基于MATLAB的语音信号时域特征分析报告文档格式.docx
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我们将每个短时的语音称为一个分析帧。
一般帧长取10~30ms。
我们采用一个长度有限的窗函数来截取语音信号形成分析帧。
通常会采用矩形窗和汉明窗。
图1.1给出了这两种窗函数在帧长N=50时的时域波形。
图1.1矩形窗和Hamming窗的时域波形
矩形窗的定义：
一个N点的矩形窗函数定义为如下
hamming窗的定义：
一个N点的hamming窗函数定义为如下
这两种窗函数都有低通特性，通过分析这两种窗的频率响应幅度特性可以发现（如图1.2）：
矩形窗的主瓣宽度小（4*pi/N），具有较高的频率分辨率，旁瓣峰值大（-13.3dB），会导致泄漏现象；
汉明窗的主瓣宽8*pi/N，旁瓣峰值低（-42.7dB），可以有效的克服泄漏现象，具有更平滑的低通特性。
因此在语音频谱分析时常使用汉明窗，在计算短时能量和平均幅度时通常用矩形窗。
表1.1对比了这两种窗函数的主瓣宽度和旁瓣峰值。
图1.2矩形窗和Hamming窗的频率响应
表1.1矩形窗和hamming窗的主瓣宽度和旁瓣峰值
窗函数
主瓣宽度
旁瓣峰值
矩形窗
4*pi/N
13.3dB
hamming
8*pi/N
42.7dB
2.短时能量
由于语音信号的能量随时间变化，清音和浊音之间的能量差别相当显著。
因此对语音的短时能量进行分析，可以描述语音的这种特征变化情况。
定义短时能量为：
，其中N为窗长
特殊地，当采用矩形窗时，可简化为：
图1.3和图1.4给出了不同矩形窗和hamming窗长的短时能量函数，我们发现：
在用短时能量反映语音信号的幅度变化时，不同的窗函数以及相应窗的长短均有影响。
hamming窗的效果比矩形窗略好。
但是，窗的长短影响起决定性作用。
窗过大（N很大），等效于很窄的低通滤波器，不能反映幅度En的变化；
窗过小（N很小），短时能量随时间急剧变化，不能得到平滑的能量函数。
在11.025kHz左右的采样频率下，N选为100~200比较合适。
短时能量函数的应用:
1）可用于区分清音段与浊音段。
En值大对应于浊音段，En值小对应于清音段。
2）可用于区分浊音变为清音或清音变为浊音的时间（根据En值的变化趋势）。
3）对高信噪比的语音信号，也可以用来区分有无语音（语音信号的开始点或终止点）。
无信号（或仅有噪声能量）时，En值很小，有语音信号时，能量显著增大。
图1.3不同矩形窗长的短时能量函数图1.4不同hamming窗长的短时能量函数
3．短时平均过零率
过零率可以反映信号的频谱特性。
当离散时间信号相邻两个样点的正负号相异时，我们称之为“过零”，即此时信号的时间波形穿过了零电平的横轴。
统计单位时间内样点值改变符号的次数具可以得到平均过零率。
定义短时平均过零率：
其中为符号函数，，在矩形窗条件下，可以简化为
短时过零率可以粗略估计语音的频谱特性。
由语音的产生模型可知，发浊音时，声带振动，尽管声道有多个共振峰，但由于声门波引起了频谱的高频衰落，因此浊音能量集中于3KZ以下。
而清音由于声带不振动，声道的某些部位阻塞气流产生类白噪声，多数能量集中在较高频率上。
高频率对应着高过零率，低频率对应着低过零率，那么过零率与语音的清浊音就存在着对应关系。
.
图1.5为某一语音在矩形窗条件下求得的短时能量和短时平均过零率。
分析可知：
清音的短时能量较低，过零率高，浊音的短时能量较高，过零率低。
清音的过零率为0.5左右，浊音的过零率为0.1左右，两但者分布之间有相互交叠的区域，所以单纯依赖于平均过零率来准确判断清浊音是不可能的，在实际应用中往往是采用语音的多个特征参数进行综合判决。
短时平均过零率的应用：
1）区别清音和浊音。
例如，清音的过零率高，浊音的过零率低。
此外，清音和浊音的两种过零分布都与高斯分布曲线比较吻合。
2）从背景噪声中找出语音信号。
语音处理领域中的一个基本问题是，如何将一串连续的语音信号进行适当的分割，以确定每个单词语音的信号，亦即找出每个单词的开始和终止位置。
3）在孤立词的语音识别中，可利用能量和过零作为有话无话的鉴别。
图1.5矩形窗条件下的短时平均过零率
4、短时自相关函数
自相关函数用于衡量信号自身时间波形的相似性。
清音和浊音的发声机理不同，因而在波形上也存在着较大的差异。
浊音的时间波形呈现出一定的周期性，波形之间相似性较好；
清音的时间波形呈现出随机噪声的特性，样点间的相似性较差。
因此，我们用短时自相关函数来测定语音的相似特性。
短时自相关函数定义为：
令，并且，可以得到：
图6给出了清音的短时自相关函数波形，图7给出了不同矩形窗长条件下（窗长分别为N=70，N=140，N=210，N=280）浊音的短时自相关函数波形。
由图1.6、图1.7短时自相关函数波形分析可知：
清音接近于随机噪声，清音的短时自相关函数不具有周期性，也没有明显突起的峰值，且随着延时k的增大迅速减小；
浊音是周期信号，浊音的短时自相关函数呈现明显的周期性，自相关函数的周期就是浊音信号的周期，根据这个性质可以判断一个语音信号是清音还是浊音，还可以判断浊音的基音周期。
浊音语音的周期可用自相关函数中第一个峰值的位置来估算。
所以在语音信号处理中，自相关函数常用来作以下两种语音信号特征的估计：
1）区分语音是清音还是浊音；
2）估计浊音语音信号的基音周期。
图1.6清音的短时自相关函数
图1.7不同矩形窗长条件下的浊音的短时自相关函数
5、时域分析方法的应用
1）基音频率的估计
首先可利用时域分析（短时能量、短时过零率、短时自相关）方法的某一个特征或某几个特征的结合，判定某一语音有效的清音和浊音段；
其次，针对浊音段，可直接利用短时自相关函数估计基音频率，其方法是：
估算浊音段第一最大峰的位置，再利用抽样率计算基音频率，举例来说，若某一语音浊音段的第一最大峰值约为35个抽样点，设抽样频率为11.025KHZ，则基音频率为11025/35=315HZ。
但是，实际上第一最大峰值位置有时并不一定与基音周期吻合。
一方面与窗长有关，另一方面还与声道特性有关。
鉴于此，可采用三电平削波法先进行预处理。
2）语音端点的检测与估计
可利用时域分析（短时能量、短时过零率、短时自相关）方法的某一个特征或某几个特征的结合，判定某一语音信号的端点，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。
6.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：
（2.1）
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
（2.2）
于是可以得到
（2.3）
假定
（4）
则可以得到
（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：
（6）
7.语谱图
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。
8.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:
（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
（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：
（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：
（10）
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。
9.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。
首先计算语音的倒谱，然后在可能出现的基因周期附近寻找峰值。
如果倒谱峰值超过了预先设置的门限，则输入语音判断为浊音，其峰值位置就是基因周期的估计值；
反之，如果没有超出门限的峰值的话，则输入语音为清音。
10.共振峰估计
对倒谱进行滤波，取出低时间部分进行进行逆特征系统处理，可以得到一个平滑的对数谱函数，这个对数谱函数显示了输入语音段的共振峰结构，同时谱的峰值对应于共振峰频率。
通过此对数谱进行峰值检测，就可以估计出前几个共振峰的频率和强度。
对于浊音的声道特性，可以采用前三个共振峰来描述；
清音不具备共振峰特点。
实验步骤及结果：
打开Cooleditpro
开始录音
1）短时能量
（1）加矩形窗
a=wavread（'
C:
\Users\k01\WEI.wav'
）;
subplot（6,1,1）,plot（a）;
N=32;
fori=2:
6
h=linspace（1,1,2.^（i-2）*N）;
En=conv（h,a.*a）;
subplot（6,1,i）,plot（En）;
if（i==2）legend（'
N=32'
elseif（i==3）legend（'
N=64'
elseif（i==4）legend（'
N=128'
elseif（i==5）legend（'
N=256'
elseif（i==6）legend（'
N=512'
end
（2）加汉明窗
a=wavread（'
h=hanning（2.^（i-2）*N）;
%形成一个
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