基于MATLAB分析語(yǔ)音信號(hào)頻域特征

1、 工程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：基于MATLAB分析語(yǔ)音信號(hào)頻域特征指導(dǎo)教師：學(xué) 院：電子工程學(xué)院學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：2016 年 1 月 6日摘要語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析包括語(yǔ)音信號(hào)的頻譜、功率譜、倒頻譜等，常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變換法、線性參見(jiàn)測(cè)法等幾種。本文從傅里葉分析原理出發(fā)，估計(jì)了短時(shí)譜、倒譜，在此基礎(chǔ)上借助頻域分析方法所求得的參數(shù)分析了語(yǔ)音信號(hào)的基因周期或共振峰。目錄摘要21實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2實(shí)驗(yàn)原理32.1短時(shí)傅立葉變換32.2語(yǔ)譜圖32.3基因周期估計(jì)32.4共振峰估計(jì)33實(shí)驗(yàn)步驟34實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析44.1短時(shí)譜分析44.2基音周期和共振峰的估計(jì)64.3倒譜分析94.4

2、語(yǔ)譜圖105參考程序代碼105.1短時(shí)譜和語(yǔ)譜圖105.2倒譜和復(fù)倒譜116實(shí)驗(yàn)總結(jié)11參考文獻(xiàn)111實(shí)驗(yàn)?zāi)康男盘?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?duì)于線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以很方便地確定其對(duì)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多信號(hào)分析和處理問(wèn)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(shuō)明信號(hào)的各項(xiàng)物理現(xiàn)象。 由于語(yǔ)音信號(hào)是隨著時(shí)間變化的，通常認(rèn)為，語(yǔ)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，因此一般標(biāo)準(zhǔn)的傅立葉表示雖然適用于周期及平穩(wěn)隨

3、機(jī)信號(hào)的表示，但不能直接用于語(yǔ)音信號(hào)。由于語(yǔ)音信號(hào)可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)，近似不變，因而可以采用短時(shí)分析法。本實(shí)驗(yàn)要求掌握傅里葉分析原理，會(huì)利用已學(xué)的知識(shí)，編寫程序估計(jì)短時(shí)譜、倒譜，畫出語(yǔ)譜圖，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，借助頻域分析方法所求得的參數(shù)分析語(yǔ)音信號(hào)的基音周期或共振峰。2實(shí)驗(yàn)原理2.1短時(shí)傅立葉變換由于語(yǔ)音信號(hào)是短時(shí)平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)，某一語(yǔ)音信號(hào)幀的短時(shí)傅立葉變換的定義為： 2.2語(yǔ)譜圖水平方向是時(shí)間軸，垂直方向是頻率軸，圖上的灰度條紋代表各個(gè)時(shí)刻的語(yǔ)音短時(shí)譜。語(yǔ)譜圖反映了語(yǔ)音信號(hào)的動(dòng)態(tài)頻率特性，在語(yǔ)音分析中具有重要的實(shí)用價(jià)值。被成為可視語(yǔ)言。2.3基因周期估計(jì)濁音信號(hào)的倒譜中存在峰值，

4、它的出現(xiàn)位置等于該語(yǔ)音段的基音周期，而清音的倒譜中則不存在峰值。利用倒譜的這個(gè)特點(diǎn)，我們可以進(jìn)行語(yǔ)音的清濁音判決，并且可以估計(jì)濁音的基音周期。2.4共振峰估計(jì)對(duì)倒譜進(jìn)行濾波，取出低時(shí)間部分進(jìn)行進(jìn)行逆特征系統(tǒng)處理，可以得到一個(gè)平滑的對(duì)數(shù)譜函數(shù)，這個(gè)對(duì)數(shù)譜函數(shù)顯示了輸入語(yǔ)音段的共振峰結(jié)構(gòu)，同時(shí)譜的峰值對(duì)應(yīng)于共振峰頻率。通過(guò)此對(duì)數(shù)譜進(jìn)行峰值檢測(cè)，就可以估計(jì)出前幾個(gè)共振峰的頻率和強(qiáng)度。3實(shí)驗(yàn)步驟首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換，分析它的短時(shí)譜，觀察它們的語(yǔ)譜圖，并估計(jì)語(yǔ)音信號(hào)的基音周期和共振峰。4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析4.1短時(shí)譜分析不同N值時(shí)： N=128時(shí)N=256時(shí) N=512時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：通過(guò)以

5、上各圖可以看出：N取不同的值得到的短時(shí)譜圖是不同的，N越大，窗口的長(zhǎng)度越大，短時(shí)譜變化越明顯，頻率分辨率越高，短時(shí)譜的波形看的更加清楚。時(shí)間分辨率高，可以看出時(shí)間波形的每個(gè)周期及共振峰隨時(shí)間的變化，但頻率分辨率低，不足以分辨由于激勵(lì)所形成的細(xì)微結(jié)構(gòu)。4.2基音周期和共振峰的估計(jì)接下來(lái)，通過(guò)選取語(yǔ)音信號(hào)的不同段，來(lái)分析語(yǔ)音信號(hào)，并估算語(yǔ)音信號(hào)的基音周期和共振峰。1000到3000內(nèi)的噪聲頻譜圖如下：分析：從圖中看不出明顯的周期性，頻率分布廣，具有明顯的噪聲特性。23000到29000內(nèi)的清音頻譜圖如下： 分析：從圖中我們發(fā)現(xiàn)沒(méi)有周期性，頻域峰值點(diǎn)是隨機(jī)的。具有輔音的特點(diǎn)。26500到29000內(nèi)

6、的濁音頻譜圖如下： 從圖中可以明顯地看出周期性，具有元音的特點(diǎn)。 對(duì)比之前的圖可以看出，高頻成份明顯地增多；經(jīng)過(guò)放大之后也可看出有了共振峰。 4.3倒譜分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 從上可以看出基音周期大致為130Hz。4.4語(yǔ)譜圖5參考程序代碼5.1短時(shí)譜和語(yǔ)譜圖clear a=audioread('xd.wav'); subplot(2,1,1), plot(a); title('original signal'); grid N=256; h=hamming(N); for m=1:N b(m)=a(m)*h(m) end y=20*log(abs(fft(b) s

7、ubplot(2,1,2) plot(y);title('短時(shí)譜'); grid x=audioread('xd.wav') specgram(x,512,fs,100); xlabel('時(shí)間（s）'); ylabel('頻率(Hz)'); title('語(yǔ)譜圖'); 5.2倒譜和復(fù)倒譜clear a=audioread('xd.wav'); N=300; h=hamming(N); for m=1:N b(m)=a(m)*h(m); end c=cceps(b); c=fftshift(c); d=rceps(b); d=fftshift(d); subplot(2,1,1) plot(d);title('加矩形窗時(shí)的倒譜') subplot(2,1,2) plot(c);title('加矩形窗時(shí)的復(fù)倒譜圖') 6實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，掌握了傅立葉分析原理，熟悉了使用MATLAB對(duì)語(yǔ)