基于matlab实现对语音信号频谱分析new

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1、万方数据◆技术前沿◆文章编号：1009--0940(2010)-m一∞12基于MATLAB实现对语音信号频谱分析赵淑敏兰州交通大学电子与信息互程学院麓铡730070摘要：语音信号处理技术是语音处理领域中新近发展起来的一个学科分支，MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，运用它来进行语音信号的采集、分析和处理相当便捷。文章介绍了在Matlab环境中如何采集语音信号和语音信号采集后的频谱分析处理．并通过实例分析了语音信号处理的Mattab。关键字：MATLAB语音信号频谱分析傅里叶变换一．引言随着计算机技术和信息技术的发展．语音交互已经成为人机交互的必要手段，而语音信号

2、的采集和处理是人机交互的前提和基础。Matlab是美国MathWorks公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式计算软件，它以矩阵运算为基础．把计算．可视化．程序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中。同时由于Matlab是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件．它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数．利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可视化．使人机交互更加便捷。收稿日期：2010—02—16田=．语音信号的采集Windows附件的娱乐中有个录音机程序，通过它可以驱动声片采集．播放和简单处理语音信号。为了清晰的阐明对语

3、音信号进行频谱分析．首先使用Windows的录音机功能可以用麦克风直接录制一段女声”世界上最遥远的足巨离不是生与死．而是我就站在你面前你确不知道我爱你”，并保存为WAV格式文件．供MATLAB相关函数直接读取．写入或播放。本文以WAV格式语音信号作为分析处理的输入数据。例：在MATLAB中使用wavread函数读取录制得到的声音采样频率Fs为11kHz，且声音是8位单声道的声音文件“test．wav”。并利用wavplay函数播放声音．可万方数据JiangxiCommunicationScience＆Technology清晰地听到语音。然后绘制显示出语音数据的波形图(如图1所示)。Cl

4、earS=wavread(’C：＼DocumentsandSettings＼administrator＼桌面＼test．way’)；％读取语音数据Plot(S)，title(’原始语音信号’)％画波形图Wavplay(S)；％播放语音图1原始语音信号三，语音信号分析及MATLAB的实现1．语音信号的频谱分析过程傅里叶频谱分析是语音信号频域分析中广泛采用的一种方法。语音波是一个非平稳过程．因此适用于周期．瞬变或平稳随机信号的标准傅里叶变换不能直接表示语音信号，而应该用短时傅里叶变换对语音信号的频谱进行分析．相应的频谱称为”短时谱”。进行频谱分析时．在时域数据进行短时FFT处理之前都要进行

5、加窗处理。在FFT处理之后，普通频谱分析可以进行频域上的滤波处理．从而使频谱更加平滑。最后IFFT处理观察恢复后的时域信号图形．频谱分析过程(如图2所示)。桑集’原始信号—j甫时域信号FF，频域信号-6rr=-恢复后的时域信号图2频谱分析过程2．短时傅里叶变换(频谱分析)傅里叶频谱分析的基础是傅里叶变换．用傅里叶变换及其反变换可以求得傅里叶谱、自相关函数、功率谱．倒谱。由于语音信号的特性是随着时间缓慢变化的，由此引出语音信号的短时分析。如同在时域特征分析中用到的一样．这里的傅里叶频谱分析也采用相同的短时分析技术。信号X(n)的短时傅里叶变换定义为以(∥)=∑x(m)w(n-m)e一加卅

6、-—∞式中，MJ(n)为窗口函数。可以从两个角度理解函数以(少)的物理意义：第一种解释是．当n固定时。刀=以。如。则以护)是将窗函数的起点移至‰处截取信号x(力)．再做傅里叶变换而得到的一个频谱函数。这是直接将频率轴方向来理解的。另一种解释是从时间轴方向来理解，当频率固定时．例如∞=q．则以(eM)可以看作是信号经过一个中心频率为(Ok的带通滤波器产生的输出。这是因为窗口函数∞(以)通常具有低通频率响应．而指数e咖吨对语音信号工(以)有调制的作用．使频谱产生移位．即将x(刀)频谱中对应于频率q的分量平移到零频。3．短时傅里叶反变换(倒谱分析)傅里叶变换建立了信号从时域到频域的变换桥梁，

7、而傅里叶反变换则建立了信号从频域到时域的变换桥梁这两个域之间的变换为一对一映射关系。我们知道．以(扩)可以看作是加窗后函数的傅里叶变换．为了实现反变换．将以(扩)进行频率采样，即令嘶=2xk／L．则有以∽)=∑B(mⅫ(n—m)】e—M田_‘江盈i‘■●婴沿◆——一万方数据其中．L为频率采样点数。将以(沙)在时域n上每隔R个样本采样．则可令耳(e地)=如(P挑)’甩=rR，r：l，2⋯用这些r(P肌)求出其离散傅里叶反变换Y，(以)如下：·L-