Matlab在基音周期檢測(cè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱徐來(lái)

摘要：基音周期是《語(yǔ)音信號(hào)處理》中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，基音周期作為語(yǔ)音信號(hào)的重要參數(shù)，在語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成和語(yǔ)音識(shí)別等方面，有著非常重要的作用。本文采用Matlab對(duì)基因周期進(jìn)行仿真分析，從仿真圖上查看語(yǔ)音信號(hào)的基音周期，讓學(xué)生更形象的理解語(yǔ)音信號(hào)的基音周期。

關(guān)鍵詞：基音周期;語(yǔ)音編碼;語(yǔ)音合成;語(yǔ)音識(shí)別;仿真

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0188-02

1 概述

語(yǔ)音信號(hào)是通信工程專業(yè)的一門(mén)必修課，其中基音周期是一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于基音周期的檢測(cè)十分困難，處理復(fù)雜，且變化范圍較大，不同的人群，他們的基音周期差別相當(dāng)明顯。即使同一個(gè)人在不同環(huán)境下的基音周期也會(huì)有所不同，如何在教學(xué)中把語(yǔ)音信號(hào)的基音周期講解清楚，讓學(xué)生理解透徹，是該知識(shí)點(diǎn)講解的難點(diǎn)。本文采用Matlab對(duì)基音周期進(jìn)行仿真分析，從仿真圖中很直觀地看到基音周期，有利于把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

2 基音周期檢測(cè)的難點(diǎn)

2.1 基音周期沒(méi)有完全的周期性

語(yǔ)音信號(hào)是隨時(shí)間變化的信號(hào)，是非線性信號(hào)，在信號(hào)分析處理時(shí)進(jìn)行短時(shí)加窗，近似為線性信號(hào)進(jìn)行處理，而語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生采用二元激勵(lì)的方式，即清音和濁音。對(duì)于清音，沒(méi)有明顯的周期性;對(duì)于濁音，聲門(mén)激勵(lì)的波形并不是一個(gè)完全的周期序列，從而也就無(wú)法準(zhǔn)確地計(jì)算基音周期[1，3，7]。

2.2 聲道的影響

語(yǔ)音信號(hào)從聲帶部位產(chǎn)生到從口腔發(fā)出，經(jīng)過(guò)聲道的干擾，基音的周期性和共振峰的周期性會(huì)產(chǎn)生交疊現(xiàn)象，疊加后波形的峰值可能會(huì)與原來(lái)峰值相差較大，所以要從語(yǔ)音信號(hào)中去除聲道的影響。常見(jiàn)的方法有采用逆濾波器法[2]、同態(tài)分析法等。或者直接取出僅與聲帶振動(dòng)有關(guān)的聲源信息，在聲帶部位直接取出語(yǔ)音信號(hào)，這也并非易事。

2.3 端點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性

語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)非常困難，一段語(yǔ)音信號(hào)，哪些是無(wú)聲段，哪些是有聲段。在有聲段中，哪些是清音，哪些是濁音，它們的分界點(diǎn)很難準(zhǔn)確的判決，也就無(wú)法準(zhǔn)確地判定基音周期的開(kāi)始和結(jié)束位置[3]，所以一個(gè)完整的周期很難準(zhǔn)確的檢測(cè)。

3 基音周期檢測(cè)的方法

3.1 時(shí)域分析法

時(shí)域法主要包含短時(shí)自相關(guān)法（ACF）和短時(shí)平均幅度差法（AMDF） [6]。語(yǔ)音信號(hào)分析采用短時(shí)加窗處理，把非線性時(shí)變信號(hào)近似變成線性時(shí)不變信號(hào)，以利于分析處理。如若用符號(hào)T來(lái)表示 ，得到的便是一個(gè)時(shí)間序列Pn：

時(shí)域分析法的主要特點(diǎn)是運(yùn)算量小，但抗噪性能比較差，很容易產(chǎn)生倍頻和半頻現(xiàn)象，并且觀察基音周期不明顯。

3.2 頻域分析法

目前，用得比較多的頻域檢測(cè)法是倒譜法，下面就倒譜法進(jìn)行分析：

對(duì)于一個(gè)原始語(yǔ)音信號(hào)x（n），其倒譜函數(shù)可以定義為

上式（2）表示一個(gè)信號(hào)的倒譜函數(shù)，它可以通過(guò)對(duì)信號(hào)實(shí)施傅里葉變換，再進(jìn)行取模和取對(duì)數(shù)運(yùn)算，再進(jìn)行一個(gè)傅里葉逆變換，完成倒譜函數(shù)的計(jì)算。

倒譜法在提取基音周期中的應(yīng)用一般步驟如下：

（l）對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀處理（一般選擇漢明窗）;

（2） 對(duì)分幀后的各段信號(hào)做離散傅里葉變換，并取模;

（3） 對(duì)上述得到的信號(hào)進(jìn)行取對(duì)數(shù)處理;

（4） 經(jīng)過(guò)上面處理后，進(jìn)行離散逆傅里葉變換;

（5） 設(shè)置一個(gè)峰值幅度的閾值，幅值大于這個(gè)閾值，判定為濁音段，否則判定為清音段。倘若語(yǔ)音被判定為濁音信號(hào)，則以第二個(gè)沖激點(diǎn)的時(shí)間值作為基音周期。

4 Matlab在基音周期檢測(cè)中的應(yīng)用

語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，得到濁音信號(hào)的基音周期，然后利用Matlab進(jìn)行仿真分析，在基音周期仿真圖上可以看出語(yǔ)音信號(hào)的基音周期，為了更加清楚的分析出基音周期，可以調(diào)整采集的語(yǔ)音信號(hào)的幀數(shù)，已達(dá)到更加的效果。

4.1 仿真過(guò)程

語(yǔ)音信號(hào)采用電腦自帶的錄音功能，錄制一段語(yǔ)音，采樣率為8kH，窗序列采用300點(diǎn)的漢明窗，幀疊200點(diǎn)，選取幀數(shù)2000幀。具體步驟如下：

（1） 語(yǔ)音信號(hào){ x（n）} 用900Hz低通濾波器進(jìn)行濾波，去掉開(kāi)頭的15個(gè)輸出值，得到{ x'（n）}[7];

（2） { x'（n）}進(jìn)行削波處理，采用三電平中心削波，得到信號(hào){ y（n）};

（3） 信號(hào){ y（n）}求基音周期。

4.2 仿真結(jié)果

仿真環(huán)境，采用Microsoft Windows 7 版本2009，Service Pack 1，Intel（R） Core（TM）i5-3320M CPU @2.60GHz 2.60GHz，8GB的內(nèi)存。

圖1是時(shí)間波形，關(guān)于采樣點(diǎn)數(shù)和歸一化聲壓值。

從圖2中可以看出濁音信號(hào)波形的幀數(shù)為本次試驗(yàn)所設(shè)置的2000幀，經(jīng)過(guò)削波后修自相關(guān)可以大致可以看出基音周期，為了明顯看出基音周期，可以縮小所采集的幀數(shù)，把framelength=2000中的2000更換為200，則可以得到圖3：

如圖3可以很明顯地看出基音周期，基音周期為38幀左右。

從基音周期值的仿真圖上可以看出，經(jīng)過(guò)MATLAB仿真的基音周期圖形，可以清晰地觀察到語(yǔ)音信號(hào)的基音周期，對(duì)于學(xué)生而言，波形圖非常直觀，讓學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到語(yǔ)音信號(hào)分為清音和濁音，濁音有周期性的特點(diǎn)，在語(yǔ)音信號(hào)處理上能夠?qū)W以致用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)《語(yǔ)音信號(hào)處理》中基音周期這一教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并借助于Matlab仿真軟件對(duì)基音周期進(jìn)行仿真，觀察了不同幀數(shù)下的基音周期圖，說(shuō)明仿真圖在基音周期檢測(cè)中有著較為直觀的作用。

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【通聯(lián)編輯：王力】