【正文】 本文論文的最終完稿是在 王麗麗 老師 的 精心指導和幫助 下完成的，在此對導師 王 老師 致以崇高的敬意和誠摯的感謝！ 四年來無論 在學習，生活和工作上 ， 王 老師都給予了大力的幫助和指導 。其他的操作如上第一種方式。 最后 就是功率譜分析部分， 用到了八 種方法 ，分別是 經(jīng)典 功率譜估計中的直接法 、間接法、 welch法 、 barlett法， 以及 現(xiàn)代功率譜估計中 AR模型法的 Burg算法和自相關(guān)算法 。然后點擊打開串口，串口開始讀取數(shù)據(jù)同時把數(shù)據(jù)保存在 D盤下的一個文件中。 經(jīng)典譜分析模塊包含直接法、間接法、 Welch法和 Bartlett法四個小模塊。 Fig 文件最有用的地方之一就是對象句柄的保存和引用，可以使用 open、 openfig和 hgload 命令打開一個后綴為 .fig的文件。在本人設(shè)計的案例中采用的是命令方式：在命令窗口直接輸入 guide命令，彈出的窗口如 圖 5 1所示： 圖 5 1 為啟動 GUI界面彈出的窗口 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 20 頁 共 22 頁 在彈出的 guide quick start 窗口中選擇 create new gui 選項卡里面地 Blank GUI 選項，這樣就可以進入圖形用戶界面來設(shè)計我們的系統(tǒng)靜態(tài)界面 ，如下 圖5 2 所示： 圖 5 2 為系統(tǒng)靜態(tài)界面 上圖就是 Guide 提供的圖形界面設(shè)計工具集，在此界面下就可以利用控件組件、文本菜單、 排列工具等對系統(tǒng)的界面進行設(shè)計。 MATLAB 作為功能強大的科學計算軟件，同樣也 提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具 ，本設(shè)計利用 MATLAB 所提供的圖像用戶界面（ GUI），實現(xiàn)一個可視的面向?qū)ο蟮牟僮鹘缑?[18]?；?Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 18 頁 共 22 頁 每個豎直條相當于一個基音，條紋的起點相當于聲門脈沖的起點，條紋之間的距離 表示 基音周 期。橫杠是與時間 軸 平行的幾條深黑色帶紋，它們相應于短時 譜 中的 幾個凸出點，也就是共振峰。雖然對采用語譜圖的講活人識別技術(shù)的可靠性過存在相當人的懷疑，但目前這一技術(shù)已在司法法庭小得到某些認可及采用 [17]。語 語圖的實際應用是用于確定出講話人的本性。 帶通濾波器有兩種帶寬可供選擇：窄帶為45Hz，寬帶為 300Hz。語諾圖是一種三維 頻譜 ，它是 表示語音 頻譜隨時間變化的圖形，其 縱軸為頻率，橫軸為時間，任一給定頻率成分在給定時刻的強弱用相應點的灰度或色調(diào)的濃談來表示。但是由于語音信號隨時間變化是很緩慢的，因而在一段短時間內(nèi) (如 10～ 30ms 之間，即所謂的一幀之內(nèi) )可以認為其頻譜是固定不變的，這種頻譜又稱為短時譜。 圖 4 2 同一人兩次說同一詞的功率譜比較 可以看出功率譜圖比較好地反映出聲音的個人特征：在低頻部分（頻率低于 6000Hz），同一人說同一詞，其功率譜圖中的各個波峰所對應的頻率基本相同；不同人說同一詞，其功率譜圖的出現(xiàn)波峰的頻率比較接近；同一人說不同詞時功率譜的形狀差別較大。 在語音信號數(shù)字處理中，功率譜具有重要意義，在一些語音應用系統(tǒng)中．往往都是利用語音信號的功率 譜 。由10k zH / 1N ＜ 30，得 1N ＞ 333，所以 1N ＝ 2L 要取比 333 大的值，這時可取 1N = 92＝ 512 點， 不 足的部分采用補 0 的辦法解決，此時頻率分辨率 (即頻率間隔 )為 10 Hz／ 512＝ ，采樣后的該幀信號頻率處在 0～ 2‘ x19． 53Hz 之間，因此，原連續(xù)信號頻率就處在 0～ 12 Hz? ? 之間 (即 max 5f kHz? )，所以我們要在 0～ 5kHz 頻率范圍內(nèi)求其頻譜。根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，實數(shù)序列的傅里葉變換的頻譜具有對稱性，因此，全部頻譜信息包含在長度為 N/2+1 個 ()nXk里。另外，窗的形狀也對短時博氏頻譜有影響，如矩形窗，雖然頻率分辨率很高 (即主辯狹窄尖銳 )，但由 于第一 旁瓣 的衰減很小，有較大的上下沖，采用矩形窗時求得的 ()jwnXe 與 ()jwXe 的偏差較大，這就是 Gibbs 效應，所以不適合用于 頻譜 成分很寬的語音分析中。由式 (330)可知，為了使 ()jwnXe忠實再現(xiàn) ()jwXe 的特性． ()jwWe 相對于 ()jwXe 來說必須是 — 個沖激函數(shù)。 我們還可以將式 (3— 27)寫成另一種形式。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 14 頁 共 22 頁 下面利用短時博里葉變換求語音的短時譜 對第 n 幀語音信號 Xn(m)進行傅里葉變換 (離散時域傅里葉變換， DTFT)，可得到短時傅里葉變換， 其定義如下： 10( ) ( )Njw jw nnnmX e x m e? ??? ? (47) 由定義可知，短時傅里葉變換實際就是 窗 選語音信號的標準傅里葉變換。 500 1000 1500 2021 2500 3000 3500 40001 0 . 500 . 51speech5 10 15 20 25 30 35 40 45010203040energy5 10 15 20 25 30 35 40 450102030zcr 圖 4 1 語音信號的短時能量和短時平均過零率 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。在孤立詞的語音識別中，必須要在一 連串連續(xù)的語音信號中進行適當分割，用以確定一個一個單詞的語音信號，即找出每一個單詞的開始和終止位置，這在語音處理中是一個基本問題。而發(fā)清音時，多數(shù)能量出現(xiàn)在較高頻率上。定義語音信號 Xn（ m） 的短時過零 率Zn 為： ? ? ? ?101 s g n ( ) s g n ( 1 )2 Nn n nmZ x m x m??? ? ?? （ 45） 式中， sgn[ ]是符號函 數(shù)，即： ? ? ? 1 ,( 0 )1 ,( 0 )sg n x xx ???? （ 46） 在實際中求過零率參數(shù)時，需要十分注意的一 個問題是如果輸入信號中包含有 50Hz 的工頻干擾或者 A/D 變換器的工作點有偏移 (這等效于輸入信號有直流偏移 )，往往會使計算的過零率參數(shù)很不 準 確 。③作為一種超音段信息，用 于 語音識別 中 短時過零率分析 短時過 零 率表示一幀語音中語音信號波形穿過橫軸 （零 電平 ） 的次數(shù)。 設(shè) 第 n幀語音信號 Xn(m)的短時能量用 En表示，則其計 算公式如下： 1 20 ()NnnmE x m???? (43) En 是一個度量語音信號幅度值變化的函數(shù)，但它有一 個缺陷，即它對高電平非常敏感 (因為它 計算時用的是信號的平方 )。④只使用示波器等通用設(shè)備，使用較為簡單等 [9]。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。向量 y 則就代表了一個信號（也即一個復雜的“函數(shù)表達式”）也就是說可以像處理一個信號表達式一樣處理這個聲音信號。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)。調(diào)節(jié)錄音機保 存界面的“更改”選項，可以存儲各種格式的 WAVE 文件。 語音信號經(jīng)過預濾波和采樣后，由 A／ D 變換器變換為二址制數(shù)字碼。 根據(jù)采樣定理，當采樣頻率大于信號的兩倍帶寬時，采樣過程不會丟失信息，利用理想濾波器可從采樣信號中不失真地重構(gòu)原始信號波形。如何合理選擇△ t 涉及到許多需要考慮的技術(shù)因素。下圖（ 圖 3 3）是 一段語音信號在采樣頻率 情況下的頻譜圖。當使用要求較高或很高的場合時 fH＝ 4500Hz或 8000Hz、 fL＝ 60Hz、 fs＝ 10kHz或 20kHz。 下面是一段語音信號的時域波形圖 (圖 3 1圖 3 1)和頻域圖 (圖 3 2)，由這兩個圖可以看出語音信號的兩個特點。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 7 頁 共 22 頁 第 3章 語 音信號的 采集 語音信號的特點 通過對大量語音信號的觀察和分析發(fā)現(xiàn)，語音信號主要有下面兩個特點： ① 在頻域內(nèi)，語音信號的頻譜分量主要集中在 300～ 3400Hz 的范圍內(nèi)。 數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟 不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設(shè)計都包括三個步驟： (1) 按照實際任務的要求，確定濾波器的性能指標。函數(shù)執(zhí)行 N 點的 FFT， 若 x基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 6 頁 共 22 頁 為向量且長度小于 N，則函數(shù)將 x 補零至長度 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 進行處理。 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 [4]。 sound(x,fs,bits)。Blip39。采樣位數(shù)越多則捕捉到的信號越精確。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越自然。采樣頻率越高，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。比較濾波前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果和濾波器性能進行頻譜分析，闡明原因，得出結(jié)論。 5．信號處理 用所設(shè)計的濾波器對含噪語音信號進行濾波。 基于 Matlab 的聲信號采集與譜分析設(shè)計 作者： 尹青山 第 3 頁