課程設計論文-基于matlab的語音信號采集和雙線性變換法濾波器設計(編輯修改稿)
2024-12-13 20:32 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 語音信號分析是語音信號處理的前提和基礎，只有分析出可表示語音信號本質(zhì)特征的參數(shù)，才有可能利用這些參數(shù)進行 高效的語音通信、語音合成和語音識別等處理。而且，語音合成的音質(zhì)好壞，語音識別率的高低，也都取決于對語音信號分橋的準確性和精確性。因此語音信號分析在語音信號處理應用中具有舉足輕重的地位。 貫穿于語音分析全過程的是“短時分析技術(shù)”。因為，語音信號從整體來看其特性及表征其本質(zhì)特征的參數(shù)均是隨時間而變化的，所以它是一個非乎穩(wěn)態(tài)過程，不能用處理乎穩(wěn)信號的數(shù)字信號處理技術(shù)對其進行分析處理。但是，由于不同的語音是由人的口腔肌肉運動構(gòu)成聲道某種形狀而產(chǎn)生的響應，而這種口腔肌肉運動相對于語音頻率來說是非常緩慢的，所以從另一方 面看，雖然語音倍號具有時變特性，但是在一個短時間范圍內(nèi) (一般認為在 10～ 30ms 的短時間內(nèi) )，其特性基本保持不變即相對穩(wěn)定，因面可以將其看作是一個準穩(wěn)態(tài)過程，即語音信號具有短時平穩(wěn)性。所以任何語音信號的分析和處理必須建立在“短時”的基礎上．即進行“短時分析”，將語音信號分為一段一段來分析其特征參數(shù)，其中每一段稱為一“幀”，幀長一般取為 10～ 30ms。這樣，對于整體的語音信號來講，分析出的是由每一幀特征參數(shù)組成的特征參數(shù)時間序列。 4 根據(jù)所分析出的參數(shù)的性質(zhì)的不同，可將語音信號分析分為時域分析、頻域分析、倒領域 分析等；時域分析方法具有簡單、計算量小、物理意義明確等優(yōu)點，但由于語音信號最重要的感知特性反映在功率譜中，而相位變化只起著很小的作用，所以相對于時域分析來說頻域分析更為重要。本文將簡要介紹時域分析、頻域分析。 語音信號的時域分析 語音信號的時域分析就是分析和提取語音 信號的時域參數(shù)。進行語音分析時，最先接觸到并且也是最直觀的是它的時域波形。語音信號本身就是時域信號，因而時域分析是最早使用，也是應用最廣泛的一種分析方法，這種方法直接利用語音信號的時域波形。時域分析通常用于最基本的參數(shù)分析及應用，如語音的分割、預處理、大分類等。這種分析方法的特點是： ① 表示語音信號比較直觀、物理意義明確。② 實現(xiàn)起來比較簡單、運算且少。 ③ 可以得到語音的一些重要的參數(shù)。④只使用示波器等通用設備，使用較為簡單 等。 語音信號的時域參數(shù)有短時能量、短時過零率、短時自相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù)等，這是語音信號的一組最基本的短時參數(shù)，在各種語音信號數(shù)字處理技術(shù)中都要應用 [6]。在計算這些參數(shù)時使用的一般是方窗或漢明窗。 對語音信號進行分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)濁音時，盡管聲道有若干個共振峰，但由于聲門波引起譜的高頻跌落，所以其話音能量約集中在 3kHz 以下。而發(fā)清音時，多數(shù)能量出現(xiàn)在較高頻率上。高頻就意味著高的平均過零率，低頻意 味著低的平均過零率，所以可以認為濁音時具有較低的過零率，而清音時具有較高的過零率。當然，這種高低僅是相對而 言，并沒方精確的數(shù)值關(guān)系。 5 語音信號的頻域分析 語音信號的頻域分析就是分析語音信號的頻域持征。從廣義上講，語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜包絡分析等，而常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變換法、線件預測法等幾種。本文介紹的是語音信號的傅里葉分析法。因為語音波是一個非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機信號的標準傅里葉變換不能用來直接表示語音信號，而應該用短時傅里葉變換對語音信號的頻譜進行分析，相應的頻譜稱為“短時譜 ”。 3 濾波器的設計 IIR 濾波器 IIR 濾波器設計方法有間接法和直接法，間接法是借助于模擬濾波器的設計方法進行的。其設計步驟是：先設計過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù) H（ s），然后將 H（ s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z)。 FIR 濾波器比鞥采用間接法，常用的方法有窗函數(shù)法、頻率采樣發(fā)和切比雪夫等波紋逼近法。對于線性相位濾波器，經(jīng)常采用 FIR 濾波器。 對于數(shù)字高通、帶通濾波器的設計，通用方法為雙線性變換法?？梢越柚谀M濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設計一個所需類型的過渡模擬濾波器，再經(jīng)過雙線性變換將其轉(zhuǎn)換策劃那個所需的數(shù)字濾波器。具體設計步驟如 下： 確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標。 將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應的模擬濾波器的邊界頻率， 6 轉(zhuǎn)換公式為 Ω=2/T tan() 將相應類型的模擬濾波器技術(shù)指標轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標。 設計模擬低通濾波器。 通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應類型的過渡模擬濾波器。 采用雙線性變換法將相應類型的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。 我們知道，脈沖響應不變法的主要缺點是會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻響偏離模擬濾波器的
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