Matlab在基音周期檢測教學中的應用研究

朱徐來

摘要：基音周期是《語音信號處理》中的重點和難點，基音周期作為語音信號的重要參數，在語音編碼、語音合成和語音識別等方面，有著非常重要的作用。本文采用Matlab對基因周期進行仿真分析，從仿真圖上查看語音信號的基音周期，讓學生更形象的理解語音信號的基音周期。

關鍵詞：基音周期;語音編碼;語音合成;語音識別;仿真

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0188-02

1 概述

語音信號是通信工程專業的一門必修課，其中基音周期是一個重要的知識點，對于基音周期的檢測十分困難，處理復雜，且變化范圍較大，不同的人群，他們的基音周期差別相當明顯。即使同一個人在不同環境下的基音周期也會有所不同，如何在教學中把語音信號的基音周期講解清楚，讓學生理解透徹，是該知識點講解的難點。本文采用Matlab對基音周期進行仿真分析，從仿真圖中很直觀地看到基音周期，有利于把復雜的問題簡單化。

2 基音周期檢測的難點

2.1 基音周期沒有完全的周期性

語音信號是隨時間變化的信號，是非線性信號，在信號分析處理時進行短時加窗，近似為線性信號進行處理，而語音信號的產生采用二元激勵的方式，即清音和濁音。對于清音，沒有明顯的周期性;對于濁音，聲門激勵的波形并不是一個完全的周期序列，從而也就無法準確地計算基音周期[1，3，7]。

2.2 聲道的影響

語音信號從聲帶部位產生到從口腔發出，經過聲道的干擾，基音的周期性和共振峰的周期性會產生交疊現象，疊加后波形的峰值可能會與原來峰值相差較大，所以要從語音信號中去除聲道的影響。常見的方法有采用逆濾波器法[2]、同態分析法等。或者直接取出僅與聲帶振動有關的聲源信息，在聲帶部位直接取出語音信號，這也并非易事。

2.3 端點檢測的準確性

語音信號的端點檢測非常困難，一段語音信號，哪些是無聲段，哪些是有聲段。在有聲段中，哪些是清音，哪些是濁音，它們的分界點很難準確的判決，也就無法準確地判定基音周期的開始和結束位置[3]，所以一個完整的周期很難準確的檢測。

3 基音周期檢測的方法

3.1 時域分析法

時域法主要包含短時自相關法（ACF）和短時平均幅度差法（AMDF） [6]。語音信號分析采用短時加窗處理，把非線性時變信號近似變成線性時不變信號，以利于分析處理。如若用符號T來表示 ，得到的便是一個時間序列Pn：

時域分析法的主要特點是運算量小，但抗噪性能比較差，很容易產生倍頻和半頻現象，并且觀察基音周期不明顯。

3.2 頻域分析法

目前，用得比較多的頻域檢測法是倒譜法，下面就倒譜法進行分析：

對于一個原始語音信號x（n），其倒譜函數可以定義為

上式（2）表示一個信號的倒譜函數，它可以通過對信號實施傅里葉變換，再進行取模和取對數運算，再進行一個傅里葉逆變換，完成倒譜函數的計算。

倒譜法在提取基音周期中的應用一般步驟如下：

（l）對語音信號進行分幀處理（一般選擇漢明窗）;

（2） 對分幀后的各段信號做離散傅里葉變換，并取模;

（3） 對上述得到的信號進行取對數處理;

（4） 經過上面處理后，進行離散逆傅里葉變換;

（5） 設置一個峰值幅度的閾值，幅值大于這個閾值，判定為濁音段，否則判定為清音段。倘若語音被判定為濁音信號，則以第二個沖激點的時間值作為基音周期。

4 Matlab在基音周期檢測中的應用

語音信號進行時域分析和頻域分析，得到濁音信號的基音周期，然后利用Matlab進行仿真分析，在基音周期仿真圖上可以看出語音信號的基音周期，為了更加清楚的分析出基音周期，可以調整采集的語音信號的幀數，已達到更加的效果。

4.1 仿真過程

語音信號采用電腦自帶的錄音功能，錄制一段語音，采樣率為8kH，窗序列采用300點的漢明窗，幀疊200點，選取幀數2000幀。具體步驟如下：

（1） 語音信號{ x（n）} 用900Hz低通濾波器進行濾波，去掉開頭的15個輸出值，得到{ x'（n）}[7];

（2） { x'（n）}進行削波處理，采用三電平中心削波，得到信號{ y（n）};

（3） 信號{ y（n）}求基音周期。

4.2 仿真結果

仿真環境，采用Microsoft Windows 7 版本2009，Service Pack 1，Intel（R） Core（TM）i5-3320M CPU @2.60GHz 2.60GHz，8GB的內存。

圖1是時間波形，關于采樣點數和歸一化聲壓值。

從圖2中可以看出濁音信號波形的幀數為本次試驗所設置的2000幀，經過削波后修自相關可以大致可以看出基音周期，為了明顯看出基音周期，可以縮小所采集的幀數，把framelength=2000中的2000更換為200，則可以得到圖3：

如圖3可以很明顯地看出基音周期，基音周期為38幀左右。

從基音周期值的仿真圖上可以看出，經過MATLAB仿真的基音周期圖形，可以清晰地觀察到語音信號的基音周期，對于學生而言，波形圖非常直觀，讓學生清晰地認識到語音信號分為清音和濁音，濁音有周期性的特點，在語音信號處理上能夠學以致用。

5 結束語

本文針對《語音信號處理》中基音周期這一教學難點進行分析，并借助于Matlab仿真軟件對基音周期進行仿真，觀察了不同幀數下的基音周期圖，說明仿真圖在基音周期檢測中有著較為直觀的作用。

參考文獻：

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[6] 成新民，曾毓敏，趙力.一種改進的AMDF求取語音基音周期的方法[M].微電子學與計算機，2005-12-20

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[8] 韓紀慶，張磊，鄭鐵然.語音信號處理[M].北京：清華大學出版社，2008.

【通聯編輯：王力】