倒譜計(jì)算與分析

1、視頻語(yǔ)音處理技術(shù)倒譜計(jì)算與分析學(xué)院名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)年級(jí)班級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告專(zhuān)業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)年級(jí)/班級(jí)：2011級(jí) 2012 2013學(xué)年第一學(xué)期課程名稱(chēng)視頻語(yǔ)音處理技術(shù)指導(dǎo)教師張新明本組成員學(xué)號(hào)姓名1108114153 王彥秋實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)計(jì)科樓324實(shí)驗(yàn)時(shí)間項(xiàng)目名稱(chēng)倒譜計(jì)算與分析實(shí)驗(yàn)類(lèi)型設(shè)計(jì)性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行同態(tài)分析可得到語(yǔ)音信號(hào)的倒譜參數(shù)。語(yǔ)音的倒譜是將語(yǔ)音的短 時(shí)譜取對(duì)數(shù)后再進(jìn)行IDFT得到的，所以濁音信號(hào)的激勵(lì)反映在倒譜上是同樣周期的沖 激，借此，可從倒譜波形中估計(jì)

2、出基音周期。對(duì)倒譜進(jìn)行低時(shí)窗選，通過(guò)語(yǔ)音倒譜分析 的最后一級(jí)，進(jìn)行DFT后的輸出即為平滑后的對(duì)數(shù)模函數(shù)，這個(gè)平滑的對(duì)數(shù)譜顯示了特 定輸入語(yǔ)音段的諧振結(jié)構(gòu)，即譜的峰值基本上對(duì)應(yīng)于共振峰頻率，對(duì)于平滑過(guò)的對(duì)數(shù)譜 中的峰值進(jìn)行定位，即可估計(jì)共振峰。對(duì)于倒譜計(jì)算與分析的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可作如下訓(xùn)練：1、復(fù)倒譜的幾種計(jì)算方法：2、最小相位信號(hào)法和遞歸法；3、基音檢測(cè)；4、共振峰檢測(cè)。二、實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備：windowsXPT的Matlab編程環(huán)境三、總體設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案及流程等)1. 復(fù)倒譜的幾種計(jì)算方法：在復(fù)倒譜分析中，z變換后得到的是復(fù)數(shù)，所以取對(duì)數(shù)時(shí)要進(jìn)行復(fù)對(duì)數(shù)運(yùn)算。這時(shí) 存在相位的多值性問(wèn)題，稱(chēng)為

3、“相位卷繞” 。設(shè)信號(hào)為 x(n) = x(n) X2(n)則其傅里葉變換為X(ej') =X(ej'')火20')對(duì)上式取復(fù)對(duì)數(shù)為lnX(ej') =lnX1(ej') TnX2(ej')則其幅度和相位分別為：ln X(ej°)| =ln Xi (ej°)| +ln X2(ej。)(廣")C')")=iCJ ：2C)上式中，雖然 切)，")的范圍均在(兀，兀)內(nèi)，但 吼切)的值可能超過(guò)(兀，兀)范圍。計(jì)算機(jī)處理時(shí)總相位值只能用其主值中®)表示，然后把這個(gè)相位主值“展開(kāi)”

4、，得到連續(xù)相位。所以存在下面的情況：中(切)=(缶)+2kn (K為整數(shù))此時(shí)即產(chǎn)生了相位卷繞。下面介紹幾種避免相位卷繞求復(fù)倒譜的方法。最小相位信號(hào)法這是解決相位卷繞的一種較好的方法。但它有一個(gè)限制條件：被處理的信號(hào)想x(n)必須是最小相位信號(hào)。實(shí)際上許多信號(hào)就是最小相位信號(hào)，或可以看作是最小相位信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)的模型就是極點(diǎn)都在z平面單位圓內(nèi)的全極點(diǎn)模型，或者極零點(diǎn)都在 z平面單位圓內(nèi)的極零點(diǎn)模型。設(shè)信號(hào)x(n)的z變換為X(z)=N (z)/ Dz),則有Xz) =ln X(z) =lnN(z)D(z)河南師范大學(xué)"弓g喊徭麒根據(jù)z變換的微分特性有oO二 nX(n)zn :d g、

5、d . N(z)=-zX(z) = -z In dzdz D(z)D(z)N (z) - N(z)D (z) 1 -zN(z)D(z)若x( n)是最小相位信號(hào)，貝UX(功然是穩(wěn)定的因果序列。由Hilbert變換的性質(zhì)可知，任一因果復(fù)倒譜序列都可分解為偶對(duì)稱(chēng)分量和奇對(duì)稱(chēng)分量之和 :x(n) = xe(n) xo(n)其中xe(n)-頃n) x(n)】/2xo(n)-郊)-x-n) 1/2這兩個(gè)分量的傅里葉變換分別為?(翰傅里葉變換的實(shí)部和虛部。Xej ) =、x：n)ejn =X?R(ej') jR(ej ) n =-：從而可得0n 0x(n) = * xe(n)n = 0?xe(n)

6、n>0此即復(fù)倒譜的性質(zhì)3,"就是說(shuō)一個(gè)因果序列可由其偶對(duì)稱(chēng)分量來(lái)恢復(fù)。如果引入一個(gè)輔助因子g(n),上式可寫(xiě)作其中0g(n)= 1n : 0n=0n 0最小相位信號(hào)法求復(fù)倒譜原理框圖如下遞歸法這種方法僅限于是最小相位信號(hào)的情況。根據(jù) z變換的微分特性得dd-zX(z)-X(z-z-X(z)dzdz對(duì)上式求逆z變換，根據(jù)z變換的微分特性，有n 父(n)" x(n) = n x(n)所以oOx(n) : M k = 一二k I-XWx(n k)<n )設(shè)x( n)是最小相位序列，而最小相位信號(hào)序列一定為因果序列，所以有n knx(n) = ' ( )x(k)

7、x(n - k) = M k=0 nk=0 5(k)x(n -k) 5?(n)x(0)由于 5?(k) =0(k <0)及x(n-k) = 0(k a n) 可得遞推公式x(n)x(n)x(0)n-Zk=0遞歸運(yùn)算后由復(fù)倒譜定義x(n) = z%n zk(n) 0= zr oo、，ln £ x(n)z卜l.nooJ可知 x(0) = z ' In zx(0) " - In x(0)、(n) = In x(0)如果x(n)是最大相位序列，則變?yōu)?n 0g(n) = <1n =02 n <0x(0)0-z2 其中 5?(0)=lnx(0)2、基音檢測(cè)；

8、語(yǔ)音的倒譜是將語(yǔ)音的短時(shí)譜取對(duì)數(shù)后再進(jìn)行IDFT得到的，所以濁音信號(hào)的周期性激勵(lì)反映在倒譜上是同樣周期的沖激。借此，可從倒譜波形中估計(jì)出基音周期。一般 把倒譜波形中第二個(gè)沖激，認(rèn)為是對(duì)應(yīng)激勵(lì)源的基頻。下面給出一種倒譜法求基音周期 的框圖及流程圖如下w(n)s(n)* DFT f ln|S(k)| f IDFT卜 峰值檢測(cè) f 基音檢測(cè)河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院圖5.8 一種倒譜法求基音周期的實(shí)現(xiàn)框圖圖5.9 一種倒譜法求基音周期的流程圖3. 共振峰檢測(cè)倒譜將基音諧波和聲道的頻譜包絡(luò)分離開(kāi)來(lái)。對(duì)倒譜進(jìn)行低時(shí)窗選，通過(guò)語(yǔ)音倒譜分析系統(tǒng)的最后一級(jí)，進(jìn)行 DFT后的輸出即為平滑后的對(duì)數(shù)模函數(shù)，這

9、個(gè)平滑的對(duì)數(shù) 譜顯示了特定輸入語(yǔ)音段的諧振結(jié)構(gòu)， 即譜的峰值基本上對(duì)應(yīng)于共振蜂頻率，對(duì)平滑過(guò) 的對(duì)數(shù)譜中的峰值進(jìn)行定位，即可估計(jì)共振峰。原理框圖及流程圖如下。|fft|*log*IFFT加窗*|fft|log平滑處理T共振雌分幀加窗圖5.12共振峰檢測(cè)框圖圖5.13共振峰檢測(cè)流程圖四、實(shí)驗(yàn)步驟(包括主要步驟、 1.倒譜MATLAB；現(xiàn)代碼段 clear all; % 倒譜 s,fs,nbit=wavread('beijing.wav');代碼分析等)b=s'%x=b(5000:5399);%N=length(x);%S=fft(x);%Sa=log(abs(S);%lo

10、gsa=ifft(Sa);%讀入一段語(yǔ)音將s轉(zhuǎn)置取400點(diǎn)語(yǔ)音讀入語(yǔ)音的長(zhǎng)度對(duì)x進(jìn)行傅里葉變換為以e為底的對(duì)數(shù)對(duì)Sa進(jìn)行傅里葉逆變換ylen=length(sa);for i=1:ylen/2;sal(i)=sa(ylen/2+1-i);endfor i=(ylen/2+1):ylen;sal(i)=sa(i+1-ylen /2);end蜓圖figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);%axis(0,400,-0.5,0.5)title('截取的語(yǔ)音段');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('幅度');subplot

11、(2,1,2);time2=-199:1:-1,0:1:200;plot(time2,sa1);%axis(-200,200,-0.5,0.5)title('截取語(yǔ)音的倒譜');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('幅度');運(yùn)行結(jié)果如圖：幀長(zhǎng)起始序號(hào)結(jié)束序號(hào)取出該幀2.倒譜法求濁音、清音的基音周期function s=p5_2pitchdetect waveFile='beijing.wav'y,fs,nbits=wavread(waveFile);time1=1:length(y);time=(1:length(y)/f

12、s;frameSize=floor(50*fs/1000);%startIndex=round(5000);%endIndex=startIndex+frameSize-1; % frame=y(startIndex:endIndex);%frameSize=length(frame);加漢明窗 求倒譜基因周期的范圍是70500Hzframe2=frame.*hamming(length(frame); %rwy=rceps(frame2);%ylen=length(rwy);cepstrum=rwy(1:ylen/2);for i=1:ylen/2;cepstrum1(i)=rwy(ylen

13、/2+1-i);endfor i=(ylen/2+1):ylen;cepstrum1(i)=rwy(i+1-ylen/2);end%基因檢測(cè)LF=floor(fs/500);%HF=floor(fs/70);cn=cepstrum(LF:HF);mx_cep ind=max(cn);if mx_cep>0.08&ind>LF;a=fs/(LF+ind);elsea=0;endpitch=a如圖figure(1);subplot(3,1,1);plot(time1,y);title(' 語(yǔ)音波形');%axis tightylim=get(gca,'y

14、lim');line(time1(startlndex),time1(startlndex),ylim,'color','r');line(time1(endlndex),time1(endlndex),ylim,'color','r');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('幅度');subplot(3,1,2);plot(frame);%axis(0,400,-0.5,0.5)title(' 一幀語(yǔ)音');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel(&

15、#39;幅度') subplot(3,1,3);time2=-199:1:-1,0:1:200;plot(time2,cepstrum1);%axis(-200,200,-0.5,0.5)title('一幀語(yǔ)音的倒譜');xlabel（'樣點(diǎn)數(shù)'）;ylabel（'幅度'）;運(yùn)行結(jié)果如下圖：倒譜法求濁音的基音周期語(yǔ)音波形0.40.200.2-0.40511.522.5335祥點(diǎn)數(shù)曰寸一帔語(yǔ)音語(yǔ)音波形0.511522.533.E樣點(diǎn)數(shù)心寸幀語(yǔ)音0.51111111.口 5 I |I' a so ioa 15D20a250 aoa 3

16、5040a樣點(diǎn)數(shù)清音的倒譜3.共振峰檢測(cè)程序waveFile='qinghua.wav'y,fs,nbits=wavread(waveFile);幀長(zhǎng)起始序號(hào)time=(1:length(y)/fs;frameSize=floor(40*fs/1000);%startIndex=round(15000);%endIndex=startIndex+frameSize-1; %結(jié)束序號(hào)frame=y(startIndex:endIndex); %取出該幀frameSize=length(frame);frame2=frame.*hamming(length(frame); %加漢明

17、窗rwy=rceps(frame2);%倒譜求ylen=length(rwy);cepstrum=rwy(1:ylen/2);%基首檢測(cè)LF=floor(fs/500);HF=floor(fs/70);cn=cepstrum(LF:HF);mx_cepind=max(cn);%找到最大的突起的位置%共振峰檢測(cè)核心代碼NN=ind+LF;ham=hamming(NN);cep=cepstrum(1:NN);ceps=cep.*ham;%漢明窗formant1=20*log(abs(fft(ceps);formant(1:2)=formant1(1:2);for t=3:NN% do some m

18、edian filteringz=formant1(t-2:t);md=median(z);formant2(t)=md;endfor t=1:NN-1if t<=2formant(t)=formant1(t);elseformant(t)=formant2(t-1)*0.25+formant2(t)*0.5+formant2(t+1)*0.25;endendsubplot(3,1,1);plot(cepstrum);title(' 倒譜');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('幅度')%axis(0,220,-0.5,0.5)spectral=20*log(abs(fft(frame2);subplot(3,1,2);xj=(1:length(spectral)/2)*fs/length(spectral);plot(xj,spectral(1:length(spectral