【正文】 同時(shí)感謝 閆 昕 老師在完稿過(guò)程中給予的建議和幫助， 使他的指導(dǎo)和建議使我的論文更加完善，在此對(duì) 閆 老師 致以誠(chéng)摯的感謝。首先 對(duì) 王麗麗、陳慶鵬 老師 致以最崇高的敬意和誠(chéng)摯的感謝 ！ 是 她引導(dǎo)、鼓勵(lì)我在一個(gè)嶄新的領(lǐng)域里進(jìn)行了有意的探索，并幫助我克服了種種困難！ 李 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、 平易近人的作風(fēng) 、 強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)、敏銳的洞察力、淵博的知識(shí)、 開(kāi)闊的眼界，一絲不茍的敬業(yè)精神 都一直 是我學(xué)習(xí)的榜樣 ，從 王 老師那里我學(xué)到了許多有益的思想方 法和寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并將終生影響我對(duì)學(xué)習(xí)、工作和生活的態(tài)度。 圖 5 4為輸入信號(hào)為mat文件中已存的信號(hào) [20]。然后點(diǎn)打開(kāi)按鈕，在打開(kāi)文件名的同時(shí)首先會(huì)在坐標(biāo)軸中顯示原始信號(hào)波形。 圖 5 3為輸入信號(hào)為串口接收的數(shù)據(jù)的界面。 其次 點(diǎn)擊頻譜分析按鈕，坐標(biāo)軸會(huì)顯示信號(hào)的幅度譜。接著關(guān)閉串口，點(diǎn)擊打開(kāi)按鈕，即可讀回由串口實(shí)時(shí)采集到的聲信號(hào)數(shù)據(jù)。一種 信號(hào)來(lái)源 是由串口實(shí) 時(shí)采集到的信號(hào)，把該信號(hào)作為一種輸入方式?，F(xiàn)代譜分析模塊則包括 Burg法和自相關(guān)法兩個(gè)小模塊。 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 21 頁(yè) 共 22 頁(yè) 用戶界面 本設(shè)計(jì)中用戶界面，大體分為信號(hào)輸入 模塊 ，原始信號(hào)顯示 模塊 ，頻譜分析 模塊 ，經(jīng)典譜分析 模塊 和現(xiàn)代譜分析 模塊 四 部分。 M文件：該文件包括 GUI設(shè)計(jì)、 控制函數(shù)以及為子函數(shù)的用戶控件回調(diào)函數(shù)，主要用于控制 GUI 展開(kāi)時(shí)的各種特征。 Fig 文件是一個(gè)二進(jìn)制文件，調(diào)用 hgsave 命令或界面設(shè)計(jì)編輯器的file 菜單 save 選項(xiàng)保存圖像窗口時(shí)將產(chǎn)生該文件。 當(dāng)靜態(tài)界面設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)該界面進(jìn)行保存，此時(shí) Guidie 將自動(dòng)生成兩個(gè)發(fā)布文件，分布是 .fig文件和 .m文件 [19]。 （ 1）啟動(dòng) GUI的方法 啟動(dòng)圖形用戶界面的方法有很多種，例如可以利用工具欄上的命令按鈕，也可以采用菜單和命令的方式。 窗口界面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 該系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)主要是利用 MATLAB 所提供的 GUI（ Graph User Interface）向?qū)гO(shè)計(jì)控件而完成的，該向?qū)Э梢詫?shí)現(xiàn)多種控 件的設(shè)計(jì)，給用戶提供了一種友好的交互方式，同時(shí)也給操作帶來(lái)很多方便。在這種用戶界面中，用戶的操作既形象生動(dòng)，又方便靈活，所以當(dāng)今絕大部分開(kāi)發(fā)環(huán)境與應(yīng)用程序都采用圖形用戶界面，許多流行的開(kāi)發(fā)工具 也 都可以進(jìn)行圖形用戶界面的設(shè)計(jì)。條紋越密表示越音頻率越高。豎 直條 (又 叫沖直條 )是 語(yǔ)譜圖 中出現(xiàn)與時(shí)間軸垂直的一條窄黑條。從橫扛對(duì)應(yīng)的頻率和寬度可以確定相應(yīng)的共振峰頻率和帶寬。語(yǔ)譜圖中的花紋有橫扛 (Bar)、亂紋和豎直條等。 圖 4 3 是用 Mtalab 繪制的一 個(gè)寬帶語(yǔ)譜圖，其中橫抽坐標(biāo)為時(shí)間，縱軸坐標(biāo)為頻率， 語(yǔ)句 內(nèi)容為 “ 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院”， 它的發(fā)音在 圖 下方以音標(biāo)表示。 這與不向的人有不同的指紋，根據(jù)指紋可以 區(qū)別不同的人是一個(gè)道理。語(yǔ)譜圖上因其不同的黑白程度，形成了個(gè)同的紋 路， 稱之為 “ 聲紋”，它因人而異，即不同講話者語(yǔ)譜 圖的聲紋是不同的。 可以利用語(yǔ)譜儀測(cè) 量 語(yǔ)譜圖的方法來(lái)確定語(yǔ)音參數(shù)，例如共振峰頻率及基音頻率 。 窄帶語(yǔ)譜 圖 有良好的頻率分辨率， 有 利于顯示基音頻率及其各 次諧波，但它的時(shí)間分辨率較 差 ，不利于觀察共振峰 (盧道諧振 )的變化；而寬帶語(yǔ)譜圖正相反，具有良好的時(shí)間分辨率及較差的頻率分辨率。 語(yǔ)譜儀實(shí)際上是一個(gè)帶通濾波器組的輸出隨時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化，連續(xù)重復(fù)進(jìn)行 語(yǔ)音 信號(hào)頻率分析的儀器 。用語(yǔ)譜圖分析語(yǔ)音又稱為 語(yǔ)譜 分析。 把和時(shí)序相關(guān)的 傅里葉分 析的顯示圖形稱為語(yǔ)譜圖 (Sonogram，或者Spectrogram)。短時(shí)譜只能反映語(yǔ)音信號(hào)的靜態(tài)頻基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 17 頁(yè) 共 22 頁(yè) 率特性，不能反映 語(yǔ)音信號(hào)的動(dòng)態(tài)頻率特性。顯然這兩種單獨(dú)分析的方法均有局限性：時(shí)域分析對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻率特性沒(méi)有直觀的了解； 而頻域分析出的特征中又沒(méi)有語(yǔ)音信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系：語(yǔ)音信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，所以其頻譜也是隨時(shí)間變化的。在高頻部分，波峰比較密集，特征不明顯。 121( ) ( ) ( )Nj w j w j w kn n nkNS e X e R k e? ?? ? ??? ? (414) 圖 4 2 是用 Matlab 中的 psdplot 命令繪得的同一人兩次說(shuō)同一詞的功率譜比 較 (窗函數(shù)取窗長(zhǎng)度為 256 的 Hamming 窗 )[15]。根據(jù)功率譜定義，可以寫(xiě)出短時(shí)功率譜與短時(shí)傅里葉變換之間的關(guān)系： 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 16 頁(yè) 共 22 頁(yè) 2( ) ( ) ( ) ( )j w j w j w j wn n nnS e X e X e X e?? ? ? (412) 或者： 2( ) ( ) ( ) ( )n n nnS k X k X k X k?? ? ? (413) 式中＊表示復(fù)共軛運(yùn)算 。為了完成 1024點(diǎn)的萬(wàn) FFT， 這些專用芯片所需的運(yùn) 算時(shí)間是幾十毫秒至兒毫秒，甚至可以降至 1ms 以下。 FFT 的計(jì)算可以在通用計(jì)算機(jī)上由相應(yīng)的算法軟件來(lái)完成，這種方式一般只能實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)運(yùn)算 [14]。例如、在 10kHz 的范圍內(nèi)采樣求頻譜，并要求頻率分辨率在 30 Hz 以下。另外，為了使 ()nXk具有較高的頻率分辨率，所取的DFT 以及相應(yīng)的 FFT 點(diǎn)數(shù) 1N 應(yīng)該足夠多，但有時(shí) ()nxm的長(zhǎng)度 N 要受到采樣 率和短時(shí)性的限制，例如，在通常采樣率為 8kHz 且?guī)L(zhǎng)為 20ms 時(shí)， N=當(dāng)然，這時(shí)窗長(zhǎng) N 必須是 2 的倍數(shù) 2L (L是整數(shù) )。而漢明窗在基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 15 頁(yè) 共 22 頁(yè) 頻率范圍中的分辨率較高，而且旁辯的衰減大，具有頻譜泄漏少的優(yōu)點(diǎn)．所以在求短時(shí)頻譜時(shí)一船采用具有較小上下沖的漢明 窗 [13]。因此．應(yīng)折衷選擇 窗 的寬度 N。所以為了使 ( ) ( )jw jwnX e X e? ，需 N?? ；但是 N 值太大時(shí)，倍號(hào)的分幀 又 失 去了意義 。 根據(jù)信號(hào)的時(shí)寬帶寬積為一常數(shù)這一基本性質(zhì)，可知 ()jwWe 主瓣 寬度與窗口寬度成反比， N 越大， ()jwWe 的主瓣越窄。設(shè)語(yǔ)音信號(hào)序列和 窗 口序列的標(biāo)準(zhǔn)傅早葉變換均存在。當(dāng)然窗口函數(shù)不同，博里葉變換的結(jié)果也將不同。這 里 ，窗 w(nm)是一個(gè)“滑動(dòng)的”窗口，它隨 n 的變化而沿著序列 X(n)滑動(dòng)。 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)的頻譜稱為“ 短時(shí) 譜 ” [12]。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。 圖 4 1 語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量和短時(shí)平均過(guò)零率 是用 Mtalab 仿真一段語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域 波形的短時(shí)能量和 短時(shí)平均過(guò)零率 。此時(shí)，在背景噪聲較小時(shí)用平均能量識(shí)別較為有效，而在背景噪聲較大時(shí)用平均過(guò)零率識(shí)別較為有效。 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 13 頁(yè) 共 22 頁(yè) 利用短時(shí)平均過(guò)零率還可以從背景噪聲中找出語(yǔ)音信號(hào)，可用于判斷寂靜無(wú)聲段和有聲 段的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。高頻就意味著高的平均過(guò)零率，低頻意味著低的平均過(guò)零率，所以可以認(rèn)為濁音時(shí)具有較低的過(guò)零率，而清音時(shí)具有較高的過(guò)零率。 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)濁音時(shí)，盡管聲道有若干個(gè)共振峰，但由于聲門(mén)波引起譜的 高頻跌落， 所以其話音能量約集中在 3kHz以下。 為了解決前一個(gè)問(wèn)題， A/D 變換器前的防混疊帶通濾波器的低端截頻應(yīng)高于 50Hz，以有效地抑制電源干擾。過(guò)零率就是樣本改變符號(hào)的次數(shù) [11]。過(guò)零 分析是語(yǔ)音時(shí)域分析中最簡(jiǎn)單的一種 。 ② 可以用來(lái)區(qū)分聲母與韻母的分界，無(wú)聲與有盧的分界，連字 (指字之間無(wú)間隙 )的分界等。為此可采用另一個(gè)度量語(yǔ)音信號(hào)幅度值變化的函數(shù)．即短時(shí)平均幅度函數(shù) Mn， 它定義為： 10 ()NMnnm xm???? (44) 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 12 頁(yè) 共 22 頁(yè) Mn 也是一帕語(yǔ)音信號(hào)能量大小的表征，它與 En 的區(qū)別在于計(jì)算時(shí)小取樣值和大取樣值不會(huì)因取平方而造成較大差異，在某些應(yīng)用領(lǐng)域呻會(huì)帶來(lái)一些好處。 短時(shí)能量及短時(shí)平均幅度分析 設(shè)語(yǔ)音波形時(shí)域信號(hào)為 x(l)、加密分幀處理后得 到的第 n 幀語(yǔ)音信號(hào)為 Xn(m)，則 Xn(m)滿足下式： ( ) ( ) ( ) ( )nx m w m x n m m?? 01mN? ? ? (41) 1 0 ~ ( 1 )( ) { mNmwm ???? ， 0， 其 他 值 (42) 其中， n＝ 0， 1T， 2T，?，并且 N為幀長(zhǎng)， T 為幀移長(zhǎng)度。 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)有短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率、短時(shí)白相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等，這是語(yǔ)音信號(hào)的一組最基本的短時(shí)參數(shù)，在各種語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)中都要應(yīng)用 [10]。 ③ 可以得到語(yǔ)音的一些重要的參數(shù)。這種分析方法的特點(diǎn)是： ① 表示語(yǔ)音信號(hào)比較直觀、物理意義明確。語(yǔ)音信號(hào)本身就是時(shí)域信號(hào)，因而時(shí)域分析是最早使用，也是應(yīng)用最廣泛的一種分析方法，這種方法直接利用語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形。