数字语音信号处理实验指导书

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1、数字语音信号处理实验指导书中原工学院电子信息学院2011年3月、》—＞一刖吕语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科，是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术Z—。通过语音传递信息是人类最垂要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。同时，语言也是人与机器Z间进行通信的重要工具，它是一种理想的人机通信方式，因而可为信息处理系统建立良好的人机交互环境，进一步推动计算机和其他押能机器的应用，提高社会的信息化程度。语音信号处理是一门新兴的学科，同时又是综合性的

2、多学科领域和涉及血很广的交叉学科。虽然从事这一领域研究的人员主要来自信号与信息处理及计算机应用等学科，但是它与语音学、语言学、声学、认知科学、生理学、心理学等许多学科也有非常密切的联系。20世纪60年代中期形成的-•系列数字信号处理的理论和算法，如数字滤波器、快速傅立叶变换（FFT）等是语音信号数字处理的理论和技术基础。随着信息科学技术的飞速发展,语音信号处理取得了重大的进展：进入70年代Z后，捉出了用于语音信号的信息压缩和特征提取的线性预测技术（LPC）,并已成为语音信号处理最强有力的工具，广

3、泛应用于语音信号的分析、介成及各个应用领域，以及用于输入语音与参考样木Z间时间匹配的动态规划方法；80年代初一种新的基于聚类分析的高效数据压缩技术一矢量量化（VQ）应用于语音信号处理中；而用隐马尔可夫模型（HMM）描述语音信号过程的产生是80年代语音信号处理技术的重大发展，目前HMM己构成了现代语音识别研究的重要基石。近年來人工神经网络（ANN）的研究取得了迅速发展，语音信号处理的各项课题是促进其发展的重要动力同时，它的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术Z屮。为了深入理解语音信号数字处理

4、的基础理论、算法原理、研究方法和难点，根据数字语音信号处理教学大纲，结合课程建设的需求，我们编写了本实验参考书。本本参考书针対教学大纲规定的四个研究设计型实验，每个实验给出了参考程序，目的是起一个抛砖引玉的作用，学生在学习过程中，可以针对某一个实验进行延仲的创新学习，比如说，语音端点的检测、语音共振峰提取、基于HMM或DTW的有限词汇或大词汇的特定人、非特定人的语音识别、识别率的提高（如何提髙有噪环境下的识别率）、以及编码问题等，同时在学习中还可深入思考如何将有关的方法在恢入式系统或DSP卜•的

5、实现问题等。实验一基于MATLAB分析语音信号频域特征一、实验目的信号的傅立叶表示在信号的分析与处理中起着重耍的作用。因为对于线性系统来说，nJ'以很方便地确定其対止弦或复指数和的响应，所以傅立叶分析方法能完善地解决许多信号分析和处理问题。另外，傅立叶表示使信号的某些特性变得更明显，因此，它能更深入地说明信号的各项物理现象。由于语音信号是随着时间变化的，通常认为，语音是一个受准周期脉冲或随机噪声源激励的线性系统的输出。输出频谱是声道系统频率响应与激励源频谱的乘积。声道系统的频率响应及激励源都是随

6、时间变化的，因此一般标准的傅立叶表示虽然适用丁•周期及平稳随机信号的表示，但不能直接用于语音信号。由于语音信号可以认为在短时间内，近似不变，因而可以采用短时分析法。本实验要求掌握傅里叶分析原理，会利用己学的知识，编写程序估计短时谱、倒谱，画出语谱图，并分析实验结果，在此基础上，借助频域分析方法所求得的参数分析语音信号的基音周期或共振峰。二、实验原理1、短时傅立叶变换由于语音信号是短时平稳的随机信号，某一语音信号帧的短时傅立叶变换的定义为：00Xn(ejw)=工(1.1)其中w(n-m)是实窗口函

7、数序列，n表示某一语音信号帧。令n-m=k',则得到00Xn(ejw)=工w伙"(〃_疋0问"2宀〜(1.2)于是可以得到8Xn(ejw)=e-jwnYw(k)x(n-k)ejwkj(1.3)假定则可以得到8k=-gXtejw)=e-jwtlXn(ejw)(1.4)(1.5)同样，不同的窗口函数，将得到不同的傅立叶变换式的结果。山上式可见，短时傅立叶变换有两个变fl：n和co,所以它既是时序n的离散函数，又是角频率co的连续函数。与离散傅立叶变换逼近傅立叶变换一样，如令C9=27Tk/N,则得

8、离散的短时傅立叶吧如下：8工x(m)w(n-m)e-j2MN9(0