【正文】 Windows 自帶的錄音機(jī) 聲音 麥克風(fēng) 聲卡 濾波 采樣 A/D轉(zhuǎn)換 Wav 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 11 頁(yè) 共 22 頁(yè) 第 4章 語(yǔ)音信號(hào)的分析 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。 用于對(duì)聲音的回放。 [N1 N2]表示讀取從 N1 點(diǎn)到 N2 點(diǎn)的值（若只有一個(gè) N 的點(diǎn)則表示讀取前 N 點(diǎn)的采樣值）。,[N1 N2])。 圖 3 5 基于 PC 機(jī)的語(yǔ)音信號(hào)采集過(guò)程 在 MATLAB 中， [y,fs,bits]=wavread(39。 在實(shí)際工作中，可以利用 windows 自帶的錄音機(jī)錄制語(yǔ)音文件， 圖 3 5 是基于 PC 機(jī)的語(yǔ)音信號(hào)采集過(guò)程，聲卡可以完成語(yǔ)音波形的 A/D 轉(zhuǎn)換，獲得WAVE 文件，為后續(xù)的處理儲(chǔ)備原材料。這種防混 疊濾波通常與模數(shù)轉(zhuǎn)換器做在一個(gè)集成塊內(nèi)，因此目前來(lái)說(shuō)，語(yǔ)音信號(hào)基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 10 頁(yè) 共 22 頁(yè) 的數(shù)字化的質(zhì)量還是有保證的。具體振值用舍入法歸到靠近的量化電平上。量化 是對(duì)幅值進(jìn)行離散化，即將振動(dòng)幅值用二進(jìn)制量化電平來(lái)表示。采樣頻率過(guò)低，采樣點(diǎn)間隔過(guò)遠(yuǎn)，則離散信號(hào)不足以反映原有信號(hào)波形特征，無(wú)法使信號(hào)復(fù)原，造成信號(hào)混淆。一般而言，采樣頻率越高，采樣點(diǎn)數(shù)就越密，所得離散信號(hào)就越逼近于原信號(hào)。 在采樣的過(guò)程中應(yīng)注意 采樣間隔的選擇和信號(hào)混淆：對(duì)模擬信號(hào)采樣首先要確定采樣間隔。 圖 3 3 原始信號(hào) 由圖可知，這段語(yǔ)音信號(hào)的頻率主要集中在 1KHz 左右，當(dāng)采樣頻率為 時(shí)，由于采樣頻率比較大，所以 采樣點(diǎn)數(shù)就越密，所得離散信號(hào)就越逼近于原信號(hào) ，頻譜也沒(méi)有發(fā)生混疊 （ 圖 3 4） 。 采樣時(shí)必須要注意滿足 奈奎斯特定理 ，即采樣頻率 fs 必須 以高于受測(cè)信號(hào)的最高頻率兩倍以上的速度進(jìn)行取樣，才能正確地重建波 它是通過(guò)采樣脈沖和模擬信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 8 頁(yè) 共 22 頁(yè) 為了將原始模擬語(yǔ)音信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和量化兩個(gè)步驟，從而得到時(shí)間和幅度上均為離散的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)。這樣，預(yù)濾波器必須是一個(gè)帶通濾波器，設(shè)其上、下截止顏率分別是 fH 和 fL，則對(duì)于絕人多數(shù)語(yǔ)音編譯碼器， fH=3400Hz、 fL＝ 60~100Hz、采樣率為 fs＝ 8kHz；而對(duì)丁語(yǔ)音識(shí)別而言，當(dāng)用于電話用戶時(shí)，指標(biāo)與語(yǔ)音編譯碼器相同 。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 6T i m e ( s ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5x 1 0400 . 0 50 . 10 . 1 50 . 20 . 2 50 . 30 . 3 50 . 40 . 4 5F r e q u e n c y ( H z ) 圖 3 1 語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形圖 圖 3 2 語(yǔ) 音信號(hào)頻域波形圖 語(yǔ)音信號(hào)的采集 在將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化前，必須先進(jìn)行防混疊預(yù)濾波，預(yù)濾波的目的有兩個(gè)： ① 抑制輸入信導(dǎo)各領(lǐng)域分量中頻率超出 fs/2 的所有分量 (fs 為采樣頻率 )，以防止混疊干擾。在濁 音段表現(xiàn)出周期信號(hào)的特征，在清音段表現(xiàn)出隨機(jī)噪聲的特征。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以用一個(gè)防混迭的帶通濾波器將此范圍內(nèi)的語(yǔ)音信號(hào)頻率分量取出，然后按 8kHz 的采樣率對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，就可以得到離散的語(yǔ)音信號(hào)。 (3) 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。 (2) 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)。 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 [6]。 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)。 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) 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(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。 時(shí)域信號(hào)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(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。 用于對(duì)聲音的回放。 [N1 N2]表示讀取從 N1 點(diǎn)到 N2 點(diǎn)的值（若只有一個(gè) N 的點(diǎn)則表示讀取前 N點(diǎn)的采樣值）。,[N1 N2])。 語(yǔ)音信號(hào) 的分析及處理方法 聲音的錄入與打開(kāi) 在 MATLAB 中， [y,fs,bits]=wavread(39。對(duì)于采樣率來(lái)說(shuō)你可以想象它類(lèi)似于一個(gè)照相機(jī)， 意味著音頻流進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)每秒會(huì)對(duì)其拍照達(dá) 441000 次。每增加一個(gè)采樣位數(shù)相當(dāng)于力度范圍增加了6dB。 基于 Matlab 的聲信號(hào)采集與譜分析設(shè)計(jì) 作者： 尹青山 第 5 頁(yè) 共 22 頁(yè) 采樣位數(shù)和采樣率對(duì)于音頻接口來(lái)說(shuō)是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。 采樣位數(shù)與采樣頻率 采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來(lái)衡量聲音波動(dòng)變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音還原成為原來(lái)的聲音 [3]。 1924 年奈奎斯特 (Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道的最高大碼元傳輸速率的公式 : 理想低通信道的最高大碼元傳輸速率 =2W*log2 N (其中 W 是理想低通信道的帶寬 ,N 是電平強(qiáng)度 ) 采樣頻率 采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)聲音樣本，是描述聲音文件 的音質(zhì)、音調(diào)，衡量聲卡、聲音文件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 6．設(shè)計(jì)圖形用戶界面 設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面 ,在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的參數(shù) ,顯示濾波器的頻率響應(yīng) ,選擇信號(hào)等。 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺(jué)濾波前后聲音的變化。對(duì)濾波后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行 FFT頻譜分析。 4．?dāng)?shù)字濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)待處理信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性 。 3．構(gòu)造受干擾信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行 FFT 頻譜分析 對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行回放，感覺(jué)加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結(jié)論。 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 1．理論依據(jù) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析系統(tǒng)功能，掌握設(shè)計(jì)中所需理論（采樣頻率、采樣位數(shù)的概念，采樣定理； 時(shí)域信號(hào)的 FFT 分析；數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 和方法，各種不同類(lèi)型濾波器的性能比較），闡明設(shè)計(jì)原理。因此，只有對(duì)這類(lèi)信號(hào)在進(jìn)行離散傅里葉變換時(shí)所 產(chǎn)生的誤差進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析與研究，并找到一種較完善的頻率、幅值和相位的校正方法，才能使離散傅里葉變換和頻譜分析在機(jī)械工程中得到更廣泛應(yīng)用，同時(shí)也擴(kuò)大其在無(wú)線電通信、信息圖像處理、自動(dòng)控制、多媒體、機(jī)械設(shè)備故障診斷等技術(shù)的應(yīng)用范圍。而且由于旁瓣泄露或主瓣干涉的影響，基于單頻率信號(hào)頻譜校正的比值法不再適合此類(lèi)多頻信號(hào)。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、故障診斷和非線性動(dòng)力系統(tǒng)分析中，常常也會(huì)出現(xiàn)密集頻譜現(xiàn)象。 從目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者所進(jìn)行的大量研究工作來(lái)看，主要是對(duì)單頻率信號(hào)（或頻率間隔較大的多頻率信號(hào)）離散頻譜的自動(dòng)識(shí)別和校正方法進(jìn)行探討，密集頻率的校正也只限于兩個(gè)鄰近頻率成分的校正，未能深入到連續(xù)頻率成分頻譜的誤差和校正方法的研究。因此，頻譜分析的結(jié)果在許多領(lǐng)域只能定性而不能精確的定量分析和 解決問(wèn)題，大大限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用，特別是在機(jī)械振動(dòng)和故障診斷中的應(yīng)用受到極大限制。 1965 年庫(kù)利一圖基在《計(jì)算 數(shù)學(xué)》雜志上發(fā)表快速傅里葉變換（ FFT）算法， FFT 和頻譜分析很快發(fā)展成為機(jī)械設(shè)備故障診斷、振動(dòng)分析、無(wú)線電通信、信息圖像處理和自動(dòng)控制等多種學(xué)科重要的理論基礎(chǔ)。例如，對(duì)汽車(chē)、飛機(jī)、輪船、汽輪機(jī)等各類(lèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械、電機(jī)、機(jī)床等機(jī)器的主體或部件進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，或者尋找振源和診斷故障，保證設(shè)備的安全運(yùn)行等；在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面船只或潛艇，需要對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行譜分析，以提供有用信息，判斷艦艇運(yùn)動(dòng)速度、方向、位置、大小等。譜分析就是頻域分析，具體是指將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開(kāi)，使其成 為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律 [1]。近年來(lái)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN)的研究取得了迅速發(fā)展，語(yǔ)音信號(hào)處理的各項(xiàng)課題是促進(jìn)其發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ唬瑫r(shí)，它的許多成果也體現(xiàn)在有關(guān)語(yǔ)音信號(hào)處理的各項(xiàng)技術(shù)之中 。fourier thansform 目 錄 第 1 章 緒論 ................................................................................................................... 1 引言 .............................................................................................................. 1 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) ...................................................................................... 2 第 2 章 譜分析在 MATLAB 中的實(shí)現(xiàn)論證 ................................................................ 4 設(shè)計(jì)理論依據(jù) .................................................................