【文章內(nèi)容簡介】 = [x。x。x]；％將語音數(shù)據(jù)段重復(fù)三遍 wavplay (x)；％播放語音 subplot（ 2,1,1）； %確定顯示位置１ plot（ y）； ％畫原文件完整數(shù)據(jù)語音波形圖 subplot（ 2,1,2）； %確定顯示位置２ plot（ x）； ％畫處理后數(shù)據(jù)語音波形圖 wavwrite（ x,fs,‘ e:\desktop\’）； %將處理后的數(shù)據(jù)寫入文檔 河 北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8x 1 04 0 . 2 0 . 100 . 10 . 20 1 2 3 4 5 6 7x 1 04 0 . 1 0 . 0 500 . 0 50 . 1 分析： 為了使圖形簡單且 突出語音信號特點(diǎn)截取了單聲道的聲音波形，并將其重復(fù)三遍，以便于觀察在進(jìn)行混沌加密時(shí)對于相同的聲音信號加密后的波形的變化。 事實(shí)上由于密鑰的不同即使相同的明文信息得到的密文也不相同，這樣的保密通信不會因?yàn)槊魑亩孤缎畔?，保證了語音信號的通信安全。 語音信號的預(yù)處理 語音信號的頻譜 與倒頻譜分析 (1)語音信號的頻譜分析過程：傅里葉頻譜分析是語音信號頻域分析中廣泛采用的一種方法。語音波是一個(gè)非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機(jī)信號的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能直接表示語音信號，而應(yīng)該用短 時(shí)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(shí)譜”。進(jìn)行頻譜分析時(shí)，在時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí) FFT 處理之前 都要進(jìn)行加窗處理。 (2) 短時(shí)傅里葉變換（ 頻譜分析）： 傅里葉頻譜分析 的基礎(chǔ)是 傅里葉變換 ，用 傅里葉變換及其反變換可以求得傅里葉譜、自相關(guān)函數(shù)、功率譜、倒譜。由于語音信號的特性是隨著時(shí)間緩慢變化的，由此引出語音信號的短時(shí)分析。如同在時(shí)域特征分析中用到的一樣，這里的傅里葉頻譜分析也采用相同的短時(shí)分析技術(shù)。 信號 x(n)的短時(shí)傅里葉變換定義為 圖 語音數(shù)據(jù)處理 河 北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 ( ) ( ) ( )j j mx m n meeX nm???? ????? ? ? (21) 式中， ω (n)為窗口函數(shù)?？梢詮膬蓚€(gè)角度理解函數(shù) ()kjeXn ? 的物理意義：第一種解釋是 ，當(dāng) n 固定時(shí)，如 n=n0,則 0()kjeXn ? 是將窗函數(shù)的起點(diǎn)移至 n0 處截取信號 x(n)，再做傅里葉變換而得到的一個(gè)頻譜函數(shù)。這是直接將頻率軸方向來理解的。另一種解釋是從時(shí)間軸方向來理解，當(dāng)頻率固定時(shí)，例如 ω =ω k，則 ()kn jeX ? 可以看作是信號經(jīng)過一個(gè)中心頻率為 ω k 的帶通濾波器產(chǎn)生的輸出。這是因?yàn)榇翱诤瘮?shù)ω (n)通常具有低通頻率響應(yīng)，而指數(shù) kje? 對語音信號 x(n)有調(diào)制的作用，使頻譜產(chǎn)生移位，即將 x(n)頻譜中對應(yīng)于頻率 ω k 的分量平移到零頻。 [13] (3)短時(shí)傅里葉反變換（倒譜分析） :傅里葉變換建立了信號從時(shí)域到頻域的變換橋梁，而傅里葉反變換則建立了信號從頻域到時(shí)域的變換橋梁這兩個(gè)域之間的變換為一對一映射關(guān)系。倒頻譜，就是對功率譜的對數(shù)值進(jìn)行傅立葉逆變換，將復(fù)雜的卷積關(guān)系變?yōu)楹唵蔚木€性疊加，從而在其倒頻譜上可以較容易地識別信號的頻率組成分量，便于提取所關(guān)心的頻率成分 ,較準(zhǔn)確地反映故障特性。 在語音識別中中可采用倒譜變換來觀察語音信號的各種特點(diǎn)如基頻，從而來區(qū)別兩種語音信號。 倒頻譜分析是一種二次分析技術(shù)，是對功率譜的對數(shù)值進(jìn)行傅立葉逆變換的結(jié)果。其計(jì)算公式為： ? ?1( ) lo g ( )tfCSFam?? ???? (22) 該分析方法受傳感器的測點(diǎn)位置及傳輸途徑的影響小，能將原來頻譜圖上成族的邊頻帶譜線簡化為單根譜線，以便提取、分析原頻譜圖上肉眼難以識別的周期性信號。但是進(jìn)行多段平均的功率譜取對數(shù)后 ，功率譜中與調(diào)制邊頻帶無關(guān)的噪聲和其他信號也都得到較大的權(quán)系數(shù)而放大，降低了信噪比。 我們知道， ()kn jeX ? 以看作是加窗后函數(shù)的傅里葉變換 ，為了實(shí)現(xiàn)反變換，將()kn jeX ? 進(jìn)行頻率采樣，即令 ω k=2π k/L，則有 ( ) [ ( ) ( ) ]kkj j mx m n meeX n m???? ????? ? ? (23) 其中， L 為頻率采樣點(diǎn)數(shù)。將 ()kn jeX ? 在時(shí)域 n 上每隔 R 個(gè)樣本采樣，則可令 ( ) ( ) , , 1 , 2 ,.. .kkjj n rR reeYXr rR??? ? ? (24) 河 北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 用這些 ()kr jeY ? 求出其離散傅里葉反變換 yr(n)如下： 11( ) ( )0 kkL j j nny eeY rrL k ???? ?? (25) 而 ( ) ( )y n ny rr??? ???? (26) 可以證明， x(n)和 y(n)之間只相差一個(gè)比例因子，它們的關(guān)系如下： ( ) ( ) ( ) /jy n x n W Re ?? [13][14][15][16] (27) 語音信號的 matlab 分析 根據(jù)以上分析及相應(yīng)公式， 用 matlab 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，畫出語音信號的 頻譜圖，倒譜圖作為加密以后圖形的對照，以及與解密后信號的頻譜倒譜做比較，觀察信號的恢復(fù)情況。 如圖 程序如下： ［ y,fs］ = wavread（ 39。e:\ desktop\39。，（ 65000））； ％讀入一段語音數(shù)據(jù) t =（ 0:length(y)1） /fs；％計(jì)算樣本時(shí)刻 subplot（ 3,1,1）； ％確定顯示位置 plot（ t,y）； ％畫波形圖 legend（ 39。波形圖 39。）； xlabel（ 39。時(shí)間 (s)39。）； ylabel（ 39。幅度 39。）； x = fft（ y． *hamming（ length（ y）））； %作加窗傅立葉變換 fm=5000*length(x)/fs； ％限定頻率范圍 f =（ 0:fm） *fs/length（ x）；％確定頻率刻度 subplot（ 3,1,2）； plot（ f,20*log10（ abs（ x（ 1:length（ f））） +eps））； ％畫頻譜圖 legend（ 39。頻譜圖 39。）； xlabel（ 39。頻率（ Hz） 39。）； ylabel（ 39。頻譜幅度（ dB） 39。）； c = fft(log(abs（ x） +eps))； %倒頻譜計(jì)算 河 北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 ms1 = fs/1000； ms20 = fs/50； q = （ ms1:ms20） /fs；％確定倒頻刻度 subplot（ 3， 1， 3）； plot(q， abs(c(ms1:ms20)))； ％畫倒譜圖 legend（ 39。倒譜圖 39。）； xlabel（ 39。倒頻（ s） 39。）； ylabel（ 39。倒頻譜幅度 39。）； 0 0 . 5 1 1 . 5 0 . 100 . 1時(shí)間 ( s )幅度 波形圖0 500 1000 1500 2021 2500 3000 3500 4000 4500 5000 1 0 00100頻率 ( H z )頻譜幅度(dB) 頻譜圖0 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 1 0 . 0 1 2 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 0 . 0 1 8 0 . 0 20500010000倒頻 ( s )倒頻譜幅度 倒譜圖 (2)在將語音信號 讀入時(shí) matlab 就已將連續(xù)的語音信號時(shí)間離散化 并存入文件 ，要將該 時(shí)間離散化的 信號 變成 數(shù)字化 信號 還需將 各個(gè)時(shí)間離散化 信號值取整，以便于將信號 轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制數(shù) 據(jù)流 進(jìn)行加密 解密等一系列操作 。 又 因?yàn)?matlab 記錄的文檔中 語音信號的數(shù)值 有效取值為 [,]， 也就是說記錄的語音信號的值都為小數(shù)， 但在小數(shù)點(diǎn)后第三位就可以區(qū)分出每個(gè)數(shù)值的大小，因此 為了便于轉(zhuǎn)換可先將其擴(kuò)大 1000 倍后再取整，這樣就可以從十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，使得程 序簡捷了許圖 語音信號變換 河 北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 多。 f2=ceil(y*10