【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(zhǎng)度；若x 為一矩陣，則 y 是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行 FFT。如果 x 長(zhǎng)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(jì)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(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。 語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析就是分析語(yǔ)音信號(hào)的頻域持征。從廣義上講，語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析包括語(yǔ)音信號(hào)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(cè)法等幾種。本文介紹的是語(yǔ)音信號(hào)的傅里葉分析法。因?yàn)檎Z(yǔ)音波是一個(gè)非平穩(wěn)過(guò)程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能用來(lái)直接表示語(yǔ)音信號(hào)，而應(yīng)該用短時(shí)傅里葉變換對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜稱(chēng)為“短時(shí)譜 ”。 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)和參數(shù)的估計(jì)等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。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(shuō)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)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)都包括三個(gè)步驟 [13]： a）按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 6 b）用一個(gè)因果、穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求可以用 IIR 系統(tǒng)函數(shù)，也可以用 FIR 系統(tǒng)函數(shù)去逼近。 c）利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結(jié)構(gòu)選擇、字長(zhǎng)選擇等。 IIR 濾波器與 FIR 濾波器的性能比較FIR:Finite Impulse response，有限沖擊響應(yīng)IIR:Infinite Impulse response，無(wú)限沖擊響應(yīng)從性能上來(lái)說(shuō)，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)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，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(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)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(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(lái)說(shuō)，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。 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 圖形用戶(hù)界面（GUI）制作在本設(shè)計(jì)采用 GUIDE 的方法制作 GUI。a）新建一個(gè)空白 GUI 模板：進(jìn)入 MATLAB 程序界面以后執(zhí)行 File→New→GUI過(guò)程，即可進(jìn)入 GUIDE 快速啟動(dòng)界面。b） 選擇 Blank GUI 選項(xiàng)條，單擊 OK，就會(huì)生成一個(gè)空白 GUI 模板生成c）拖拉白色框的右下角調(diào)整界面大小，現(xiàn)在就可以開(kāi)始設(shè)計(jì) GUI 功能界面了。從左邊控件框選擇所需要的控件放置在 GUI 面板中，然后對(duì)各個(gè)控件進(jìn)行編輯，包括位置、大小、顏色、名稱(chēng)以及編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)等。本設(shè)計(jì)主要用到坐標(biāo)系和按鈕，現(xiàn)分別介紹。a）按鈕控件設(shè)計(jì)：按鈕鍵又稱(chēng)命令按鈕或按鈕，是小的長(zhǎng)方形屏幕對(duì)象，常常在對(duì)象本身標(biāo)有文本。將控件在指定位置添加，按鈕的標(biāo)簽字符由 String 控制，返回由Value 控制。將按鈕放在指定位置后，為實(shí)現(xiàn)某些功能開(kāi)始編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)，確定按鈕功能。在按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 view callbacks→callback 即可在 M 文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置。然后編寫(xiě)功能函數(shù)，本設(shè)計(jì)中該按鈕的功能是繪制原始波形，那么只需要讀取語(yǔ)音信號(hào)并畫(huà)出波形。b）坐標(biāo)系設(shè)計(jì)：只有在圖形用戶(hù)界面中添加坐標(biāo)控件后，才能接受有關(guān)的圖形信息，該空間對(duì)象的屬性與坐標(biāo)軸對(duì)象的屬性完全相同。單擊空間框左側(cè)的 Axes 按鈕，語(yǔ)音信號(hào)采集與分析 7在圖形編輯框中確定其位置后單擊鼠標(biāo)左鍵即可放置。本次畢業(yè)論文所需要的最終圖形用戶(hù)界面如圖 31 所示。圖 31 圖形用戶(hù)界面 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)信號(hào)打開(kāi)。在“打開(kāi)信號(hào)”的按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view callbacks→callback，找到 M 文件中該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后編寫(xiě)相應(yīng)的功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)global I。 global X。global magX。 global angX。H={39。畢設(shè)語(yǔ)音 .wav39。}。[filename,pathname]=uigetfile(H,39。請(qǐng)選擇打開(kāi)文件39。)。file=strcat(pathname,filename)。I=wavread(file)。X=fft(I,4096)。magX=abs(X)。angX=angle(X)。plot(I)。title(39。原始信號(hào)波形39。)。點(diǎn)擊此按鈕后，會(huì)出現(xiàn)原始信號(hào)的波形。聲音播放。在“聲音播放”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view callbacks→callback，找到 M 文件中該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后編寫(xiě)該按鈕相應(yīng)功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 8function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)global I。sound (I)。點(diǎn)擊此按鈕，執(zhí)行此程序后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)播放“”語(yǔ)音。語(yǔ)音信號(hào)幅度、頻譜和相位的波形。在“幅度”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view callbacks→callback，在 M 文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后在該按鈕下的回調(diào)函數(shù)位置編寫(xiě)功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)global I。 global X。global magX。 global angX。%定義全局變量X=fft(I,4096)。magX=abs(X)。 angX=angle(X)。 %取變換后的幅值和角度plot(magX)。title(39。原始信號(hào)幅值39。)。%顯示信號(hào)幅度波形在“頻譜”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view callbacks→callback，在 M 文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后在該按鈕下的回調(diào)函數(shù)位置編寫(xiě)功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)global I。 global X。global magX。 global angX。%定義全局變量X=fft(I,4096)。magX=abs(X)。 angX=angle(X)。%取變換后的幅值和角度plot(X)。title(39。原始信號(hào)頻譜39。)。%顯示信號(hào)頻譜波形在“相位”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view callbacks→callback，在 M 文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后在該按鈕下的回調(diào)函數(shù)位置編寫(xiě)功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles)global I。 global X。global magX。 global angX。%定義全局變量X=fft(I,4096)。magX=abs(X)。 angX=angle(X)。%取變換后的幅值和角度plot(angX)。title(39。原始信號(hào)相位39。)。%顯示信號(hào)相位波形信號(hào)的定點(diǎn)分析。在“定點(diǎn)分析”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view 語(yǔ)音信號(hào)采集與分析 9callbacks→callback，在 M 文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后在該按鈕下的回調(diào)函數(shù)位置編寫(xiě)功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：function pushbutton6_Callback(hObject, eventdata, handles)x=wavread(39。39。)。%打開(kāi)信號(hào)sound(x)。%播放信號(hào)fs=100。N=128。%設(shè)定采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)y=fft(x,N)。%傅立葉變換magy=abs(y)。%取其幅值f=(0:length(y)1)39。*fs/length(y)。subplot(221)。plot(f,magy)。%顯示波形xlabel(39。頻率（ Hz）39。)。ylabel(39。幅值39。)。% 給坐標(biāo)軸添加說(shuō)明title(39。N=128(a)39。)。grid%給圖片添加題目說(shuō)明subplot(222)。plot(f(1:N/2),magy(1:N/2))。xlabel(39。頻率（ Hz）39。)。ylabel(39。幅值39。)。title(39。N=128(b)39。)。gridfs=100。N=1024。y=fft(x,N)。 magy=abs(y)。%進(jìn)行 fft 變換并求幅值f=(0:length(y)1)39。*fs/length(y)。%進(jìn)行對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換subplot(223)。plot(f,magy)。xlabel(39。頻率（ Hz）39。)。ylabel(39。幅值39。)。title(39。N=1024(c)39。)。gridsubplot(224)。plot(f(1:N/2),magy(1:N/2))。xlabel(39。頻率（ Hz）39。)。ylabel(39。幅值39。)。title(39。N=1024(d)39。)。grid信號(hào)的高斯加噪及波形的顯示。在信號(hào)高斯加噪這一塊點(diǎn)擊按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 view callbacks→callback，在 M 文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后在該按鈕下的回調(diào)函數(shù)位置編寫(xiě)功能函數(shù)。功能函數(shù)具體如下：fs=22050。%語(yǔ)音信號(hào)采樣頻率為 22050x1=wavread(39。39。)。 %讀取語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)，賦給變量 x1t=0:1/22050:(size(x1)1)/22050。y1=fft(x1,1024)。%對(duì)信號(hào)做 1024 點(diǎn) FFT 變換f=fs*(0:511)/1024。x2=randn(1,length(x1))。%產(chǎn)生一與 x 長(zhǎng)度一致的隨機(jī)信號(hào)sound(x2,22050)。figure(1)陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 10plot(x2)%做原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域圖形title(39。高斯隨機(jī)噪聲39。)。xlabel(39。time(s)39。)。ylabel(39。幅值39。)