基于matlab的語音信號分析和處理

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1、摘要本文主要描述的是基于MATLAB的一般聲音信號的頻譜分析過程包括：用電腦聲卡錄音、從WAV文件輸入、從標準信號發(fā)生器輸入；信號波形分析，包括幅值、頻率、周期、相位的估計，以及統(tǒng)計量峰值、均值、均方值和方差的計算；信號頻譜分析，頻率、周期的估計，圖形顯示幅值譜、相位譜、實頻譜、虛頻譜和功率譜的曲線。關(guān)鍵詞：MATLAB，頻譜分析，誤差目錄前言1一、設(shè)計原理21.1系統(tǒng)整體設(shè)計原理21.2頻譜分析原理31.3頻譜圖41.4模塊劃分4二、詳細設(shè)計步驟52.1語音信號的采集52.2采樣分幀62.3短時能量和短時平均幅度62.4短時過零率82.5短時自相關(guān)函數(shù)

2、92.6語音信號的濾波11三、設(shè)計結(jié)果及分析123.1語音信號的錄入與打開123.2時域信號的FFT分析與加噪后的波形比較123.3濾波并比較濾波前后語音信號的波形143.4頻率響應(yīng)分析15總結(jié)17參考文獻18致謝19附錄20前言隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，儀器的智能化與虛擬化已成為未來實驗室及研究機構(gòu)的發(fā)展方向。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛?；谟嬎銠C軟硬件平臺的虛擬儀器可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析等。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛

3、擬儀器，由于計算機性能的飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠遠拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來連鍋端的技術(shù)更新速率。目前已經(jīng)有許多較成熟的頻譜分析軟件，如SpectraLAB、RSAVu、dBFA等。MATLAB是一個數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的工程實用軟件，他的數(shù)據(jù)采集工具箱為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出提供了十分方便的函數(shù)和命令。本文將給出基于聲卡與MATLAB的聲音信號頻譜分析的設(shè)計原理與實現(xiàn)方法。25一、設(shè)計原理1.1系統(tǒng)整體設(shè)計原理1.語音信號的采集使用電腦的聲卡設(shè)備采集一段語音信號，并將其保存在電腦中。2.語音信號的處理語音信號的處理主要包括信號的提取、信

4、號的調(diào)整、信號的變換和濾波等。Ⅰ.語音信號的時域分析語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成和語音增強等語音處理中無一例外需要提取語音中包含的各種信息。語音信號分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號所攜帶的信息。語音信號分析可以分為時域和變換域等處理方法，其中時域分析是最簡單的方法，提取的特征參數(shù)主要有語音的短時能量，短時平均過零率，短時自相關(guān)函數(shù)等。Ⅱ.語音信號的頻域分析信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。因為對于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許

5、多信號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項紅物理現(xiàn)象。由于語音信號是隨著時間變化的，通常認為，語音是一個受準周期脈沖或隨機噪聲源激勵的線性系統(tǒng)的輸出。輸出頻譜是聲道系統(tǒng)頻率響應(yīng)與激勵源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及激勵源都是隨時間變化的。Ⅲ.語音信號加噪聲在MATLAB中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便，我們可以直接應(yīng)用兩個函數(shù)：一個是WGN，另一個是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號中加入高斯白噪聲。也可直接用randn函數(shù)產(chǎn)生高斯分布序列。Ⅳ.數(shù)字濾波器設(shè)計與濾波25信號采集信

6、息采樣信號分析信號濾波信號變換效果顯示圖1　系統(tǒng)整體流程圖其中tin表示第n個過零點，yi為第i個采樣點的值，F(xiàn)s為采樣頻率。1.2頻譜分析原理時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除單頻率分量的簡單波形外，很難明確提示信號的頻率組成和各頻率分量大小，而頻譜分析能很好的解決此問題。由于從頻域能獲得的主要是頻率信息，所以本節(jié)主要介紹頻譜圖的生成。而生成的主要方法主要用到DFT和FFT。對于給定的時域信號y，可以通過Fourier變換得到頻域信息Y。Y可按下式計算（1）式中，N為樣本容量，Δt=1/Fs為采樣間隔。采樣信號的頻譜是一個連續(xù)的頻譜，不可能

7、計算出所有的點的值，故采用離散Fourier變換(DFT)，即（2）式中，Δf=Fs/N。但上式的計算效率很低，因為有大量的指數(shù)(等價于三角函數(shù))25運算，故實際中多采用快速Fourier變換(FFT)。其原理即是將重復的三角函數(shù)算計的中間結(jié)果保存起來，以減少重復三角函數(shù)計算帶來的時間浪費。由于三角函數(shù)計算的重復量相當大，故FFT能極大地提高運算效率。1.3頻譜圖為了直觀地表示信號的頻率特性，工程上常常將Fourier變換的結(jié)果用圖形的方式表示，即頻譜圖。以頻率f為橫坐標，

8、Y(f)

9、為縱坐標，可以得到幅值譜；以頻率f為橫坐標，argY(f)為縱坐標，可

10、以得到相位譜；以頻率f為橫坐標，ReY(f)為縱坐標，可以得到實頻譜；以頻率f為