基于載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成new

1、基于載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：基于載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成專 業(yè)：電子信息工程班 級(jí)：2011級(jí)1班設(shè) 計(jì) 人：學(xué) 號(hào)：山 東 科 技 大 學(xué)2013年12月28日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)學(xué)院：信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 班級(jí)：2011級(jí)1班 姓名： 一、 課程設(shè)計(jì)題目： 基于載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成 二、 課程設(shè)計(jì)主要參考資料：1：語(yǔ)音信號(hào)處理2：數(shù)字信號(hào)處理3：高頻電子電路4：MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用三、 :設(shè)計(jì)應(yīng)解決下列各主要問(wèn)題：1、掌握語(yǔ)音信號(hào)合成和語(yǔ)譜圖的概念。 2、采集語(yǔ)音信號(hào)，運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算信號(hào)頻譜。 四、 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)附有下

2、列圖紙： 五、命題發(fā)出日期： 2008-7-7 設(shè)計(jì)應(yīng)完成日期： 2008-7-18 設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（簽章） 教研室主任（簽章） 摘要 語(yǔ)音信號(hào)合成是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理合成的一種語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)，它是基于信息技術(shù)發(fā)展為背景，以語(yǔ)音學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，以數(shù)字計(jì)算機(jī)操作為主要手段而形成的一個(gè)綜合性的前沿技術(shù)。 語(yǔ)音不僅是人與人之間進(jìn)行信息交流最直接、最方便和最有效的工具，而且也是人與機(jī)器之間進(jìn)行通信的重要工具，無(wú)論是人與人之間還是人與機(jī)器之間的語(yǔ)音通信，語(yǔ)音信號(hào)處理，特別是語(yǔ)音信號(hào)處理的理論和技術(shù)，都具有特別重要的作用。人類開(kāi)始進(jìn)入信息化時(shí)代，用現(xiàn)代手段研究語(yǔ)音處理技術(shù)，使

3、人們能夠更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)和獲取語(yǔ)言信息，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義。通過(guò)語(yǔ)言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語(yǔ)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(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音增強(qiáng)等語(yǔ)音處理中無(wú)一例外需要提取語(yǔ)音中包含的各種信息。語(yǔ)音信號(hào)合成是實(shí)現(xiàn)各種智能化、自動(dòng)化、信息化的基礎(chǔ)。 基于載波調(diào)幅的語(yǔ)音信號(hào)合成是一種操作簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)相對(duì)較為容易的具有實(shí)用價(jià)值的語(yǔ)音合成技術(shù)。關(guān)鍵詞：語(yǔ)音信號(hào) 載波調(diào)幅 頻譜分析 語(yǔ)音合成 語(yǔ)譜圖目 錄1 緒論-2 操作環(huán)境介紹- 2.1 MATLAB軟件介紹- 2.2 主要函數(shù)介紹-3 語(yǔ)音信號(hào)合成的基本原理-4 基于載

4、波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成基本知識(shí)- 4.1 希爾伯特變換- 4.2 傅里葉頻譜分析- 4.3 語(yǔ)譜圖- 4.4 信號(hào)調(diào)制- 4.5 非平穩(wěn)信號(hào)-5 語(yǔ)音信號(hào)的合成過(guò)程-6 結(jié)果分析- 6.1 聲音信號(hào)采集- 6.2 采樣信號(hào)頻域分析- 6.3 合成信號(hào)分析- 6.4 語(yǔ)譜圖分析結(jié)果-7. 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì)-8. 附錄- 8.1參考文獻(xiàn)- 8.2源程序代碼-1. 緒論語(yǔ)言是人類最重要的交流工具，它自然方便、準(zhǔn)確率高。隨著信息時(shí)代的不斷邁進(jìn)，各種各樣的機(jī)器參與了人類的生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)，因此改善人和機(jī)器之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，方便人對(duì)機(jī)器的操縱就顯得越來(lái)越重要。隨著電子計(jì)算機(jī)和人工智能的廣泛應(yīng)用，語(yǔ)言通信成

5、為人機(jī)交互的主要通信方式。語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)是計(jì)算機(jī)智能接口與人機(jī)交互的重要手段之一。語(yǔ)音合成已經(jīng)在許多方面得到了實(shí)際應(yīng)用，方便了人們的生活，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，如公共交通中的自動(dòng)報(bào)站、各種場(chǎng)合的自動(dòng)報(bào)警、電話自動(dòng)查詢服務(wù)、文本校對(duì)中的語(yǔ)音提示等。綜觀語(yǔ)言合成技術(shù)的研究，語(yǔ)音合成發(fā)展方向?yàn)椋?、提高合成語(yǔ)音的自然度；2、豐富合成語(yǔ)音的表現(xiàn)力；3、降低語(yǔ)音合成技術(shù)的復(fù)雜度；4、多語(yǔ)種文語(yǔ)合成等，認(rèn)真學(xué)習(xí)并研究語(yǔ)音信號(hào)的合成技術(shù)，對(duì)于我們開(kāi)拓知識(shí)，提高能力，以及在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)具有重要的意義?；谳d波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成是基于高頻電子技術(shù)理論、語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，依托

6、于電子計(jì)算機(jī)、windows操作系統(tǒng)、MATLAB處理軟件等工具將兩個(gè)信號(hào)合成為一個(gè)信號(hào)。具有較強(qiáng)的實(shí)用性、可操作性等新特點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：（1） ：語(yǔ)音信號(hào)采集。用Windows提供的錄音機(jī)軟件錄制一段語(yǔ)音，并把它保存為wav文件，利用wavread函數(shù)進(jìn)行讀取，已備后續(xù)處理使用。（2） 語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理：語(yǔ)音信號(hào)具有非平穩(wěn)信號(hào)的特性，為了得到短時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)，要對(duì)主意信號(hào)進(jìn)行加窗操作（3） 語(yǔ)音合成：采用希爾伯特黃變換得到調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)（信息），再進(jìn)行載波調(diào)幅合成。（4） 語(yǔ)音信號(hào)分析:運(yùn)用FFT和語(yǔ)譜圖分析語(yǔ)音信號(hào)在時(shí)域所無(wú)法表現(xiàn)出的特性，觀察分析結(jié)果。2 操作環(huán)境介紹基于載波調(diào)幅的語(yǔ)音信

7、號(hào)合成具有較寬泛的操作性，可以用C、C+等以及它們的操作軟件實(shí)現(xiàn)，此次語(yǔ)音信號(hào)合成以做為操作工具。2.1 MATLAB軟件介紹MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，主要適用于矩陣運(yùn)算及控制和信息處理領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)。它使用方便，輸入簡(jiǎn)捷，內(nèi)容豐富，運(yùn)算高效，并且很容易由用戶自行擴(kuò)展，因此，當(dāng)前己成為美國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用而必不可少的工具。MATLAB進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基本單位是復(fù)數(shù)數(shù)組（或稱陣列），這使得MATLAB高度“向量化”。經(jīng)過(guò)十幾年的完善和擴(kuò)充，現(xiàn)已發(fā)展成為線性代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。由于它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫(kù)函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、建模、

8、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問(wèn)題時(shí)，顯得大為簡(jiǎn)捷、高效、方便，這是其它高級(jí)語(yǔ)言所不能比擬的。與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔和智能化，適應(yīng)科技專業(yè)人員的思維方式和書(shū)寫(xiě)習(xí)慣，使得編程和調(diào)試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結(jié)果，人機(jī)交互性能好，深得科技人員喜愛(ài)。MATLAB具有起點(diǎn)高、人機(jī)界面適合科技人員、強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的作圖功能、智能化程度高、功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)，可以充分滿足大學(xué)理工科本科的計(jì)算需要，在控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和小波分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。MATLAB的工作環(huán)境主要由命令窗(Command Window)、圖形窗(f

9、igure window)和文本編輯窗(File Editor)組成。本次課程設(shè)計(jì)也主要是在這三個(gè)窗口中進(jìn)行編輯調(diào)試。2.2 主要函數(shù)介紹wavrecordwavrecord為MATLAB中的錄音函數(shù)。其調(diào)用格式為y=wavrecord(n,fs,channel,dataType);其中n為采樣點(diǎn)數(shù)，fs為采樣頻率，channel（通常取1或者2）為錄音通道數(shù)，dataType（例如double,single,int16,uint8)是采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型。wavread wavread是語(yǔ)音文件的讀取信號(hào)，其語(yǔ)音文件格式為WAV。其調(diào)用格式為：y,fs,nbits= wavread(wavFil

10、e);y就是音頻信號(hào)；fs是采樣頻率；nbit是采樣精度；wavFile是語(yǔ)音文件名。wavwrite Wavwrite是語(yǔ)音文件的存儲(chǔ)操作命令。其調(diào)用語(yǔ)法格式為： wavwrite(Y,FS,WAVEFILE) ；Y是預(yù)操作語(yǔ)音信號(hào)，F(xiàn)S是采樣頻率，WAVEFILE是存儲(chǔ)文件名。sound Sound是原音播放語(yǔ)音文件命令。其調(diào)用語(yǔ)法格式為： sound(Y,FS) ；Y是讀取得到的語(yǔ)音文件，F(xiàn)S是放音頻率。3.語(yǔ)音信號(hào)合成的基本原理語(yǔ)音信號(hào)合成是一個(gè)“分析存儲(chǔ)合成”的過(guò)程。一般是選擇合適的基本單元，將基本單元用一定的參數(shù)編碼方式或波形方式進(jìn)行存儲(chǔ)，形成一個(gè)語(yǔ)音庫(kù)。合成時(shí)，根據(jù)待合成語(yǔ)音信號(hào)

11、，從語(yǔ)音庫(kù)中取出基本單元進(jìn)行合成，并將其還原成語(yǔ)音信號(hào)。在語(yǔ)音合成中，為了便于存儲(chǔ)和后續(xù)分析，必須先將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行預(yù)分析、預(yù)處理、波形變換等一系列操作。其中，基元是語(yǔ)音合成處理的最小單元，待合成的語(yǔ)音庫(kù)就是所有語(yǔ)音基元的某中集合。根據(jù)基元的選擇方式以及其存儲(chǔ)形式的不同，可以將合成方法籠統(tǒng)的分為波形合成方法和參數(shù)合成方法。波形合成是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音合成技術(shù)。它把人的發(fā)音波形直接存儲(chǔ)或者進(jìn)行進(jìn)行簡(jiǎn)單的波形編碼后存儲(chǔ)，組成一個(gè)合成的語(yǔ)音庫(kù)；合成時(shí)，根據(jù)待合成的信息，在語(yǔ)音庫(kù)中取出相應(yīng)單元的波形數(shù)據(jù)，拼接或編輯到一起，經(jīng)過(guò)解碼還原成語(yǔ)音。該語(yǔ)音合成技術(shù)具有一定的局限和不足，但對(duì)語(yǔ)音信號(hào)具有數(shù)據(jù)量龐大

12、的特點(diǎn)，這種誤差在某種范圍內(nèi)是可以接受的?；谳d波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成是基于信號(hào)的振幅調(diào)制原理而實(shí)現(xiàn)的。將低頻信號(hào)加載到高頻載波信號(hào)的過(guò)程，或者說(shuō)把信息加載到信息載體上以便傳輸?shù)奶幚磉^(guò)程，稱為調(diào)制。所謂“加載”，其實(shí)質(zhì)是使高頻載波信號(hào)（信息載體）的某個(gè)特性參數(shù)隨信息信號(hào)幅值的大小程線性變化?；谳d波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成是以男生信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，女生信號(hào)為載波信號(hào)來(lái)進(jìn)行合成一種以女生語(yǔ)音信號(hào)聲色表述男生語(yǔ)音內(nèi)容的新信號(hào)。這種調(diào)制方式是用傳遞的低頻信號(hào)（如代表語(yǔ)言、音樂(lè)、圖像的電信號(hào)）去控制作為傳送載體的高頻振蕩波（稱為載波）的幅度，是已調(diào)波的幅度隨調(diào)制信號(hào)的大小線性變化，而保持載波的角頻率不變.4:

13、基于載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成基本知識(shí)：希爾伯特變換在數(shù)學(xué)與信號(hào)處理的領(lǐng)域中，一個(gè)實(shí)值函數(shù)的希爾伯特變換是將信號(hào)s(t)與1/(t)做卷積，以得到s(t)。因此，希爾伯特變換結(jié)果s(t)可以被解讀為輸入是s（t）的線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出，而此系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為1/(t)。這是一項(xiàng)有用的數(shù)學(xué)工具，用在描述一個(gè)以實(shí)數(shù)值載波做調(diào)制的信號(hào)之復(fù)數(shù)包絡(luò)，出現(xiàn)在通訊理論中發(fā)揮著重要作用。希爾伯特變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式：s(t)=H(s)=s(n)h(t-n)dn=(1/)（s（n）/(t-n)）dn其中h（t）=1/(t)希爾伯特變換的頻域數(shù)學(xué)表達(dá)式：其中F是傅里葉變換，i是虛數(shù)單位，w是角頻率其中Sgn（w）=希爾伯特

14、變換等效于/2的相移，對(duì)正頻率產(chǎn)生-/2的相移，對(duì)負(fù)頻率產(chǎn)生/2相移，或者說(shuō)，在時(shí)域信號(hào)每一頻率成分移位1/4波長(zhǎng)，因此，希爾伯特變換又稱為90度移相器。MATLAB提供了計(jì)算Hilbert變換的函數(shù)，其格式為y=Hilbert(x)。但需注意的是，該函數(shù)計(jì)算出的結(jié)果是序列的解析信號(hào)，其虛部才是序列的Hilbert變換。 希爾伯特變換在語(yǔ)音信號(hào)處理中具有兩個(gè)性質(zhì)： 性質(zhì)1：序列x(n)通過(guò)Hilbert變換器后，信號(hào)頻譜的幅度不發(fā)生變化，這是因?yàn)镠ilbert變換器是全通濾波器，引起頻譜變化的只是其相位。 性質(zhì)2：序列x(n）與其Hilbert變換是正交的。 ：傅里葉頻譜分析FFT的定義： 設(shè)

15、x（n）是一個(gè)長(zhǎng)度為M的有限長(zhǎng)序列，則定義x（n）的N點(diǎn)離散傅里葉變換： X（k）的逆變換為：DFT（離散傅里葉變換）與FT（時(shí)域離散信號(hào)）的關(guān)系：上式表明，序列x（n）的N點(diǎn)DFT是x(n)的FT在0,2上的N點(diǎn)等間隔采樣。這也是DFT的物理意義。將時(shí)域信號(hào)變換到復(fù)頻域，得到一些時(shí)域無(wú)法描述和顯示的信號(hào)特性。FFT具有以下重要結(jié)論：（1）：同一序列 x（n），不同變換區(qū)間長(zhǎng)度N，變換結(jié)果也不同。（2）：同一序列x（n），當(dāng)變換區(qū)間N足夠大，X(k) 的包絡(luò)可逼近FT的曲線,即頻域取樣更細(xì)。傅里葉頻譜分析是語(yǔ)音信號(hào)頻域分析中廣泛采用的一種方法。語(yǔ)音信號(hào)是一個(gè)非平穩(wěn)過(guò)程，因此適用于周期、瞬變或平

16、穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能直接表示語(yǔ)音信號(hào)，而應(yīng)該用短時(shí)傅里葉變換對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜稱為“短時(shí)譜”。進(jìn)行頻譜分析時(shí)，在時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)FFT處理之前都要進(jìn)行加窗處理。在FFT處理之后，普通頻譜分析可以進(jìn)行頻域上的濾波處理，從而使頻譜更加平滑。由于，離散傅里葉變換具有運(yùn)算速度低和難度大，難以在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算，再加之，語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)信息量大，離散傅里葉變換對(duì)如此數(shù)據(jù)量龐大的語(yǔ)音信號(hào)已束手無(wú)策，因此必須引進(jìn)快速傅里葉變換。有限長(zhǎng)序列可以通過(guò)離散傅里葉變換(DFT)將其頻域也離散化成有限長(zhǎng)序列。但其計(jì)算量太大，很難實(shí)時(shí)地處理問(wèn)題，因此引出了快速傅里葉變換(FFT)。19

17、65年，Cooley和Tukey提出了計(jì)算離散傅里葉變換（DFT）的快速算法，將DFT的運(yùn)算量減少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。從此，對(duì)快速傅里葉變換（FFT）算法的研究便不斷深入，數(shù)字信號(hào)處理這門新興學(xué)科也隨FFT的出現(xiàn)和發(fā)展而迅速發(fā)展。根據(jù)對(duì)序列分解與選取方法的不同而產(chǎn)生了FFT的多種算法，基本算法是基DIT和基DIF。FFT在離散傅里葉反變換、線性卷積和線性相關(guān)等方面也有重要應(yīng)用?？焖俑凳献儞Q（FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它對(duì)傅氏變換的理論并沒(méi)有新的發(fā)現(xiàn)，但是對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說(shuō)數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以

18、說(shuō)是進(jìn)了一大步。設(shè)x(n)為N項(xiàng)的復(fù)數(shù)序列，由DFT變換，任一X（m）的計(jì)算都需要N次復(fù)數(shù)乘法和N-1次復(fù)數(shù)加法，而一次復(fù)數(shù)乘法等于四次實(shí)數(shù)乘法和兩次實(shí)數(shù)加法，一次復(fù)數(shù)加法等于兩次實(shí)數(shù)加法，即使把一次復(fù)數(shù)乘法和一次復(fù)數(shù)加法定義成一次“運(yùn)算”（四次實(shí)數(shù)乘法和四次實(shí)數(shù)加法），那么求出N項(xiàng)復(fù)數(shù)序列的X（m）,即N點(diǎn)DFT變換大約就需要N2次運(yùn)算。在FFT中，利用WN的周期性和對(duì)稱性，把一個(gè)N項(xiàng)序列（設(shè)N=2k,k為正整數(shù)），分為兩個(gè)N/2項(xiàng)的子序列，每個(gè)N/2點(diǎn)DFT變換需要2次運(yùn)算，再用N次運(yùn)算把兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT變換組合成一個(gè)N點(diǎn)的DFT變換。這樣變換以后，總的運(yùn)算次數(shù)就變成N+2（N/2）2

19、=N+N2/2。而如果我們將這種“一分為二”的思想不斷進(jìn)行下去，直到分成兩兩一組的DFT運(yùn)算單元，那么N點(diǎn)的DFT變換就只需要Nlog2N次的運(yùn)算，N在1024點(diǎn)時(shí)，運(yùn)算量?jī)H有10240次，是先前的直接算法的1%，點(diǎn)數(shù)越多，運(yùn)算量的節(jié)約就越大，這就是FFT的優(yōu)越性。離散傅里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值。同樣，X(k)也可看作是序列傅氏變換的采樣，采樣間隔為N=2/N。由此看出，離散傅里葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對(duì)頻率具有選擇性(k=2k/N)，在這些點(diǎn)上反映了信號(hào)的頻譜。根據(jù)采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號(hào)，可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說(shuō)明對(duì)

20、于時(shí)間有限的信號(hào)(有限長(zhǎng)序列)，也可以對(duì)其進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(zhǎng)，采樣足夠密，頻域采樣也就可較好地反映信號(hào)的頻譜趨勢(shì)，所以FFT可以用以進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析。FFT的變換結(jié)果通常是一個(gè)既有實(shí)部又有虛部的復(fù)數(shù)，因而，我們必須分別對(duì)待其結(jié)果的參數(shù)，及幅頻特性和相頻特性。幅頻特性描述的是幅值隨頻率（數(shù)字頻率和角頻率）的變化情況，以表征各個(gè)頻率對(duì)信號(hào)的貢獻(xiàn)，在MATLAB中，調(diào)用庫(kù)函數(shù)abs（），以頻率為橫軸，幅值為縱軸做出幅頻特性曲線以觀察其幅頻特性，有時(shí)，為壓縮幅值較大信號(hào)和提高幅值較小信號(hào)，也取對(duì)數(shù)的dB量為縱坐標(biāo)，更能直觀顯示其頻率變化對(duì)幅值的影響。相頻特性描

21、述的是相位隨頻率（數(shù)字頻率和角頻率）的變化情況，反應(yīng)信號(hào)時(shí)移特性，在信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏斨芯哂兄匾膮⒖純r(jià)值，在MATLAB中，調(diào)用庫(kù)函數(shù)angle（），以頻率為橫軸，相位為縱軸做出相頻特性曲線以觀察其相頻特性，有時(shí)，為壓縮幅值較大信號(hào)和提高幅值較小信號(hào)，以取對(duì)數(shù)的dB量為縱坐標(biāo)，更能直觀顯示其頻率變化對(duì)相位的影響。：語(yǔ)譜圖語(yǔ)音的發(fā)音過(guò)程中，聲道通常都是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，因此它的共振峰特性也是時(shí)變的。不過(guò)這個(gè)時(shí)變過(guò)程比起振動(dòng)過(guò)程來(lái)說(shuō)要緩慢得多，因此一般可以假定它是短時(shí)平穩(wěn)的，每一時(shí)刻我們都可以用這時(shí)刻附近的一短段語(yǔ)音信號(hào)分析得到一種頻譜。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)連續(xù)地進(jìn)行頻譜分析就可以得到一種二維圖譜，其橫坐標(biāo)表

22、示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示頻率，而每個(gè)像素的灰度值大小反映相應(yīng)時(shí)刻和相應(yīng)頻率的信號(hào)能量密度。這種時(shí)頻圖稱為語(yǔ)譜圖，這種反映語(yǔ)音信號(hào)動(dòng)態(tài)頻譜特性的時(shí)頻圖在語(yǔ)音分析中有重要實(shí)用價(jià)值，被視為可視語(yǔ)言。從語(yǔ)譜圖上不僅能看出任一時(shí)刻發(fā)音器官的共振峰特征，而且可以看出語(yǔ)音的基音頻率，是否清音、爆破音等。語(yǔ)譜分析在語(yǔ)音識(shí)別、合成及編碼中很有意義。語(yǔ)譜圖就是語(yǔ)音頻譜圖，一般是通過(guò)處理接收的時(shí)域信號(hào)得到頻譜圖，因此只要有足夠時(shí)間長(zhǎng)度的時(shí)域信號(hào)就可以，時(shí)間長(zhǎng)度為保證頻率分辨率。從語(yǔ)譜圖中我們可以得到豐富的語(yǔ)音信息，我們可以觀察語(yǔ)音不同頻段的信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況。由于語(yǔ)音信號(hào)本身頻率豐富，不太容易看出規(guī)律，條紋的地方實(shí)

23、際是顏色深的點(diǎn)聚集的地方，隨時(shí)間延續(xù)，就延長(zhǎng)成條紋，也就是表示語(yǔ)音中頻率值為該點(diǎn)橫坐標(biāo)值的能量較強(qiáng)，在整個(gè)語(yǔ)音中所占比重大，那么相應(yīng)影響人感知的效果要強(qiáng)烈得多。而一般語(yǔ)音中數(shù)據(jù)是周期性的，所以，能量強(qiáng)點(diǎn)的頻率分布是頻率周期的。 盡管人發(fā)聲器官的音域是有限度的，即一般人發(fā)聲最高頻率為4000Hz，樂(lè)器的音域要比人寬很多，打擊樂(lè)器的上限可以到20KHz。但是，由于我們數(shù)字分析頻率時(shí)，采用的是算法實(shí)現(xiàn)的，一般是FFT，所以其結(jié)果是由采樣率決定的，即盡管是上限為4000Hz的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，如果采用16Khz的采樣率來(lái)分析，則仍然可以在4000Hz以上的頻段發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分布，則可以認(rèn)為是算法誤差，非客觀事實(shí)。

24、語(yǔ)譜圖的產(chǎn)生機(jī)理： 語(yǔ)音信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)，但其非平穩(wěn)性是由發(fā)音器官的物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程而產(chǎn)生的，此過(guò)程與聲波振動(dòng)的速度相比較緩慢，可以假定在1030ms這樣的短時(shí)間內(nèi)是平穩(wěn)的。傅立葉分析是分析線性系統(tǒng)和平穩(wěn)信號(hào)穩(wěn)態(tài)特性的強(qiáng)有力的手段，而短時(shí)傅里葉分析，也叫時(shí)間依賴傅立葉變換，就是在短時(shí)平穩(wěn)的假定下，用穩(wěn)態(tài)分析方法處理非平穩(wěn)信號(hào)的一種方法。設(shè)離散時(shí)域采樣信號(hào)為x（n），n=0,1,NL，其中n為時(shí)域采樣點(diǎn)序號(hào)，N是信號(hào)長(zhǎng)度。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分幀處理，則()xn表示為x（m），0,1,NL，其中n是幀序號(hào)，m是幀同步的時(shí)間序號(hào)，N為幀長(zhǎng)（一幀內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)）。信號(hào)x(n)短時(shí)傅里葉變換為： 語(yǔ)譜圖

25、中的花紋有橫杠、亂紋和豎直條等。橫杠是與時(shí)間軸平行的幾條深黑色帶紋，它們是共振峰。從橫杠對(duì)應(yīng)的頻率和寬度可以確定相應(yīng)的共振峰頻率和帶寬。在一個(gè)語(yǔ)音段的語(yǔ)譜圖中，有沒(méi)有橫杠出現(xiàn)是判斷它是否是濁音的重要標(biāo)志。豎直條（又叫沖直條）是語(yǔ)譜圖中出現(xiàn)與時(shí)間軸垂直的一條窄黑條。每個(gè)豎直條相當(dāng)于一個(gè)基音，條紋的起點(diǎn)相當(dāng)于聲門脈沖的起點(diǎn)，條紋之間的距離表示基音周期。條紋越密表示基音頻率越高。：信號(hào)調(diào)制 所謂調(diào)制，就是將調(diào)制信號(hào)加載在三個(gè)參數(shù)中的某一個(gè)參數(shù)上，或幅值、或頻率、或相位隨調(diào)制信號(hào)大小成線性變化的過(guò)程。主要有三種基本調(diào)制方法，分別如下：第一種是把調(diào)制信號(hào)加載在載波信號(hào)的幅值上，稱為幅度調(diào)制，簡(jiǎn)稱AM。第

26、二種是把調(diào)制信號(hào)裝載在載波的頻率上，稱為頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱FM。第三種是把調(diào)制信號(hào)裝載在載波的相位上，稱為相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱PM。本設(shè)計(jì)采用的是第一種方法，用采集到的男生信號(hào)去對(duì)女生信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音合成的目的。下面以簡(jiǎn)單的單頻余弦波來(lái)說(shuō)明幅度調(diào)制的原理。設(shè)單頻余弦波調(diào)制信號(hào)為：調(diào)幅調(diào)制的以下特點(diǎn)在語(yǔ)音信號(hào)處理中得到很好的應(yīng)用： ：調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）隨調(diào)制信號(hào)變化，而且包絡(luò)的變化規(guī)律與調(diào)制信號(hào)波形一致，表明調(diào)制信號(hào)（信息）記載在調(diào)幅波的包絡(luò)中6。 ：調(diào)制系數(shù)反應(yīng)了調(diào)幅的強(qiáng)弱程度，一般情況下，調(diào)制系數(shù)越大調(diào)幅度越深。當(dāng)調(diào)制系數(shù)為0時(shí)，表示未調(diào)幅，即無(wú)調(diào)幅作用。 當(dāng)調(diào)制系數(shù)為1時(shí)，此時(shí)包絡(luò)的振幅

27、最小值為0。 當(dāng)調(diào)制系數(shù)大于1時(shí)，已調(diào)波的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)不一樣，產(chǎn)生嚴(yán)重的包絡(luò)失真，稱為過(guò)量調(diào)幅。非平穩(wěn)信號(hào)非平穩(wěn)信號(hào)是指分布參數(shù)或者分布規(guī)律隨時(shí)間發(fā)生變化的信號(hào)。平穩(wěn)和非平穩(wěn)都是針對(duì)隨機(jī)信號(hào)說(shuō)的，一般的分析方法有時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻聯(lián)合分析。非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征是時(shí)間的函數(shù)。與平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)描述相似，傳統(tǒng)上使用概率與數(shù)字特征來(lái)描述，工程上多用相關(guān)函數(shù)與時(shí)變功率譜來(lái)描述，近年來(lái)還發(fā)展了用時(shí)變參數(shù)信號(hào)模擬描述的方法。此外，還需根據(jù)問(wèn)題的具體特征規(guī)定一些描述方法。目前，非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)還很難有統(tǒng)一而完整的描述方法。3：語(yǔ)音信號(hào)的合成過(guò)程分析和處理音頻信號(hào)，首先要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集，MAT

28、LAB的數(shù)據(jù)采集工具箱提供了一整套命令和函數(shù),通過(guò)調(diào)用這些函數(shù)和命令,可直接控制聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。Windows自帶的錄音機(jī)程序也可驅(qū)動(dòng)聲卡來(lái)采集語(yǔ)音信號(hào)，并能保存為WAV格式文件，供MATLAB相關(guān)函數(shù)直接讀取、寫(xiě)入或播放。本文以WAV格式音頻信號(hào)作為分析處理的輸入數(shù)據(jù)，用MATLAB處理音頻信號(hào)的基本流程是：先將WAV格式音頻信號(hào)經(jīng)wavread函數(shù)轉(zhuǎn)換MATLAB列數(shù)組變量；再用MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，如時(shí)域分析、頻域分析、數(shù)字濾波、信號(hào)合成、信號(hào)變換、識(shí)別和增強(qiáng)等等；處理后的數(shù)據(jù)如是音頻數(shù)據(jù)，則可用wavwrite轉(zhuǎn)換成WAV格式文件或用sound、wavplay

29、等函數(shù)直接回放。下圖為本次課程設(shè)計(jì)的語(yǔ)音合成流程圖：基于載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)合成過(guò)程圖： 獲取女生聲音信號(hào) 獲取男聲聲音信號(hào) 信號(hào)預(yù)處理 信號(hào)預(yù)處理 提取女聲音色 提取男聲包絡(luò) 獲取信號(hào)起始位置 獲取信號(hào)其實(shí)位置 語(yǔ)音合成 特性分析 (時(shí)域分析、頻域分析)：信號(hào)的獲取信號(hào)的獲取過(guò)程也即語(yǔ)音信號(hào)的采集過(guò)程，在MATLAB中直接調(diào)運(yùn)wavread函數(shù)進(jìn)行錄音，錄音前先設(shè)定采樣頻率和錄音時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)系統(tǒng)自帶聲卡對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采樣，得到離散的數(shù)字信號(hào)。：信號(hào)預(yù)處理 聲音信號(hào)是一種非平穩(wěn)信號(hào)，如果采用簡(jiǎn)單的時(shí)變系統(tǒng)的分析方法，將會(huì)產(chǎn)生很大的失真，但是在一小段時(shí)間內(nèi)聲音信號(hào)完全可以視為平穩(wěn)信號(hào)。因此必須對(duì)語(yǔ)音信號(hào)

30、做預(yù)處理。在本次語(yǔ)音信號(hào)合成中采用加窗截?cái)啵重懱幚韺⒎瞧椒€(wěn)信號(hào)近似轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)信號(hào)。：聲音信號(hào)特征量提取 聲音信號(hào)特征量提取包括女生聲音信號(hào)聲色（頻率）的提取和男生聲音信號(hào)包絡(luò)的提取。男生聲音信號(hào)包絡(luò)的提取采用希爾伯特黃變換實(shí)現(xiàn)，得到男生聲音信號(hào)的復(fù)數(shù)包絡(luò)。：獲取信號(hào)起始位置在錄音過(guò)程中控制兩段聲音從相同的起點(diǎn)開(kāi)始錄取并不是一件容易的事，但是如果不確定語(yǔ)音信號(hào)的起始位置直接對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行合成既存在數(shù)據(jù)量大又會(huì)帶來(lái)較大的誤差。本語(yǔ)音合成中擬定連續(xù)四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的語(yǔ)音信號(hào)強(qiáng)度不為0，則認(rèn)為語(yǔ)音信號(hào)開(kāi)始，也即找到信號(hào)起始位置。（5） ：語(yǔ)音信號(hào)合成 語(yǔ)音信號(hào)合成即是一個(gè)調(diào)幅載波的過(guò)程，是以女生信號(hào)作為載

31、波信號(hào)，男生信號(hào)包絡(luò)作為調(diào)幅信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音合成。實(shí)際的載波是一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜過(guò)程，本語(yǔ)音合成中采用女生信號(hào)點(diǎn)乘包絡(luò)信號(hào)，實(shí)際的載波是一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜過(guò)程，并非簡(jiǎn)單地乘積運(yùn)算，然而，得到的合成聲音信號(hào)效果并不理想，但其波形仍能反應(yīng)載波過(guò)程的實(shí)質(zhì)。（6） ：信號(hào)分析信號(hào)分析是一個(gè)理解和分析的綜合過(guò)程，理解是全面理解語(yǔ)音合成的過(guò)程，分析是通過(guò)觀察各種信號(hào)變換圖尋找結(jié)果。4：結(jié)果分析（1） 聲音信號(hào)采集 該處理過(guò)程以女生語(yǔ)音信號(hào)和男生聲音信號(hào)為分析樣本。在MATLAB中使用wavrecord錄音函數(shù)，采樣頻率FS為16000Hz，獲取語(yǔ)音信號(hào)。利用sound函數(shù),可清晰地聽(tīng)到女生聲音信號(hào)內(nèi)容和

32、男生聲音信號(hào)內(nèi)容，采集數(shù)據(jù)并畫(huà)出波形圖，女生和男生的時(shí)域波形圖如圖1所示，時(shí)域圖反映出語(yǔ)音信號(hào)的非平穩(wěn)性，各參數(shù)隨時(shí)間是變化的。 圖1：獲取聲音時(shí)域波形顯示（2） ：采樣信號(hào)頻域分析 對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)分別做快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，并將頻譜圖畫(huà)出來(lái)，觀察各自的頻譜特性。女生和男生的聲音信號(hào)幅頻特性如圖2，女生和男生的聲音FFT圖如圖3和圖4。該頻譜圖橫坐標(biāo)并未進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)系處理，但仍不失其頻譜特性的本質(zhì)，由頻譜圖可清楚地看到樣本聲音主要以低頻為主。人的語(yǔ)音信號(hào)頻率一般集中在1kHz之前，從聲音頻譜的包絡(luò)來(lái)看,根據(jù)采樣定理，信號(hào)寬度近似取為1kHz,，重放語(yǔ)音后仍可較清晰的聽(tīng)出原聲,不存在聲音

33、混疊現(xiàn)象。相頻特性在此作用不大，不進(jìn)行分析。 圖2：采樣信號(hào)幅頻特性顯示 圖3：女生信號(hào)傅里葉變換結(jié)果顯示 圖4：男生信號(hào)傅里葉變換結(jié)果顯示（3）：合成信號(hào)分析 男生信號(hào)包絡(luò)提取結(jié)果如圖5，該圖是男生信號(hào)經(jīng)希爾伯特黃變換的虛部顯示，因?yàn)橄柌攸S變換是一個(gè)時(shí)域信號(hào)與1/（t）的卷積，其結(jié)果是載波做調(diào)制信號(hào)之復(fù)數(shù)包絡(luò)，必然蘊(yùn)含虛部成分，取其虛部的結(jié)果必然與時(shí)域信號(hào)有著直觀上的差別，但仍是信號(hào)的包絡(luò)成分。合成信號(hào)的時(shí)域顯示結(jié)果如圖6所示，同圖1相比，該合成信號(hào)是以女生信號(hào)的特性和男聲信號(hào)的幅度變化的，由其FFT的結(jié)果更證實(shí)了這一點(diǎn)，其幅頻特性與女生信號(hào)的幅頻特性更接近。這也正是載波調(diào)制所想展現(xiàn)的本

34、質(zhì)。 圖5：調(diào)幅信號(hào)結(jié)果顯示 圖6：合成信號(hào)時(shí)域顯示 圖7：合成信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果顯示 圖8：合成信號(hào)的頻域顯示（4） ：語(yǔ)譜圖分析結(jié)果 語(yǔ)譜圖同傅里葉變換一樣，是從信號(hào)的另一面反應(yīng)信號(hào)的本質(zhì)特征，二維語(yǔ)譜圖是以條紋和灰度值來(lái)反映信號(hào)的本質(zhì)特征，相比于傅里葉的結(jié)果具有更為直觀的特點(diǎn)。語(yǔ)音信號(hào)是一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào)，只能在一小段時(shí)間（貞）內(nèi)可近似視做平穩(wěn)信號(hào)，傅里葉變換是在整個(gè)時(shí)間域進(jìn)行，并認(rèn)為語(yǔ)音信號(hào)在該段時(shí)間是平穩(wěn)的，語(yǔ)音系統(tǒng)被迫視作線性時(shí)不變系統(tǒng)，這必然帶來(lái)相當(dāng)大的失真，語(yǔ)譜圖是在貞內(nèi)處理，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。語(yǔ)音的發(fā)音過(guò)程中，聲道通常都是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，因此它的共振峰特性也是時(shí)變的。不過(guò)這

35、個(gè)時(shí)變過(guò)程比起振動(dòng)過(guò)程來(lái)說(shuō)要緩慢得多，因此一般可以假定它是短時(shí)平穩(wěn)的，每一時(shí)刻我們都可以用這時(shí)刻附近的一短段語(yǔ)音信號(hào)分析得到一種頻譜。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)連續(xù)地進(jìn)行頻譜分析就可以得到一種二維圖譜，其橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示頻率，而每像素的灰度值大小反映相應(yīng)時(shí)刻和相應(yīng)頻率的信號(hào)能量密度。由于音樂(lè)信號(hào)本身頻率豐富，不太容易看出規(guī)律，條紋的地方實(shí)際是顏色深的點(diǎn)聚集的地方，隨時(shí)間延續(xù)，就延長(zhǎng)成條紋，也就是表示語(yǔ)音中頻率值為該點(diǎn)橫坐標(biāo)值的能量較強(qiáng)，在整個(gè)語(yǔ)音中所占比重大，那么相應(yīng)影響人感知的效果要強(qiáng)烈得多。而一般語(yǔ)音中數(shù)據(jù)是周期性的，所以，能量強(qiáng)點(diǎn)的頻率分布是頻率周期的。女生載波信號(hào)語(yǔ)譜圖如圖9所示，男生載波信

36、號(hào)的語(yǔ)譜圖如圖10所示，合成聲音信號(hào)的語(yǔ)譜圖如圖11所示，比較可知，合成聲音信號(hào)的能量分配更集中與男生調(diào)幅信號(hào)的能量分布。 圖9：女生載波信號(hào)語(yǔ)譜圖 圖10：男生調(diào)幅信號(hào)語(yǔ)譜圖 圖11：合成聲音信號(hào)語(yǔ)譜圖顯7 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)MATLAB軟件操作環(huán)境有了進(jìn)一步的了解，學(xué)會(huì)了使用MATLAB分語(yǔ)音信號(hào)的頻譜，能夠基本運(yùn)用MATLAB命令編程一定的信號(hào)處理程序。加深了通信系統(tǒng)構(gòu)建的基本模型，理解了載波調(diào)制的全過(guò)程。對(duì)平穩(wěn)信號(hào)與非平穩(wěn)信號(hào)在本質(zhì)上有了一定理解，對(duì)平穩(wěn)信號(hào)與非平穩(wěn)信號(hào)的處理方法有了基本的處理模型。對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)各種濾波器特性有了一定了解，

37、能夠較為合理的選擇濾波器的參數(shù)。8.附錄參考文獻(xiàn)： ：韓紀(jì)慶、張磊、鄭鐵然.語(yǔ)音信號(hào)處理.清華大學(xué)出版社.2013年4月第2版.：韓紀(jì)慶、張磊、鄭鐵然.語(yǔ)音信號(hào)處理.清華大學(xué)出版社.2013年4月第2版.：韓紀(jì)慶、張磊、鄭鐵然.語(yǔ)音信號(hào)處理.清華大學(xué)出版社.2013年4月第2版. ：王衛(wèi)東.高頻電子電路.電子工業(yè)出版社.第2版.：王衛(wèi)東.高頻電子電路.電子工業(yè)出版社.第2版.：王衛(wèi)東.高頻電子電路.電子工業(yè)出版社.第2版.附：源程序代碼clc,close,clear all;%女生錄音預(yù)處理global fs;global y;fs=16000; %采樣頻率duration=2; %錄音時(shí)長(zhǎng)p

38、ause(0.05); y=wavrecord(duration*fs,fs); %采樣點(diǎn)數(shù) duration*fs wavwrite(y,fs,16,gir.wav); g=wavread(gir); sound(y,fs); %女生信號(hào)原音播放 %男生錄音預(yù)處理pause(0.5);b=wavrecord(duration*fs,fs); %采樣點(diǎn)數(shù) duration*fswavwrite(b,fs,16,boy.wav);r=wavread(boy);sound(b,fs); %男生信號(hào)原音播放 y1,fs,bits=wavread(gir); %讀取女生信號(hào)y2,fs,bits=wav

39、read(boy); %讀取男生信號(hào)L1=length(y1); %測(cè)定女生信號(hào)長(zhǎng)度L2=length(y2); %測(cè)定男生信號(hào)長(zhǎng)度a1=y1.*hamming(L1); %加窗預(yù)處理a2=y2.*hamming(L2); %加窗預(yù)處理L1=length(a1); %測(cè)定女生信號(hào)長(zhǎng)度L2=length(a2); %測(cè)定男生信號(hào)長(zhǎng)度%采樣信號(hào)的時(shí)域顯示figure(1);subplot(211);plot(a1);title(女生載波信號(hào)時(shí)域波形);subplot(212);plot(a2);title(男生調(diào)幅信號(hào)時(shí)域波形);%傅里葉頻譜繪制F1=fft(a1,L1); F2=fft(a2,L2);AF1=abs(F1);AF2=abs(F2);figure(2);subplot(211);plot(AF1);title(女生載波