【正文】 (FFT)算法完成由 ()nxm至 ()nXk的轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，這時(shí)窗長 N 必須是 2的倍數(shù) 2L (L 是整數(shù) )。根據(jù)傅里葉變換的性 質(zhì)，實(shí)數(shù)序列的傅里葉變換的頻譜具有對(duì)稱性，因此，全部頻譜信息包含在長度為 N/2+1個(gè) ()nXk里。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)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) ()nxm的長度 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為 20ms時(shí)， N=而 1N 一般取 25 512 或 1024，為了將 ()nxm的點(diǎn)數(shù)從 N 擴(kuò)大力 1N ，可以采用補(bǔ) 0 的辦法，在擴(kuò)大的部分添若干個(gè) 0取樣值，然后再對(duì)添 0后的序列進(jìn)行 FFT。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。由 10k zH / 1N ＜ 30，得 1N＞ 333，所以 1N ＝ 2L 要取比 333 大的值，這時(shí)可取 1N = 92 ＝ 512 點(diǎn)， 不 足的部分采用補(bǔ) 0的辦法解決，此時(shí)頻率分辨率 (即頻率間隔 )為 10 Hz／ 512＝ ，采樣后的該幀信號(hào)頻率處在 0～ 2‘ x19． 53Hz 之間，因此，原連續(xù)信號(hào)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。 FFT 的計(jì)算可以在通用計(jì)算機(jī)上由相應(yīng)的算法軟件來完成，這種方式一般只能實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)運(yùn)算。為了完成實(shí)時(shí)運(yùn)算可以采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片、陣列處理芯片或?qū)Ｓ?FFT 芯片。為了完成 1024 點(diǎn)的萬 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。 在語音信號(hào)數(shù)字處理中，功率譜具有重要意義，在一些語音應(yīng)用系統(tǒng)中．往往都是利用語 音信號(hào)的功率 譜 。根據(jù)功率譜定義，可以寫出短時(shí)功率譜與短時(shí)傅里葉變換之間的關(guān)系： 2( ) ( ) ( ) ( )j w j w j w j wn n nnS e X e X e X e?? ? ? (312) 或者： 2( ) ( ) ( ) ( )n n nnS k X k X k X k?? ? ? (313) 式中＊表示復(fù)共軛運(yùn)算。 并且功率譜 ()jwnSe 是短時(shí)自相關(guān)函數(shù) ()nRk的傅里葉變換。 121( ) ( ) ( )Nj w j w j w kn n nkNS e X e R k e? ?? ? ??? ? (314) 圖 32是用 Matlab中的 psdplot命令繪得的同一人兩次說同一詞的功率譜比 較 (窗函數(shù)取窗長度為 256的 Hamming窗 )。 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 圖 32 同一人兩次說同一詞的功率譜比較 Figure 32 that the same person twice the power spectrum of the same word parison 可以看出功率譜圖比較好地反映出聲音的個(gè)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(gè)波峰所對(duì)應(yīng)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(shí)功率譜的形狀差別較大。在高頻部分，波峰比較密集，特征不明顯。 語音信號(hào)的語譜圖 語音的時(shí)域分析和頻域分析是語音分析的兩種重要方法。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)語音信號(hào)的頻率特性沒有直觀的了解；而頻域分析出的特征中又沒有語音信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系：語音信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，所以其頻譜也是隨時(shí)間變化的。但是由于語音信號(hào)隨時(shí)間變化是很緩慢的，因而在一段短 時(shí)間內(nèi) (如 10～ 30ms之間，即所謂的一幀之內(nèi) )可以認(rèn)為其頻譜是固定不變的，這種頻譜又稱為短時(shí)譜。短時(shí)譜只能反映語音信號(hào)的靜態(tài)頻率特性，不能反映 語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)頻率特性。因此，人們致力于研究語音的時(shí)頻分析特性。 把和時(shí)序相關(guān)的 傅里葉分 析的顯示圖形稱為語譜圖 (Sonogram，或者 Spectrogram)。語諾圖是一種三維 頻譜 ，它是 表示語音 頻譜隨時(shí)間變化的圖形，其縱軸為頻率，橫軸為時(shí)間，任一給定頻率成分在給定時(shí)刻的強(qiáng)弱用相應(yīng)點(diǎn)的灰度或色調(diào)的濃談來表示。用語譜圖分析語音又稱為 語譜 分析。 語譜 圖中顯示了大量的與語音的 語句特性有關(guān)的信息，它綜合 了 頻譜圖和時(shí)域波形的特點(diǎn)，明顯地顯示 出 語音 頻譜 隨時(shí)間的變化情況，或者說是一種動(dòng)態(tài)的頻譜；記錄 這種 頻譜 的儀器就是語譜儀。 語譜儀實(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 語音 信河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 號(hào)頻率分析的儀器 。 帶通濾波器有兩種帶寬可供選擇：窄帶為 45Hz，寬帶為 300Hz。 窄帶語譜 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。寬帶語譜圖能給出語音的共振峰頻 率及清輔音的能量匯集區(qū)，在話譜 圖 里共振峰呈現(xiàn)為黑色的條紋。 可以利用語譜儀測 量 語譜圖的方法來確定語音參數(shù)，例如共振峰頻率及基音頻率 。 語語圖的實(shí)際應(yīng)用是用于確定出講話人的本性。語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 語譜 圖的聲紋是不同的。因而可以利用聲紋 鑒別不問的講話人 。 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。雖然對(duì)采用語譜圖的講活人識(shí)別技術(shù)的可靠性過存在相當(dāng)人的懷疑，但目前這一技術(shù)已在司法法庭小得到某些認(rèn)可及采用 [11]。 圖 33 是 用 Mtalab 繪制的 一 個(gè)寬帶語譜圖，其中橫抽坐標(biāo)為時(shí)間，縱軸坐標(biāo)為頻率，語句 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。同時(shí)給出了相應(yīng)的語音的時(shí)域波形。語譜圖中的花紋有橫扛 (Bar)、亂紋和豎直條等。橫杠是與時(shí)間 軸 平行的幾條深黑色帶紋，它們相應(yīng)于短時(shí) 譜 中的幾個(gè)凸出點(diǎn)，也就是共振峰。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。在一個(gè)語音段的 語譜 圖中，有沒有橫扛出現(xiàn)是判斷它是否是濁音的重要標(biāo)志 。豎 直條 (又 叫沖直條 )是 語譜圖 中出現(xiàn)與時(shí)間軸垂直的一條窄黑條。每個(gè)豎直條相當(dāng)于一個(gè)基音，條紋 的起點(diǎn)相當(dāng)于聲門脈沖的起點(diǎn)，條紋之間的距離 表示 基音周 期。條紋越密表示越音頻率越高。 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 2 . 2 2 . 4 2 . 6 2 . 8 3 3 . 2 3 . 4 3 . 6x 1 04 0 . 0 500 . 0 5河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院0 50 100 150 200 250 300 350 40050100150200250 圖 33“河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院”語譜圖 Figure 33, College of Henan Agricultural University language spectra 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 4 章 語音信號(hào)的綜合仿真分析 ① 錄制一段自己的語音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖； 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5x 1 05 0 . 500 . 51原始信號(hào)波形0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 040100200300400500原始信號(hào)頻譜 圖 41 原始語音信號(hào) Figure 41 the original speech signal 由圖可知這段語音信號(hào)頻率主要集中在 1000hz左右 。 ② 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制， 為了減少在傳輸時(shí)的耗損，人們一般是先對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行特殊處理，然后再傳遞。把原始的待傳信號(hào)托附到高頻振蕩的過程稱為調(diào)制 。 我們知道音頻信號(hào)的頻率在我們的聽覺范圍內(nèi)，音頻信號(hào)在無線傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到各種聲音的干擾而產(chǎn)生能量消耗！因此 限制了傳輸?shù)木嚯x ！所以在現(xiàn)實(shí)的傳送過程中要現(xiàn)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制再發(fā)送出去！ 下面是對(duì)一段語音信號(hào)的調(diào)制仿真圖，載波頻率為 fc=20210。 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5x 1 051 0 . 500 . 51調(diào)制后信號(hào)波形0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 0401000202130004000調(diào)制后信號(hào)頻譜 圖 42 調(diào)制后的語音信號(hào) Figure 42 after the speech signal modulation 由圖可知，經(jīng)過調(diào)制后的語音信號(hào)頻譜都搬移到 fc=20210 的頻段。 ③ 用經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)與原信號(hào)疊加。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5x 1 0521012調(diào)制信號(hào) + 原始信號(hào)的波形0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 0401000202130004000調(diào)制信號(hào) + 原始信號(hào)的頻譜 圖 43 調(diào)制后的語音信號(hào) +原始語音信號(hào) Figure 43 voice modulated signal + the original speech signal 由圖可知低頻部分是原始信號(hào)，高頻部分是經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)。 ④ 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫出頻率響應(yīng) 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 根據(jù)語音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的性能指標(biāo)： 低通濾波器性能指標(biāo)， fp=1000Hz， fc=1200 Hz， As=100dB， Ap=1dB； 用雙線性變換法設(shè)計(jì)的低通濾波器的程序如下： fp=1000。fc=1200。As=100。Ap=1。fs=22050。 wc=2*fc/fs。wp=2*fp/fs。 [n,wn]=ellipord(wp,wc,Ap,As)。 [b,a]=ellip(n,Ap,As,wn)。 freqz(b,a,512,fs)。 濾波器的 頻率響應(yīng) 0 2021 4000 6000 8000 10000 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 00Fr e q u e n c y ( H z )Phase (degrees)0 2021 4000 6000 8000 10000 1 5 0 1 0 0 5 0050Fr e q u e n c y ( H z )Magnitude (dB) 圖 44 濾波器的頻率響應(yīng) Figure 44 Frequency response of the filter ⑤ 進(jìn)行低通濾波， 比較濾波前后語音信號(hào)的波形及頻譜 。 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5x 1 05 0 . 500 . 5低通濾波后的信號(hào)波形0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 040100200300400低通濾波后信號(hào)頻譜 總 結(jié) 通過這次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)語音信號(hào)有了全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)又有了 深刻 的理解 ， 在之前數(shù)字信號(hào)與處理的學(xué)習(xí)以及完成課后的作業(yè)的過程中，已經(jīng)使用過MATLAB，對(duì)其有了一些基礎(chǔ)的了解和認(rèn)識(shí)。通過這次練習(xí)是我進(jìn)一步了解了信號(hào)的產(chǎn)生、采樣及頻譜分析的方法。 以及其中產(chǎn)生信號(hào)和繪制信 號(hào)的基本命令和一些基礎(chǔ)編程語言。讓我感受到只有在了解課本知識(shí)的前提下，才能更好的應(yīng)用這個(gè)工具；并且熟練的應(yīng)用MATLAB 也可以很好的加深我對(duì)課程的理解，方便我的思維。這次設(shè)計(jì)使我了解了 MATLAB的使用方法，學(xué)會(huì)分析濾波器的優(yōu)劣和性能，提高了分析和動(dòng)手實(shí)踐能力。同時(shí)我相信，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì) MATLAB 的學(xué)習(xí)與研究對(duì)我今后的學(xué)習(xí)將會(huì)起到很大的幫助。 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 致 謝 非常感謝我的導(dǎo)師李富強(qiáng)老師！在李老師無微不至的教導(dǎo)下，我才能夠順順利利的完成了畢業(yè)課程的設(shè)計(jì)。從課程設(shè)計(jì)材料的搜集到根據(jù)選題對(duì)素材的提取與整理，從 Matlab 的簡易入手到程序的分析與設(shè)計(jì)，從理論與算法到程序的編寫與仿真，每一步都有李老師的細(xì)心知道與耐心講解。在平易近人學(xué)識(shí)淵博的李老師的熏陶下，使我感覺到自己知識(shí)的淺薄，在浩瀚的知識(shí)海洋面前，使我感覺到自己要不斷進(jìn)取。 非常感謝我的同學(xué)們，感謝他們給我的幫助與支持，使我在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中少走了不少彎路。 非常感謝我的家人和朋友們，感謝他們從畢業(yè)設(shè)計(jì)以來對(duì)我的關(guān)心與支持！ 最后，再次感謝理學(xué)院所有的