUI 界面的設(shè)計

回聲和添加背景音樂語音特效的處理結(jié)果如圖7 和圖8所示，處理前后信號發(fā)生明顯變化，通過sound 函數(shù)可以感受不一樣的聽覺效果。綜合以上，課題設(shè)計了GUI 人機交互界面操作平臺，如圖9，可以方便地實現(xiàn)對語音信號的采集分析和處理。

圖7 回聲特效

圖8 添加背景音樂

圖9 GUI 人機交互界面

5 結(jié)語

課題基于MATLAB 完成了對語音信號的仿真和處理，在時頻域方面進行了分析，通過人為添加噪聲和濾波進行分析，通過DSP 技術(shù)進行了特殊效果處理， 最后設(shè)計了GUI 界面對語音信號的各模塊處理功能進行了集成。

[1]陳懷琛.數(shù)字信號處理教程—MATLAB 釋義與實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]劉敏，魏玲.MATLAB 通信仿真與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2001.

[3]胡航.語音信號處理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]李垚光，等.精通MATLABGUI 設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.