语音信号基音周期的提取方法研究.docVIP

20中1国2电-力1教0-育27############2012-10-27#####22#000#16 年#2-研1究0综-述2与7技##术#论#坛#专#刊## 语音信号基音周期的提取方法研究 Ξ 马梦轩 赵振东 (华北电力大学电子与通信工程系 ,河北 保定 071003) 摘 要 :本文介绍从浊音语音信号中提取基音周期 ,提出一种改进的基音周期检测算法 ( 自相关函数法) 。实验结果表明 所提出的方法能提供一种更精确和更平滑的基音周期轨迹 。用这种算法可以得到精确和稳定的基音估值 。模拟试验的结果 证明了这些算法的效果 。 关键词 :语音信号 ;基音周期检测 ;自相关函数法 语音 ( Speech) 是声音 (Acoustic) 和语言 (Language) 的组合 体 。可以这样定义语音 ,语音是由一连串的音组成语言的声 音 。 基音是指发浊音时声带振动所引起的周期性频率 。基 音周期值是声带振动频率的倒数 ,它是随着时间和发音高低 而不断变化的 。它的检测和估计是语音信号处理中的一个 非常重要的问题 ,一项重要技术之一 ,与许多语音信号处理 技术相关 。基音周期作为语音信号的一个重要参数 ,它反映 了语音激励 源 的 一 个 重 要 特 征 , 它 的 提 取 对 语 音 声 调 的 识 别 ,特征的提取等有很大关系 。一个好的基音声调的提取算 法对于高质量的语音数据合成 、语音数据编码及机器识别等 方面都具有十分重要的意义 。 语音信号的基音周期提取问题实质上也就是准周期信 号的周期估计问题 。在收集语音音高模型数据时 ,一个快速 且可信的基音提取工具是十分必要的 。国内使用的较多的 是 SFS 这种分析软件 。 基音提取的方法很多 ,诸如 :平均幅度差函数 (AMDF) 法 ( ROSS 等 1974) ;中心削波法 (自相关函数 (ACF) 法) (Dubnows2 ki ,1978) ;倒谱 ( CEP) 法 ( Schafer 和 Rablner ,1970) ;数据压缩法 (Miller ,1975 ) ; 线 性 预 测 法 ( Atal ) ; 并 行 处 理 法 ( GOLD 和 Rablner ,1969) ;简化逆滤波器跟踪法 (Markel ,1972) 等等 。上 述各种方法分属于时域法 、变换域法和混合法 ,变换域法涉 及傅立叶变换或 LPC 运算 ,计算量大 ,影响估值速度 。 基音提取的方法大致可分为三类 。波形估计法 : 直接由 语音波形来估计基音周期 ,分析出波形上的周期峰值 。包括 并行处理法 ( PPROC) ,数据减少法 (DARD) 等 。相关处理法 : 这种方法在语音信号处理中被广泛使用 。这是因为相关处 理法抗波形的相位失真强 ,另外它在硬件处理上结构简单 。 包括波形自相关法 (MAVTO) ,平均幅度差函数法 (AMDF) ,简 化逆滤波法 ( SIFT) 等 。变换法 : 将语音信号变换到频域或倒 谱来估计基音周期 ,比如倒谱法 ( CEP) 。它采用对数倒频谱 分析提取基音 。虽然倒谱分析算法比较复杂 ,但基音估计效 果较好 。ACF 法提取出的基音周期较为精确 。AMDF 法无需 乘法运算 ,因而算法复杂度小 ,但当语音信号幅度快速变化 时 ,AMDF 法估计的精度不够理想 。CEP 法可以较好地从语 音信号中分离出基音信息和声道信息 ( 共振峰信息) ,但是 , 反映基音信息的倒谱峰在过渡音和含噪语音中将会变得不 清晰甚至完全消失 。 本文引入自相关函数 (ACF) 法对语音信号基因周期的提 取 。 1. 对语音信号基音周期的提取 (1) 自相关法基音周期提取原理 人在发音时 ,声带振动产生浊音 ( 有声音) ,没有声带振 动产生清音 (无声音) 。 汉语是音节 - 声调语言 。声母 、韵母和声调是汉语音节 的三个要素 。汉语声调有重要的辨义作用 。汉语语音具有 前声后韵的音节结构 ,其中声母大都为清音 (m 、n 、l 除外) ,韵 母为浊音 。汉语声调信息 ,载于其基音周期上 ,并主要在韵 母段上 。基音周期是指发韵母 (含浊辅音) 时 ,声带每开启和 闭合一次的时间 。即声带的振动周期就是基音周期 。它的 倒数称为基音频率 。 浊音的发音过程是 : 来自肺部的气流冲击声门 ,造成声 门的一张一合 ,形成一系列准周期的气流脉冲 ,经过声道 ( 含 口腔 、鼻腔) 的谐振及唇齿的辐射最终形成语音信号 。故浊 音波形呈现一定的准周期性 。所谓基音周期就是对这种准 周期而言的 ,它反映了声门开关的频率 。汉语韵母音段的大 部分具有较规则的周期结构 ,如图 1 : 而且能量比清音大得多 ,其基音仅用时域特征也可得到 很好的结果 。 语音分析有时