【正文】 ................................................ 7 語音信號的特點 .......................................................................................... 7 語音信號的采集 .......................................................................................... 7 第 4 章 語音信號的分析 ............................................................................................. 11 語音信號的時域分析 ................................................................................ 11 語音信號的頻域分析 ................................................................................ 13 語音信號的語譜圖 .................................................................................... 16 第 5 章 圖形用戶界面制作 ......................................................................................... 19 窗口界面的實現(xiàn)過程 ................................................................................ 19 用戶界面 .................................................................................................... 21 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................... 23 致謝 .............................................................................................................................. 24 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 1 頁 共 22 頁 第 1章 緒 論 引言 20 世紀(jì) 60 年代中期形成的一系列數(shù)字信號處理的理論和算法，如數(shù)字濾波器、快速傅立葉變換（ FFT）等是語音信號數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 1965 年庫利一圖基在《計算 數(shù)學(xué)》雜志上發(fā)表快速傅里葉變換（ FFT）算法， FFT 和頻譜分析很快發(fā)展成為機械設(shè)備故障診斷、振動分析、無線電通信、信息圖像處理和自動控制等多種學(xué)科重要的理論基礎(chǔ)。而且由于旁瓣泄露或主瓣干涉的影響，基于單頻率信號頻譜校正的比值法不再適合此類多頻信號。 4．?dāng)?shù)字濾波器設(shè)計 根據(jù)待處理信號特點，設(shè)計合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計濾波器的幅頻和相頻特性 。 1924 年奈奎斯特 (Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式 : 理想低通信道的最高大碼元傳輸速率 =2W*log2 N (其中 W 是理想低通信道的帶寬 ,N 是電平強度 ) 采樣頻率 采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少個聲音樣本，是描述聲音文件 的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。每增加一個采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。 [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）。 函數(shù) FFT 的另一種調(diào)用格式 為y=fft(x,N)， 式中， x， y 意義同前， N 為正整數(shù)。 (3) 利用有限精度算法實現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長選擇等。這樣，預(yù)濾波器必須是一個帶通濾波器，設(shè)其上、下截止顏率分別是 fH 和 fL，則對于絕人多數(shù)語音編譯碼器， fH=3400Hz、 fL＝ 60~100Hz、采樣率為 fs＝ 8kHz；而對丁語音識別而言，當(dāng)用于電話用戶時，指標(biāo)與語音編譯碼器相同 。 在采樣的過程中應(yīng)注意 采樣間隔的選擇和信號混淆：對模擬信號采樣首先要確定采樣間隔。具體振值用舍入法歸到靠近的量化電平上。,[N1 N2])。語音信號本身就是時域信號，因而時域分析是最早使用，也是應(yīng)用最廣泛的一種分析方法，這種方法直接利用語音信號的時域波形。 短時能量及短時平均幅度分析 設(shè)語音波形時域信號為 x(l)、加密分幀處理后得 到的第 n 幀語音信號為 Xn(m)，則 Xn(m)滿足下式： ( ) ( ) ( ) ( )nx m w m x n m m?? 01mN? ? ? (41) 1 0 ~ ( 1 )( ) { mNmwm ???? ， 0， 其 他 值 (42) 其中， n＝ 0， 1T， 2T，?，并且 N為幀長， T 為幀移長度。過零率就是樣本改變符號的次數(shù) [11]。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 13 頁 共 22 頁 利用短時平均過零率還可以從背景噪聲中找出語音信號，可用于判斷寂靜無聲段和有聲 段的起點和終點位置。 因為語音 波是一個非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn) 隨機信號的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能用來直接表示語音信號， 而應(yīng)該用短時傅里葉變換 對語音信號的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜稱為“ 短時 譜 ” [12]。 根據(jù)信號的時寬帶寬積為一常數(shù)這一基本性質(zhì)，可知 ()jwWe 主瓣 寬度與窗口寬度成反比， N 越大， ()jwWe 的主瓣越窄。當(dāng)然，這時窗長 N 必須是 2 的倍數(shù) 2L (L是整數(shù) )。為了完成 1024點的萬 FFT， 這些專用芯片所需的運 算時間是幾十毫秒至兒毫秒，甚至可以降至 1ms 以下。顯然這兩種單獨分析的方法均有局限性：時域分析對語音信號的頻率特性沒有直觀的了解； 而頻域分析出的特征中又沒有語音信號隨時間的變化關(guān)系：語音信號是時變信號，所以其頻譜也是隨時間變化的。 語譜儀實際上是一個帶通濾波器組的輸出隨時間發(fā)生連續(xù)變化，連續(xù)重復(fù)進(jìn)行 語音 信號頻率分析的儀器 。 這與不向的人有不同的指紋，根據(jù)指紋可以 區(qū)別不同的人是一個道理。豎 直條 (又 叫沖直條 )是 語譜圖 中出現(xiàn)與時間軸垂直的一條窄黑條。 （ 1）啟動 GUI的方法 啟動圖形用戶界面的方法有很多種，例如可以利用工具欄上的命令按鈕，也可以采用菜單和命令的方式。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 21 頁 共 22 頁 用戶界面 本設(shè)計中用戶界面，大體分為信號輸入 模塊 ，原始信號顯示 模塊 ，頻譜分析 模塊 ，經(jīng)典譜分析 模塊 和現(xiàn)代譜分析 模塊 四 部分。 其次 點擊頻譜分析按鈕，坐標(biāo)軸會顯示信號的幅度譜。首先 對 王麗麗、陳慶鵬 老師 致以最崇高的敬意和誠摯的感謝 ！ 是 她引導(dǎo)、鼓勵我在一個嶄新的領(lǐng)域里進(jìn)行了有意的探索，并幫助我克服了種種困難！ 李 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、 平易近人的作風(fēng) 、 強烈的創(chuàng)新意識、敏銳的洞察力、淵博的知識、 開闊的眼界，一絲不茍的敬業(yè)精神 都一直 是我學(xué)習(xí)的榜樣 ，從 王 老師那里我學(xué)到了許多有益的思想方 法和寶貴的經(jīng)驗，并將終生影響我對學(xué)習(xí)、工作和生活的態(tài)度。 圖 5 4為輸入信號為mat文件中已存的信號 [20]。接著關(guān)閉串口，點擊打開按鈕，即可讀回由串口實時采集到的聲信號數(shù)據(jù)。 M文件：該文件包括 GUI設(shè)計、 控制函數(shù)以及為子函數(shù)的用戶控件回調(diào)函數(shù)，主要用于控制 GUI 展開時的各種特征。 窗口界面的實現(xiàn)過程 該系統(tǒng)界面的設(shè)計主要是利用 MATLAB 所提供的 GUI（ Graph User Interface）向?qū)гO(shè)計控件而完成的，該向?qū)Э梢詫崿F(xiàn)多種控 件的設(shè)計，給用戶提供了一種友好的交互方式，同時也給操作帶來很多方便。從橫扛對應(yīng)的頻率和寬度可以確定相應(yīng)的共振峰頻率和帶寬。語譜圖上因其不同的黑白程度，形成了個同的紋 路， 稱之為 “ 聲紋”，它因人而異，即不同講話者語譜 圖的聲紋是不同的。用語譜圖分析語音又稱為 語譜 分析。在高頻部分，波峰比較密集，特征不明顯。 FFT 的計算可以在通用計算機上由相應(yīng)的算法軟件來完成，這種方式一般只能實現(xiàn)非實時運算 [14]。而漢明窗在基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 15 頁 共 22 頁 頻率范圍中的分辨率較高，而且旁辯的衰減大，具有頻譜泄漏少的優(yōu)點．所以在求短時頻譜時一船采用具有較小上下沖的漢明 窗 [13]。設(shè)語音信號序列和 窗 口序列的標(biāo)準(zhǔn)傅早葉變換均存在。從 廣義 上講，語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、 功率 譜、倒頻譜、頻譜包絡(luò)分析等，而常用的 頻域 分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變換法、線件預(yù)測法等幾種。高頻就意味著高的平均過零率，低頻意味著低的平均過零率，所以可以認(rèn)為濁音時具有較低的過零率，而清音時具有較高的過零率。過零 分析是語音時域分析中最簡單的一種 。 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]。 Windows 自帶的錄音機 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