【正文】 共 22 頁 2．信號采集 采集聲音信號，并對其進(jìn)行 FFT 頻譜分析，畫出信號的時域波形圖和頻譜圖。對此類信號在進(jìn)行離散頻譜分析時所產(chǎn)生誤差的分析方法與頻率間隔較大的信號誤差分析方法存在巨大差異，校正方法也不相同，校正的難度極大。而實際 工程中的很多信號是密集頻率成分或連續(xù)頻率成分的信號，比如“拍振”信號是最簡單的密集頻率信號。然而長期的應(yīng)用和近年來的理論分析表明：經(jīng)快速傅立葉變換得到的離散頻譜，頻率、幅值和相位均可能產(chǎn)生較大誤差，單諧波加矩形窗時最大誤差從理論上分析可達(dá)基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 2 頁 共 22 頁 %；即使加其他窗時，也不能完全消除此影響，在加 Hanning 窗時，只進(jìn)行幅值恢復(fù)時的最大幅值誤差仍高達(dá) %，相位誤差高達(dá) 90 度。 頻譜分析在生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中獲得日益廣泛的應(yīng)用。隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，語音信號處理取得了重大的進(jìn)展：進(jìn)入 70 年代之后，提出了用于語音信號的信息壓縮和特征提取的線性預(yù)測技術(shù)（ LPC），并已成為語音信號處理最強(qiáng)有力的工具，廣泛應(yīng)用于語音信號的分析、合成及各個應(yīng)用領(lǐng)域，以及用于輸入語音與參考樣本之間時 間匹配的動態(tài)規(guī)劃方法； 80 年代初一種新的基于聚類分析的高效數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) — 矢量量化（ VQ）應(yīng)用于語音信號處理中；而用隱馬爾可夫模型（ HMM）描述語音信號過程的產(chǎn)生是 80 年代語音信號處理技術(shù)的重大發(fā)展，目前 HMM 已構(gòu)成了現(xiàn)代語音識別研究的重要基石。s most important, most effective, most popular and most convenient form of exchange of information.. Matlab language is a data analysis and processing functions are very powerful puter application software, sound files which can be transformed into discrete data files, then use its powerful ability to process the data matrix operations, such as digital filtering, Fourier transform, when domain and frequency domain analysis, sound playback and a variety of map rendering, and so on. Its signal processing and analysis toolkit for voice signal analysis provides a very rich feature function, use of these functions can be quick and convenient features plete voice signal processing and analysis and visualization of signals, makes puter interaction more convenient . Matlab Signal Processing is one of the important areas of application. 【 Keywords】 voice signal 。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。 Matlab 語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的計算機(jī)應(yīng)用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù) 文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時域和頻域分析、聲音回放以及各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析以及信號的可視化，使人機(jī)交互更加便捷。signal processing。近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN)的研究取得了迅速發(fā)展，語音信號處理的各項課題是促進(jìn)其發(fā)展的重要動力之一，同時，它的許多成果也體現(xiàn)在有關(guān)語音信號處理的各項技術(shù)之中 。例如，對汽車、飛機(jī)、輪船、汽輪機(jī)等各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械、電機(jī)、機(jī)床等機(jī)器的主體或部件進(jìn)行實際運(yùn)行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設(shè)計數(shù)據(jù)和檢驗設(shè)計效果，或者尋找振源和診斷故障，保證設(shè)備的安全運(yùn)行等；在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面船只或潛艇，需要對噪聲信號進(jìn)行譜分析，以提供有用信息，判斷艦艇運(yùn)動速度、方向、位置、大小等。因此，頻譜分析的結(jié)果在許多領(lǐng)域只能定性而不能精確的定量分析和 解決問題，大大限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用，特別是在機(jī)械振動和故障診斷中的應(yīng)用受到極大限制。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、故障診斷和非線性動力系統(tǒng)分析中，常常也會出現(xiàn)密集頻譜現(xiàn)象。因此，只有對這類信號在進(jìn)行離散傅里葉變換時所 產(chǎn)生的誤差進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析與研究，并找到一種較完善的頻率、幅值和相位的校正方法，才能使離散傅里葉變換和頻譜分析在機(jī)械工程中得到更廣泛應(yīng)用，同時也擴(kuò)大其在無線電通信、信息圖像處理、自動控制、多媒體、機(jī)械設(shè)備故障診斷等技術(shù)的應(yīng)用范圍。 3．構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行 FFT 頻譜分析 對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對語音信號進(jìn)行回放，感覺加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結(jié)論。對濾波后的語音信號進(jìn)行 FFT頻譜分析。 6．設(shè)計圖形用戶界面 設(shè)計處理系統(tǒng)的用戶界面 ,在所設(shè)計的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的參數(shù) ,顯示濾波器的頻率響應(yīng) ,選擇信號等。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音 [3]。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 5 頁 共 22 頁 采樣位數(shù)和采樣率對于音頻接口來說是最為重要的兩個指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機(jī)， 意味著音頻流進(jìn)入計算機(jī)時計算機(jī)每秒會對其拍照達(dá) 441000 次。,[N1 N2])。 用于對聲音的回放。函數(shù) FFT 用于序列快速傅立葉變換 ，其 調(diào)用格式 為 y=fft(x)， 其中， x是序列， y 是序列的 FFT， x 可以為一向量或矩陣，若 x 為一向量， y 是 x 的FFT 且和 x相同長度 ； 若 x 為一矩陣，則 y是對矩陣的每一列向量進(jìn)行 FFT。 數(shù)字濾波器設(shè)計原理 數(shù)字濾波是數(shù)字信號分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點。 (2) 用一個因果、穩(wěn)定的離散線性時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。利用這個特點，可以用一個防混迭的帶通濾波器將此范圍內(nèi)的語音信號頻率分量取出，然后按 8kHz 的采樣率對語音信號進(jìn)行采樣，就可以得到離散的語音信號。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 6T i m e ( s ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5x 1 0400 . 0 50 . 10 . 1 50 . 20 . 2 50 . 30 . 3 50 . 40 . 4 5F r e q u e n c y ( H z ) 圖 3 1 語音信號時域波形圖 圖 3 2 語 音信號頻域波形圖 語音信號的采集 在將語音信號進(jìn)行數(shù)字化前，必須先進(jìn)行防混疊預(yù)濾波，預(yù)濾波的目的有兩個： ① 抑制輸入信導(dǎo)各領(lǐng)域分量中頻率超出 fs/2 的所有分量 (fs 為采樣頻率 )，以防止混疊干擾。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 8 頁 共 22 頁 為了將原始模擬語音信號變?yōu)閿?shù)字信號，必須經(jīng)過采樣和量化兩個步驟，從而得到時間和幅度上均為離散的數(shù)字語音信號。 圖 3 3 原始信號 由圖可知，這段語音信號的頻率主要集中在 1KHz 左右，當(dāng)采樣頻率為 時，由于采樣頻率比較大，所以 采樣點數(shù)就越密，所得離散信號就越逼近于原信號 ，頻譜也沒有發(fā)生混疊 （ 圖 3 4） 。一般而言，采樣頻率越高，采樣點數(shù)就越密，所得離散信號就越逼近于原信號。量化 是對幅值進(jìn)行離散化，即將振動幅值用二進(jìn)制量化電平來表示。這種防混 疊濾波通常與模數(shù)轉(zhuǎn)換器做在一個集成塊內(nèi)，因此目前來說，語音信號基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 10 頁 共 22 頁 的數(shù)字化的質(zhì)量還是有保證的。 圖 3 5 基于 PC 機(jī)的語音信號采集過程 在 MATLAB 中， [y,fs,bits]=wavread(39。 [N1 N2]表示讀取從 N1 點到 N2 點的值（若只有一個 N 的點則表示讀取前 N 點的采樣值）。 Windows 自帶的錄音機(jī) 聲音 麥克風(fēng) 聲卡 濾波 采樣 A/D轉(zhuǎn)換 Wav 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 11 頁 共 22 頁 第 4章 語音信號的分析 語音信號的時域分析 語音信號的時域分析就是分析和提取語音信號的時域參數(shù)。這種分析方法的特點是： ① 表示語音信號比較直觀、物理意義明確。 語音信號的時域參數(shù)有短時能量、短時過零率、短時白相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù)等，這是語音信號的一組最基本的短時參數(shù)，在各種語音信號數(shù)字處理技術(shù)中都要應(yīng)用 [10]。為此可采用另一個度量語音信號幅度值變化的函數(shù)．即短時平均幅度函數(shù) Mn， 它定義為： 10 ()NMnnm xm???? (44) 基于 Matlab