實驗 基于MALAB的語音信號LC

實驗四基于MATLAB的語音信號LPC分析

一、實驗?zāi)康恼莆誏PC原理，會利用已學(xué)的知識，編寫程序估計線性預(yù)測系數(shù)以及LPC的推演參數(shù)。能利用所求的相關(guān)參數(shù)估計語音的端點、清濁音判斷、基因周期、共振峰等。二、實驗原理LPC分析基本原理LPC分析為線性時不變因果穩(wěn)定系統(tǒng)V（z）建立一個全極點模型，并利用均方誤差準則，對已知的語音信號s(n)進行模型參數(shù)估計。如果利用P個取樣值來進行預(yù)測，則稱為P階線性預(yù)測。假設(shè)用過去P個取樣值的加權(quán)之和來預(yù)測信號當(dāng)前取樣值，則預(yù)測信號為：(1)其中加權(quán)系數(shù)用表示，稱為預(yù)測系數(shù)，則預(yù)測誤差為:

(2)要使預(yù)測最佳，則要使短時平均預(yù)測誤差最小有：

(3)(4)令

(5)

最小的可表示成：(6)

顯然，誤差越接近于零，線性預(yù)測的準確度在均方誤差最小的意義上為最佳，由此可以計算出預(yù)測系數(shù)。通過LPC分析，由若干幀語音可以得到若干組LPC參數(shù)，每組參數(shù)形成一個描繪該幀語音特征的矢量，即LPC特征矢量。由LPC特征矢量可以進一步得到很多種派生特征矢量，例如線性預(yù)測倒譜系數(shù)、線譜對特征、部分相關(guān)系數(shù)、對數(shù)面積比等等。不同的特征矢量具有不同的特點，它們在語音編碼和識別領(lǐng)域有著不同的應(yīng)用價值。自相關(guān)法在最佳線性預(yù)測中，若用下式定義的時間平均最小均方準則代替(3)式的集合平均最小均方準則，即令（7）事實上就是短時自相關(guān)函數(shù)，因而（8）（9）根據(jù)平穩(wěn)隨機信號的自相關(guān)性質(zhì)，可得（10）由(6)式，可得：（11）綜上所述，可以得到如下矩陣形式：（12）協(xié)方差法

如果在最佳線性預(yù)測中，用下式定義的時間平均最小均方準則代替(3)式的集合平均最小均方準則，則可得到類似的方程：（13）

可以看出，這里的數(shù)據(jù)段兩端不需要添加零取樣值。在理論上，協(xié)方差法計算出來的預(yù)測系數(shù)有可能造成預(yù)測誤差濾波器的不穩(wěn)定，但在實際上當(dāng)每幀信號取樣足夠多時，其計算結(jié)果將與自相關(guān)法的結(jié)果很接近，因而穩(wěn)定性一般是能夠保證的(當(dāng)然這種方法也有量化效應(yīng)可能引起不穩(wěn)定的缺點)。協(xié)方差解法的最大優(yōu)點在于不存在自相關(guān)法中兩端出現(xiàn)很大預(yù)測誤差的情況，在N和P相差不大時，其參數(shù)估值比自相關(guān)法要精確的多。但是在語音信號處理時，往往取N在200左右。此時，自相關(guān)法具有較大誤差的段落在整個語音段中所占的比例很小，參數(shù)估值也是比較準確的。在這種情況下，協(xié)方差法誤差較小的優(yōu)點就不再突出，其缺乏高效遞推算法的缺點成為了制約因素。所以，在語音信號處理中往往使用高效的自相關(guān)法。全極點聲道模型

能量分析是基于語音信號能量隨時間有相當(dāng)大的變化，將線性預(yù)測分析應(yīng)用于語音信號處理，不僅是為了利用其預(yù)測功能，更因為它提供了一個非常好的聲道模型。將式(2)所示的方程看成是濾波器在語音信號激勵下的輸入輸出方程，則該濾波器稱為預(yù)測誤差濾波器，其e(n)是輸出誤差。變換到z域，P階預(yù)測誤差濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為（14）

可以看出，如果將預(yù)測誤差e(n)作為激勵信號，使其通過預(yù)測誤差濾波器的逆濾波器H(Z)，即（15）

則H(Z)的輸出為語音信號s(n)，也就是說，H(Z)在預(yù)測誤差e(n)的激勵下可以合成語音。因此，H(Z)被稱為語音信號的全極點模型，也稱為語音合成器。該模型的參數(shù)就是P階線性預(yù)測的預(yù)測系數(shù)。因為預(yù)測誤差含有語音信號的基音信息，所以對于濁音，模型的激勵信號源是以基音周期重復(fù)的單位脈沖；對于清音，激勵信號源e(n)是自噪聲。

LPC如果聲道特性H(Z)用式(14)所示的全極點模型表示，有（16）

式中，S(z)和I(z)分別為語音信號和激勵源的Z變換。對人的聽覺來說，濁音是最重要的語音信號。對于濁音，模型的激勵信號源e(n)是以基音周期重復(fù)的單位脈沖，此時有可得的Z變換S(z)為（17）

式中，為P階線性預(yù)測系數(shù)。根據(jù)倒譜的定義，對具有最小相位特征的語音信號，有。式中，為語音信號的倒譜。將式(16)代入式(17)，并對兩邊求導(dǎo)，得（18）（19）

根據(jù)上式即可由線性預(yù)測系數(shù)通過遞推得到倒譜系數(shù)，將這樣得到的倒譜稱為線性預(yù)測倒譜系數(shù)。結(jié)合語音幀能量構(gòu)成LPC組合參數(shù)實驗證明，組合參數(shù)可以提高系統(tǒng)的識別性能。組合參數(shù)雖然可以提高系統(tǒng)的性能，但很顯然，無論是在特征參數(shù)提取環(huán)節(jié)，還是在模型訓(xùn)練和模型匹配環(huán)節(jié)都使運算量有所增加。在特征參數(shù)提取環(huán)節(jié)，要計算一種以上的特征參數(shù)。在模型訓(xùn)練和模型匹配環(huán)節(jié)，由于組合參數(shù)特征矢量的維數(shù)較多，使運算復(fù)雜度有所增加。運算量的增加會使系統(tǒng)的識別速度受到影響。為使運算量問題得到較好的解決，所以可以由LPC參數(shù)與語音幀能量構(gòu)成組合參數(shù)，能夠在運算量增加不明顯的情況下改進系統(tǒng)的性能。語音幀能量是指一幀語音信號的能量，它等于該幀語音樣值的平方和。選取與語音幀能量構(gòu)成組合參數(shù)主要有以下考慮：1）語音幀能量是語音信號最基本的短時參數(shù)之一，它表征一幀語音信號能量的大小，是語音信號一個重要的時域特征；2）由一幀語音求出的語音幀能量是一個標(biāo)量值，與其它參量構(gòu)成組合參數(shù)不會使原特征矢量的維數(shù)明顯增加，特征矢量的維數(shù)越少，則需要的運算復(fù)雜度越小，另外，獲取語音幀能量的運算并不復(fù)雜；3）語音幀能量與LPC參數(shù)之間的相關(guān)性不大，它們反映的是語音信號的不同特征，應(yīng)該有較好的效果。模型叔增益G模型徹的激乳勵信蘆號晌表示蹦為：（20）預(yù)測產(chǎn)誤差e(牌n)如式損（2），驅(qū)這樣箱當(dāng)實呆際的明預(yù)測靈系數(shù)熟與模掃型系爛數(shù)相蛛等時肚，有（21）這說華明激缺勵信獵號正我比于拿誤差誰信號押，其健比例餡常數(shù)床等于延模型擦增益G。通獻常假補設(shè)誤廈差信痕號的腦能量群等于賀輸入領(lǐng)激勵絹信號朋的能遺量，促因此劉可以油得到?。海?2）對于餓式中柄的激潔勵信惜號額e(反n)，主腿要分除為濁妖音和掀清音捆兩種哥情況絹。其輕中為極濁音仁時，軟考慮胖到此憑時實丈際的孝激勵微信號計為聲腳門脈陶沖，有因此適可以咸將激僚勵信悉號表點示為n=紹0時的洽單位拿抽樣捷。為辟了保找證這樓個假煌設(shè)成列立，著要求扶分析費的區(qū)獻間應(yīng)失該大粗致和鈔語音果基因錯周期刪的長氏度相揪等。嫌當(dāng)語車音為鉛清音讓時，很我們據(jù)假定休激勵劇信號e(芳n)為一姜個零至均值厘、單凳位方沈差的膚平穩(wěn)陸白噪均聲過感程。采用助自相門關(guān)解蹲法時扶，濁英音的熱模型濃增益禾為(2邪3)清音鑒計算秤模型東增益填的公脂式和柳濁音榜相同爸。實驗值結(jié)果(參考)我們鴿使用高的原者始語捧音為各“kd土t_戀07忍0”，采胡樣頻船率為11信00蹦0H膏z,運行盲程序容見附歉錄。在這伏里我牌們?nèi)∪拥?0幀進素行觀香察，互線性芒預(yù)測雄階數(shù)棕為12，看予到圖3.得1所示材的原美始語勾音幀供的波仍形，傷預(yù)測姥語音詳幀波叔形和戒它們歐之間號預(yù)測闖誤差匹的波趨形。銷圖3.接2為原志始語禽音幀阿和預(yù)納測語霉音幀右的短賣時譜剩和LP究C譜的王波形圖3.摘1原始邁語音迷幀、護預(yù)測煮語音膊幀和嶄預(yù)測言誤差您的波錢形圖3.監(jiān)2原始妻語音鏟幀和覺預(yù)測策語音捏幀的嚷短時冒譜和LP謹C譜的鳴波形這里蜜我們駁可以狹改變京線性謀誤差燙的階烤數(shù)來素觀察穩(wěn)語音印幀的權(quán)短時精譜和LP譜的垮變化槍情況紀，如貿(mào)圖3.鋒3。圖3.建3預(yù)測己階數(shù)爐對語開音幀油短時專譜和LP揉C譜的款影響從圖砌中可棄以看觸出，P越大胖，LP病C譜越使能反圣映出研語音業(yè)短時遞譜的約細節(jié)聽部分兩，但LP娘C譜的蟲光滑溉度隨虧之下吵降。壟由于壩我們丘的目覺的只苗是用LP例C譜反樓映聲軋道綜攻合效鐮?wèi)?yīng)的仔譜的切表示努式，棉而具啞體的弟諧波亦形狀捎是通俊過激肝勵譜伏來控摔制的電，因俗此LP境C譜只壩要能宗夠體敏現(xiàn)出向語音炎的共躺振峰賺的結(jié)約構(gòu)和毀譜包針絡(luò)就徹可以狹，因焰此從預(yù)計算碎復(fù)雜鍛性的麻角度棚分析稼，預(yù)獎測階宜數(shù)P應(yīng)該攀適中襖。圖3.匆4是原繭始語角音和旅預(yù)測降誤差街的倒柿譜波終形，圈我們月可以葛從中鏡計算暖出原霧始語畜音的乓基音舉周期首。從盜圖中涼看出匹兩峰晶值之艘間的辛間隔授為40點左嘉右，隙基音聯(lián)周期迫為40適/1烘10繼00割=3瞇.6鑒ms，頻級率為27稀8H爐z左右嘗。圖3.鉗4原始注語音科和預(yù)尤測誤忌差的繞倒譜醋波形圖3.造5給出澤了原差始語唐音的雷語譜余圖和斗預(yù)測眨語音斷的語配譜圖接，通刺過比茂較發(fā)盒現(xiàn)，撈預(yù)測渡語音厚的預(yù)推測效嬌果還丈可以咐，基灰音頻援率相掛差無揚幾。圖3.符5原始那語音蝴的語干譜圖州和預(yù)滲測語謠音的酷語譜塔圖Mu更si膚cS侮ou回rc偵e鐮=激wa編vr階ea晉d(包'k差dt世_0詳70病')攔;Mu紋si照c_螺so碌ur掠ce標(biāo)=笛M遵us跑ic社So息ur蠶ce豈';N布=捐25罪6;稼%腐w燈in襪do經(jīng)w局le門ng法th，N序=青10址0吼--碗1覺00丹0;Ha遇mm潔=此h仗am溉mi版ng愚(N津);作%冠c優(yōu)re冶at悟e衛(wèi)Ha股mm帽in恐g淘wi蘭nd旱owfr始am繪e積=違in晚pu塊t(臘'請鍵晌入想袍要處北理的共幀位洽置=否')奇;%握or控ig瞞in態(tài)i云s酒cu隊rr鋼en尚t幫fr旦am部eor足ig禾in呀=堤M永us爹ic范_s詢ou敵rc辭e(嫁((建fr失am齒e魔-戚1)鈴*熔(全N慢/竊2)宵+畢1能):井((填fr盛am竭e欠-擴1)鋸*評(脆N彼/牙2)飯+烤N蜘))繞;Fr考am涌e擠=坡or葉ig冰in妙.徹*襯Ha懂mm孤';%S勝ho東rt崖T圈im束e垃F(xiàn)o癥ur叨ie棋r窯Tr占an卻sf思or啟m[s被1,灶f1蝕,t裳1]璃=歪s文pe擴cg醉ra舌m(闊Mu掙si衡cS膊ou碧rc谷e,貍N,傻N/撿2,換N)瓶;[X育s1燥,Y侵s1旁]迅=股si適ze周(s飛1)豬;fo球r氧i侄=惑1:讀Xs雅1FT余fr役am掩e1畫(i慶)堆=簡s1側(cè)(i漏,f上ra娛me寨);en洋dN1晴=容i察np傅ut倦('請鍵謠入預(yù)擴測器叛階數(shù)=蜂')翅;危%未N1餃i揮s矛pr蘭ed雁ic福to魚r'添s粘or蘿de很r[c孫oe逗f,興ga純in賴]棟=所lp棵c(巴Fr肆am隔e,粒N1逗);嘆%攻L偷PC汽a摧na煉ly旦si守s趣us太in才g齊Le上vi降ns緩on新-D癥ur門bi跑n相re域cu桶rs老io碌nes揭t_零Fr貫am婦e退=欣fi甚lt結(jié)er推([伍0槽-c休oe帥f(酒2:元en凈d)紅],校1,法Fr怎am橋e)島;提%思es伶ti珍ma涌te漸f援ra經(jīng)me艇(L殺P)FF盟T_陡es勻t讓=算ff茂t(占es化t_宰Fr皂am斧e)稠;er睬r憐=逃Fr恰am忽e名-般es想t_布Fr尺am政e;法%釣e豆rr群or%況FF腔T_乏er孩r窯=量ff廁t(除er卵r)柏;su川bp趙lo拘t(船3,球1,淋1)笛;p盲lo陶t(紛Mu瘡si囑cS座ou吃rc勉e)譯%做原嚷始語齡音信噸號的尖時域尚圖形ti拌tl原e(猛'原始婚語音錯信號')喚;su倡bp光lo渴t(蘿3,旺1,坐2)扭,p五lo夏t(輔1:因N,爹Fr綿am連e,黑1:欲N,涌es遞t_學(xué)Fr限am謹e,押'-吸r'猴);串gr洽id也;t州it妙le濟('原始汁語音靜幀vs碌.預(yù)測室后語叛音幀')su昆bp宣lo禍t(漲3,哄1,狡3)追,p拾l(fā)o松t(閘er碑r)僑;g廊ri疲d;粉ti恥tl蛇e(饒'誤差')舅;p盲au嶄sefL丈en醒gt駝h(丹1蘇:棋2素*徒N)魚=叢[魯or威ig才in紅,z租er禾os怖(1饒,N踏)]繡;Xm割=祥f剛ft魔(f勞Le徒ng搶th禮,2槽*眼N作);X妙=嗓Xm絡(luò).吵*獨co展nj魄(X榴m)奶;Y才=睛ff竹t(寄X慚,扔2殿*霉N)趨;Rk盞=謹Y乓(1序:索N私);PA溫RT呆=兼s國um幫(c死oe摔f(拐2直:弊N1鬧+留1置)事.*欠R秤k(襪1輛:擠N1摔))幣;G員=僻sq悉rt職(s咳um今(F刪ra遵me務(wù).^淺2)膨-充P家AR效T)柏;A底=裙(F驚Tf桃ra撓me雪1善-砌FF票T_疾es晉t(禿1謝:錘le如ng看th揭(f偶1'再))蹄)那./圓F蟻Tf沫ra浸me固1提;感%棍in倆ve犧r(nóng)s尚e口fi核lt搭er桿A臉(Z添)su透bp勒lo院t(欲2,鏡1,想1)金,p筒lo伙t(扮f1治',坡20匠*l紐奉og察(a皂bs吃(F倘Tf本ra眼me每1)親),域f1搏',剝(2音0*勞lo發(fā)g(棵ab再s(煎1列./詠A贏))憐),恰'-梳r'洗);此gr寫id斧;t找it玩le斑('短時掀譜')數(shù);su乎bp互lo吵t(丙2,極1,墊2)樸,p唯lo溉t(煌f1拋',奴(2莫0*愚lo捕g(灰ab晴s(秋G壇./想A管))嘗))逮;g墻ri京d;趴ti遮tl翅e(再'L襖PC譜')慎;pa酸us褲ete傷mp亭=螺F表Tf梢ra釀me鼠1她-恐FF早T_遷es黎t(月1惱:堅le曉ng隆th潔(f漢1'向))翁;%悄no穿t顏mo送ve題h李ig團he笛r系fr延eq趣un蘆cepi圾tc備h1博=悟l炎og脅(a點bs揪(t欲em踏p)推);pL非en貴gt茅h代=仙le夫ng置th詞(p勤it叛ch舒1)得;re暈su析lt瀉1玩=敢if破ft凝(p具it塘ch牽1,妨N)予;%稠mo嫌ve天h板ig槽he遙r灑fr圓eq禮un訊cepi遣tc脫h1蛇((熔pL盼en托g(shù)t掉h寒-信32季)方:開pL浩en攀gt獨h)染=額0褲;re馬su去lt作2夠=術(shù)if暑ft來(p吧it美ch監(jiān)1,浸N)路;%途di困re垂ct捏d追o引re在al累c碑ep青st運ru嚇m擴wi格th堤e爬rrpi嘗tc宮h較=纖ff上ts寫hi喘ft燒(r石ce蜂ps棗(e陣rr押))損;or壁ig盾in語_p佳i