语音信号的采集与时频域分析系统的设计(编辑修改稿)

语音信号的采集与时频域分析系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

尤其在有噪声干扰时，如何准确检测语音信号的端点，这在语音处理中是富有挑战性的一个课题。 第 页 共 18 页 第 二 章 语音信号 频 域分析 语音信号的频域分析主要应用 傅立叶 变换来分析， 由于语音信号是随着时间变化的，因此一般标准的傅立叶表示虽然适用于周期及平稳随机信号的表示，但不能直接用于语音信号。 由于语音信号可以认为在短时间内 ， 近似不变，因而可以采用短时分析法。 短时傅立叶变换 由于语音信号是短时平稳的随机信号，某一语音信号帧的短时傅立叶变换的定义为： ( ) ( ) ( )jw jwmn mX e x m w n m e    （ ） 其中 w(nm)是实窗口函数序列， n 表示某一语音信号帧。 令 nm=k39。 ，则得到 ( 39。 )39。 ( ) ( 39。 ) ( 39。 )jw jw n kn kX e w k x n k e    （ ） 于是可以得到 ： ( ) ( ) ( )jw jwn jwkn kX e e w k x n k e   （ ） 假定 ： ( ) ( ) ( )jw jw kn kX e w k x n k e   （ ） 则可以得到 ： ( ) ( )jw jw n jwnnX e e X e （ ） 同样，不同的窗口函数，将得到不同的傅立叶变换式的结果。 由上式可见，短时傅立叶变换有两个变量： n 和 ω，所以它既是时序 n 的离散函数，又是角频率 ω 的连续函数。 与离散傅立叶变换逼近傅立叶变换一样，如令 ω=2πk/N，则得离散的短时傅立叶吧如下： 2/2/( ) ( )( ) ( ) , ( 0 1 )j k Nnnj k m NmX e X kx m w n m e k N       () 第 页 共 18 页 语谱图 语谱图反映了语音信号的动态频率特性，在语音分析中具有重要的实用价值。 被成为可视语言。 语谱图的时间分辨率和频率分辨率是由窗函数的特性决定的。 时间分辨率高，可以看出时间波形的每个 周期及共振峰随时间的变化，但频率分辨率低，不足以分辨由于激励所形成的细微结构，称为宽带语谱图；而窄带语谱图正好与之相反。 宽带语谱图可以获得较高的时间分辨率，反映频谱的快速时变过程；窄带语谱图可以获得较高的频率分辨率，反映频谱的精细结构。 两者相结合，可以提供带两与语音特性相关的信息。 语谱图上因其不同的灰度，形成不同的纹路，称之为 “声纹 ”。 声纹因人而异，因此可以在司法、安全等场合得到应用。 语音采集信号的的语谱图如下图（ ）所示 图 语音信号的语谱图 复倒谱和倒谱 复倒谱 ^()xn 是 ()xn 的 Z 变换取对数后的逆 Z 变换，其表达式如下 : ^ 1[ln [ ( )]]x Z Z x n （ ） 倒谱 () 定义为 ()xn 取 Z 变换后的幅度对数的逆 Z 变换，即 1( ) [ln | ( ) |]c n z X z （ ） 第 页 共 18 页 在时域上，语音产生模型实际上是一个激励信号与声道冲激响应的卷积。 对于浊音，激励信号可以由周期脉冲序列表示；对于清音，激励信号可以由随机噪声序列表示。 声道系统相当于参数缓慢变化的零极点线性滤波器。 这样经过同态处理后，语音信号的复倒谱，激励信号的复倒谱，声道系统的复倒谱之间满足下面的关系： ^ ^ ^( ) ( ) ( )s n e n v n （ ） 由于倒谱对应于复倒谱的偶部，因此倒谱与复倒谱具有同样的特点，很容易知道语音信号的倒谱，激励信号的倒谱以及声道系统的倒谱之间满足下面关系： ( ) ( ) ( )s e vn n nc c c （ ） 浊音信号的倒谱中存在着峰值，它的出现位置等于该语音段的基音周期，而清音的倒谱中则不存在峰 值。 利用这个特点我们可以进行清浊音的判断，并且可以估计浊音的基音周期。 图 语音信号的倒普图 从上图 语音信号的 倒谱图可以看出 ,语音信号 ~ 和 2s~ 所对应的频率大概在 200Hz 左右 , 这与人的语音信号频率集中在 200 Hz 到 4000Hz 之间是相一致的。 而在未发声的时间段内 , 相对的小高频部分 ( 150～ 500Hz)应该属于背景噪声。 第 页 共 18 页 第 三 章 加噪与滤波处理 原始信号加噪处理 利用 awgn 函数对原始信号进行信噪比 50dB 的白噪声的加噪处理， 接下来 分别 对 原始信号和加噪信号的 采样数据作快速傅里叶 (fft)变换并画出以 dB 为单位的信号频谱 图。 如下图 所示： 图 原始信号与加噪信号的频谱图 由上图 分析加噪声后的频谱图的幅度变化较小，表示白噪声基本覆盖了原始信号的频谱。 同时利用 sound 函数对语音信号进行回放在听到“信号处理 — 滤波器”这句话时，伴随著着明显的噪声。 图 加噪信号的倒谱图 第 页 共 18 页 为方便设计滤波器进行滤噪，现在对加噪信号进行倒普分析，利用 Matlab 对加噪信号进行倒普图绘制如上图 所示。 从上图分析可知加噪后的倒谱图信号频率在100Hz~500Hz，而语音信号 ~ 和 2s~ 所对应的频率。