【正文】 ................................................ 7 語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn) .......................................................................................... 7 語(yǔ)音信號(hào)的采集 .......................................................................................... 7 第 4 章 語(yǔ)音信號(hào)的分析 ............................................................................................. 11 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析 ................................................................................ 11 語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析 ................................................................................ 13 語(yǔ)音信號(hào)的語(yǔ)譜圖 .................................................................................... 16 第 5 章 圖形用戶界面制作 ......................................................................................... 19 窗口界面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 ................................................................................ 19 用戶界面 .................................................................................................... 21 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................... 23 致謝 .............................................................................................................................. 24 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 1 頁(yè) 共 22 頁(yè) 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(hào)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(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 1965 年庫(kù)利一圖基在《計(jì)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(jī)械設(shè)備故障診斷、振動(dòng)分析、無(wú)線電通信、信息圖像處理和自動(dòng)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(hào)頻譜校正的比值法不再適合此類多頻信號(hào)。 4．?dāng)?shù)字濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)待處理信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計(jì)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(qiáng)度 ) 采樣頻率 采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)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(gè)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(diǎn)到 N2 點(diǎn)的值（若只有一個(gè) N 的點(diǎn)則表示讀取前 N點(diǎn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長(zhǎng)選擇等。這樣，預(yù)濾波器必須是一個(gè)帶通濾波器，設(shè)其上、下截止顏率分別是 fH 和 fL，則對(duì)于絕人多數(shù)語(yǔ)音編譯碼器， fH=3400Hz、 fL＝ 60~100Hz、采樣率為 fs＝ 8kHz；而對(duì)丁語(yǔ)音識(shí)別而言，當(dāng)用于電話用戶時(shí)，指標(biāo)與語(yǔ)音編譯碼器相同 。 在采樣的過(guò)程中應(yīng)注意 采樣間隔的選擇和信號(hào)混淆：對(duì)模擬信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)本身就是時(shí)域信號(hào)，因而時(shí)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(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形。 短時(shí)能量及短時(shí)平均幅度分析 設(shè)語(yǔ)音波形時(shí)域信號(hào)為 x(l)、加密分幀處理后得 到的第 n 幀語(yǔ)音信號(hào)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(zhǎng)， T 為幀移長(zhǎng)度。過(guò)零率就是樣本改變符號(hào)的次數(shù) [11]。 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 13 頁(yè) 共 22 頁(yè) 利用短時(shí)平均過(guò)零率還可以從背景噪聲中找出語(yǔ)音信號(hào)，可用于判斷寂靜無(wú)聲段和有聲 段的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。 因?yàn)檎Z(yǔ)音 波是一個(gè)非平穩(wěn)過(guò)程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn) 隨機(jī)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能用來(lái)直接表示語(yǔ)音信號(hào)， 而應(yīng)該用短時(shí)傅里葉變換 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜稱為“ 短時(shí) 譜 ” [12]。 根據(jù)信號(hào)的時(shí)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(shí)窗長(zhǎng) N 必須是 2 的倍數(shù) 2L (L是整數(shù) )。為了完成 1024點(diǎn)的萬(wàn) FFT， 這些專用芯片所需的運(yùn) 算時(shí)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(dú)分析的方法均有局限性：時(shí)域分析對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻率特性沒(méi)有直觀的了解； 而頻域分析出的特征中又沒(méi)有語(yǔ)音信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系：語(yǔ)音信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，所以其頻譜也是隨時(shí)間變化的。 語(yǔ)譜儀實(shí)際上是一個(gè)帶通濾波器組的輸出隨時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化，連續(xù)重復(fù)進(jìn)行 語(yǔ)音 信號(hào)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(gè)道理。豎 直條 (又 叫沖直條 )是 語(yǔ)譜圖 中出現(xiàn)與時(shí)間軸垂直的一條窄黑條。 （ 1）啟動(dòng) GUI的方法 啟動(dòng)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(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 21 頁(yè) 共 22 頁(yè) 用戶界面 本設(shè)計(jì)中用戶界面，大體分為信號(hào)輸入 模塊 ，原始信號(hào)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(diǎn)擊頻譜分析按鈕，坐標(biāo)軸會(huì)顯示信號(hào)的幅度譜。首先 對(duì) 王麗麗、陳慶鵬 老師 致以最崇高的敬意和誠(chéng)摯的感謝 ！ 是 她引導(dǎo)、鼓勵(lì)我在一個(gè)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(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)、敏銳的洞察力、淵博的知識(shí)、 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(yàn)，并將終生影響我對(duì)學(xué)習(xí)、工作和生活的態(tài)度。 圖 5 4為輸入信號(hào)為mat文件中已存的信號(hào) [20]。接著關(guān)閉串口，點(diǎn)擊打開按鈕，即可讀回由串口實(shí)時(shí)采集到的聲信號(hào)數(shù)據(jù)。 M文件：該文件包括 GUI設(shè)計(jì)、 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(shí)的各種特征。 窗口界面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 該系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)主要是利用 MATLAB 所提供的 GUI（ Graph User Interface）向?qū)гO(shè)計(jì)控件而完成的，該向?qū)Э梢詫?shí)現(xiàn)多種控 件的設(shè)計(jì)，給用戶提供了一種友好的交互方式，同時(shí)也給操作帶來(lái)很多方便。從橫扛對(duì)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(yǔ)譜圖上因其不同的黑白程度，形成了個(gè)同的紋 路， 稱之為 “ 聲紋”，它因人而異，即不同講話者語(yǔ)譜 圖的聲紋是不同的。用語(yǔ)譜圖分析語(yǔ)音又稱為 語(yǔ)譜 分析。在高頻部分，波峰比較密集，特征不明顯。 FFT 的計(jì)算可以在通用計(jì)算機(jī)上由相應(yīng)的算法軟件來(lái)完成，這種方式一般只能實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)運(yùn)算 [14]。而漢明窗在基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 15 頁(yè) 共 22 頁(yè) 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(diǎn)．所以在求短時(shí)頻譜時(shí)一船采用具有較小上下沖的漢明 窗 [13]。設(shè)語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)的頻域分析包括語(yǔ)音信號(hào)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(cè)法等幾種。高頻就意味著高的平均過(guò)零率，低頻意味著低的平均過(guò)零率，所以可以認(rèn)為濁音時(shí)具有較低的過(guò)零率，而清音時(shí)具有較高的過(guò)零率。過(guò)零 分析是語(yǔ)音時(shí)域分析中最簡(jiǎn)單的一種 。 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)有短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率、短時(shí)白相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等，這是語(yǔ)音信號(hào)的一組最基本的短時(shí)參數(shù)，在各種語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)中都要應(yīng)用 [10]。 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(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 11 頁(yè) 共 22 頁(yè) 第 4章 語(yǔ)音信號(hào)的分析 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語(yǔ)音