《数字语音处理》- 实验2. 基于MATLAB分析语音信号频域特征（附代码）

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基于MATLAB分析语音信号频域特征

实验2 基于MATLAB分析语音信号频域特征

1 实验目的及要求

本实验要求：按所学相关语音处理的得知识，通过网上学习、资料查阅，自己设计程序，给出某一语音信号的短时谱、倒谱、语谱图的分析结果，并借助频域分析方法检测所分析语音信号的基音周期或共振峰，写出实验报告（按一般科学论文的写作规范）。

2 实验原理

2.1 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：

（1.1）

其中w(n-m)是实窗口函数序列，n表示某一语音信号帧。令n-m=k’，则得到

（1.2）

于是可以得到

（1.3）

假定

（1.4）

则可以得到

（1.5）

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：

(1.6)

2.2 复倒谱和倒谱

复倒谱

是x(n)的Z变换取对数后的逆Z变换，其表达式如下:

（1.7）

倒谱c(n)定义为x(n)取Z变换后的幅度对数的逆Z变换，即

（1.8）

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：

（1.9）

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：

（1.10）

2.3 语谱图

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，可以提供与语音特性相关的信息。

2.4 基因周期估计

浊音信号的倒谱中存在峰值，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。利用倒谱的这个特点，我们可以进行语音的清浊音判决，并且可以估计浊音的基音周期。

3 实验结果及分析

3.1 短时谱

图3.1 短时谱

总结分析：

本实验采用长度为256的汉明窗对语音信号进行截断处理，然后对截断后的语音信号进行快速傅里叶变换，为了加大幅频特性的对比度，使其间关系更加明显，我们对振幅取对数并画图。

3.2 语谱图

图3.2 语谱图

总结分析：

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。被视为可视语言。水平方向是时间轴，垂直方向是频率轴，图上的灰度条纹代表各个时刻的语音短时谱。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。

3.3 加矩形窗的倒谱和复倒谱

图3.3 加矩形窗的倒谱和复倒谱

3.4 加汉明窗的倒谱和复倒谱

图3.4 加汉明窗的倒谱和复倒谱

4 总结分析

分别用矩形窗和汉明窗对语音信号进行截断处理，然后用cceps函数对短时语音信号求复倒谱、rceps函数对短时语音信号求倒谱，在进行频率的矫正。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

实验代码

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2贰进制–Echo 2020年10月
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