【正文】 0 頁 共 22 頁 在彈出的 guide quick start 窗口中選擇 create new gui 選項卡里面地 Blank GUI 選項，這樣就可以進(jìn)入圖形用戶界面來設(shè)計我們的系統(tǒng)靜態(tài)界面 ，如下 圖5 2 所示： 圖 5 2 為系統(tǒng)靜態(tài)界面 上圖就是 Guide 提供的圖形界面設(shè)計工具集，在此界面下就可以利用控件組件、文本菜單、 排列工具等對系統(tǒng)的界面進(jìn)行設(shè)計。雖然對采用語譜圖的講活人識別技術(shù)的可靠性過存在相當(dāng)人的懷疑，但目前這一技術(shù)已在司法法庭小得到某些認(rèn)可及采用 [17]。但是由于語音信號隨時間變化是很緩慢的，因而在一段短時間內(nèi) (如 10～ 30ms 之間，即所謂的一幀之內(nèi) )可以認(rèn)為其頻譜是固定不變的，這種頻譜又稱為短時譜。根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，實數(shù)序列的傅里葉變換的頻譜具有對稱性，因此，全部頻譜信息包含在長度為 N/2+1 個 ()nXk里。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 14 頁 共 22 頁 下面利用短時博里葉變換求語音的短時譜 對第 n 幀語音信號 Xn(m)進(jìn)行傅里葉變換 (離散時域傅里葉變換， DTFT)，可得到短時傅里葉變換， 其定義如下： 10( ) ( )Njw jw nnnmX e x m e? ??? ? (47) 由定義可知，短時傅里葉變換實際就是 窗 選語音信號的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換。定義語音信號 Xn（ m） 的短時過零 率Zn 為： ? ? ? ?101 s g n ( ) s g n ( 1 )2 Nn n nmZ x m x m??? ? ?? （ 45） 式中， sgn[ ]是符號函 數(shù)，即： ? ? ? 1 ,( 0 )1 ,( 0 )sg n x xx ???? （ 46） 在實際中求過零率參數(shù)時，需要十分注意的一 個問題是如果輸入信號中包含有 50Hz 的工頻干擾或者 A/D 變換器的工作點有偏移 (這等效于輸入信號有直流偏移 )，往往會使計算的過零率參數(shù)很不 準(zhǔn) 確 。時域分析通常用于最基本的參數(shù)分析及應(yīng)用，如語音的分割、預(yù)處理、大分類等。 語音信號經(jīng)過預(yù)濾波和采樣后，由 A／ D 變換器變換為二址制數(shù)字碼。當(dāng)使用要求較高或很高的場合時 fH＝ 4500Hz或 8000Hz、 fL＝ 60Hz、 fs＝ 10kHz或 20kHz。函數(shù)執(zhí)行 N 點的 FFT， 若 x基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 6 頁 共 22 頁 為向量且長度小于 N，則函數(shù)將 x 補零至長度 N； 若向量 x 的長度大于 N，則函數(shù)截短 x 使之長度為 N； 若 x 為矩陣，按相同方法對 x 進(jìn)行處理。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。 5．信號處理 用所設(shè)計的濾波器對含噪語音信號進(jìn)行濾波。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。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。例如，對汽車、飛機、輪船、汽輪機等各類旋轉(zhuǎn)機械、電機、機床等機器的主體或部件進(jìn)行實際運行狀態(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，判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小等。 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。 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)。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。 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。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。 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信號的時域參數(shù)。過零 分析是語音時域分析中最簡單的一種 。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。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]。在高頻部分，波峰比較密集，特征不明顯。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。 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。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)。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。 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。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。 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 。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。 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。 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。 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