基于MATLAB的语音信号采集和分析系统的可视化设计

第２２卷第６期　齐齐哈尔大学学报　Ｖｏ１．２２．Ｎｏ．６　２００６年１　１月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎｏｖ．，２００６　基于ＭＡＴＬＡＢ的语音信号采集和　分析系统的可视化设计　题原，张劲松　（齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔１６１００６）　摘要：没计和开发了一种基于ＭＡＴＬＡＢ的语音采集与分析的可视化系统，该系统通过Ｒｅａｈｅｋ　Ａｃ’９７型声卡和　ＭＡＴＬＡＢ的数据采集工具箱低成本地实现了语音信号的实时采集，并利用ＭＡＴＬＡＢ强大的数值计算和信号处理功　能高精度地完成了语音信号的分析］　作。系统还使用ＭＡＴＬＡＢ的图形用户界面设计工具进行了优化，通过简单的　对话框和菜单操作取代了复杂的程序修改和调试过程，使得系统的使用更加方便灵活。　关键词：语音信号；ＭＡＴＬＡＢ；采集与分析；图形用户界面　中图分类号：ＴＮ９１２Ｉ３　文献标识码：Ａ　・　文章编号：１００７—９８４Ｘ（２００６）０６—００４３－０４　语音信号的采集与分析技术是－－Ｉ＇－Ｊ涉及面很广的交叉科学，它的应用和发展与语音学、声音测量学、　电子测量技术以及数字信号处理等学科紧密联系。其中语音采集和分析仪器的小型化、智能化、数字化以　及多功能化的发展越来越快，分析速度较以往也有了大幅度的提高。但现在市场上一般的语音分析系统大　部分都是采用单片机或ＤＳＰ芯片的分析仪器，其价格昂贵、操作复杂，且个别仪器适用范围单一，仅能用　于特定的测量分析项目。　笔者设计的基于ＭＡＴＬＡＢ的语音信号采集与分析系统，通过声卡将声音传感器得到的模拟语音信号转　换成数字信号输入计算机，然后将输入计算机硬盘或内存中的数字化语音信号调入ＭＡＴＬＡＢ工作空间，利　用ＭＡＴＬＡＢ强大的数值计算与可视化功能，以及丰富的数字信号处理函数，可在ＭＡＴＬＡＢ环境下方便地　完成对语音信号的各种分析＿Ｔ作。　对于语音信号的采集而言，现阶段的声卡技术已经相当成熟，声卡已经具备了足够高的采样频率和量　化精度，且价格也比专业的数据采集卡便宜得多。因此用声卡作为语音信号的采集设备，不仅能满足信号　分析的要求，而且性价比也很高，即可以高精度、低成本地完成语音信号的实时采集与分析工作。　１语音信号采集子系统的设计　一般来说，人的听觉能感知的声音频率范围为２０～２００００Ｈｚ，在这一频率范围内可感知的声音强度为０～　１４０ｄＢ，其中人耳比较敏感的区域在５０～４０００Ｈｚ。因此，采集子系统的硬件参数可根据要分析的语音信号的　频率和强度来确定。　　、笔者设计的语音采集子系统是通过Ｒｅａｈｅｋ　Ａｃ’９７型声卡和ＭＡＴＬＡＢ的数据采集工具箱实现的。其中　Ｒｅａｌｔｅｋ　Ａｃ・９７犁声卡的采样位数为１６位，支持８～４４．１　ｋＨｚ的采样速率，可以满足语音采集的硬件要求。　ＭＡＴＬＡＢ自带的数据采集二Ｔ＝具箱（Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｔｏｏｌｂｏｘ）是为简化和加快数据采集工作而专门设计的，　提供了一整套专门用于数据采集的命令和函数，可用来直接控制与Ｐｃ机兼容的数据采集设备的采集全过　程。数据采集硬件设备的内部特性对ＭＡＴＬＡＢ的接Ｅｌ是完全透明的，通过调用ＭＡＴＬＡＢ函数和命令可对　其进行访问，并对其属性进行可视化监控，而且对于采集的数据既可以进行实时分析，也可在存储后再进　行处理，这样既方便了对实验测量数据的分析、比较和可视化操作，又提高了语音信号采集的质量和灵活　－收稿日期：２００６—０５—１７　基金项目：齐齐哈尔科技局科技项目（编号：ｏ４６＂ｏ７）　作者简介：题原（１９７９一），男，山东东阿县人，助教，大学本科，主要从事系统仿真、信号采集与分析等方面的研究，Ｅｍａｉｈｔｙ１００４＠１６３．ｃｏｒｎ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

齐齐哈尔大学学报　２００６年　性ｃ　・　‘　１．１硬件设备的安装　将声卡插入Ｐｃ机的ＰＣＩ插槽，安装好相应的驱动程序后，将声音传感器与声卡的模拟输入端连接起　来，注意模拟信号的引入应使用音频电缆或屏蔽电缆以减小干扰信号的弓１人。用户也可将音箱等语音信号　输出设备与声卡的模拟输出端连接起来，用于测试经ＭＡＴＬＡＢ函数处理后的语音信号。　１．２硬件设备的参数设置　采集系统的硬件设备连接完毕后，需在ＭＡＴＬＡＢ中为声卡生成一个操作对象，并初始化该操作对象建　立ＭＡＴＬＡＢ与声卡的通信。然后根据所配声卡的工作特性和语音信号分析的设计要求，设置相应的参数控　制声卡的数据采集过程。常用的参数包括声道数目、声卡的采样频率、采集样本的数目、　触发方式、重复　触发的次数、模拟信号输入输出范围、采样数据的存储方式、记录数据的文件名或变量名等，其中采样频　率是由声卡的物理特性决定的，用户应选择一个声卡所支持的采样频率。声卡包含左右两个声道，一当只添　加一个声道时，语音信号是以单声道的形式记录和播放，如果添加两个声道，语音信号则以立体声的形式　记录和播放。触发方式的作用是用来启动数据采集工作，包括直接触发（Ｉｍｍｅｄｉａｔｅ）、手动触发（Ｍａｎｕａ１）、　软件触发（Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏ采样数据的存储方式是指将采集的数据存储在内存或是磁盘文件中，其中保存在内　存中的数据变量是暂时的，而保存在磁盘文件中的数据是永久的，可以根据需要随时调入ＭＡＴＬＡＢ【的工作　空间进行数据处理。　１．３采集过程　配置好数据采集设备的参数后，使用ｓｔａ＿ｒｔ命令便可启动声卡开始语音信号的采集，采集过程按照图ｌ　所示的原理框图进行。采集到的数据被暂时存放在ＰＣ机韵内存里，理论上可采集的最大数据量是由ＰＣ机　的内存容量决定的，这一点相对于一般的数据采集系统而言有较强的优势。ＭＡＴＬＡＢ还可以记录采集过程　中出现错误，如出错的时间、错误产生的来源以及数据采集设备的状态等信息都会被记录下来作为以后工　作的参考。　‘　参数值、数据、事件　输入传感器（传声器）　数据采集设备（声卡）　输￡　传感器（音箱）　图ｌ数据采集原理框图　、需要注意的是执行完一次数据采集工作后应当删除设备对象，将内存中的数据存储在硬盘上，然后释　放数据存储所占用的内存空间，以备下一次采集能有足够的内存空间存储新的数据。语音信号采集亍系统　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　基于ＭＡＴＬＡＢ的语音信号采集和分析系统的可视化设计　。４５・　除了可以采集语音信号外，还可以原声播放录制的语音信息，并绘制相应的语音波形图。　２语音信号分析子系统的设计　－　语音信号处理包括语音通信、语音合成、语音识别和语音增强等方面，但其前提和基础是对语音信号　的分析．只有将语音信号分析成表示其本质特性的参数．才有可能利用这些参数进行高效的语音通信，建　立用于语音合成的语音库．以及构成用于语音识别的模板或知识库。因此语音信号分析的准确性和精度直　接决定着语音合成的音质和语音的识别率。　语音信号是一种短时平稳的随机信号，根据分析的参数不同，语音信号分析可分为时域、频域和倒谱　域等方法。笔者设计的语音信号分析子系统充分利用了ＭＡＴＬＡＢ强大的数值分析功能和丰富的数字信号处　理处理函数，应用多种时域和频域的分析方法，可准确地提取信号的短时能量、短时平均幅度、短时平均　过零率等重要的语音特征参数，还可以进行端点检测和中值滤波等语音信号的预处理，・并能方便的将分析　后的结果以图形的形式显示出来。　下面以笔者设计的“短时傅立叶变换”为例，说明语音信号分析子系统的性能。图２的左半部分为一　段语音信号的时域波形图，右半部分是与其对应的时一频分析谱图，横坐标为时间轴，纵坐标为频率轴。　在某个时刻频点信号的强度用颜色来表示，按照强度由低到高图形表示为暗蓝到暗红，这样可从图中清晰　地观察出语音频谱随时间的变化情况。　图２・短时博立叶变换　３系统的图形用户界面优化　图形用户界面是指由图形窗口、图形控　件、菜单条、对话框等各种图形对象组成的　用户界面，在这种界面下，用户只需在编辑　框输入对应的参数值或设置相关的属性，然　后点击按钮或激活菜单条命令，即可实现与　运行程序相同的功能，从而避免了在程序文　件中修改函数参数的烦琐操作。　语音信号采集与分析系统中的相关程序　可在ＭＡＴＬＡＢ的图形用户界面（ＧＵＩ）环境　下进行二次编程开发，利用ＭＡＴＬＡＢ的ＧＵＩ　编程环境提供的菜单、对话框、控件等图形　对象进行编辑，将这些图形对象与用户编写　的语音信号采集和分析的程序连接起来，在　图３语音信号采集与分析系统的数据采集窗［１　维普资讯 http://www.cqvip.com

齐齐哈尔大学学报　２００６年　系统运行时用户可以通过键盘或鼠标对这些图形对象进行操作，激活图形对象对应的源程序，实现语　音信号的采集与分析。　．　图３是语音信号采集与分析系统的数据采集窗１：３，用户可通过设置窗１：３中的采样时间、采样频率、声　道数目等参数值来控制声卡的采集状态。当点击图形窗１：３中的“绘制语音波形”按钮后，即可绘制采集语　音信号的时域波形图。　４结束语　笔者设计的基于ＭＡＴＬＡＢ的语音信号采集与分析系统充分利用了ＭＡＴＬＡＢ数据采集工具箱快捷的数　据采集功能、强大的数值计算和数字信号处理能力，并为系统开发了操作简单、界面友好的人机交互界面，　使得用户的操作更加方便、快捷。该系统在语音信号采集和分析的实际应用中取得了良好的效果，具有较　好的应用前景和发展潜力。　参考文献　［１］胡航．语音信号处理【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００２．　【２】林福宗．多媒体技术基础ｆＭ】．北京：清华大学出版社，２０００．　ｆ３】周渊，王炳和，刘斌胜．基于ＭＡＴＬＡＢ的噪声信号采集和分析系统的设计【Ｊ】．噪声控制．２００４（７）：５２－５４．　【４】何强，何英．ＭＡＴＬＡＢ扩展编程【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００２：２９３－２９６．　‘　‘　ＶｉｓｕａＩ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　．　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＭＡＴＬＡＢ　ＴＩ　Ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧ’Ｊｉｎ－ｓｏｎｇ　（Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅ．ｇｌｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｑｉｑｉｈａｒ　１６１００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｖｉｓｕａｌ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＭＡ　ＩＬＡＢ　ｉｓ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ａｇｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｈｅ　ｔｅａｒｌ—ｔｉｍｅ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｔ　ａ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｓｔ　ｂｙ　ｈｅ　ｔｓｏｕｎｄ　ｃａｒｄ　ｆ　ｏＲｅａｌｔｅｋ　Ａｃ‘７　ａｎｄ　ＭＡＴＬＡＢ‘Ｓ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｔｏｏｌｂｏｘ．ａｎｄ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｎａｌｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｈ　ｔｈｉ【ｓｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ＭＡ　ＩＬＡＢ’Ｓ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｎｄ　ａｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ’ａｂｉｌｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｂｙ　ＭＡＴＬＡＢ’Ｓ　ＧＵＩ，ｗｈｉｃｈ　ｔａｋｅｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｄｉｌｏｇ　ａｂｏｘ　ａｎｄ　ｍｅｎｕ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，　ｎｄ　ｍａｋｅｓ　ａｈｅ　ｔｕｓａｇｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｒｅ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｌｆｅｘｉｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌ；ＭＡＴＬＡＢ；ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ＧＵＩ　’