【正文】 y in the speech processing， image processing， digital audio， seismic exploration etc．． Since fast Fourier transform(FFT)and S3C2410chip appeared， it provides effective solutions for realtime processing of spectrum analysis． This thesis developed spectrum analysis system based on speechS3C2410． Major works areas follows： First， the time— domain processing and frequencydomain processing of speech signal are introduced in this thesis． According to short這里，簡單介紹一些嵌入式系統(tǒng)的定義。對(duì)于開發(fā)者而言，可以根據(jù)各自的實(shí)際需求選擇不同的嵌入式處理器。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 1 緒論 課題研究的背景和意義 自然界的運(yùn)動(dòng)和變化都有它們的固有規(guī)律，其中很多規(guī)律表現(xiàn)為周期性。人耳對(duì)聲音敏感的不是聲波本身而是聲波的頻率，例如男聲、女生和低音、高音；人眼對(duì)光敏感的不是光波 本身，而是光波的頻率 (顏色 )，例如紅光、綠光。例如，對(duì)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(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，或者診斷故障，保證設(shè)備的安全運(yùn)行等。頻譜分析和估計(jì)不僅是揭示信號(hào)特征的重要方法，也是處理信號(hào)的重要手段。 頻譜分析儀，顧名思義它的功能是確定一個(gè)變化過程 (稱為信號(hào) )的頻率成份，以及各頻率成份 之間的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系。對(duì)模擬濾波器設(shè)計(jì)制造有經(jīng)驗(yàn)的人，不難想象制造高穩(wěn)定度、高精度的這種頻譜分析儀的困難程度。利用 S3C2410芯片來設(shè)計(jì)頻譜分析系統(tǒng)則可以較好解決這些問題。掃描調(diào)諧式頻譜儀如掃頻超外差接收機(jī)，能分別顯示復(fù)雜信號(hào)中各個(gè)不同頻率分量的幅度，但不能提供相關(guān)相位信息。采用傅立葉分析儀能在被測信號(hào)存在的有限時(shí)間內(nèi)，提取信號(hào)的全部頻譜信息，并能顯示頻率、幅值及相位。 掃描調(diào)諧式頻譜分析儀己從早期的單通道頻率響應(yīng)分析儀擴(kuò)展到多通道，其典型代表是英 國公司的 1250頻響分析儀，它配上相應(yīng)的擴(kuò)展器可擴(kuò)展到 36通道。我國先后引進(jìn)的這類產(chǎn)品 HP3562A,HP35660A,HP3567A,Bamp。傅立葉分析儀的發(fā)展趨勢是：分析頻 段向高頻擴(kuò)展，向多通道、高指標(biāo)、多功能發(fā)展，核心處理芯片用 S3C2410，體積更趨小型化。 雖然使用 FFT技術(shù)對(duì)瞬態(tài)過程 和平穩(wěn)過程的頻譜分析己有很長的歷史，但是， 聲音 過程與一個(gè)穩(wěn)定的元音和擦音不同。但在相對(duì)短的時(shí)隙內(nèi)， 聲音 信號(hào)可看作準(zhǔn)周期性序列。 基于 S3C2410頻譜儀的缺點(diǎn)是，在目前 S3C2410芯片制造技術(shù)的條件下，可以實(shí)時(shí)處理的最高頻率只達(dá)到兆赫的數(shù)量級(jí)，更高頻率的信號(hào)可以進(jìn)行非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)處理有待于S3C2410芯片速度的進(jìn)一步提高，或者增加測量手段。女性的基音頻率從 100Hz至 500Hz，男性的基音頻率為 50Hz至 250Hz，頻率分辨率必須兼顧男女性。人類開始進(jìn)入了信息化時(shí)代，用現(xiàn)代手段研究 聲音 處理技術(shù)，使人們能夠更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)和獲取 聲 音信號(hào)，這對(duì)于促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義。 聲 音信號(hào)的抽樣及其數(shù)字化 模擬 聲 音信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，無法被 DSP處理。 一個(gè)正常人 聲音 的頻率一般在 40Hz～ 4000Hz的范圍內(nèi)，成年男子的 聲 音頻率較低，婦女和兒童的 聲 音頻率較高。一般來說，電話 聲音 的采樣率為 8kHz( 1標(biāo)準(zhǔn) )，普通 聲音 的采樣率在 15kHz~20kHz左右。 采樣后的 聲音 數(shù)據(jù)要能為 DSP所存儲(chǔ)和處理還必須進(jìn)行量化處理。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 聲音 信號(hào)的時(shí)間依 賴 由于人自身的發(fā)音器官的運(yùn)動(dòng)，聲音信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)。以后的幾乎所有的處理方法都立足于這種短時(shí)平穩(wěn)的假定。幾種常用時(shí)間依賴處理方法是： 當(dāng) T[x(m)]為 2xm（ ） 時(shí)， nQ 相應(yīng)于短時(shí)能量 ； 當(dāng) T[x(m)]=|sgn[x(m)]一 sgn[x(m1)]|時(shí)， nQ 就是短時(shí)平均過零率； 當(dāng) T[x(m)] nQ 為 x(m)x(m+k)時(shí)， nQ 就是短時(shí)自相關(guān)函數(shù)。用得最多的三種窗函數(shù)是矩形 (Rectangular)窗、漢明 (Hamming)窗和漢寧 (Hanning)窗 。 ] 低通濾波器 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象?？梢钥闯?，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣則顯著減小，從減小泄漏觀點(diǎn)出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗．但漢寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。矩形窗的旁瓣太高，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的泄露現(xiàn)象 (Gibbs)，因此只在某些特殊場合中采用；漢寧窗衰減太快，低通特性不平滑；漢明窗旁瓣最低，可以有效地克服泄露現(xiàn)象，具有更平滑的低通特性。在對(duì) 聲音 信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅立葉分析時(shí)，窗的長度的選擇必須折中進(jìn)行考慮。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 (3)若 {x(n)}為能量有限信號(hào)，則其能量為 (0)? ； 短時(shí)自相關(guān)函數(shù) 這種修正自相關(guān)函數(shù)又稱為協(xié)方差函數(shù)，它不具有偶對(duì)稱性，即( ) ( )nnR k R k??。所以，如果采用 數(shù)字信號(hào) 實(shí)現(xiàn)自相關(guān)運(yùn)算，常常是直接進(jìn)行計(jì)算反而更加簡單有效，不必采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的快速算法。 濁音信號(hào)是 一種準(zhǔn)周期性信號(hào)，其周期稱為基音周期。 因此，濁音信號(hào)可能包含有三四十次諧波分量，而其基波分量往往不是最強(qiáng)的分量。可以說，至今沒有一種萬能的方法在任何情況下都能準(zhǔn)確可靠地估計(jì)出基音周期。 基音檢測預(yù)處理 由于聲道的共振峰特性會(huì)對(duì)基音周期造成干擾，為了提高自相關(guān)法和平均幅北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 度差函數(shù)法檢測基音周期的可靠性，采用兩種預(yù)處理方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理： (1)中心削波處理。 (2)先對(duì) 聲音 信號(hào)進(jìn)行低通濾波，然后計(jì)算短時(shí)自相關(guān)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種方法作預(yù)處理， 對(duì)改善自相關(guān)法和平均幅度差函數(shù)法的基音檢測都有明顯的效果。這里設(shè)信號(hào)的采樣率 10kHz，窗序列采用 300點(diǎn)長的矩形窗，連續(xù)分析信號(hào) 時(shí)采有 10ms(且 P 100個(gè)樣點(diǎn) )的幀問隔，即每相鄰兩幀重疊 200個(gè)樣點(diǎn)。沒有任何 一種預(yù)測方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出所有的基音周期。所謂中值就是將窗內(nèi)的 2L+1個(gè)輸入樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求出一個(gè)累計(jì)直方圖，其中 1/2分位數(shù)就是中值。如此進(jìn)行下去，中值濾波可以糾正個(gè)別奇異點(diǎn)而不影響周圍的樣點(diǎn)的值。兩段時(shí)域上相差很大的 聲音 如果具有類似的頻譜特性，人類在感知它們時(shí)的感覺也是相似的。這種以復(fù)指數(shù)函數(shù)為基函數(shù)的正交變換，理論上很完善，計(jì)算上很方便，概念上易于為人們理解，在 聲音 處理領(lǐng)域也是一個(gè)非常重要的工具。 頻譜分析原理與方法 頻譜分析原理 頻譜分析主要是指離散傅立葉變換的譜分析。 若 A/D轉(zhuǎn)換的頻率是 Z，且采樣點(diǎn)數(shù)為偶數(shù)，則序列號(hào) k=N/2處代表的頻率為Z/2，序列號(hào) k=l處代表的頻率為 T/N，其它后代表的頻率以此規(guī)則類推。如果獲得 x(n)點(diǎn)數(shù)不足 2的整數(shù)次方，最簡單的辦法就是在實(shí)際的 x(n)后補(bǔ)若干零值，使其滿足 總點(diǎn)數(shù)為 2的整數(shù)次方，這樣就可以用常規(guī)的 FFT算法。抽樣定理指的是 采樣頻率 2scff? 。鑒于 FFT分辨力不足的問題，可以用高分辨力的非線性譜分析方法。因此，出現(xiàn)了許多基于傅立葉變換的譜分析方法。 FFT是在單頻上做分解，即 f =0，頻率分辨率可以任意設(shè)置，但基函數(shù)在時(shí)問軸上無限延伸 t =? ，故無時(shí)間分辨率。子波變換 (WT)的公式如下： 1( , ) ( ) ( )2||x tC W T a x t h d ta ?? ?? ? （ ） WT的基函數(shù)是基本子波的伸縮和平移，取基本子波 2( ) ( ) oj f th t g t e ??? ， g(t)北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 為高斯函數(shù)， 令 0 /f f a? ，若 a減小，包絡(luò)壓縮，同時(shí) f增大，載頻升高， f 也增大。這樣就形成了一個(gè)以 kf 為頻率起點(diǎn)的新的信號(hào)，然后再將由此做始點(diǎn)的頻率截出感興趣的頻段，按普通 FFT工作步驟做頻譜圖，得到的是以 kf 為起始點(diǎn)，有 限范圍頻段的細(xì)化頻譜。 x(f)稱為 x(t)的傅立葉變換，又把 x(f)叫做時(shí)間函數(shù) 的頻譜。式 ()和式 ()叫做傅立葉變換對(duì)。 離散傅立葉變換 對(duì) x(t)進(jìn)行等間隔采樣離散化，用 x(n)表示，且設(shè) x(n)是一個(gè)周期為 N的周期序列，則 x(n)的離散傅立葉變換 x(k)后為： 112/00( ) ( ) ( )NNj n k N n kNnnx k x n e x n w?????????? ( 0,1, ... , 1)kN?? () 112/0011( ) ( ) ( )NNj n k N n kNnnx n x k e x k wNN??? ??????? (k=0,1… ..,N) () 式中， 2/jNNwe??? 稱為旋轉(zhuǎn)因子。 定理 2頻譜 x(f)以間隔 f抽樣后所得到的傅立葉變換 (即時(shí)域函數(shù) )也是一個(gè)周期函數(shù)。 DFT是基于周期性的采樣數(shù)據(jù)而提出的，而事實(shí)上，這個(gè)周期是由采樣的時(shí)間窗所指定的。因此，DFT的一項(xiàng)重要工作就是選取 時(shí)間窗 wT 。 快速傅立葉變換 根據(jù) DFT的定義： 10( ) ( )N nknx k x n w???? 0,1,..., 1kN?? （ ） 式中， x(n)是 N點(diǎn)離散時(shí)間序列， X(k)是 x(n)的傅立葉變換。 根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方法，發(fā)展起來多種 FFT算法，其基本原理是利用三角函數(shù)的周期性和對(duì)稱性，將較長序列的 DFT逐次分解為較短序列的 DFT，從而減少運(yùn)算量。對(duì)這兩種算法，庫利一圖基和桑德一圖基進(jìn)行了理論推導(dǎo)，故又稱庫利一圖基算法和桑德一圖基算法。各 聲音 段可以 認(rèn)為是從各個(gè)不同的平穩(wěn)信號(hào)波形中截取出來的，各段 聲音 的短時(shí)北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 頻譜就是各個(gè)平穩(wěn)信號(hào)波形的頻譜的近似。第二種解釋是從時(shí)間軸方向來理解：當(dāng)頻率固定時(shí)，例如 w=wk，則 ()jwnxe 可看作是信號(hào)經(jīng)過一個(gè)中心頻率為 kw 的帶通濾波器后產(chǎn)生的輸出。不難證明，它是信號(hào) x(n)的短時(shí)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換 ,即： 2( ) | ( ) | ( )jw jw kn n nkp w X e R k e?? ? ??? ? () 其中短時(shí)自相 關(guān)函數(shù)定義為： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )n mR k x m w n m x m k w n m k?? ? ?? ? ? ? ?? () 在實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般用離散傅立葉代替連續(xù)傅立葉變換，這就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期性擴(kuò)展，也就是把 x(n)w(n)看成是某個(gè)周期性信號(hào)的一個(gè)周期，然后對(duì)它作離散傅立葉 變換，這時(shí)得到的是功率譜。這時(shí)的循環(huán)相關(guān)與線性相關(guān)才是等價(jià)的。語譜圖的時(shí)間分辨率和頻率分辨率是由所用窗函數(shù)的特性決定的。設(shè) W( jwe )的通帶帶寬為 b，那么可分辨的頻率寬度即為 b。按前節(jié)第二種解釋，假定頻率固定，例如 w=k，對(duì)信號(hào)乘以窗函數(shù) w(n)的作用，相當(dāng)于對(duì)時(shí)間序列 x(n) ()jwnkxne 作低通濾波。由此可見，短時(shí)傅立葉變換的時(shí)間分辨率和頻率分辨率是相互矛盾的，這是短時(shí)傅立葉變換本身的固有弱點(diǎn)。這些分析參數(shù)的選取原則，在 聲音 識(shí)別的特征提取中也是有參考價(jià)值的。盡管實(shí) 際 聲音 信號(hào)都不是真周期性的，但實(shí)踐證明，基音同步分析與合成的思想在 聲音 處理中是十分有用的。 1個(gè)樣本的限制，頻域基音檢測方法中一種有效方法是諧波積譜法。這就可以有效地避免基音頻率估值落到倍頻或分頻上的可能性。 為了方便，我們假定聲門脈沖是真正周期性的信號(hào)： ( ) ( )pre n g n rN??????? () 其中 pN 為基音周期。例如，元音 U的共振峰帶寬可能只有幾十赫，而其基音頻率 (即諧波間隔 )卻可以高達(dá) 5百 Hz，這樣稀疏的諧波譜當(dāng)然很難反映它的共振峰特性的細(xì)節(jié)。這一結(jié)論對(duì)于 聲音 處理新方法的探索是有重要指導(dǎo)意義的。這么短的矩 形窗，其時(shí)間分辨率也應(yīng)該是 很高的。但是，上面的分析有助于我們理解 聲音 信號(hào)的性質(zhì)。 核心板的尺寸僅相當(dāng)于名片的 2/3大小，尺寸如此小巧的嵌入式核心板是國內(nèi)首創(chuàng)。 ◆ LCD 控制器，一個(gè) LCD 專業(yè) DMA。 ◆ 兩個(gè) USB HOST，一個(gè) USB DEVICE（ ）。 ◆ 56 個(gè)中斷源。 ◆ 帶日歷功能的