【文章內(nèi)容簡介】 的選擇，應(yīng)該從頻譜估計精度、計算量、存 儲量等多方面綜合進行考慮。 P取很大值時，可以獲得很好的信號譜估計，但增加的計算量和存儲量代價太大。語音譜估計時主要關(guān)心的是聲道的諧振特性， P值過大，估計的譜中保留許多信號譜細節(jié)，反而使共振峰分析效果變壞。階數(shù) P的經(jīng)驗值在 812之間 。 通常采用 10個極點的濾波器，模型就能正確描述共振峰特性和譜的基本形狀。三、 LPC聲碼器的工作原理81濾波器系數(shù)濾波器系數(shù) {aj}三、 LPC聲碼器的工作原理 設(shè)計的濾波器系數(shù) {aj}就是使得誤差 e(n)在某個預(yù)定的準(zhǔn)則下最小，通常是根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則求解 {aj}在 LPC模型中，信號 s(n)的估計誤差 e(n) 為：82三、 LPC聲碼器的工作原理 在語音信號保持平穩(wěn)的短時段內(nèi)，令 E對 aj的偏導(dǎo)數(shù)為零，得到：即：其中： 根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則通過求解 P個方程來得到 P個未知數(shù) aj83三、 LPC聲碼器的工作原理 基音檢測根據(jù)語音信號的特性檢測基音周期的方法有： 利用時域特性檢測； 利用頻域特性檢測； 同時利用時域和頻域特性檢測； 這里只介紹利用時域特性檢測84 基本原理：利用語音信號的時域波形的相似性，通過比較原始信號和它的移位信號的相似程度來尋找基音周期。如果移位的距離等于基音周期，則兩個信號之間將具有最大的相似性。 常用方法：短時自相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù) AMDF。利用時域特性檢測利用時域特性檢測三、 LPC聲碼器的工作原理85 設(shè) sw(n)是一段加窗的語音信號，它的非零區(qū)域為：n = 0?N1。 s(n)語音輸入信號， w(n)是加權(quán)窗，一般取矩形窗或哈明窗。三、 LPC聲碼器的工作原理1. 基于求短時自相關(guān)函數(shù)的基音周基于求短時自相關(guān)函數(shù)的基音周期估計期估計86三、 LPC聲碼器的工作原理 sw(n)的自相關(guān)函數(shù)稱為語音信號 s(n)的短時自相關(guān)函數(shù)，用 Rw(l)表示。 如果 s(n)是濁音，其短時自相關(guān)函數(shù) Rw(l)呈現(xiàn)出明顯的周期性，其周期等于 s(n)的基音周期?；糁芷诰褪堑谝粋€峰值點到零點之間的距離。87三、 LPC聲碼器的工作原理88 設(shè) sw(n)是一段加窗的語音信號，它的非零區(qū)域為：n = 0 ? N1。 sw(n)的短時平均幅度差函數(shù) rw(l)定義為：三、 LPC聲碼器的工作原理（基于短時平均幅度差函數(shù)（ AMDF）的基音周期估計）的基音周期估計89三、 LPC聲碼器的工作原理如果 s(n)是濁音，其 AMDF也呈現(xiàn)出明顯的周期性，其周期等于 s(n)的基音周期。與 Rw(l)不同的是在基音周期的各個整數(shù)倍點上， rw(l)具有谷值而非峰值，要通過尋找最深谷值點的位置來確定基音周期。 90周期性語音信號短時自相關(guān)函數(shù)和 AMDF示例三、 LPC聲碼器的工作原理91AMDF方法計算簡單，只需減法和取幅度運算，不需要乘法運算。AMDF的動態(tài)范圍較小，易于算法的定點實現(xiàn)。AMDF在基音周期點上，它的谷點銳度較之短時自相關(guān)函數(shù)的峰點銳度更尖銳，估值精度更高、更穩(wěn)健。但信號不夠平穩(wěn)時，這個特點不明顯。短時自相關(guān)函數(shù)法的特點是對相位不敏感，在信號有相位失真時能較好地檢測基音。三、 LPC聲碼器的工作原理92 窗長 為了使較好地反映 sw(n)的周期性，窗長 N 至少應(yīng)大于兩個基音周期，一般取長度為 1030ms。 克服共振峰特性造成的干擾 由于共振峰的干擾，會出現(xiàn) Rw(l)的第一最大峰值點或rw(l)的第一最深谷值點與基音周期不一致的情況，當(dāng)基音周期性和共振峰周期性混在一起時，檢測出來的周期可能是 Np?Nf（ Np是基音周期， Nf是第一共振峰的周期） 。 三、 LPC聲碼器的工作原理4. 討論討論93克服上述干擾有兩種方法克服上述干擾有兩種方法 :a. 用低通濾波器（ 60Hz?900Hz）對語音信號進行濾波，去除大部分共振峰的影響，基音頻率最高約 450Hz，濾波后可以保留其一、二次諧波。b. 先對語音信號進行非線性變換（例如 “ 中心削波 ” ），然后再求 Rw(l)或 rw(l)，這樣可以明顯地改善基音估計的效果，基音周期點上，峰值點或深谷值點比削波前得到的要尖銳、突出。 三、 LPC聲碼器的工作原理94產(chǎn)生語音信號產(chǎn)生語音信號 s(n)的參量的參量 清 /濁音類型； 基音周期 TP； 代表聲道的時變?yōu)V波器的系數(shù) {aj}及濾波器階數(shù) p； 增益系數(shù) G；說明 ： 根據(jù)語音信號慢變化的特點，可以每隔 1030ms左右預(yù)測一次上述各參數(shù)的值。即以每 1030ms為一幀傳送一次參數(shù)樣值的編碼，并不傳送話音樣值的編碼，因此比特速率低得多。二、語音信號的產(chǎn)生模型95清濁音判決濾波器參數(shù)分析Ga1?ap量 化 編 碼 器U/V解 碼 器Ga1?apTPU/V激勵信號產(chǎn)生合成濾波器信道基音周期提取TPs(n)預(yù)加重加窗s(n)LPC聲碼器的原理框圖三、 LPC聲碼器的工作原理96 對于加窗的語音信號 sw(n)，當(dāng)窗的起點 n = 0 時，語音信號 sw(n)的短時能量用 E 表示，短時平均幅度用 M 表示，計算公式如下：三、 LPC聲碼器的工作原理 濁音、清音及無聲的判別 根據(jù)語音信號的短時能量、短時平均幅度和短時過零率來判斷當(dāng)前幀的語音信號是濁音、清音，還是無聲。97 語音信號的過零率用 Z 表示，它表示一幀語音信號中波形穿過橫軸（零電平）的次數(shù) 。它可以用相鄰兩個取樣改變符號的次數(shù)來計算：三、 LPC聲碼器的工作原理98 濁音 （ V） 的 M 最大而 Z 最低，當(dāng)采樣率為 8kHz，幀長為 20ms 時， Z 的平均值約為 20； 清音 （ U） 的 M 居中而 Z 最高，當(dāng)采樣率為 8kHz，幀長為 20ms時， Z 的平均值約為 70； 無聲 （ S） 的 M 最低而 Z 居中。判斷當(dāng)前幀是濁音、清音、無聲的依據(jù)如下：判斷當(dāng)前幀是濁音、清音、無聲的依據(jù)如下：三、 LPC聲碼器的工作原理99三、 LPC聲碼器的工作原理 在 S、 U、 V三種情況下，短時平均幅度 M 和短時過零率 Z 的條件概率密度函數(shù)示意圖通道聲碼器通道聲碼器發(fā)送端通過若干個并聯(lián)的通道對語音信號進行粗略的頻譜估計接收端產(chǎn)生的信號其頻譜與發(fā)送端所規(guī)定的頻譜相匹配。濾波器組隊頻帶的劃分不均勻，低頻帶的帶寬窄，高頻段的帶寬寬主要缺點：需要進行基音檢查和清濁音的判決，精確性較差。通道數(shù)量有限，造成信號頻譜畸變共振峰聲碼器共振峰聲碼器對整體的語音信號進行分析，提取信號中的共振峰的位置、幅度、帶寬等參數(shù)，構(gòu)成對應(yīng)清音和濁音的兩個聲道濾波器。與通道聲碼器相比，共振峰聲碼器合成的語音質(zhì)量較好，而且比特率可以壓縮的更低104四、 LPC10聲碼器復(fù)習(xí)：復(fù)習(xí)： LPC聲碼器的工作原理聲碼器的工作原理清濁音判決濾波器參數(shù)分析Ga1?ap量 化 編 碼 器U/V解 碼 器Ga1?apTPU/V激勵信號產(chǎn)生合成濾波器信道基音周期提取TPs(n)預(yù)加重加窗s(n)105 LPC10聲碼器概況 LPC10聲碼器采用 10階線性預(yù)測分析濾波器，編碼速率為 ，被美國在 1981年作為聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn) FS1015用于窄帶保密通信。其語音質(zhì)量清晰可懂，但抗噪聲的能力和自然度尚有欠缺。 四、 LPC10聲碼器106四、 LPC10聲碼器 LPC10編碼器低通濾波 A/D變換 預(yù)加重 計算分析相位基音分析存儲器低通濾波器清 /濁檢測基音及清 /濁校正2階逆濾波AMDF基音提取V/UV數(shù)字語音出并變串及同步產(chǎn)生 誤差校正的映射 參數(shù)編碼基音周期預(yù)測器分析存儲器計算RMS計算預(yù)測參數(shù)2幀參數(shù)存儲器2幀參數(shù)存儲器RMSRC107 LPC10編碼器的特點編碼器的特點（（ 1）采樣）采樣 采樣率 8kHz，每個樣本量化為 12bit得到數(shù)字化語音，每 180個樣點分為一幀（ ），以幀為處理單元。四、 LPC10聲碼器預(yù)加重的目的是加強語音譜中的高頻共振峰，使語音短時譜以及線性預(yù)測分析中的余數(shù)（殘差）頻譜變得更為平坦，從而提高了譜參數(shù)估值的精確性。（（ 2）預(yù)加重）預(yù)加重 在提取聲道參數(shù)之前，先進行預(yù)加重（高頻提升）處理，預(yù)加重濾波器的傳輸函數(shù) Hpw(z)為：108傳輸函數(shù) Hpw(z)的幅頻和相頻特性四、 LPC10聲碼器0 1000 2023 3000 4000 5000 6000 7000 800010050050100Frequency (Hertz)Phase (degrees)0 1000 2023 3000 4000 5000 6000 7000 8000302010010Frequency (Hertz)Magnitude Response (dB)109 （（ 3）聲道濾濾器參數(shù)）聲道濾濾器參數(shù) RC 該編碼方案中采用協(xié)方差法計算預(yù)測系數(shù) {ai},i = 1, ? , P， P=10。預(yù)測系數(shù)不適于直接量化，因為它的微小變化會導(dǎo)致 LP綜合濾波器極點位置很大的變化，很可能造成濾波器不穩(wěn)定，為了保證濾波器的穩(wěn)定性，要求有相當(dāng)高的量化精度（每個系數(shù)需要 8— 10bits ）。 四、 LPC10聲碼器110四、 LPC10聲碼器 為了降低量化比特數(shù)，采用了在數(shù)學(xué)上完全等價的 P個反射系數(shù) (RC： Reflection Coefficient) {ki}, i = 1, ? , P代替預(yù)測系數(shù)進行量化編碼。濾波器穩(wěn)定的條件是參數(shù)