基于matlab的語音信號(hào)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(hào)的頻譜分析過程包括：用電腦聲卡錄音、從WAV文件輸入、從標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸入；信號(hào)波形分析，包括幅值、頻率、周期、相位的估計(jì)，以及統(tǒng)計(jì)量峰值、均值、均方值和方差的計(jì)算；信號(hào)頻譜分析，頻率、周期的估計(jì)，圖形顯示幅值譜、相位譜、實(shí)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(jì)原理21.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)步驟52.1語音信號(hào)的采集52.2采樣分幀62.3短時(shí)能量和短時(shí)平均幅度62.4短時(shí)過零率82.5短時(shí)自相關(guān)函數(shù)

2、92.6語音信號(hào)的濾波11三、設(shè)計(jì)結(jié)果及分析123.1語音信號(hào)的錄入與打開123.2時(shí)域信號(hào)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(hào)的波形143.4頻率響應(yīng)分析15總結(jié)17參考文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)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?jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)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(hào)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(jì)算機(jī)性能的飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件，他的數(shù)據(jù)采集工具箱為實(shí)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(hào)頻譜分析的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法。25一、設(shè)計(jì)原理1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理1.語音信號(hào)的采集使用電腦的聲卡設(shè)備采集一段語音信號(hào)，并將其保存在電腦中。2.語音信號(hào)的處理語音信號(hào)的處理主要包括信號(hào)的提取、信

4、號(hào)的調(diào)整、信號(hào)的變換和濾波等。Ⅰ.語音信號(hào)的時(shí)域分析語音信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它攜帶著各種信息。在語音編碼、語音合成和語音增強(qiáng)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(hào)分析的目的就在與方便有效的提取并表示語音信號(hào)所攜帶的信息。語音信號(hào)分析可以分為時(shí)域和變換域等處理方法，其中時(shí)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(shí)能量，短時(shí)平均過零率，短時(shí)自相關(guān)函數(shù)等。Ⅱ.語音信號(hào)的頻域分析信號(hào)的傅立葉表示在信號(hào)的分析與處理中起著重要的作用。因?yàn)閷τ诰€性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復(fù)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(hào)分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號(hào)的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號(hào)的各項(xiàng)紅物理現(xiàn)象。由于語音信號(hào)是隨著時(shí)間變化的，通常認(rèn)為，語音是一個(gè)受準(zhǔn)周期脈沖或隨機(jī)噪聲源激勵(lì)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(lì)源頻譜的乘積。聲道系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及激勵(lì)源都是隨時(shí)間變化的。Ⅲ.語音信號(hào)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(gè)函數(shù)：一個(gè)是WGN，另一個(gè)是AWGN。WGN用于產(chǎn)生高斯白噪聲，AWGN則用于在某一信號(hào)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(jì)與濾波25信號(hào)采集信

6、息采樣信號(hào)分析信號(hào)濾波信號(hào)變換效果顯示圖1　系統(tǒng)整體流程圖其中tin表示第n個(gè)過零點(diǎn)，yi為第i個(gè)采樣點(diǎn)的值，F(xiàn)s為采樣頻率。1.2頻譜分析原理時(shí)域分析只能反映信號(hào)的幅值隨時(shí)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(hào)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(shí)域信號(hào)y，可以通過Fourier變換得到頻域信息Y。Y可按下式計(jì)算（1）式中，N為樣本容量，Δt=1/Fs為采樣間隔。采樣信號(hào)的頻譜是一個(gè)連續(xù)的頻譜，不可能

7、計(jì)算出所有的點(diǎn)的值，故采用離散Fourier變換(DFT)，即（2）式中，Δf=Fs/N。但上式的計(jì)算效率很低，因?yàn)橛写罅康闹笖?shù)(等價(jià)于三角函數(shù))25運(yùn)算，故實(shí)際中多采用快速Fourier變換(FFT)。其原理即是將重復(fù)的三角函數(shù)算計(jì)的中間結(jié)果保存起來，以減少重復(fù)三角函數(shù)計(jì)算帶來的時(shí)間浪費(fèi)。由于三角函數(shù)計(jì)算的重復(fù)量相當(dāng)大，故FFT能極大地提高運(yùn)算效率。1.3頻譜圖為了直觀地表示信號(hào)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(biāo)，

8、Y(f)

9、為縱坐標(biāo)，可以得到幅值譜；以頻率f為橫坐標(biāo)，argY(f)為縱坐標(biāo)，可

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