matlab语音信 生成语谱图,基于MATLAB的语音信 采集和语谱图分析

刘博

摘要：该文在MATLA平台上设计了一个语音信 采集和语谱图分析系统，该系统通过计算机声卡和MATLAB数据采集工具实现了语音信 的实时采集，然后利用MATLAB的语音工具箱voicebox完成了对采集的语音信 进行了频谱分析-语谱图。

关键词：语音信 采集；MATLAB；语谱图

中图分类 ：TP311 文献标识码：A 文章编 ：1009-3044(2015)11-0177-02

Speech Signal Collection and Spectrum Analysis Based on MATLAB

LIU Bo

(Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450044， China)

Abstract： This paper presents a visualization system based on MATLAB speech signal collection and spectrum analysis. The system through a computer sound card and MATLAB data collection tool to achieve a real-time collection of the speech signal， and then using MATLAB voicebox completed the collection of speech signal spectrum analysis – spectrogram.

Key words： speech signal collection； MATLAB； spectrogram

语音信 数字处理是一门涉及面很广的交叉学科，它和语音学、语言学、数理统计以及神经生理学、数字信 处理等有密切的联系，语音信 是人类最有效、最常用和最便捷的交换信息方式，在信息化时代，在高度发达的信息 会中用现代手段研究语音信 ，使人们能够更加有效的方法对语音信 进行传送、存储、识别、合成、增强具有很强的实用意义。

语音信 的处理分析工作选用了MATLAB平台。MATLAB是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB的数据分析和处理功能非常强大，可以用它来对语音信 进行分析、处理。MATLAB 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，在编程效率、程序可读性、可移植性和可扩充性上，MATLAB远远优于其它的高级编程语言，而且编程易学、直观，代码容易符合人们的思维习惯，相比较其他编程语言，更加简洁直观，具有很大的优势。

1 语音信 采集系统的设计

语音信 的频谱分量主要集中在300Hz～3400Hz的范围内。在进行语音信 数字处理时，最先接触到并且也最直观的额是它的时域波形。为了获取一段语音信 的时域波形，首先用话筒将语音信 转换成电信 ，再用A/D转换把电信 转换成数字化采样信 存进计算机，随后再读取，并画出波形图。

计算机系统系统中自带的声卡可用于语音信 的采集，性能良好并且价格低廉，一般声卡都可以实现双通道、高保真、16位分辨精度，可以满足许多工程测量和科学实验。MATLAB自带的语音工具箱voicebox提供了一整套专门用于语音信 采集的命令和函数，可用来语音信 的采集。该部分主要使用了wavrecord该函数进行语音信 的录取，采样率设为44100Hz，笔者录制一句话的语音信 。

主要代码如下：

fs=44100； % 采样率

duration=2； % 采样时间为2秒

fprintf (‘按任意键后开始%g 秒采集：＼n’，duration)； pause %提示信息

fprintf(‘采集中……＼n’)； %提示信息

y=wavrecord(duration*fs， fs)； % 采集的数据点数是duration*fs个

fprintf(‘采集结束＼n’)；

nbits=16； % 每个数据点用16位二进制表示

wavwrite(y， fs， nbits， ‘test.wav’)； % 以test.wav为文件名

2 语音信 频谱分析-语谱图

2.1 语谱图的产生

根据短时分析的方法，我们认为10ms到30ms这样长度的语音信 是平稳信 ，可以对这一段信 做傅里叶变换，称作短时傅里叶变换。短时傅里叶变换的定义如下：

[Xn(ejω)=m=-∞∞x(m)n-m)e-jωm] (1)

其中[w(n)]是窗函数，[Xn(ejω)]既是[ω]的函数，也是[n]的函数。

令[ω=2πk/N，(0≤k≤N-1)]，则信 的短时傅里叶变换为：

[Xn(k)=Xn(e2πkj/N)=m=-∞∞x(m)n-m)e-2πkj/N] (2)

由功率谱函数(能量密度谱函数)的定义，短时功率谱和短时傅里叶变换有如下关系

[Sn(ejω)=Xn(ejω)(ejω)Xn(ejω)|2] (3)

不难证明，它是[x(n)]的短时自相关函数的傅里叶变换

[Sn(ejω)=k=-∞∞Rn(k)ejωk] (4)

其中

[Rn(k)=m=-∞∞x(m)n-m)m+k)n-m-k)] (5)

以时间[n]作为横坐标，[ω]作为纵坐标，由[Sn(ejω)]的值作为点[(x，ω)]处的灰度级，这样画出来的二维图像(其实是三维图像，第三维用灰度，即颜色深浅来表示了)被称作语谱图(Spectrogram)。

2.2 流程图及实现程序

利用MATLAB的语音工具箱voicebox完成了对采集的语音信 进行了频谱分析-语谱图，根据采集到的录音数据，将其读入到语谱图的显示程序中，流程图如图1所示。

图1 语谱图显示流程图

实验结果如图2所示，根据采集的语音信 ，对其进行分帧加窗并计算能量谱密度，记得到语音信 的语谱图，此图的水平方向是时间轴，垂直方向是频率轴，图中或深或浅的黑色条纹表示各个时刻的短时谱。其中与时间轴平行的几条深黑色条纹称为“横杠”，也就是所谓的共振峰，这些条纹越密集表示基因频率越高。另外在某一时刻条纹颜色的深浅表示了这一刻信 的强度，颜色越红表示强度越大，蓝色表示强度低。因此我们可以从语谱图中观察到语音信 的时域和频域的变化情况。

图2 实验结果

3 小结

参考文献：.

[1]蔡莲红.现代语音技术基础与应用[M].北京：清华大学出版 ，2003：30-31.

[2]李富强.基于MATLAB的语谱图显示与分析[J].微计算机信息，2005，21(10-3).

[3]题原.基于MATLAB 的语音信 采集和分析系统的可视化设计[J].齐齐哈尔大学学 ，2006，22(6).

[4]王正林.精通MATLAB[M]. 3版.北京： 电子工业出版 ，2013.

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