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(河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453007)

【摘　要】本文采用FFT和戈澤爾算法對(duì)計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生雙音多頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；并基于短時(shí)能量和過(guò)零率,分割一串語(yǔ)音信號(hào)；考慮到錄制信號(hào)含有噪聲,提出將雙聲道合并成單聲道,進(jìn)而增強(qiáng)了語(yǔ)音,同時(shí),設(shè)計(jì)出高低群雙邊帶帶通濾波器,得到了就很好的檢測(cè)效果,使得兩種算法也更好的適應(yīng)于含噪信號(hào)的檢測(cè).

【關(guān)鍵詞】DTMF；FFT單聲道；戈澤爾算法；高低群雙邊帶帶通濾波器

作者簡(jiǎn)介：劉曉芳(1991.02—),女,河南周口人,本科,河南師范大學(xué),信號(hào)處理專業(yè).

馮克遷(1992.06—),男,河南濟(jì)源人,本科,河南師范大學(xué),信號(hào)處理專業(yè).

0　引言

DTMF信號(hào)系統(tǒng)是一個(gè)典型的小型信號(hào)處理系統(tǒng),它要用數(shù)字方法產(chǎn)生模擬信號(hào)并進(jìn)行傳輸,其中還用到了D/A變換器,在接收端用A/D變換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理與識(shí)別.對(duì)DTMF信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)是DTMF技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵,一般的文獻(xiàn)中也只給出了計(jì)算機(jī)模擬的DTMF信號(hào)的檢測(cè)[1].本文用FFT算法和戈澤爾算法分別分析了計(jì)算機(jī)模擬下的DTMF信號(hào)的檢測(cè)；并設(shè)計(jì)雙邊帶的帶通濾波器,對(duì)實(shí)際通信中帶有噪聲的音頻信號(hào)進(jìn)行分析,能清晰的分出來(lái)語(yǔ)音信號(hào).

1.　FFT算法的單音信號(hào)的識(shí)別

1..1　電話按鍵語(yǔ)音信號(hào)

電話號(hào)碼鍵的信號(hào)是由低頻、高頻兩個(gè)信號(hào)的余弦表達(dá)式合成的：yi等于sin2πfLt+sin2πfHt,其中fL、fH分別代表合成電話信號(hào)鍵i的高低頻率,如表1所示.

1..2　FFT算法識(shí)別電話按鍵

用Windows自帶的聲卡采集錄制語(yǔ)音信號(hào).yi為連續(xù)的語(yǔ)音信號(hào),而計(jì)算機(jī)處理的卻是離散的信號(hào),針對(duì)于這種問(wèn)題采用奈奎斯特采樣定理對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,fs為抽樣頻率,Ts為采樣間隔,得到信號(hào)的離散表示：

對(duì)yn進(jìn)行N點(diǎn)的FFT變換得到y(tǒng)n的頻域表達(dá)式Y(jié)n.由傅氏變換的性質(zhì)可知,Yn在理想的條件下,在頻域的內(nèi)有四個(gè)單位沖激響應(yīng),幅值相等,可以找到幅值最大的四個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的k值.在得到的四個(gè)k值中,最小的兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)著高低頻.

由(3)式,可以根據(jù)輸入信號(hào)的音頻,完成單個(gè)信號(hào)音的識(shí)別,理想狀態(tài)下用FFT算法檢測(cè),得到實(shí)驗(yàn)誤差如表2所示.

以上用FFT算法識(shí)別按鍵只是針對(duì)單個(gè)語(yǔ)音信號(hào),而且信號(hào)的噪聲比較小.同樣,要想識(shí)別出一串電話號(hào)碼的按鍵音,需將一串電話號(hào)碼的按鍵音分割成單個(gè)信號(hào)音,再按照上述方法進(jìn)行按鍵的識(shí)別.

1..3　基于短時(shí)能量及過(guò)零率的一串語(yǔ)音信號(hào)的識(shí)別

錄制聲音過(guò)程中需對(duì)聲音進(jìn)行量化處理,最理想的量化是最大電平對(duì)應(yīng)最高量化比特,但實(shí)際很難得到,常有音輕問(wèn)題.利用雙聲道合并可硬實(shí)現(xiàn)音量標(biāo)準(zhǔn)化,即最大電平對(duì)應(yīng)最高量化比特,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音增強(qiáng)的效果.基于短視能量和過(guò)零率可以將一串信號(hào)分成多個(gè)信號(hào).

用Windows產(chǎn)生的語(yǔ)音含有左右兩個(gè)聲道,利用MATLAB程序?qū)㈦p聲道的語(yǔ)音信號(hào)變成單聲道,將會(huì)增強(qiáng)語(yǔ)音的效果.得到雙聲道、單聲道的單個(gè)語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量和過(guò)零率[2],如圖1所示.

經(jīng)過(guò)聲道合并之后語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量增大了,因此信號(hào)更容易分析,如果含有噪聲的情況下,也容易去噪.

上述的方法都是利用Windows錄制的語(yǔ)音進(jìn)行分析的,其特點(diǎn)是噪聲小,能夠較準(zhǔn)確的分析出撥號(hào)鍵.但是運(yùn)用同樣的方法,對(duì)實(shí)際錄制的電話語(yǔ)音進(jìn)行分析時(shí),不管是對(duì)于單個(gè)語(yǔ)音信號(hào)還是一串語(yǔ)音信號(hào)分析都會(huì)有很大的誤差.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),人為錄制的語(yǔ)音信號(hào)與Windows錄制的語(yǔ)音相比有較大的噪聲,在頻域內(nèi)噪聲的幅度甚至超過(guò)了有用語(yǔ)音信號(hào)的幅度,使得按照頻域幅度分析噪聲的方法不再適用.對(duì)此,采用Goertzel算法,并設(shè)計(jì)高低群帶通濾波器,對(duì)含有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析,使得分析更為準(zhǔn)確.

2.　基于戈澤爾和高低群帶通濾波器的號(hào)碼分析

2..1　戈澤爾算法

戈澤爾(Goertzel)算法原理[3]：

語(yǔ)音信號(hào)處理:海巡01輪發(fā)現(xiàn)疑似MH370黑匣子信號(hào)：一個(gè)記錄語(yǔ)音 一個(gè)記錄飛行數(shù)據(jù)[新聞夜線]

可見(jiàn),通過(guò)FFT可以得到信號(hào)所有譜線,了解信號(hào)整個(gè)頻域信息,而對(duì)于DTMF信號(hào)的8個(gè)行頻／列頻,戈澤爾算法能更快速的在輸入信號(hào)中提取頻譜信息.當(dāng)使用錄制的DTMF信號(hào),用FFT算法或戈澤爾算法總會(huì)有誤差,所以在分析之前應(yīng)該先將信號(hào)通過(guò)濾波器.

2..2　高低群帶通濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)電話號(hào)碼按鍵音在高低頻率的分布,設(shè)計(jì)出高低頻率通帶濾波器,通頻帶分別是690~950Hz和1200~1640Hz,分別是DTMF的低頻群和高頻群的頻率范圍.得到雙通帶帶通濾波器如圖4所示.

3.　實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

對(duì)于含噪聲的一串語(yǔ)音信號(hào)的分析：

含噪聲的一串語(yǔ)音信號(hào)的分析結(jié)果如圖5所示.

從圖5中可以看出,測(cè)試語(yǔ)音中含有噪聲,并且聲音幅度較小的語(yǔ)音,幾乎同噪聲一樣.分析短時(shí)能量和過(guò)零率,并無(wú)規(guī)律可循；所以當(dāng)噪聲較大時(shí),單純用FFT或戈澤爾算法都不可行,而且從短時(shí)能量和過(guò)零率這兩個(gè)方面都不可分析語(yǔ)音是哪個(gè)按鍵.經(jīng)過(guò)濾波器之后,語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量和過(guò)零率基本上無(wú)噪聲,可以很容易區(qū)分信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波器后,運(yùn)用戈澤爾算法可以得到的比較清晰的十一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)的DFT圖形,如圖6所示,得到正確的號(hào)碼：13639637115.

4.　總結(jié)

本文針對(duì)DTMF信號(hào),運(yùn)用FFT算法和戈澤爾算法對(duì)單個(gè)信號(hào)進(jìn)行分析,同時(shí)基于短時(shí)能量和過(guò)零率對(duì)一串語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分割得到單個(gè)信號(hào),并在信號(hào)進(jìn)行量化的過(guò)程中將雙聲道合并成單聲道,增強(qiáng)了語(yǔ)音.考慮到兩種算法對(duì)含有噪聲信號(hào)的處理不高的缺點(diǎn),通過(guò)考慮DTMF信號(hào)頻率特點(diǎn),運(yùn)用窗函數(shù)設(shè)計(jì)出高低頻群的雙通帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,能較為準(zhǔn)確的分析出按鍵號(hào)碼.

【參考文獻(xiàn)】

［１］徐阿勇,李方洲,羅蔚華.基于MATLAB的DTMF技術(shù)計(jì)算機(jī)模擬[J].溫州師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,26(5)：40-44.

［２］趙力.語(yǔ)音信號(hào)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005：31-37.

［３］DTMF信號(hào)系統(tǒng)的Matlab仿真[OL]．[2013－6－25]．http://www.docin.com/p-423598010.html．

［４］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007：333-340.

［責(zé)任編輯：丁艷］

信號(hào)語(yǔ)音范文

語(yǔ)音信號(hào)處理參考文獻(xiàn)總結(jié):

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總結(jié)

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