语音按信噪比添加噪声实现代码

以下是一个简单的Python代码示例，用于按信噪比添加噪声到音频信号中：

import numpy as np
import soundfile as sf

# 读入音频文件
audio, sr = sf.read('example.wav')

# 计算信号的能量
signal_energy = np.sum(audio ** 2)

# 设置信噪比
SNR = 10

# 计算噪声的能量
noise_energy = signal_energy / (10 ** (SNR / 10))

# 生成噪声信号
noise = np.random.randn(len(audio))
noise *= np.sqrt(noise_energy / np.sum(noise ** 2))

# 合并信号和噪声
noisy_audio = audio + noise

# 输出到文件
sf.write('noisy_example.wav', noisy_audio, sr)

这个代码片段使用了Python中的numpy和soundfile库。它首先读入一个音频文件，然后计算信号的能量。接下来，它设置信噪比并计算噪声的能量，然后生成一个随机噪声信号并按比例缩放。最后，它将信号和噪声相加并将结果保存到一个新的音频文件中。

相关问题

使用 awgn( ) 函数，往语音中添加不同信噪比的白噪声，观察端点 检测效果。

好的，这里提供一个 MATLAB 的代码示例，可以往语音中添加不同信噪比的白噪声，并观察端点检测效果。

% 读取语音文件
[x, fs] = audioread('example.wav');

% 设定信噪比（SNR）和噪声功率
SNR = 10; % dB
Pn = var(x) / (10^(SNR/10));

% 生成白噪声
n = sqrt(Pn) * randn(size(x));

% 添加噪声
y = x + n;

% 播放原始语音和添加噪声的语音
sound(x, fs);
pause(length(x)/fs);
sound(y, fs);

% 端点检测
[~, endpoint] = vad(y, fs, 'energy', 'plot');

% 绘制端点检测结果
t = (0:length(x)-1)/fs;
figure;
plot(t, x, 'b-', t, y, 'r-', endpoint/fs, zeros(size(endpoint)), 'g*');
legend('原始语音', '添加噪声的语音', '端点检测');
xlabel('时间/s');
ylabel('幅值');

这里使用了 `vad` 函数进行端点检测，其中 `'energy'` 表示使用短时能量法，`'plot'` 表示绘制端点检测结果。

你可以将代码保存为 `add_noise.m` 文件，然后在 MATLAB 命令行中运行 `add_noise` 命令即可。注意需要将 `example.wav` 替换成实际的语音文件。

1.根据基于双门限法、相关法、谱熵法等的语音端点检测原理，编写程序实现语音信号的端点检测函数， （1）画出算法实现的流程图； （2）函数输出参数包括：voiceseg是一个数据结构，记录了语音端点的信息；vsl是voiceseg 的长度；SF是语音帧标志（SF=1表示该帧是语音段）；NF是噪声/无声帧标志（NF=1表示该帧是噪声/无声段）……。 （3）基于一段语音文件（自己的学号的录音）验证所写的端点检测算法，图例如2-1所示。 图2-1 双门限法端点检测例图 2.【扩展部分】往语音中添加不同信噪比的白噪声，观察端点检测的效果，并分析改进算法的思路。

1. 端点检测算法实现流程图：


2. 端点检测函数代码实现：

import numpy as np

def endpoint_detection(signal, sr, frame_size=0.025, frame_stride=0.01, energy_threshold_ratio=1.5, zcr_threshold_ratio=0.5):
    # 1. Pre-emphasis
    pre_emphasis = 0.97
    emphasized_signal = np.append(signal[0], signal[1:] - pre_emphasis * signal[:-1])
    
    # 2. Frame blocking and windowing
    frame_length, frame_step = frame_size * sr, frame_stride * sr
    signal_length = len(emphasized_signal)
    frame_length = int(round(frame_length))
    frame_step = int(round(frame_step))
    num_frames = int(np.ceil(float(np.abs(signal_length - frame_length)) / frame_step))
    
    pad_signal_length = num_frames * frame_step + frame_length
    z = np.zeros((pad_signal_length - signal_length))
    pad_signal = np.append(emphasized_signal, z)
    
    indices = np.tile(np.arange(0, frame_length), (num_frames, 1)) + np.tile(np.arange(0, num_frames * frame_step, frame_step), (frame_length, 1)).T
    frames = pad_signal[indices.astype(np.int32, copy=False)]
    
    frames *= np.hamming(frame_length)
    
    # 3. Feature extraction (short-term energy and zero-crossing rate)
    st_energy = np.sum(np.power(frames, 2), axis=1)
    st_zcr = np.sum(np.abs(np.diff(np.sign(frames))), axis=1) / 2
    
    # 4. Threshold computation
    energy_threshold = energy_threshold_ratio * np.mean(st_energy)
    zcr_threshold = zcr_threshold_ratio * np.mean(st_zcr)
    
    # 5. Endpoint detection
    sf, nf = np.zeros((num_frames, 1)), np.zeros((num_frames, 1))
    for i in range(num_frames):
        if st_energy[i] > energy_threshold:
            sf[i] = 1
        if st_zcr[i] > zcr_threshold:
            nf[i] = 1
    
    # 6. Post-processing (speech segment detection based on speech and non-speech frame sequences)
    seq = np.concatenate(([0], np.diff(sf.T)))
    start = np.where(seq == 1)[0] * frame_step
    end = np.where(seq == -1)[0] * frame_step
    if len(end) == 0:
        end = np.array([signal_length])
    if len(start) == 0:
        start = np.array([0])
    if end[0] < start[0]:
        end = end[1:]
    if len(end) > len(start):
        end = end[:-1]
    duration = end - start
    min_duration = 0.1
    voiceseg = np.compress(duration > min_duration * sr, np.vstack((start, end)).T, axis=0)
    vsl = len(voiceseg)
    
    return voiceseg, vsl, sf, nf

3. 基于一段语音文件验证端点检测算法代码实现：

import librosa
import librosa.display
import matplotlib.pyplot as plt

# Load audio file
filename = 'your_student_id.wav'
signal, sr = librosa.load(filename, sr=None, mono=True)

# Perform endpoint detection
voiceseg, vsl, sf, nf = endpoint_detection(signal, sr)

# Visualize speech/non-speech frames
plt.figure(figsize=(14, 5))
plt.subplot(2, 1, 1)
librosa.display.waveplot(signal, sr=sr, alpha=0.5)
plt.vlines(voiceseg[:, 0], -1, 1, color='r', linestyle='--', label='Speech Segments')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Speech Segments Detected using Endpoint Detection')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Amplitude')
plt.xlim(0, len(signal) / sr)

plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(sf, color='b', label='Speech Frame')
plt.plot(nf, color='g', label='Non-Speech Frame')
plt.legend(loc='upper right')
plt.xlabel('Frame Index')
plt.ylabel('Frame Label')
plt.xlim(0, len(sf))
plt.ylim(-0.1, 1.1)

plt.tight_layout()
plt.show()

4. 扩展部分：往语音中添加不同信噪比的白噪声，观察端点检测的效果，并分析改进算法的思路。

import librosa
import librosa.display
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.io import wavfile
from scipy.signal import lfilter, firwin

# Load audio file
filename = "your_student_id.wav"
signal, sr = librosa.load(filename, sr=None, mono=True)

# Add white noise to signal with different SNRs
snrs = [-5, 0, 5, 10, 15]
noisy_signals = []
for snr in snrs:
    noise = np.random.randn(len(signal))
    signal_power = np.sum(signal ** 2) / len(signal)
    noise_power = np.sum(noise ** 2) / len(noise)
    noise = np.sqrt(signal_power / (noise_power * 10 ** (snr / 10))) * noise
    noisy_signal = signal + noise
    noisy_signals.append(noisy_signal)

# Perform endpoint detection on noisy signals
voicesegs = []
for noisy_signal in noisy_signals:
    voiceseg, vsl, sf, nf = endpoint_detection(noisy_signal, sr)
    voicesegs.append(voiceseg)

# Visualize speech/non-speech frames for different SNRs
plt.figure(figsize=(14, 10))
for i in range(len(snrs)):
    plt.subplot(len(snrs), 1, i+1)
    librosa.display.waveplot(noisy_signals[i], sr=sr, alpha=0.5)
    plt.vlines(voicesegs[i][:, 0], -1, 1, color='r', linestyle='--', label='Speech Segments')
    plt.legend(loc='upper right')
    plt.title(f'Speech Segments Detected using Endpoint Detection with SNR={snrs[i]}dB')
    plt.xlabel('Time (s)')
    plt.ylabel('Amplitude')
    plt.xlim(0, len(noisy_signals[i]) / sr)

plt.tight_layout()
plt.show()

改进算法的思路可以考虑使用深度学习模型，例如卷积神经网络（CNN）或长短时记忆网络（LSTM）等，来提取语音信号的高级特征并进行端点检测。此外，可以考虑使用自适应门限、动态门限等方法来进一步提高端点检测的准确性。