语音信号处理(电气与电子工程学院)

四、实验条件
计算机、高分辨麦克、matlab 及相关软件。 五、实验步骤
可以使用已有工作空间文件也可以自己录制一段语音（录制方法见附加内容）
1、听一下 we_be10k（可用 sound） 2、使用函数 specgram_ex3p19.显示语谱图和语音波形。对比调用参数窗长 20ms （200 点）、帧间隔 1ms（10 点）和参数窗长 5ms（50 点）、帧间隔 1ms（10 点）； 再对比窗长>20ms 或小于 5ms，以及帧间隔>1ms 时的语谱图说明宽带语谱图、窄 带语谱图与时频分辨率的关系及如何得到时频折中。
1-3
在自相关法中
1-1，1-3 变为
P
∑αk rn [i − k ] = rn [i − 0],i = 1, 2,3,...p
k =1
1-4
P
En = Rn [0] − ∑αk Rn [k ]
k =1
1-5
由 1-4 可列出方程组 1-6
⎛ ⎜ ⎜
Rn Rn
[0] [1]
Rn [1] Rn [0]
图2
图3
7
采用 MATLAB 中的录音函数 wavrecord（）进行语音信号的录制。同样，选 择三种频率不同的采样率对同一语音信号进行采样，试听回放效果，进行比较。
二、实验涉及的 MATLAB 子函数 Wavrecord 功能：录制语音 调用格式： filename=wavrecord(N, fs, ‘dtype’);录制一段 N/fs 秒长度的语音信号，采样率为 fs Hz，缺省值为 11025Hz，dtype 是录制声音的数据类型。具体可通过 help wavrecord 命令查阅。 y=wavrecord(N, fs, ch)；与上面语句不同的是最后一个参数，ch 是指录音的声 道，ch 为 1 是单声道，ch 为 2 是双声道。 Wavread 功能：把数据文件的声音数据赋给变量 x。 【x，fs，bits】=wavread（’filename’）;把数据文件的声音数据赋给变量 x，同 时把 x 的采样频率 fs 和数据的位数 bits 放进 MATLAB 的工作空间。 Sound 功能：将变量 x 的数据转换成 MATLAB 的数据文件保存。 调用格式： Sound（x，fs，bits）； Save 功能：将变量 x 的数据转换成 MATLAB 的数据文件保存。 调用格式： Save‘filename’x；将数据转换成文件名与‘filename’相同，扩展名为.mat 的数据并保存，以便用 MATLAB 的各种工具进行处理。
实际上是一种三维频谱，即同时在时间和频率上显示出语音的特性，或者说是一
种动态的频谱。 窄带语谱图可以得到较好的频域分辨率（即以较窄的频域间隔
观察频域上的正弦波成分），窗长通常为至少两个基音周期的“长窗”；而宽带语
谱图可以给出较好的时域分辨率（即以较窄的时域间隔观察时域波动），窗长为小
于一个基音周期的“短窗”。
⎢M ⎣⎢⎢α p
⎥ ⎥ ⎦⎥
⎛ ⎜ ⎜
Rn Rn
[1] [2]
=
⎜ ⎜
Rn
[3]
⎜ ⎜
M
⎜⎝ Rn [ p]
⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠
1-6
解方程组 1-6 求出线性预测系数，通过误差 1-5 可求出增益 G
P
∑ G2 = En = Rn [0] − αk Rn [k ]
k =1
1-7
9
四、实验条件 计算机、高分辨麦克、matlab 及相关软件。
1、对浊音进行短时谱分析，更好地理解语音信号的短时性和谱特性。 2、设计高通和低通滤波器，用其对实验语音进行处理，直观进行对比。 三、实验原理、方法和手段 语音信号的时域分析和频域分析是语音分析的两种重要方法，但这两种方法 都有局限性，时域分析不能表现语音信号的频率特性，而频域特性中又没有语音 信号随时间的变化关系，所以我们研究了语音的时间依赖于傅里叶分析的方法， 这种时间依赖于傅里叶分析的显示图形称为语谱图。语谱图中显示了大量的与语 音的语句特性有关的信息，它综合了频谱图和时域波形的优点，明显地显示出语 音频谱随时间的变化情况，语谱图是一种三维频谱，即同时在时间和频率上显示 出语音的特性，是一种动态的频谱。 语谱图表示语音频谱随时间的变化的图形，其纵轴为频率，横轴为时间。任一给 定频率成分在给定时刻的强弱用相应点的黑白度即色调的浓淡来表示，频谱值大 则记录的浓黑一些，小的则记录的浅淡一些。 周期性声门波可表示为：u[n]= g[n]* p[n] 其中 g[n]是声门波的单周期的波形，p[n]是间隔为 P 的周期采样序列。当 u[n]通过 线 性 非 时 变 声 道 ， 且 该 声 道 的 单 位 冲 击 响 应 为 h[n] 时 ， 声 道 输 出 为 ： x[n]=h[n]*(g[n]*p[n])
H (w) =
G
P
∑ 1− αk e− jwk
k =1
4、改变极点个数（>=6）并得到其对数幅度谱，与上边两频谱进行对比,说明 lpc
谱估计的特点，即其与极点个数的关系。
六、思考题
1、是否极点越多 LPC 效果越好？
2、对自己录制的语音应如何选取浊音段，并设置相应的实验参数？
七、实验报告
1、实验预习：预习实验内容及补充内容，可进一步查询相关资料。
3、生成高通和低通滤波器，观察其频谱；对语音信号 we_be 进行滤波，听一下对 比其效果。
六、思考题
1、实验中的窗长参数的选择的依据及产生结果？ 2、对自己录制的语音应如何选取浊音段，并设置相应的实验参数？ 七、实验报告
5
1、实验预习：预习实验内容及补充内容，可进一步查询相关资料。 2、实验记录：窗长不同时的语谱图（至少宽带和窄带各 1 个） 3、实验报告：分析实验结果并回答思考题 八、其它说明 补充内容： 一、语音信号采集 实验目的 根据已经学过的数字信号处理及 MATLAB 的有关知识，借助计算机提供的硬 件和 Windows 操作系统，进行信号分析与处理方面综合应用能力的练习。 自行查阅有关资料并进行设计实验，录制一段语音信号。 通过本实验了解计算机存储信号的方式及语音信号的特点，进一步加深对采 样信号的理解。 实验原理 由于语音信号是一种连续变化的模拟信号，而计算机只能处理和记录二进制 的数字信号，由自然音而得到的音频信号必须经过采样，量化和编码，变成二进 制数据后才能送到计算机进行再编辑和存储。语音信号输出时，则与上述过程相 反。 用计算机的声音编辑工具进行语音信号的录制时，已经利用了计算机上的 A/D 转换器，将模拟的声音信号变成了离散的量化了的数字信号。 把这段语音信号以数据的形式存储起来，可以得到以.wav 作为扩展名的文件。 Wav 是 Windows 下通用的数字音频文件标准。其数据格式为二进制码，编码方式 为 PCM（脉冲编码调制）。其采样速率从 8kHz 到 48kHz，通常三个标准的采样频 率分别为 44.1kHz，22.05kHz，11.025kHz。量化等级有 8 位和 16 位两种，且分为 单声道和立体声，使用时可根据需要进行选择。 放音时，量化了的数字信号又通过 D/A 转换器，把保存起来的数字数据恢复 成原来的模拟的语音信号。 实验内容 用计算机的声音编辑工具录制一段语音信号，生成点.wav 文件。录制的语音 信号可以由话筒输入，也可以由 CD 输入。 *提示 计算机声音编辑工具的使用方法是：在 Windows 操作系统下点击【开
为了观察一段语音，需要将声道输出乘以一个以时刻τ 为中心的窗函数 w[n,τ ] ，即 得到 x[n,τ ] = w[n,τ ]{h[n]* (g[n]* p[n])}
4
这段语音信号的频域表达式为：
∑ X (w,τ )
=
1 p
W
(w,τ
)
⊗
[
H
(
w)G
(
w)
k
∞ =−∞
δ
(w
−
wk
)]
∑ =
1 p
2
问题的能力。 本指导书注重实际动手能力的培养并能用所学理论联系实际，适用
高职类计算机、电信等相关专业。
3
实验_一_：显示语音信号的语谱图
实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：必修
一、实验目的 综合信号频谱分析和滤波器功能，对语音信号的频谱进行分析，并对信号含
进行高通、低通滤波，实现信号特定处理功能。加深信号处理理论在语音信号中 的应用；理解语谱图与时频分辨率的关系。 二、实验内容
五、实验步骤 实验数据为 Ex5M1.mat 中的浊音语音信号 speech1_10k（10000 样点/秒） 实验要求： 1、用 25ms 的汉明窗对语音信号 speech1_10k 进行加窗处理，并画出所得到的加窗 信号的自相关函数。 2、用 4 个极点描述声道特性，利用在 1 处得到的部分结果建立自相关矩阵 Rn。 通过矩阵求逆解出线性预测系数。 3、画处得到的如下模型的频率相应的对数幅度谱：
《 语音信号处理》
实验指导书
梁欣涛 编 写 ××× 审 核
适用专业：_电子信息工程 ____________ ____________
哈尔理工大学 电气与电子工程学院
_______实验中心 年月
1
前言
本课程的基本内容包括语音信号概述、语音信号的时域分析方法、 语音信号频域分析方法、语音信号同态滤波、语音信号线性预测分析、 语音信号矢量量化分析，通过学习学生需要掌握语音信号发展概述， 语音信号处理的核心技术发展，语音信号应用领域以及时域与频域分 析的一般参数。。
Rn [2] L Rn [ p −1] Rn [1] L Rn [ p − 2]
⎜ ⎜
Rn
[
2]
Rn [1]
Rn [0] L Rn [ p − 3]
⎜ ⎜
M
M
ML M
⎜⎝ Rn [ p −1] Rn [ p − 2] Rn [ p − 3]L Rn [0]