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    基于MATLAB的基音檢測分析

    2014-07-28 05:42:12駱?gòu)善G孫祥娥
    電腦知識與技術(shù) 2014年18期

    駱?gòu)善G++孫祥娥

    摘要:基音檢測作為語音信號處理的重要手段,被廣泛地應(yīng)用于語音的合成、編碼及識別等一系列語音信號處理技術(shù)問題?;魴z測的準確性對于要求極高的語音識別、合成、分析、壓縮編碼等等都有重要的意義。該文用自相關(guān)函數(shù)法、平均幅度差函數(shù)法和倒譜法這三種常用的基音檢測方法,運用MATLAB編程實現(xiàn),對語音信號的基音周期軌跡圖進行了比較分析,并由此得出和倒譜法進行語音信號基音的檢測更為精確。

    關(guān)鍵詞:基音檢測;MATLAB;自相關(guān)函數(shù)法;平均幅度差函數(shù)法;倒譜法

    中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)18-4293-03

    1 概述

    語音是人類相互之間進行信息交流的基本手段和重要載體,隨著現(xiàn)代通信科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,尤其是計算機的日趨普及,對語音信號的處理發(fā)揮著越來越重要的作用。漢語中的聲調(diào)對于語音的理解很重要,同時相同的漢語在不同的語氣或詞義下均有不同的聲調(diào)[1]。因此,基音檢測的準確性對于漢語語音信號的識別極為重要。

    根據(jù)聲帶的震動情況,我們一般將語音信號分為清音和濁音兩種[2]。清音和普通的白噪聲相似,尚未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性;而濁音就是俗稱的有聲語言,攜帶著語音的大部分能量,并且具有明顯的周期性。當人們在發(fā)出濁音的時候,氣流往往會通過聲門迫使聲帶產(chǎn)生規(guī)律性的震動,我們稱之為激勵脈沖串。通過聲帶震動產(chǎn)生的頻率被定義為:基音頻率,同樣地,就有了基音周期[3]。通常所指的基音檢測實際上就是一種對基音周期的估計,結(jié)果是希望能夠找出與聲帶的振動頻率相一致或較為吻合的軌跡曲線。

    語音信號的處理包括四大類,分別為:語音合成、語音識別、語音編碼以及語音識別 [2]。其中,準確提取語言信號參數(shù)對于整個的語音信號處理是至關(guān)重要的。只有當某些可以表示語音信號本質(zhì)特征的參數(shù)被準確地提出,這些參數(shù)才可以被利用進行有效的語音合成,語音識別以及語音的壓縮解碼處理,其中語音周期提取的準確性會直接影響到語音合成的真實性,因此在眾多參數(shù)中就會顯得尤為重要[4]。

    2 研究方法

    2.1 自相關(guān)函數(shù)法(ACF函數(shù)法)

    當采用ACF函數(shù)算法進行基音檢測時,主要是利用了短時自相關(guān)函數(shù)能夠取到最大值這一性質(zhì)。使用此方法時,可以利用一個窗函數(shù),使窗本身不動,而語音信號移動。窗口的長度[N]大于等于兩倍的基音周期,當[N]越大,函數(shù)波形的細節(jié)會顯示地越清晰,更加有利于基音的檢測,然而會有繁重的計算量。

    這一算法適用于在噪聲環(huán)境下基音的提取。通過上面的性質(zhì)可以知道,自相關(guān)函數(shù)都是在基音周期處出現(xiàn)峰值,并且標出出很強的規(guī)律性。在一般情況下,基波分量不是最強的分量,并且多變的諧波使得語音信號的波形變得較為復(fù)雜,對于基音檢測是一大難題,經(jīng)常發(fā)生的基頻估計結(jié)果往往是:二次倍頻或二次分頻的實際基音頻率。同時,還有一些清濁混雜的情況,使得基音檢測成為目前的一大難題。

    2.2 平均幅度差函數(shù)法(AMDF函數(shù)法

    得到語音信號基音周期的具體過程是:首先對語音信號的序列進行z變換,然后對其取模再取對數(shù),最后再進行逆z變換。根據(jù)語音信號的產(chǎn)生及瞬時平穩(wěn)的特性可以得知:聲道濾波器頻譜與聲源頻譜的乘積就得到了短時譜的語音信號。對于濁音信號而言,脈沖激勵源的周期性表現(xiàn)為快速變化的周期性細致結(jié)構(gòu)[8]。語音信號倒譜的取得是:首先對語音信號的短時譜取對數(shù),然后再進行反傅里葉變換,因此,濁音信號的倒譜會出現(xiàn)周期性的沖激,就可以從倒譜波形中提取出相對應(yīng)的基音周期。

    3 基于MATLAB基音檢測

    本文所采用的語音文件為:在windows附件中的錄音機功能錄制2-3秒 “啊”的四個音調(diào),采樣頻率為11.025KHz,位數(shù)為16位,聲道為單聲道。

    從已得到的語音信號中選取一段較理想的樣本,取樣點數(shù)應(yīng)為幀長的整數(shù)倍。對語音信號的采樣,通過軟件MATLAB對語音文件的計算得知其語音長度為2.5秒,若采樣頻率為11KHz,共計27500個采樣點。采樣模塊從采樣頻率為11KHz的語音信號中截取11000個樣點進行分析,取幀長為20ms,即每幀為220個樣點值,共分為50幀。運用matlab編寫程序得出以下結(jié)果:

    圖1是原始語音信號的波形,圖2是采樣信號的波形,從原始語音信號中截取11000個樣點進行分析.

    圖3是用ACF函數(shù)法得到的基音軌跡圖,這一算法適用于在噪聲環(huán)境下基音的提取。由圖中可知,信號在是在基音周期處出現(xiàn)峰值,并且標出出很強的規(guī)律性。

    圖4是用AMDF函數(shù)法得到的基因軌跡圖,平均幅度差函數(shù)法只需進行加減法和取絕對值等簡單的計算,算法簡單,運算量比自相關(guān)函數(shù)法大大減少,容易在計算機實現(xiàn)。

    圖5是運用倒譜法得到的基音檢測軌跡圖.倒譜法對于干凈語音信號的基音提取效果最好,但是存在加性噪聲時,效果就會有些許降低。倒譜在基音周期處出現(xiàn)峰值,相鄰相隔峰值之間的間隔可以確定為基音周期。兩峰值之間的間隔大概為50點左右,基音周期為

    4 結(jié)論

    本文討論了三種常用的基音周期檢測方法自相關(guān)函數(shù)法、平均幅度差函數(shù)法和倒譜法以及在MATLAB上的實現(xiàn)。AMF函數(shù)法適用于在一般的噪聲環(huán)境下,能夠取得較為理想的檢測結(jié)果,但往往在單獨使用時,經(jīng)常出現(xiàn)的結(jié)果是二次倍頻或分頻的實際基音頻率;AMDF函數(shù)法適合于在靜音環(huán)境或者是在噪聲較小時,能夠取得可以信服的結(jié)果,然而在信噪比較低或者是在語音環(huán)境比較惡劣時,檢測效果會比較大幅下降,難以得到讓人滿意的結(jié)果。倒譜法則是一個不論在安靜或者噪聲環(huán)境下更容易取得精確結(jié)果的方法。

    基音檢測一直是研究語音信號處理的一個重要課題,尤其是在漢語以及噪聲環(huán)境下的基音檢測這一廣闊的領(lǐng)域內(nèi),這些問題值得研究者在以后的學(xué)習(xí)中作進一步探討。

    參考文獻:

    [1] 易克初,田斌,付強.語音信號處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010:1-10.

    [2] 胡航.語音信號處理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社,2012.

    [3] 付青青,吳愛平.基于MATLAB的語音信號自相關(guān)基音檢測[J].長江大學(xué)學(xué)報:自科版,2006(4).

    [4] 張雄偉,陳亮,楊吉斌.現(xiàn)代語音處理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:9-11.

    [5] 馮康,時慧坤.語音信號基音檢測的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].微機發(fā)展,2010,14(3):95-98.

    [6] 趙力.語音信號處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

    [7] 王翠蘭,李萍.基于LPC預(yù)測殘差的倒譜基音檢測算法分析[J].南陽師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,3(9):26-29.

    [8] 楊順遼,李永全.數(shù)字信號處理實現(xiàn)與實驗[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.endprint

    摘要:基音檢測作為語音信號處理的重要手段,被廣泛地應(yīng)用于語音的合成、編碼及識別等一系列語音信號處理技術(shù)問題?;魴z測的準確性對于要求極高的語音識別、合成、分析、壓縮編碼等等都有重要的意義。該文用自相關(guān)函數(shù)法、平均幅度差函數(shù)法和倒譜法這三種常用的基音檢測方法,運用MATLAB編程實現(xiàn),對語音信號的基音周期軌跡圖進行了比較分析,并由此得出和倒譜法進行語音信號基音的檢測更為精確。

    關(guān)鍵詞:基音檢測;MATLAB;自相關(guān)函數(shù)法;平均幅度差函數(shù)法;倒譜法

    中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)18-4293-03

    1 概述

    語音是人類相互之間進行信息交流的基本手段和重要載體,隨著現(xiàn)代通信科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,尤其是計算機的日趨普及,對語音信號的處理發(fā)揮著越來越重要的作用。漢語中的聲調(diào)對于語音的理解很重要,同時相同的漢語在不同的語氣或詞義下均有不同的聲調(diào)[1]。因此,基音檢測的準確性對于漢語語音信號的識別極為重要。

    根據(jù)聲帶的震動情況,我們一般將語音信號分為清音和濁音兩種[2]。清音和普通的白噪聲相似,尚未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性;而濁音就是俗稱的有聲語言,攜帶著語音的大部分能量,并且具有明顯的周期性。當人們在發(fā)出濁音的時候,氣流往往會通過聲門迫使聲帶產(chǎn)生規(guī)律性的震動,我們稱之為激勵脈沖串。通過聲帶震動產(chǎn)生的頻率被定義為:基音頻率,同樣地,就有了基音周期[3]。通常所指的基音檢測實際上就是一種對基音周期的估計,結(jié)果是希望能夠找出與聲帶的振動頻率相一致或較為吻合的軌跡曲線。

    語音信號的處理包括四大類,分別為:語音合成、語音識別、語音編碼以及語音識別 [2]。其中,準確提取語言信號參數(shù)對于整個的語音信號處理是至關(guān)重要的。只有當某些可以表示語音信號本質(zhì)特征的參數(shù)被準確地提出,這些參數(shù)才可以被利用進行有效的語音合成,語音識別以及語音的壓縮解碼處理,其中語音周期提取的準確性會直接影響到語音合成的真實性,因此在眾多參數(shù)中就會顯得尤為重要[4]。

    2 研究方法

    2.1 自相關(guān)函數(shù)法(ACF函數(shù)法)

    當采用ACF函數(shù)算法進行基音檢測時,主要是利用了短時自相關(guān)函數(shù)能夠取到最大值這一性質(zhì)。使用此方法時,可以利用一個窗函數(shù),使窗本身不動,而語音信號移動。窗口的長度[N]大于等于兩倍的基音周期,當[N]越大,函數(shù)波形的細節(jié)會顯示地越清晰,更加有利于基音的檢測,然而會有繁重的計算量。

    這一算法適用于在噪聲環(huán)境下基音的提取。通過上面的性質(zhì)可以知道,自相關(guān)函數(shù)都是在基音周期處出現(xiàn)峰值,并且標出出很強的規(guī)律性。在一般情況下,基波分量不是最強的分量,并且多變的諧波使得語音信號的波形變得較為復(fù)雜,對于基音檢測是一大難題,經(jīng)常發(fā)生的基頻估計結(jié)果往往是:二次倍頻或二次分頻的實際基音頻率。同時,還有一些清濁混雜的情況,使得基音檢測成為目前的一大難題。

    2.2 平均幅度差函數(shù)法(AMDF函數(shù)法

    得到語音信號基音周期的具體過程是:首先對語音信號的序列進行z變換,然后對其取模再取對數(shù),最后再進行逆z變換。根據(jù)語音信號的產(chǎn)生及瞬時平穩(wěn)的特性可以得知:聲道濾波器頻譜與聲源頻譜的乘積就得到了短時譜的語音信號。對于濁音信號而言,脈沖激勵源的周期性表現(xiàn)為快速變化的周期性細致結(jié)構(gòu)[8]。語音信號倒譜的取得是:首先對語音信號的短時譜取對數(shù),然后再進行反傅里葉變換,因此,濁音信號的倒譜會出現(xiàn)周期性的沖激,就可以從倒譜波形中提取出相對應(yīng)的基音周期。

    3 基于MATLAB基音檢測

    本文所采用的語音文件為:在windows附件中的錄音機功能錄制2-3秒 “啊”的四個音調(diào),采樣頻率為11.025KHz,位數(shù)為16位,聲道為單聲道。

    從已得到的語音信號中選取一段較理想的樣本,取樣點數(shù)應(yīng)為幀長的整數(shù)倍。對語音信號的采樣,通過軟件MATLAB對語音文件的計算得知其語音長度為2.5秒,若采樣頻率為11KHz,共計27500個采樣點。采樣模塊從采樣頻率為11KHz的語音信號中截取11000個樣點進行分析,取幀長為20ms,即每幀為220個樣點值,共分為50幀。運用matlab編寫程序得出以下結(jié)果:

    圖1是原始語音信號的波形,圖2是采樣信號的波形,從原始語音信號中截取11000個樣點進行分析.

    圖3是用ACF函數(shù)法得到的基音軌跡圖,這一算法適用于在噪聲環(huán)境下基音的提取。由圖中可知,信號在是在基音周期處出現(xiàn)峰值,并且標出出很強的規(guī)律性。

    圖4是用AMDF函數(shù)法得到的基因軌跡圖,平均幅度差函數(shù)法只需進行加減法和取絕對值等簡單的計算,算法簡單,運算量比自相關(guān)函數(shù)法大大減少,容易在計算機實現(xiàn)。

    圖5是運用倒譜法得到的基音檢測軌跡圖.倒譜法對于干凈語音信號的基音提取效果最好,但是存在加性噪聲時,效果就會有些許降低。倒譜在基音周期處出現(xiàn)峰值,相鄰相隔峰值之間的間隔可以確定為基音周期。兩峰值之間的間隔大概為50點左右,基音周期為

    4 結(jié)論

    本文討論了三種常用的基音周期檢測方法自相關(guān)函數(shù)法、平均幅度差函數(shù)法和倒譜法以及在MATLAB上的實現(xiàn)。AMF函數(shù)法適用于在一般的噪聲環(huán)境下,能夠取得較為理想的檢測結(jié)果,但往往在單獨使用時,經(jīng)常出現(xiàn)的結(jié)果是二次倍頻或分頻的實際基音頻率;AMDF函數(shù)法適合于在靜音環(huán)境或者是在噪聲較小時,能夠取得可以信服的結(jié)果,然而在信噪比較低或者是在語音環(huán)境比較惡劣時,檢測效果會比較大幅下降,難以得到讓人滿意的結(jié)果。倒譜法則是一個不論在安靜或者噪聲環(huán)境下更容易取得精確結(jié)果的方法。

    基音檢測一直是研究語音信號處理的一個重要課題,尤其是在漢語以及噪聲環(huán)境下的基音檢測這一廣闊的領(lǐng)域內(nèi),這些問題值得研究者在以后的學(xué)習(xí)中作進一步探討。

    參考文獻:

    [1] 易克初,田斌,付強.語音信號處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010:1-10.

    [2] 胡航.語音信號處理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社,2012.

    [3] 付青青,吳愛平.基于MATLAB的語音信號自相關(guān)基音檢測[J].長江大學(xué)學(xué)報:自科版,2006(4).

    [4] 張雄偉,陳亮,楊吉斌.現(xiàn)代語音處理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:9-11.

    [5] 馮康,時慧坤.語音信號基音檢測的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].微機發(fā)展,2010,14(3):95-98.

    [6] 趙力.語音信號處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

    [7] 王翠蘭,李萍.基于LPC預(yù)測殘差的倒譜基音檢測算法分析[J].南陽師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,3(9):26-29.

    [8] 楊順遼,李永全.數(shù)字信號處理實現(xiàn)與實驗[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.endprint

    摘要:基音檢測作為語音信號處理的重要手段,被廣泛地應(yīng)用于語音的合成、編碼及識別等一系列語音信號處理技術(shù)問題?;魴z測的準確性對于要求極高的語音識別、合成、分析、壓縮編碼等等都有重要的意義。該文用自相關(guān)函數(shù)法、平均幅度差函數(shù)法和倒譜法這三種常用的基音檢測方法,運用MATLAB編程實現(xiàn),對語音信號的基音周期軌跡圖進行了比較分析,并由此得出和倒譜法進行語音信號基音的檢測更為精確。

    關(guān)鍵詞:基音檢測;MATLAB;自相關(guān)函數(shù)法;平均幅度差函數(shù)法;倒譜法

    中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)18-4293-03

    1 概述

    語音是人類相互之間進行信息交流的基本手段和重要載體,隨著現(xiàn)代通信科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,尤其是計算機的日趨普及,對語音信號的處理發(fā)揮著越來越重要的作用。漢語中的聲調(diào)對于語音的理解很重要,同時相同的漢語在不同的語氣或詞義下均有不同的聲調(diào)[1]。因此,基音檢測的準確性對于漢語語音信號的識別極為重要。

    根據(jù)聲帶的震動情況,我們一般將語音信號分為清音和濁音兩種[2]。清音和普通的白噪聲相似,尚未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性;而濁音就是俗稱的有聲語言,攜帶著語音的大部分能量,并且具有明顯的周期性。當人們在發(fā)出濁音的時候,氣流往往會通過聲門迫使聲帶產(chǎn)生規(guī)律性的震動,我們稱之為激勵脈沖串。通過聲帶震動產(chǎn)生的頻率被定義為:基音頻率,同樣地,就有了基音周期[3]。通常所指的基音檢測實際上就是一種對基音周期的估計,結(jié)果是希望能夠找出與聲帶的振動頻率相一致或較為吻合的軌跡曲線。

    語音信號的處理包括四大類,分別為:語音合成、語音識別、語音編碼以及語音識別 [2]。其中,準確提取語言信號參數(shù)對于整個的語音信號處理是至關(guān)重要的。只有當某些可以表示語音信號本質(zhì)特征的參數(shù)被準確地提出,這些參數(shù)才可以被利用進行有效的語音合成,語音識別以及語音的壓縮解碼處理,其中語音周期提取的準確性會直接影響到語音合成的真實性,因此在眾多參數(shù)中就會顯得尤為重要[4]。

    2 研究方法

    2.1 自相關(guān)函數(shù)法(ACF函數(shù)法)

    當采用ACF函數(shù)算法進行基音檢測時,主要是利用了短時自相關(guān)函數(shù)能夠取到最大值這一性質(zhì)。使用此方法時,可以利用一個窗函數(shù),使窗本身不動,而語音信號移動。窗口的長度[N]大于等于兩倍的基音周期,當[N]越大,函數(shù)波形的細節(jié)會顯示地越清晰,更加有利于基音的檢測,然而會有繁重的計算量。

    這一算法適用于在噪聲環(huán)境下基音的提取。通過上面的性質(zhì)可以知道,自相關(guān)函數(shù)都是在基音周期處出現(xiàn)峰值,并且標出出很強的規(guī)律性。在一般情況下,基波分量不是最強的分量,并且多變的諧波使得語音信號的波形變得較為復(fù)雜,對于基音檢測是一大難題,經(jīng)常發(fā)生的基頻估計結(jié)果往往是:二次倍頻或二次分頻的實際基音頻率。同時,還有一些清濁混雜的情況,使得基音檢測成為目前的一大難題。

    2.2 平均幅度差函數(shù)法(AMDF函數(shù)法

    得到語音信號基音周期的具體過程是:首先對語音信號的序列進行z變換,然后對其取模再取對數(shù),最后再進行逆z變換。根據(jù)語音信號的產(chǎn)生及瞬時平穩(wěn)的特性可以得知:聲道濾波器頻譜與聲源頻譜的乘積就得到了短時譜的語音信號。對于濁音信號而言,脈沖激勵源的周期性表現(xiàn)為快速變化的周期性細致結(jié)構(gòu)[8]。語音信號倒譜的取得是:首先對語音信號的短時譜取對數(shù),然后再進行反傅里葉變換,因此,濁音信號的倒譜會出現(xiàn)周期性的沖激,就可以從倒譜波形中提取出相對應(yīng)的基音周期。

    3 基于MATLAB基音檢測

    本文所采用的語音文件為:在windows附件中的錄音機功能錄制2-3秒 “啊”的四個音調(diào),采樣頻率為11.025KHz,位數(shù)為16位,聲道為單聲道。

    從已得到的語音信號中選取一段較理想的樣本,取樣點數(shù)應(yīng)為幀長的整數(shù)倍。對語音信號的采樣,通過軟件MATLAB對語音文件的計算得知其語音長度為2.5秒,若采樣頻率為11KHz,共計27500個采樣點。采樣模塊從采樣頻率為11KHz的語音信號中截取11000個樣點進行分析,取幀長為20ms,即每幀為220個樣點值,共分為50幀。運用matlab編寫程序得出以下結(jié)果:

    圖1是原始語音信號的波形,圖2是采樣信號的波形,從原始語音信號中截取11000個樣點進行分析.

    圖3是用ACF函數(shù)法得到的基音軌跡圖,這一算法適用于在噪聲環(huán)境下基音的提取。由圖中可知,信號在是在基音周期處出現(xiàn)峰值,并且標出出很強的規(guī)律性。

    圖4是用AMDF函數(shù)法得到的基因軌跡圖,平均幅度差函數(shù)法只需進行加減法和取絕對值等簡單的計算,算法簡單,運算量比自相關(guān)函數(shù)法大大減少,容易在計算機實現(xiàn)。

    圖5是運用倒譜法得到的基音檢測軌跡圖.倒譜法對于干凈語音信號的基音提取效果最好,但是存在加性噪聲時,效果就會有些許降低。倒譜在基音周期處出現(xiàn)峰值,相鄰相隔峰值之間的間隔可以確定為基音周期。兩峰值之間的間隔大概為50點左右,基音周期為

    4 結(jié)論

    本文討論了三種常用的基音周期檢測方法自相關(guān)函數(shù)法、平均幅度差函數(shù)法和倒譜法以及在MATLAB上的實現(xiàn)。AMF函數(shù)法適用于在一般的噪聲環(huán)境下,能夠取得較為理想的檢測結(jié)果,但往往在單獨使用時,經(jīng)常出現(xiàn)的結(jié)果是二次倍頻或分頻的實際基音頻率;AMDF函數(shù)法適合于在靜音環(huán)境或者是在噪聲較小時,能夠取得可以信服的結(jié)果,然而在信噪比較低或者是在語音環(huán)境比較惡劣時,檢測效果會比較大幅下降,難以得到讓人滿意的結(jié)果。倒譜法則是一個不論在安靜或者噪聲環(huán)境下更容易取得精確結(jié)果的方法。

    基音檢測一直是研究語音信號處理的一個重要課題,尤其是在漢語以及噪聲環(huán)境下的基音檢測這一廣闊的領(lǐng)域內(nèi),這些問題值得研究者在以后的學(xué)習(xí)中作進一步探討。

    參考文獻:

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