語音信號的采集與時(shí)頻域分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-10-01 08:12 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 尤其在有噪聲干擾時(shí)，如何準(zhǔn)確檢測語音信號的端點(diǎn)，這在語音處理中是富有挑戰(zhàn)性的一個(gè)課題。 第 頁 共 18 頁 第 二 章 語音信號 頻 域分析 語音信號的頻域分析主要應(yīng)用 傅立葉 變換來分析， 由于語音信號是隨著時(shí)間變化的，因此一般標(biāo)準(zhǔn)的傅立葉表示雖然適用于周期及平穩(wěn)隨機(jī)信號的表示，但不能直接用于語音信號。由于語音信號可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi) ， 近似不變，因而可以采用短時(shí)分析法。 短時(shí)傅立葉變換 由于語音信號是短時(shí)平穩(wěn)的隨機(jī)信號，某一語音信號幀的短時(shí)傅立葉變換的定義為： ( ) ( ) ( )jw jwmn mX e x m w n m e? ?? ? ???? （ ） 其中 w(nm)是實(shí)窗口函數(shù)序列， n 表示某一語音信號幀。令 nm=k39。，則得到 ( 39。)39。( ) ( 39。) ( 39。)jw jw n kn kX e w k x n k e? ??? ? ???? （ ） 于是可以得到 ： ( ) ( ) ( )jw jwn jwkn kX e e w k x n k e??? ? ???? （ ） 假定 ： ( ) ( ) ( )jw jw kn kX e w k x n k e?? ? ???? （ ） 則可以得到 ： ( ) ( )jw jw n jwnnX e e X e?? （ ） 同樣，不同的窗口函數(shù)，將得到不同的傅立葉變換式的結(jié)果。由上式可見，短時(shí)傅立葉變換有兩個(gè)變量： n 和 ω，所以它既是時(shí)序 n 的離散函數(shù)，又是角頻率 ω 的連續(xù)函數(shù)。與離散傅立葉變換逼近傅立葉變換一樣，如令 ω=2πk/N，則得離散的短時(shí)傅立葉吧如下： 2/2/( ) ( )( ) ( ) , ( 0 1 )j k Nnnj k m NmX e X kx m w n m e k N??? ?? ? ???? ? ? ?? () 第 頁 共 18 頁 語譜圖 語譜圖反映了語音信號的動態(tài)頻率特性，在語音分析中具有重要的實(shí)用價(jià)值。被成為可視語言。 語譜圖的時(shí)間分辨率和頻率分辨率是由窗函數(shù)的特性決定的。時(shí)間分辨率高，可以看出時(shí)間波形的每個(gè) 周期及共振峰隨時(shí)間的變化，但頻率分辨率低，不足以分辨由于激勵(lì)所形成的細(xì)微結(jié)構(gòu)，稱為寬帶語譜圖；而窄帶語譜圖正好與之相反。 寬帶語譜圖可以獲得較高的時(shí)間分辨率，反映頻譜的快速時(shí)變過程；窄帶語譜圖可以獲得較高的頻率分辨率，反映頻譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。兩者相結(jié)合，可以提供帶兩與語音特性相關(guān)的信息。語譜圖上因其不同的灰度，形成不同的紋路，稱之為 “聲紋 ”。聲紋因人而異，因此可以在司法、安全等場合得到應(yīng)用。 語音采集信號的的語譜圖如下圖（ ）所示 圖 語音信號的語譜圖 復(fù)倒譜和倒譜 復(fù)倒譜 ^()xn 是 ()xn 的 Z 變換取對數(shù)后的逆 Z 變換，其表達(dá)式如下 : ^ 1[ln [ ( )]]x Z Z x n?? （ ） 倒譜 () 定義為 ()xn 取 Z 變換后的幅度對數(shù)的逆 Z 變換，即 1( ) [ln | ( ) |]c n z X z?? （ ） 第 頁 共 18 頁 在時(shí)域上，語音產(chǎn)生模型實(shí)際上是一個(gè)激勵(lì)信號與聲道沖激響應(yīng)的卷積。對于濁音，激勵(lì)信號可以由周期脈沖序列表示；對于清音，激勵(lì)信號可以由隨機(jī)噪聲序列表示。聲道系統(tǒng)相當(dāng)于參數(shù)緩慢變化的零極點(diǎn)線性濾波器。這樣經(jīng)過同態(tài)處理后，語音信號的復(fù)倒譜，激勵(lì)信號的復(fù)倒譜，聲道系統(tǒng)的復(fù)倒譜之間滿足下面的關(guān)系： ^ ^ ^( ) ( ) ( )s n e n v n?? （ ） 由于倒譜對應(yīng)于復(fù)倒譜的偶部，因此倒譜與復(fù)倒譜具有同樣的特點(diǎn)，很容易知道語音信號的倒譜，激勵(lì)信號的倒譜以及聲道系統(tǒng)的倒譜之間滿足下面關(guān)系： ( ) ( ) ( )s e vn n nc c c?? （ ） 濁音信號的倒譜中存在著峰值，它的出現(xiàn)位置等于該語音段的基音周期，而清音的倒譜中則不存在峰 值。利用這個(gè)特點(diǎn)我們可以進(jìn)行清濁音的判斷，并且可以估計(jì)濁音的基音周期。 圖 語音信號的倒普圖 從上圖 語音信號的 倒譜圖可以看出 ,語音信號 ~ 和 2s~ 所對應(yīng)的頻率大概在 200Hz 左右 , 這與人的語音信號頻率集中在 200 Hz 到 4000Hz 之間是相一致的。而在未發(fā)聲的時(shí)間段內(nèi) , 相對的小高頻部分 ( 150～ 500Hz)應(yīng)該屬于背景噪聲。 第 頁 共 18 頁 第 三 章 加噪與濾波處理 原始信號加噪處理 利用 awgn 函數(shù)對原始信號進(jìn)行信噪比 50dB 的白噪聲的加噪處理， 接下來 分別 對 原始信號和加噪信號的 采樣數(shù)據(jù)作快速傅里葉 (fft)變換并畫出以 dB 為單位的信號頻譜 圖 。如下圖 所示： 圖 原始信號與加噪信號的頻譜圖 由上圖 分析加噪聲后的頻譜圖的幅度變化較小，表示白噪聲基本覆蓋了原始信號的頻譜。同時(shí)利用 sound 函數(shù)對語音信號進(jìn)行回放在聽到“信號處理 — 濾波器”這句話時(shí)，伴隨著著明顯的噪聲。 圖 加噪信號的倒譜圖 第 頁 共 18 頁 為方便設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾噪，現(xiàn)在對加噪信號進(jìn)行倒普分析，利用 Matlab 對加噪信號進(jìn)行倒普圖繪制如上圖 所示。從上圖分析可知加噪后的倒譜圖信號頻率在100Hz~500Hz，而語音信號 ~ 和 2s~ 所對應(yīng)的頻率
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