语音信号处理
语音信号处理15.ppt
基音周期估值在语音信号处理应用中具有十分 重要的作用。本节介绍语音信号基音周期估值 最基本的两种方法：
基于短时自相关法的基音周期估值 基于短时平均幅度差函数法的基音周期 估值
1
3.6 基音周期估值
1. 基于短时自相关法的基音周期估值
语音的浊音信号具有准周期性，其自相关函 数在基音周期的整数倍处取最大值。计算两相邻 最大峰值间的距离，就可以估计出基音周期。
因此，可以通过计算短时平均幅度差函数中两相邻
谷值间的距离来进行基音周期估值。
这里使用修正的短时平均幅度差函数并加矩形窗，
得到：
N 1
rn (k) | x(n) x(n k) |, k 0,1, , N -1 (3.6-3)
n0
10
3.6 基音周期估值
图3.6-7 浊音信号的AMDF
11
3.6 基音周期估值
AMDF函数与短时自相关函数的不同是：
自相关函数进行基音周期估计时寻找的是最大峰值点的位置 AMDF寻找的是它的最小谷值点的位置
由于清音没有周期性，所以它的自相关函数和平均幅度差 函数均不具有准周期性的峰值或谷值。
12
基音周期估值的后处理
在提取基音时，无论采用哪种方法提取的基音频率 轨迹与真实的基音频率轨迹都不可能完全吻合。
图3.6-3 中心削波前后修正自相关函电平削波 为了克服短时自相关函数计算量大的问题，在中
心削波法的基础上，还可以采用三电平削波法，削波 函数如下式
1 f (x) 0
1
x xL xL x xL x xL
(3.6-2)
f(x)
1
-xL
O xL
x
-1
图3.6-4 三电平削波函数
语音信号处理
第一部分语音信号处理第一章·绪论一···考核知识点1·语音信号处理的基本概念2·语音信号处理的发展概况二···考核要点一·语音信号处理的基本概念1．识记：（1）语音信号对人类的重要性。
（2）数字语音的优点。
（3）语音学的基本概念。
（4）语音信号处理的应用领域。
二·语音信号处理的发展概况1.识记：（1）语音信号处理的发展历史。
（2）语音编码、语音合成、语音识别的基本概念。
语音编码技术是伴随着语音的数字化而产生的，目前主要应用在数字语音通信领域。
语音合成的目的是使计算机能象人一样说话说话，而语音识别使能够听懂人说的话。
第二章·基础知识一···考核知识点一·语音产生的过程二·语音信号的特性三·语音信号产生的数字模型四·人耳的听觉特性二···考核要求一·语音产生的过程1.识记：声音是一种波，能被人耳听到，振动频率在20Hz~20kHz之间。
自然界中包含各种各样的声音，而语音是声音的一种，它是由人的发音器官发出的，具有一定语法和意义的声音。
2.领会：（1）语音产生的过程与人类发声的基本原理。
（2）清音、浊音、共振峰的基本概念。
语音由声带震动或不经声带震动产生，其中由声带震动产生的音统称为浊音，而不由声带震动而产生的音统称为清音。
声道是一个分布参数系统，它是一个谐振腔，有许多谐振频率，称为共振峰，它是声道的重要声学特征。
二·语音信号的特性1.识记：（1）语音的物理性质，包括音质、音调、音强、音长等特性。
语音是人的发音器官发出的一种声波，具有声音的物理属性。
其中音质是一种声音区别于其它声音的基本特征。
音调就是声音的高低，取决于声波的频率：频率高则音调高，频率低则音调低。
响度就是声音的强弱，又称音量。
语音信号处理
语音信号处理语音信号处理是对语音信号进行分析、处理和合成的一种技术。
随着和语音识别技术的快速发展，语音信号处理变得越来越重要。
本文将详细介绍语音信号处理的基本概念、常用技术和应用领域。
基本概念语音信号是指人类通过声音来交流的方式。
语音信号通常采用模拟信号的形式，通过麦克风传感器转换为数字信号，然后使用数字信号处理技术进行分析和处理。
语音信号的特点包括频率、幅度和时域特性。
常用技术预处理语音信号预处理是指在进行语音信号分析和处理之前，对原始语音信号进行预处理以提取和增强感兴趣的特征。
常用的预处理技术包括去噪、滤波、降低共振、归一化等。
特征提取特征提取是从语音信号中提取有用信息的过程，目的是将语音信号转化为可以被机器学习算法处理的形式。
常用的特征包括声谱图、梅尔倒谱系数（MFCC）、线性预测编码（LPC）等。
语音识别语音识别是将语音信号转化为文字或命令的过程。
常用的语音识别技术包括基于模板的方法、隐马尔可夫模型（HMM）、深度学习等。
语音合成语音合成是将文字转化为语音信号的过程。
常用的语音合成技术包括基于拼接的方法、隐马尔可夫模型（HMM）、深度学习等。
应用领域语音信号处理在许多领域中起着重要作用，以下是几个主要应用领域的例子：语音识别系统语音识别系统可以用于实现语音自动接听、语音搜索等应用。
这些系统通过对输入语音信号进行处理和分析，将其转化为文字或命令。
语音合成系统语音合成系统可以将文字转化为语音，实现自动语音播报、电子书朗读等功能。
这些系统通过将输入文本处理和合成为语音信号。
声纹识别系统声纹识别系统通过对语音信号进行处理和分析，将其转化为声纹特征，用于实现语音身份认证等应用。
噪声抑制噪声抑制是指对含噪声的语音信号进行处理，去除噪声以提高语音信号的质量。
语音压缩语音压缩是将语音信号进行压缩，以减小存储空间和传输带宽的需求。
语音压缩技术可以用于语音通信、语音存档等应用。
语音信号处理是一项重要的技术，它在语音识别、语音合成和其他领域中有广泛的应用。
语音信号处理基本概念
语音信号处理是信号处理的一个分支，主要涉及语音的识别、理解、合成、增强和数据压缩等方面的内容。
语音信号处理的基本概念包括语音、音节、音素、元音、辅音、共振峰等。
语音是由一系列连续的音组成的声音，而音素是发音的最小片段，分为元音和辅音。
元音是声腔开放，辅音则是声腔受阻。
共振峰则是元音激励进入声道引起的共振特性。
语音信号处理还包括语音的识别和理解，其中语音识别是将待识别的语音信号的特征参数即时地提取出来，与已知的语音样本进行匹配，从而判定出待识别语音信号的音素属性。
语音理解是人和计算机用自然语言对话的理论和技术基础。
语音合成则是使计算机能够讲话的一种技术，需要研究清楚在发音时语音特征参数随时间的变化规律，然后利用适当的方法模拟发音的过程，合成为语言。
此外，语音信号处理还包括语音的增强、数据压缩等方面的内容，这些技术都有其特殊问题和应用场景。
语音信号处理技术及其应用
语音信号处理技术及其应用随着数字化的发展，语音信号处理技术得到了广泛的应用。
语音信号处理技术是指通过计算机算法对语音信号进行分析、识别、合成、增强等处理，以实现更优质的语音通讯。
它适用于语音识别、语音合成、音频处理等多个领域。
本文将从技术原理、应用场景和未来发展等方面介绍语音信号处理技术及其应用。
一、技术原理语音信号处理技术的核心是数字信号处理（DSP）以及人工智能技术的运用。
这是通过将语音信号转换成数字信号，并使用数学运算对其进行分析和处理。
数字化的语音信号可以进行复杂的算法运算，例如用人工神经网络的神经元进行模拟，使用深度学习对语音特征进行自动抽取和分类。
在数字转换过程中，语音信号的采样率和量化精度是至关重要的因素。
采样率是指在时间轴上每秒对信号进行采样的次数，量化精度是信号采样后，将信号按照离散级别进行编码所用的量化位数。
一般来说，采样率越高和量化精度越高，语音信号精度越高，但对存储和计算机性能的要求也更高。
二、应用场景语音信号处理技术已经在多个领域广泛应用。
以下是一些主要的应用场景。
1、语音识别语音识别是一种将语音信号转换成文字信息的技术。
它可以应用于语音输入、语音控制和语音翻译等场景。
其核心是通过语音信号分析，确定语音信号中的语音特征，并将特征与预先定义好的语音模型进行匹配，从而确定最终的文本。
2、语音合成语音合成技术可以将文本信息转化为语音信号，实现对多种语音输出的合成。
这个技术可以应用于机器人、语音广告、智能音箱等领域。
3、音频处理音频处理技术是指将语音信号的音调、音色、消噪等进行处理，以增强音质。
这个技术可以应用于音频处理软件、音频设备、通信设备、安全监控等领域。
三、未来展望随着人工智能技术的快速发展，语音信号处理技术将有更广阔的应用前景。
大量的数据可用于改进语音识别和语音合成算法。
随着物联网的普及，许多设备和智能家居将应用语音识别和语音合成技术，方便人们的生活。
此外，语音信号处理技术还可以应用于语音情感识别、语音指纹识别等领域。
第3讲语音信号处理第3
其中，
xn (m) (m)x(n m), (0 k K )
(m)
1, 0,
m 0 ~ (N 1) m 其它值
x'n (m) '(m)x(n m), (0 k N 1 K)
'
(m)
1, 0,
m 0 ~ (N 1 K) m 其它值
2．修正的短时自相关函数
图3-7 修正短时自相关函数计算中窗口长度的说明
N 1
M n xn (m) m0
❖ Mn也是一帧语音信号能量大小的表征，它与En的区别在于 计算时小取样值和大取样值不会因取平方而造成较大差异， 在某些应用领域中会带来一些好处。
短时过零率分析
❖ 短时过零率表示一帧语音中语音信号波形穿过横轴(零电平) 的次数。过零分析是语音时域分析中最简单的一种。对于连 续语音信号，过零即意味着时域波形通过时间轴；而对于离 散信号，如果相邻的取样值改变符号则称为过零。过零率就 是样本改变符号的次数。
3.1 概述
❖ 语音信号分析 分析出可表示语音信号特征参数
进行高效的语音通信、语音合成和语音识别的基础 时域特征 频率特征
❖ 短时分析技术：贯穿于语音分析全过程 语音信号从整体来看其特征及表征其本质特征的参数均是
随时间而变化的，所以它是一个非平衡态过程，不能用处理 平衡信号的数字信号处理技术对其进行分析处理。
(m)
1, 0,
m 0 ~ (N 1) m 其它值
❖ 其中，n=0,1T,2T,…,并且N为帧长，T为帧移长度。
❖ 设第n帧语音信号xn(m)的短时能量用En表示，则其计算公 式如下：
N 1
En xn2 (m) m0
短时能量及短时平均幅度分析
❖ En是一个度量语音信号幅度值变化的函数，但它有一个缺陷， 即它对高电平非常敏感（因为它计算时用的是信号的平方)。 为此，可采用另一个度量语音信号幅度值变化的函数，即短 时平均幅度函数Mn，它定义为：
语音信号处理的基本步骤
语音信号处理的基本步骤语音信号处理的基本步骤包括以下五步：1. 预处理：这一步主要包括滤波、放大和增益控制、反混叠滤波等，目的是消除工频信号的干扰，提升高频部分，并进行适当的放大和增益控制。
2. 数字化：将模拟信号转换为数字信号，便于计算机处理。
3. 特征提取：对数字化的信号进行分析，提取出反映语音信息的特征参数。
4. 语音识别或语音编码：根据不同的处理目的，选择相应的处理方法。
语音识别主要分为识别和训练阶段；语音编码则是将语音进行压缩编码和解压。
5. 信息提取和使用：这是由听者或机器自动完成的一步，从处理后的信号中提取出有用的信息。
这些步骤的正确性和重要性各不相同，需要根据实际应用的需求来选择合适的步骤和算法。
在实际应用中，还需要注意以下几个方面：1. 实时性：语音信号处理需要在有限的时间内完成，以满足实时通信和语音识别的需求。
因此，需要选择高效的算法和实现优化的软件。
2. 稳定性：语音信号处理的结果需要具有稳定性，即对于相同的输入，处理结果应该相同。
这需要选择稳定的算法和参数，并注意避免随机噪声和其他干扰的影响。
3. 泛化性：对于语音识别等任务，处理后的结果需要具有一定的泛化性，即对于不同的说话人和不同的语音环境，处理结果应该具有较好的一致性和准确性。
这需要选择泛化性较强的算法和模型，并注意收集和处理大量的语音数据。
4. 鲁棒性：语音信号处理系统需要具有一定的鲁棒性，即对于不同的语音信号和不同的环境噪声，系统应该能够适应并保持良好的性能。
这需要选择鲁棒性较强的算法和模型，并注意进行充分的测试和评估。
总之，语音信号处理的基本步骤需要根据实际应用的需求来选择合适的步骤和算法，同时需要注意实时性、稳定性、泛化性和鲁棒性等方面的问题。
语音信号处理与语音识别
语音信号处理与语音识别语音信号处理是指将人耳所能接收的声音转换成数字形式，以便计算机等电子设备进行处理和利用的技术。
而语音识别则是指利用计算机对人类语言进行分析和理解，识别出说话人所说的词语或句子，并将之转换成可读性高的文字或其他形式的记录。
语音信号处理的主要工作包括语音信号预处理、特征提取和语音合成。
其中语音信号预处理是指对声音信号做去噪、滤波等一系列信号处理操作，以消除噪声、增强信号的质量。
特征提取则是将语音信号转换成许多和声音属性相关的数字形式，通常使用的有梅尔频率倒谱系数（MFCC）和线性预测系数（LPC）。
语音合成则是将数字信号转换成声音信号，使计算机能够输出可听的语音。
在语音识别方面，主要分为模板匹配法和统计模型法。
在模板匹配法中，需要事先存储好一些可能说话人所说的单词或句子，然后将输入的语音信号与存储的模板信号进行比对，找到最接近的匹配。
而在统计模型法中，则需要先建立起声学模型和语言模型两个模型，再将语音信号与这两个模型进行比对，找到最大概率的匹配结果。
语音识别技术的应用非常广泛，在人机交互、智能音箱、虚拟助手、语音搜索、自动翻译等领域都有涉及。
其中，智能音箱的快速普及，也推动了语音识别技术的迅速发展。
通过智能音箱，用户可以通过语音指令，控制智能家居、播放音乐、查询资讯等各种操作，大大提高了生活效率。
然而，语音识别技术尚存在一些问题，如与语言环境有关的识别误差、单词或句子之间的连音，以及说话人性别、年龄等个体差异所带来的问题等。
综上所述，语音信号处理和语音识别技术正逐渐成为人类与计算机交互的常规方式。
它们的发展不仅能够提高生产效率和方便生活，同时也带来了更多领域的拓展和创新。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
信号分析与处理课程设计———语音信号处理姓名学号专业指导教师设计日期1 引言MATLAB是美国Math Works公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式计算软件。
它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合在一个简单易用的交互式工作环境中，是一款数据分析和处理功能都非常强大的工程实用软件。
本文介绍了用MATLAB处理音频信号的基本流程，并以实例形式列出了常用音频处理技术实现程序。
2 MATLAB处理音频信号的流程分析和处理音频信号，首先要对声音信号进行采集，MATLAB数据采集工具箱提供了一整套命令和函数，通过调用这些函数和命令,可直接控制声卡进行数据采集[1]。
Windows自带的录音机程序也可驱动声卡来采集语音信号，并能保存为WAV格式文件，供MATLAB相关函数直接读取、写入或播放。
本文以WAV格式音频信号作为分析处理的输入数据，用MATLAB处理音频信号的基本流程是：先将WAV格式音频信号经wavread 函数转换成MATLAB列数组变量；再用MATLAB 强大的运算能力进行数据分析和处理，如时域分析、频域分析、数字滤波、信号合成、信号变换、识别和增强等等；处理后的数据如是音频数据，则可用wavwrite 转换成WAV格式文件或用sound、wavplay等函数直接回放。
下面分别介绍MATLAB在音量标准化、声道分离合并与组合、数字滤波、数据转换等音频信号处理方面的技术实现。
4系统初步流程图图2.2 信号调整信号的滤波采用了四种滤波方式，来观察各种滤波性能的优缺点：图2.3 语音信号滤波的方式在以上三图中，可以看到整个语音信号处理系统的流程大概分为三步，首先要读入待处理的语音信号，然后进行语音信号的处理，包括信息的提取、幅度和频率的变换以及语音信号的傅里叶变换、滤波等；滤波又包括低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波等方式。
最后对处理过的语音信号进行处理后的效果显示。
以上是本系统的工作流程，本文将从语音信号的采集开始做详细介绍。
3 音量标准化录制声音过程中需对声音电平进行量化处理，最理想的量化是最大电平对应最高量化比特，但实际却很难做到，常有音轻问题。
利用MATLAB很容易实现音量标准化，即最大电平对应最高量化比特。
基本步骤是：先用wavread函数将WAV文件转换成列数组变量；再求出数组变量的极值并对所有元素作归一化处理；最后用wavwrite函数还原成音量标准化的WAV文件。
程序如下： clear; close all; clc;[Y,FS,NBITS]=wavread('xp.wav'); % 将WAV文件转换成变量FS, NBITS % 显示采样频率和量化比特Ym=max(max(max(Y)),max(abs(min(Y)))); % 找出双声道极值X=Y/Ym; % 归一化处理wavwrite(X,FS,NBITS,'xps.wav'); % 将变量转换成WAV文件结果显示：4 声道分离合并与组合立体声或双声道音频信号有左右两个声道，利用MATLAB实现双声道分离、两路声道合并和两个单声道组合成一个双声道等效果，实际上是利用了MATLAB 的矩阵抽取、矩阵相加和矩阵重组运算。
以xps.wav为例，实现分离、合并和组合处理的程序如下：clear; close all; clc;[x,FS,NBITS]=wavread('xps.wav'); % 将WAV文件转换成变量x1=x(:,1); % 抽取第1声道x2=x(:,2); % 抽取第2声道wavwrite(x1,FS,NBITS,'xps1.wav'); % 实现1声道分离wavwrite(x2,FS,NBITS,'xps2.wav'); % 实现2声道分离%如果合并位置不对前面补0 --声道长度不对后面补0x12=x1+x2; % 两路单声道列向量矩阵变量合并x12m=max(max(x12),abs(min(x12))), % 找出极值y12=x12./x12m; % 归一化处理wavwrite(y12,FS,NBITS,'xps12.wav'); % 实现两路声道合并%如果组合位置不对前面补0 --声道长度不对后面补0x3=[x1,x2]; % 两路单声道变量组合wavwrite(x3,FS,NBITS,'xps3.wav'); % 实现两路声道组合可以试听声道分离、合并与组合的效果，也可对各文件大小进行比较效果显示：5 数字滤波数字滤波是常用的音频处理技术。
可根据技术指标，先利用FDATool工具，设计一个数字滤波器[2]，再用Filter或Filter2函数即可实现滤波处理。
调用的Filter函数格式是：Y = filte (B,A,X) 。
其中，B和A是滤波器传输函数的分子和分母系数，X是输入变量，Y是实现滤波后的输出变量。
如果处理立体声音频信号，可分开处理，但用FIR滤波器时调用Filter2函数更方便。
现以xps12.wav为例，实现数字滤波的程序如下：clear; close all; clc;[X,FS,NBITS]=wavread('xps12.wav'); % 将WAV文件转换成变量%利用FDATool设计一个LowpassButterworth滤波器%指标FS=22050Hz, Fp=1000Hz, Ap=1dB, Fs=3000Hz, As=20dBB =[0.0062,0.0187,0.0187,0.0062]; % 分子系数A =[1,-2.1706,1.6517,-0.4312]; % 分母系数Y=filter(B,A,X); % 实现数字滤波t=(0:length(X)-1)/FS; % 计算数据时刻subplot(2,2,1);plot(t,X); % 绘制原波形图title('原信号波形图'); % 加标题subplot(2,2,3);plot(t,Y); % 绘制滤波波形图title('滤波后波形图'); % 加标题xf=fft(X); % 作傅里叶变换求原频谱yf=fft(Y); % 作傅里叶变换求滤波后频谱fm=3000*length(xf)/FS; % 确定绘频谱图的上限频率f=(0:fm)*FS/length(xf); % 确定绘频谱图的频率刻度subplot(2,2,2);plot(f,abs(xf(1:length(f)))); % 绘制原波形频谱图title('原信号频谱图'); % 加标题subplot(2,2,4);plot(f,abs(yf(1:length(f)))); % 绘制滤波后频谱图title('滤波后信号频谱图'); % 加标题wavwrite(Y,FS,NBITS,'xps12t.wav'); % 写成WAV文件程序运行结果如图1所示。
由图可知，滤波对波形影响不大，但对高频有较大衰减。
试听会感觉到处理后的声音比较沉闷。
效果显示为：6 数据转换数据转换是指改变音频格式中的采样频率或量化位数。
转换原理是：先用矩阵插值或抽取技术实现变量变换，如果是抽取数据还需在变换前作滤波处理使之满足采样定理；变量变换完成后再用Wavwrite函数重新定义量化位数和采样频率即可实现数据转换。
数据转换过程中，要注意采样频率与原始采样频率及插值或抽取系数的关系。
MATLAB实现插值或抽取的函数有decimate、interp和resample，具体应用可参考有关文献[3]。
这果以2倍抽取为例，将例3中经过滤波后产生的xps12t.wav文件进行数据转换处理。
具体程序如下：clear; close all; clc;[x,FS,NBITS]=wavread('xps12t.wav');% 将WAV文件转换成变量N=length(x); % 计算数据点数% 不是偶数点化成偶数点if mod(N,2)==0; N=N; else x(N)=[]; N=N-1; end;% 原信号波形频谱分析tx=(0:N-1)/FS; % 计算原信号数据点时刻subplot(3,2,1);plot(tx,x); % 绘制原信号波形title('原信号波形图'); % 加标题xf=fft(x); % 求原信号频谱fx=(0:N/2)*FS/N; % 确定频谱图频率刻度subplot(3,2,2);plot(fx,abs(xf(1:N/2+1))); % 绘制原信号频谱title('原信号频谱图'); % 加标题% 实现数据抽取k=[1:N/2]; % 确定抽取位置y=x(2*k); % 实现抽取后的数据M=length(y); % 计算抽取后数据点数% 抽取数据在原采样频率FS下的波形频谱分析ty=(0:M-1)/FS; % 计算数据点时刻subplot(3,2,3);plot(ty,y); % 绘制信号波形图title('原采样率下新波形图'); % 加标题yf=fft(y); % 求频谱fy=(0:M/2)*FS/M; % 确定频谱图频率刻度subplot(3,2,4);plot(fy,abs(yf(1:M/2+1))); % 绘制频谱图title('原采样率下新频谱图'); % 加标题% 抽取数据在FS/2采样频率下的波形频谱分析tz=(0:M-1)/(FS/2); % 计算数据点时刻subplot(3,2,5);plot(tz,y); % 绘制信号波形图title('新采样率下新波形图'); % 加标题fz=(0:M/2)*(FS/2)/M; % 确定频谱图频率刻度subplot(3,2,6);plot(fz,abs(yf(1:M/2+1))); % 绘制频谱图title('新采样率下新频谱图'); % 加标题% 实现数据转换wavwrite(y,FS/2,NBITS,'xps12a.wav'); % 音频格式PCM 11025Hz 16位wavwrite(y,FS/2,NBITS/2,'xps12b.wav'); % 音频格式PCM 11025Hz 8位运行程序，在得到的图形窗口中，执行Edit/Axes Properties…命令，再把各分图下X标签中的Limits设为0、0.01和0、1000，得到0—0.01秒的波形和0—1000Hz的频谱如图2所示。
由图可知，在满足采样定律条件下，实现数据抽取，在原采样率下波形变密、频谱变宽且幅度减半，但在新采样率下波形和频谱都很好。