變聲器設(shè)計方案

1、matlab變聲器的設(shè)計前言隨著生活水平的提高，科技的不斷進步，很多人為了娛樂，從而希望改變自己的聲音；還有如今的許多的訪問節(jié)目為了保護被訪問者，都對聲音進行了相應(yīng)的處理。本設(shè)計通過編寫matlab程序，修改相關(guān)聲音參數(shù)，使其頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，在輸出時達到變聲。1 變聲原理在進行性別變聲時，主要考慮基音周期、基頻和共振峰頻率的變化。其中男生、女生和和童聲的基頻、共振峰的關(guān)系如圖1所示；基音周期改變時，基頻、共振峰同時變化，若伸展既有男變女、女變童，反之亦可。本實驗是基于男生錄制的聲音進行相關(guān)參數(shù)提取，修改接近于女聲，實現(xiàn)男聲到女聲的變換。人群基頻分布（hz）共振峰頻率分布男聲50 , 180

2、偏低女聲160 , 380中童聲400 , 1000偏高 圖12 提取參數(shù)基于短時自相關(guān)法的基音周期估值進行自相關(guān)的計算，通過matlab編程采用自相關(guān)算法可以實現(xiàn)基音周期的估值，即對語音信號進行低通濾波，然后進行自相關(guān)計算。在低通濾波時，采用巴特沃斯濾波器。2.1.1 構(gòu)建巴特沃斯低通濾波器根據(jù)人的說話特征設(shè)定相應(yīng)指標參數(shù)，對本段語音設(shè)計算出巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)n為5，3db截止頻率c,c=p(100.1p-1)-1/2n。算出c為0.175，歸一化低通原型系統(tǒng)函數(shù)為 ga(p)=1p5+b4p4+b3p3+b2p2+b1p+b0其中b0=1.0000，b1=3.2361，5.2361，

3、b3=5.2361，b4=3.2361將將p=s/c帶人ga（p）中，得到低通濾波器，ha(s)=c5s5+b4cs4+b3c2s3+b2c3s2+b1c4s+b0c5根據(jù)設(shè)定的濾波器編寫matlab程序，當信號經(jīng)過低通濾波器后，對原始信號濾波產(chǎn)生結(jié)果如圖2所示，低通濾波后，保留基音頻率，然后再用2khz采樣頻率進行采樣，采樣序列為x(n)，后進行下一步的自相關(guān)計算。 圖22.1.2語音信號的短時自相關(guān)函數(shù) 定義語音信號的自相關(guān)函數(shù)如下：rnk=n=0n-k-1xn(n)xn(n+k)其中k為信號延遲點數(shù);xn(n)為語音信號；n為語音幀長度。經(jīng)過低通濾波之后，取160個樣點數(shù)，幀長取10ms

4、，對每幀語音求短時自相關(guān)，取得自相關(guān)最大點數(shù)，自相關(guān)函數(shù)在基音周期處表現(xiàn)為峰值，這些峰值點之間的間隔的平均值就是基音周期，從而估計出基音周期，但是由于圖中存在野點，編寫matlab程序除去野點算出對應(yīng)基音周期如圖3所示，設(shè)基音周期值為pt，調(diào)動pt，接近女聲，設(shè)新的為pt1； 圖32.2 lpc倒譜法提取共振峰通過線性預(yù)測分析得到合成濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：h(z)=11-i=1paiz-i其中h(n)為沖擊響應(yīng)，ai為預(yù)測系數(shù)。下面求h(n)的倒譜h(n),首先根據(jù)同態(tài)分析方法有hn=logh(z)，因為h(z)是最小相位的，即在單位圓內(nèi)是解析的，所以說h(z)可以展開成級數(shù)形式，即hz=1h(

5、n)z-n，就是說h(z)的逆變換h(n)是存在的，設(shè)h(0)=0，將式兩端同時對z-1求導，得到：n=1nhnz-n+1=i=1paiz-i+11-i=1paiz-i有(1-i=1paiz-i)(n=1nhnz-n+1)= i=1paiz-i+1，令式左右兩邊z的各次冪前系數(shù)分別相等得到：h1=a1hn=an+i=1n-11-inaihn-i 1nphn=i=1n-11-inaihn-i np 在本實驗中，取預(yù)測階數(shù)為10，語音的樣點數(shù)為160，按照上式可直接從預(yù)測系數(shù)ai求得倒譜hn，這個倒譜是根據(jù)線性預(yù)測模型得到，即稱為lpc倒譜。編寫matlab程序，實現(xiàn)如圖4所示，譜的峰值基本上對應(yīng)

6、于共振峰頻率，用gt表示共振峰；修改共振峰，使共振峰接近女聲范圍，新的為gt1； 圖43 線性預(yù)測語音信號的合成根據(jù)線性預(yù)測的基本思想，用過去m個樣點值來預(yù)測現(xiàn)在或未來的樣點值：yn=i=1maiy(n-i)yn為預(yù)測信號，ai為預(yù)測系數(shù)，y(n)為取樣信號，預(yù)測誤差(n):n=yn-yn=yn-i=1maiy(n-i)這樣就可以通過在某個準則下使預(yù)測誤差n達到最小值的方法來決定唯一的一組線性預(yù)測參數(shù) ai(i=1,2,，m)把語音信號的某一幀內(nèi)的短時均方預(yù)測誤差定義為：e2(n)=eyn-i=1maiy(n-i)2為使e2(n)最小，對ai求偏導，并令其為零，有：e yn-i=1maiy(n

7、-i) y(n-i)=0 j=1,。,m上式表明采用最佳預(yù)測系數(shù)時，預(yù)測誤差(n)與過去的樣點值正交。由于語音信號的短時平穩(wěn)性，要分幀處理，對于每一個樣點值記為y(n),. . .,y(n+n-1),這段語音記為yn。對于語音段yn，并記nj,i=eyn(m-j)ym(m-j), 對于語音段yn,它的自相關(guān)函數(shù)為：rnj=m=jn-1yn(m)yn(m-j) j=1, . . .,m根據(jù)yulewalker方程，可以解出樣值，用這種方法定期地改變激勵參數(shù)u(n)和預(yù)測系數(shù)ai，并使用修改過后的基因周期和共振峰參數(shù)，就能合成出語音，合成語音樣本如下：s(n)=i=1paisn-i+gu(n)ai