【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 函數(shù) fft 執(zhí)行高速基 — 2FFT算法，否則 fft 執(zhí)行一種混合基的離散傅里葉變換算法，計(jì)算速度較慢，函數(shù) FFT 的另外一種調(diào)用格式為 y=fft(x,N),式中， x， y 意義同前， N 為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行 N 點(diǎn)的 FFT，若 x 為向量且長(zhǎng)度小于 N，則函數(shù)將 x 補(bǔ)零至長(zhǎng)度 N；若向量 x 的長(zhǎng)度大于 N，則函數(shù)截短 x 使之長(zhǎng)度為 N；若 x 為矩陣，按相同方法對(duì) x 進(jìn)行處理。 倒譜的概念 定義：倒譜 [1,10,11,13]定義為信號(hào)短時(shí)振幅譜的對(duì)數(shù)傅里葉反變換。 特點(diǎn)：具有可近似地分離并提取出頻譜包絡(luò)信息和細(xì)微結(jié)構(gòu)信息的特點(diǎn) 用途： ①提取聲道特征信息：提取頻譜包絡(luò)特征，以此作為描述音韻的特征參數(shù)而應(yīng)用于語音識(shí)別。 ②提取音源信息：提取基音特征，以此作為描述音韻特征的輔助參數(shù)而應(yīng)用于語音識(shí)別。 6 求法：如圖 21 所示： 倒譜 圖 x(n) l o gA B C D ED F T I D T F D F T? ? ??? ??? ??? ??? ? ? ??? 時(shí)間窗 F 圖 21 倒譜的求法 在圖 21 中， A 表示短時(shí)信號(hào)， B 表示頻譜， C 表示對(duì)數(shù)頻譜 ， D表示倒譜系數(shù) ， E 表示對(duì)數(shù)頻譜包絡(luò) ， F 表示基本周期。 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形（或頻譜）進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。 數(shù)字濾波器 [1,3,4,9,12]可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器有很多種分類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖擊響應(yīng)的時(shí)域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（ IIR）濾波器和有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（ FIR）濾波器。從性能上來說， IIR 濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高，但是這個(gè)高效率是以相應(yīng)的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反， FIR 濾波器卻可 以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于 FIR 濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)獲得高的選擇性；對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)， FIR 濾波器所要求的階數(shù)可以比 IIR 濾波器高 5~10 倍，結(jié)果，成本較樣值檢測(cè) 7 高，信號(hào)延時(shí)也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則 IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣要大增濾波器的階數(shù)和復(fù)雜性。 整體來看， IIR 濾波器達(dá)到同樣效果，階數(shù)較少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位； FIR 濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大。在本文中主要采用 IIR 濾波器。 （三 ）仿真環(huán)境 語音信號(hào)的處理與仿真選用 Matlab 平臺(tái) [2,5,7,8,9]。 Matlab 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó) MathWorks 公司 發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。主要應(yīng) 用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。下面對(duì) Matlab 的主要組成部分和圖形用戶界面（ GUI）作簡(jiǎn)單介紹。 Matlab 的主要組成部分： 1）開發(fā)環(huán)境：開發(fā)環(huán)境是幫助用戶使用 Matlab 函數(shù)和文件的工具的集合，這些工具中許多都是圖形用戶界面。開發(fā)環(huán)境包括 Matlab 桌面及其命令窗口、命令記錄、幫助瀏覽器、工作平臺(tái)、文件和搜索路徑等。 2） Matlab 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)：該庫(kù)收集了大量的從基本函數(shù)（求和、三角運(yùn)算、復(fù)雜算術(shù)等）到復(fù)雜函數(shù)（矩陣求逆、求矩陣特征值、貝塞爾函數(shù)和快速傅立葉變換等）的計(jì)算算法。 3） Matlab 語言： Matlab 語言是一種包括流程控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入 /輸出和面向?qū)ο缶幊谭绞降母呒?jí)矩陣 /數(shù)組語言，該語言能夠通 8 過與其它 Matlab 系統(tǒng)組成部分之間的交互完成非常復(fù)雜 的計(jì)算任務(wù)。 4）圖形句柄：圖形句柄即 Matlab 的圖形系統(tǒng)，該系統(tǒng)既包括二維和三維數(shù)據(jù)的可視化、圖像處理、動(dòng)畫和圖形描述等高級(jí)命令，又包括允許用戶完全自定義圖形，并在 Matlab 應(yīng)用程序中建立自己的圖形界面的低級(jí)命令。 5） Matlab應(yīng)用程序接口： API是允許用戶編寫 C、 FORTIULN和 Matlab接口程序的系統(tǒng)庫(kù)，該庫(kù)中包含一些調(diào)用工具，其它應(yīng)用程序能夠通過動(dòng)態(tài)鏈接、作為計(jì)算引擎、讀寫 MAT 文件三種形式來使用這些工具以調(diào)用Matlab 程序。 圖形用戶界面（ GUI） 1）圖形用戶界面概念 圖形用戶界面或圖形用戶接口（ Graphical User Interface,GUI）是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作環(huán)境用戶接口。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶來說更為簡(jiǎn)單易用。 GUIDE 是 Matlab 提供的圖形界面開發(fā)環(huán)境，提供了一系列用于創(chuàng)建圖形用戶界面的工具，從而簡(jiǎn)單化界面布局和編程工作。 2）圖形用戶界面設(shè)計(jì) ① GUI 設(shè)計(jì)模板 在 Matlab 主窗口中，選擇 File 菜單中的 New 菜單項(xiàng)，再選擇其中的GUI 命令，就會(huì)顯示圖形用戶界面的設(shè)計(jì)模板。 Matlab 為 GUI 設(shè)計(jì)一共準(zhǔn)備了 4 種模板，分別是 Black GUI（默認(rèn)）、GUI with Uicontrols（帶控件對(duì)象的 GUI 模板）、 GUI with Axes and Menu（帶 9 坐標(biāo)軸與菜單的 GUI 模板）與 Modal Question Dialog（帶模式問話對(duì)話框的 GUI 模板）。 當(dāng)用戶選擇不同的模板時(shí)，在 GUI 設(shè)計(jì)模板界面的右邊會(huì)顯示與該模板對(duì)應(yīng)的 GUI 圖形。 ② GUI 設(shè)計(jì)窗口 在 GUI 設(shè)計(jì)模板中選中一個(gè)模板，然后單擊 OK 按鈕，就會(huì)顯示 GUI設(shè)計(jì)窗口。選擇不同的 GUI 設(shè)計(jì)模式時(shí)，在 GUI 設(shè)計(jì)窗口中顯示的結(jié)果是不一樣的。 GUI 設(shè)計(jì)窗口由菜單欄、工具欄、控件工具欄以及圖形對(duì)象設(shè)計(jì)區(qū)等部分組成。 GUI 設(shè)計(jì)窗口的菜單欄有 File、 Edit、 View、 Layout、 Tools 和Help 6 個(gè)菜單項(xiàng)，使用其中的命令可以完成圖形用戶界面的設(shè)計(jì)操作。 ③ GUI 設(shè)計(jì)窗口的基本操作 在 GUI 設(shè)計(jì)窗口創(chuàng)建圖形對(duì)象后，通過雙擊該對(duì)象的屬性編輯器。例如，創(chuàng)建一個(gè) Push Button 對(duì)象，并設(shè)計(jì)該對(duì)象的屬性值。 三、語音信號(hào)處理的總體方案 語音信號(hào)處理是信號(hào)處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識(shí)別，語言的理解，語音的合成 ,語音的增強(qiáng) ,語音的數(shù)據(jù)壓縮等。而本文僅僅是對(duì)語音信號(hào)做一些簡(jiǎn)單的處理，包括 信號(hào)的提取、調(diào)整、變換和濾波等。 （一）本文基本要求 本文是對(duì)語音信號(hào)同時(shí)在時(shí)域和頻域進(jìn)行濾波處理和分析，在 Matlab應(yīng)用軟件下設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易圖形用戶界面（ GUI），來解決一般應(yīng)用條件下的 10 各種語音信號(hào)處理。 （二）語音信號(hào)的處理 語音信號(hào)的采集 使用電腦的聲卡設(shè)備采集一段時(shí)間長(zhǎng)度約為 5~10 秒的聲音信號(hào)，保存為 *.wav 格式。 語音信號(hào)的處理 語音信號(hào)的處理 [1,8,11,12,13]主要包括信號(hào)的提取、調(diào)整、變換和濾波等。 1）提取：通過圖形用戶界面上的菜單功能按鍵采集電腦設(shè)備上的一段音頻信號(hào)、完成音頻信號(hào)的頻率，幅度等信息的提取，并得到該語音信號(hào)的波形圖。 2）調(diào)整：在設(shè)計(jì)的用戶圖形界面下對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行各種變化，如變化幅度、改變頻率等操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)語音信號(hào)的調(diào)整。 3）變換：在用戶圖形界面下對(duì)采集的語音信號(hào)進(jìn)行 Fourier 等變換，并畫出變換前后的頻譜圖。 4）濾波：濾除語音信號(hào)中的噪音部分，可采用低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波，并比較各種濾波后的效果。 語音信號(hào)的效果顯示 通過用戶圖形界面的輸出功能，將處理后的語音信號(hào)進(jìn)行播放，試聽處理后的效果。 語音信號(hào)處理方框圖 圖 31 列出了整個(gè)語音信號(hào)處理的方框圖： 11 圖 31 語音信號(hào)處理方框圖 其中信號(hào)調(diào)整包括信號(hào)的幅度和頻率的任意倍數(shù)變化，如圖 32 所示 : 圖 32 信號(hào)調(diào)整 信號(hào)的濾波采用了四種濾波方式，如圖 33 所示： 圖 33 語音信號(hào)濾波的方式 綜合圖 3 3 33 可以看到，整個(gè)語音信號(hào)處理系統(tǒng)的流程分為三步，首先是讀入待處理的語音信號(hào)，即信號(hào)的采集；然后進(jìn)行語音信號(hào)的處理，包括信息的提取、信號(hào)幅度和頻率調(diào)整、語音信號(hào)的傅里葉變換以及信號(hào)的濾波，而濾波又包括低通濾波、高通濾波、帶