基于MATLAB的語音信號仿真與分析

杜海龍 黃池軍

（鄭州大學西亞斯國際學院，河南 鄭州 451150）

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[1]。 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[2]。 除了要對語音信號的本質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

課題使用麥克風錄取聲音， 通過聲卡轉換器進行格式轉換，然后得到MATLAB 環境下的.wav 文件。 在MATLAB 環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，結果如圖2 所示。 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。 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，頻譜明顯發生了變化，幅值明顯增大。 通過sound 函數可以聽到明顯的雜音，通過調整加噪聲的幅度值倍數大小可以改變原始語音和噪聲的比例， 實現各種效果的加噪。 圖5 和圖6 為分別設計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 低通的音質效果明顯提高，雜音減少。

4 語音信號的處理和GUI 界面的設計

回聲和添加背景音樂語音特效的處理結果如圖7 和圖8所示，處理前后信號發生明顯變化，通過sound 函數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，如圖9，可以方便地實現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 技術進行了特殊效果處理， 最后設計了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.數字信號處理教程—MATLAB 釋義與實現[M].北京:電子工業出版社，2003.

[2]劉敏，魏玲.MATLAB 通信仿真與應用[M].北京:國防工業出版社，2001.

[3]胡航.語音信號處理[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2000.

[4]李垚光，等.精通MATLABGUI 設計[M].北京:電子工業出版社，2008.