【文章內(nèi)容簡介】 析信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。因?yàn)閷τ诰€性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項(xiàng)紅物理現(xiàn)象。由于語音信號是隨著時間變化的，通常認(rèn)為，語音是一個受準(zhǔn)周期脈沖或隨機(jī)噪聲源激勵的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應(yīng)與激勵源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及激勵源都是隨時間變化的，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)為在短時間內(nèi)，近似不變，因而可以采用短時分析法。 變換：在用戶圖形界面下對采集的語音信號進(jìn)行Fourier等變換，并畫出變換前后的頻譜圖和變換后的倒譜圖。濾波：濾除語音信號中的噪音部分，可采用低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帯阻濾波，并比較各種濾波后的效果。 語音信號的效果顯示通過用戶圖形界面的輸出功能，將處理后的信號的語音進(jìn)行播放，試聽處理后的效果。 系統(tǒng)初步流程圖 ：信號采集信息提取信號調(diào)整信號濾波信號變換效果顯示 語音信號處理系統(tǒng)的工作流程其中信號調(diào)整包括信號的幅度和頻率的任意倍數(shù)變化。 信號調(diào)整信號調(diào)整幅度調(diào)整頻率調(diào)整 信號的濾波采用了四種濾波方式，來觀察各種濾波性能的優(yōu)缺點(diǎn)：信號濾波切比雪夫—I型低通濾波橢圓數(shù)字帶通濾波切比雪夫—Ⅱ型帶阻濾波切比雪夫—Ⅱ型高通濾波 語音信號濾波的方式在以上三圖中，可以看到整個語音信號處理系統(tǒng)的流程大概分為三步，首先要讀入待處理的語音信號，然后進(jìn)行語音信號的處理，包括信息的提取、幅度和頻率的變換以及語音信號的傅里葉變換、濾波等；濾波又包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等方式。最后對處理過的語音信號進(jìn)行處理后的效果顯示。以上是本系統(tǒng)的工作流程，本文將從語音信號的采集開始做詳細(xì)介紹。語音信號的思想早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出，由于使用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)起來的系統(tǒng)復(fù)雜度較高，所以一直沒有發(fā)展起來。在20世紀(jì)70年代，提出用離散傅里葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，為語音信號的實(shí)用化奠定了理論基礎(chǔ)；從此以后，語音信號在移動通信中的應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。 ，發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)字信號轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并進(jìn)行離散傅里葉變換（IDFT）將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變換到時域上。IFFT變換與IDFT變換的作用相同，只是有更高的計算效率，所以適用于所有的應(yīng)用系統(tǒng)。其中，上半部分對應(yīng)于發(fā)射機(jī)鏈路，下半部分對應(yīng)于接收機(jī)鏈路。由于FFT操作類似于IFFT，因此發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以使用同一硬件設(shè)備。當(dāng)然，這種復(fù)雜性的節(jié)約則意味著接收發(fā)機(jī)不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收操作。串/并去除循環(huán)前綴定時和頻率同步RF RXADC解碼解交織信道正交數(shù)字解調(diào)并串變換RF TX加入循環(huán)前綴并/串DAC編碼交織插入倒頻數(shù)字調(diào)制串并變換IFFTFFT 系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的典型框圖接收端進(jìn)行發(fā)送相反的操作，將射頻（RF，Radio Frequency）信號與基帶信號進(jìn)行混頻處理，并用FFT變換分解頻域信號。子載波幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號。IFFT和FFT互為反變換，選擇適當(dāng)?shù)淖儞Q將信號接收或發(fā)送。但信號獨(dú)立于系統(tǒng)時，F(xiàn)FT變換和IFFT變換可以被交替使用。3 語音信號處理基本知識 語音的錄入與打開在MATLAB中，[y,fs,bits]=wavread(39。Blip39。,[N1 N2])。用于讀取語音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。[N1 N2]表示讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的值（若只有一個N的點(diǎn)則表示讀取前N點(diǎn)的采樣值）。 sound(x,fs,bits)。 用于對聲音的回放。向量y則就代表了一個信號（也即一個復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式”）也就是說可以像處理一個信號表達(dá)式一樣處理這個聲音信號。 采樣位數(shù)和采樣頻率采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實(shí)越自然。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)。無論采樣頻率如何，理論上來說采樣的位數(shù)決定了音頻數(shù)據(jù)最大的力度范圍。每增加一個采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。對于采樣率來說你可以想象它類似于一個照相機(jī)。顯然采樣率越高，計算機(jī)攝取的圖片越多，對于原始音頻的還原也越加精確。語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成、語音識別和語音增強(qiáng)等語音處理中無一例外需要提取語音中包含的各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析可以分為時域和變換域等處理方法，其中時域分析是最簡單的方法，直接對語音信號的時域波形進(jìn)行分析，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時能量，短時平均過零率，短時自相關(guān)函數(shù)等。 時域信號的FFT分析FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。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。如果x長度是2的冪次方，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立葉變換算法，計算速度較慢。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)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT，若x為向量且長度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)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。 數(shù)字濾波器設(shè)計原理數(shù)字濾波器分為FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種，即有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR，F(xiàn)inite Impulse Response）濾波器和無線沖激響應(yīng)（IIR，Infinite Impulse Response）濾波器。 FIR的特點(diǎn)： 不存在極點(diǎn)（z=0除外），系統(tǒng)函數(shù)| z0|處收斂。系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)在有限個n值處不為零。結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋。故只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位即不同頻率分量的信號經(jīng)過FIR數(shù)字濾波器后他們的時間差不變。FIR數(shù)字濾波器具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計多帶通濾波器等優(yōu)點(diǎn)。 FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)有四種： 橫截性；級聯(lián)型結(jié)構(gòu)；頻率采樣型結(jié)構(gòu)；線性相位FIR濾波器的結(jié)構(gòu)。 IIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)：電位沖激響應(yīng)h(n)是無限長的；系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限z平面上（0 |z|∞）有極點(diǎn)存在；結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成。 IIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)也有四種： 直接I型；直接II型—典范型；級聯(lián)型；并聯(lián)型。數(shù)字濾波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對信號進(jìn)行變換。數(shù)字濾波器可以理解為是一個計算程序或算法，將代表輸入信號的數(shù)字時間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號的數(shù)字時間序列，并在轉(zhuǎn)化過程中，使信號按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長沖激響應(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。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR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)達(dá)到高的選擇性；對于同樣的濾波器設(shè)計指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高5~10倍，結(jié)果，成本較高，信號延時也較大；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)行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)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)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。信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。因?yàn)閷τ诰€性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項(xiàng)紅物理現(xiàn)象。由于語音信號是隨著時間變化的，通常認(rèn)為，語音是一個受準(zhǔn)周期脈沖或隨機(jī)噪聲源激勵的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應(yīng)與激勵源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及激勵源都是隨時間變化的，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)為在短時間內(nèi)，近