倒譜計(jì)算與分析

1、視頻語音處理技術(shù)倒譜計(jì)算與分析學(xué)院名稱： 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 年級班級： 姓 名： 學(xué) 號： 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)告專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù) 年級/班級：2011級 20122013學(xué)年第一學(xué)期課程名稱視頻語音處理技術(shù)指導(dǎo)教師張新明本組成員學(xué)號姓名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)目名稱倒譜計(jì)算與分析實(shí)驗(yàn)類型設(shè)計(jì)性一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩φZ音信號進(jìn)行同態(tài)分析可得到語音信號的倒譜參數(shù)。語音的倒譜是將語音的短時(shí)譜取對數(shù)后再進(jìn)行IDFT得到的，所以濁音信號的激勵(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)出基音周期。對倒譜進(jìn)

2、行低時(shí)窗選，通過語音倒譜分析的最后一級，進(jìn)行DFT后的輸出即為平滑后的對數(shù)模函數(shù)，這個(gè)平滑的對數(shù)譜顯示了特定輸入語音段的諧振結(jié)構(gòu)，即譜的峰值基本上對應(yīng)于共振峰頻率，對于平滑過的對數(shù)譜中的峰值進(jìn)行定位，即可估計(jì)共振峰。對于倒譜計(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、最小相位信號法和遞歸法；3、基音檢測；4、共振峰檢測。二、實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備：windowsXP下的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)，所以取對數(shù)時(shí)要進(jìn)行復(fù)對數(shù)運(yùn)算。這時(shí)存在相位的多值性問題，稱為“相位卷繞”。設(shè)信號為 則其傅

3、里葉變換為 對上式取復(fù)對數(shù)為則其幅度和相位分別為：上式中，雖然 ， 的范圍均在 內(nèi)，但 的值可能超過 范圍。計(jì)算機(jī)處理時(shí)總相位值只能用其主值 表示，然后把這個(gè)相位主值“展開”，得到連續(xù)相位。所以存在下面的情況： （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：被處理的信號想x(n)必須是最小相位信號。實(shí)際上許多信號就是最小相位信號，或可以看作是最小相位信號。語音信號的模型就是極點(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x(n)的z變換為X(z)=N (z)/ D

4、(z) ，則有根據(jù)z變換的微分特性有 若x(n)是最小相位信號，則 必然是穩(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稱分量和奇對稱分量之和:其中這兩個(gè)分量的傅里葉變換分別為 的傅里葉變換的實(shí)部和虛部。 從而可得此即復(fù)倒譜的性質(zhì)3，也就是說一個(gè)因果序列可由其偶對稱分量來恢復(fù)。如果引入一個(gè)輔助因子g(n)，上式可寫作其中最小相位信號法求復(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的情況。根據(jù)z變換的微分特性得對上式求逆z變換，根據(jù)z變換的微分特性，有所以設(shè)x(n)是最小相位序列，而最小相位信號序列一定為因果序列 ，所以有由于 及 可得遞推公式遞歸運(yùn)算

5、后由復(fù)倒譜定義可知如果x(n)是最大相位序列，則變?yōu)槠渲?、基音檢測；語音的倒譜是將語音的短時(shí)譜取對數(shù)后再進(jìn)行IDFT得到的，所以濁音信號的周期性激勵(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3.共振峰檢測 倒譜將基音諧波和聲道的頻譜包絡(luò)分離開來。對倒譜進(jìn)行低時(shí)窗選，通過語音倒譜分析系統(tǒng)的最后一級，進(jìn)行DFT后的輸出即為平滑后的對數(shù)模函數(shù)，這個(gè)平滑的對數(shù)譜顯示了特定輸入語音段的諧振結(jié)構(gòu)，即譜的峰值基本上對應(yīng)于共振蜂頻率，對平滑過的對數(shù)譜中的峰值進(jìn)行定位，即可估計(jì)共振峰。原理

6、框圖及流程圖如下。四、實(shí)驗(yàn)步驟（包括主要步驟、代碼分析等）1倒譜MATLAB實(shí)現(xiàn)代碼段clear all; %倒譜s,fs,nbit=wavread('beijing.wav'); %讀入一段語音b=s' %將s轉(zhuǎn)置x=b(5000:5399); %取400點(diǎn)語音N=length(x); %讀入語音的長度S=fft(x); %對x進(jìn)行傅里葉變換Sa=log(abs(S); %log為以e為底的對數(shù)sa=ifft(Sa); %對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

7、=(ylen/2+1):ylen; sal(i)=sa(i+1-ylen/2);end%繪圖figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);%axis(0,400,-0.5,0.5)title('截取的語音段');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('幅度');subplot(2,1,2);time2=-199:1:-1,0:1:200;plot(time2,sa1);%axis(-200,200,-0.5,0.5)title('截取語音的倒譜');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel(

8、'幅度');運(yùn)行結(jié)果如圖：2. 倒譜法求濁音、清音的基音周期 function s=p5_2pitchdetectwaveFile='beijing.wav'y,fs,nbits=wavread(waveFile);time1=1:length(y);time=(1:length(y)/fs;frameSize=floor(50*fs/1000); % 幀長startIndex=round(5000); % 起始序號endIndex=startIndex+frameSize-1; % 結(jié)束序號frame=y(startIndex:endIndex); % 取出該

9、幀frameSize=length(frame);frame2=frame.*hamming(length(frame); % 加漢明窗rwy=rceps(frame2); % 求倒譜ylen=length(rwy);cepstrum=rwy(1:ylen/2);for i=1:ylen/2; cepstrum1(i)=rwy(ylen/2+1-i);endfor i=(ylen/2+1):ylen; cepstrum1(i)=rwy(i+1-ylen/2);end%基因檢測LF=floor(fs/500); %基因周期的范圍是70500HzHF=floor(fs/70);cn=cepstru

10、m(LF:HF);mx_cep ind=max(cn);if mx_cep>0.08&ind>LF; a=fs/(LF+ind);else a=0;endpitch=a%畫圖figure(1);subplot(3,1,1);plot(time1,y);title('語音波形');%axis tightylim=get(gca,'ylim');line(time1(startIndex),time1(startIndex),ylim,'color','r');line(time1(endIndex),time1(

11、endIndex),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('一幀語音');xlabel('樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('幅度')subplot(3,1,3);time2=-199:1:-1,0:1:200;plot(time2,cepstrum1);%axis(-200,200,-0.5,0.5)title('一幀語音的

12、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 清音的倒譜 3. 共振峰檢測程序waveFile='qinghua.wav'y,fs,nbits=wavread(waveFile);time=(1:length(y)/fs;frameSize=floor(40*fs/1000); % 幀長startIndex=round(15000); % 起始序號endIndex=startIndex+frameSize-1; % 結(jié)束序號frame=y(startIndex:endIndex);

13、 % 取出該幀frameSize=length(frame); frame2=frame.*hamming(length(frame); %加漢明窗rwy=rceps(frame2); %倒譜求ylen=length(rwy);cepstrum=rwy(1:ylen/2);% 基音檢測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% 共振峰檢測核心代碼NN=ind+LF;ham=hamming(NN);cep=cepstrum(1:NN);ceps=cep.*ham; %漢明窗

14、formant1=20*log(abs(fft(ceps);formant(1:2)=formant1(1:2);for t=3:NN % do some median filtering z=formant1(t-2:t); md=median(z); formant2(t)=md;endfor t=1:NN-1 if t<=2 formant(t)=formant1(t); else formant(t)=formant2(t-1)*0.25+formant2(t)*0.5+formant2(t+1)*0.25; endendsubplot(3,1,1);plot(cepstrum)

15、;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)/2);title('頻譜');xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅度/dB')%axis(0,500,-100,50)subplot(3,1,3);xi=(1:NN/2)*fs/NN;plot(xi,formant(1:NN/2);title('平滑對數(shù)幅度譜');xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅度/dB');%axis(0,550