基于Matlab的语音信号预处理技术研究

摘 要 语音信号的预处理技术是语音信号进行计算机处理的必经环节。本文主要对语音信号预处理步骤、其中的关键技术进行阐述，并用Matlab进行仿真实验。本文的研究对于语音信号处理的研究人员具有一定借鉴意义。

【关键词】语音信号采集 语音信号分帧 语音信号预加重 语音信号加窗

声纹识别是生物特征识别技术的重要研究内容，在刑事侦查、法庭科学的司法鉴定中应用广泛。语音信号预处理技术是声纹识别技术的基础，是利用计算机处理语音信号的必经环节，预处理输出信号清晰与否直接影响着生物识别的结果。本文主要研究语音信号的预处理技术，并利用Matlab实现。主要内容如下：

1 语音信号处理技术的一般步骤

语音信号预处理的一般步骤如图1所示。

语音信号预处理的一般步骤可以分为信号采集、分帧、预加重、加窗等步骤。

2 语音信号采集

利用Windows的录音功能、CoolEdit软件、Matlab环境中的函数等可以实现语音信号的录制（采集）过程。

使用Matlab编写代码如下：

clear all；

close all；

a=wavread（'hnjcxy（man）.wav'）；

subplot（3，1，1），

plot（a）；title（'完整语音信号波形'）；

grid

for i=1：1500

b（i）=a（i+33500）；

end

subplot（3，1，2），

plot（b）；title（'开始语音信号波形'）；

grid

for i=1：1500

c（i）=a（i+106000）；

end

subplot（3，1，3），

plot（c）；title（'结束语音信号波形'）；

grid

图2所示为“河南警察学院”的信号波形图。图I为完整语音波形、图II、图III为语音起始及结束部分波形图。

3 语音信号分帧

语音信号属“非平稳信号”，其“均值”、“自相关”等函数随时间变化较大。但短时间内语音信号呈现平稳的频谱特性。所以，实际处理语音信号，往往将采用“分帧”的方法来实现。即：利用窗函数将语音信号分成较短的时间段（分帧），每个时间段称为一帧（一般长20ms）。往往以帧为单位处理语音信号。

4 预加重

为降低低频噪声干扰，需要对高频信号进行加重处理。将分帧后的语音信号通过高频滤波器，可实现语音信号的预加重。本文选择一阶高通滤波器“1-0.9375z-1”实现语音信号x的预加重操作。

5 加窗处理

对语音信号直接截短分帧会导致严重的“Gibbs效应”，通常采用对语音信号加窗函数的方式来处理这一问题。常见窗函数有：矩形窗、Hamming窗、Hanning窗等。窗函数公式如下述：

矩形窗：

汉明窗：

汉宁窗：

加窗matlab代码如下述（鉴于加矩形窗、汉明窗、汉宁窗代码基本相同，此处仅列出加汉宁窗函数信号代码）。

clear all；

close all；

a=wavread（'hnjcxy（man）.wav'）；

M=length（a）；

subplot（3，1，1），

plot（a）；title（'original signal'）；

grid

N=256；

k=0；

MM=floor（M/N）；

h=hanning（N）；

subplot（3，1，2），

plot（h）；title（'汉宁窗'）；

grid

for n=1：MM

for m=1：N

k=m+n*N；

b（k）=a（k）*h（m）；

end

end

subplot（3，1，3）

plot（b）；title（'加汉宁窗信号'）；

grid

加窗后信号如图3所示。

6 结论

本文主要对语音信号预处理步骤、其中的关键技术进行阐述，并用Matlab进行仿真实验。由于时间及水平有限，文章仍存在一些不足，拟在今后的工作中进行改进。

参考文献

[1]杨洪臣.视频检验技术规范[M].中国人民公安大学出版社，2012.

[2]王炳锡，屈丹等.实用语音识别基础[M].国防工业出版社，2005.

[3]韩纪庆，张磊，郑铁然.语音信号处理[M].清华大学出版社，2004.

[4]胡航.语音信号处理[M].清华大学出版社，2004.

[5]蔡妍.语音信号端点检测方法的研究[D].江南大学，2008.

[6]朱淑琴.语音识别系统关键技术研究[D].西安电子科技大学，2004.

作者单位

1.河南警察学院信息安全系 河南省郑州市 450002

2.湖北警官学院 湖北省武汉市 430000