语音信号处理第3章 语音信号分析方法
第三章-语音信号的特征分析讲解讲解学习
Magnitude (dB)
40 20
0 -20 -40 -60 -80 -100
0 50
Frequency domain
0.2
Fre0q.u4ency do0m.6ain
0.8
Normalized Frequency ( rad/sample)
0
-50
-100
-150 0
40 30 20 10
0 -10 -20
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
rectangular hamming hanning bartlett
50
100
150
200
250
❖ 几种不同的窗函数波形与频谱的比较
1
Hamming 0.8 哈明窗 0.6
Amplitude
0.4
0.2
0
1
Hanning 0.8
汉宁窗
0.6
Amplitude
0.4
0.2
0
1
矩形窗
0.8
Amplitude
0.6
0.4
0.2
0
Time domain
10
20 Tim3e0domain40
50
60
Samples
10
20 Tim3e0domain40
50
60
Samples
10
20
30
40
50
பைடு நூலகம்
60
Samples
Magnitude (dB)
Magnitude (dB)
帧和加窗的概念
❖ 短时分析将语音流分为一段一段来处理，每一段称 为一“帧”；
语音信号处理
语音信号处理语音信号处理是对语音信号进行分析、处理和合成的一种技术。
随着和语音识别技术的快速发展，语音信号处理变得越来越重要。
本文将详细介绍语音信号处理的基本概念、常用技术和应用领域。
基本概念语音信号是指人类通过声音来交流的方式。
语音信号通常采用模拟信号的形式，通过麦克风传感器转换为数字信号，然后使用数字信号处理技术进行分析和处理。
语音信号的特点包括频率、幅度和时域特性。
常用技术预处理语音信号预处理是指在进行语音信号分析和处理之前，对原始语音信号进行预处理以提取和增强感兴趣的特征。
常用的预处理技术包括去噪、滤波、降低共振、归一化等。
特征提取特征提取是从语音信号中提取有用信息的过程，目的是将语音信号转化为可以被机器学习算法处理的形式。
常用的特征包括声谱图、梅尔倒谱系数（MFCC）、线性预测编码（LPC）等。
语音识别语音识别是将语音信号转化为文字或命令的过程。
常用的语音识别技术包括基于模板的方法、隐马尔可夫模型（HMM）、深度学习等。
语音合成语音合成是将文字转化为语音信号的过程。
常用的语音合成技术包括基于拼接的方法、隐马尔可夫模型（HMM）、深度学习等。
应用领域语音信号处理在许多领域中起着重要作用，以下是几个主要应用领域的例子：语音识别系统语音识别系统可以用于实现语音自动接听、语音搜索等应用。
这些系统通过对输入语音信号进行处理和分析，将其转化为文字或命令。
语音合成系统语音合成系统可以将文字转化为语音，实现自动语音播报、电子书朗读等功能。
这些系统通过将输入文本处理和合成为语音信号。
声纹识别系统声纹识别系统通过对语音信号进行处理和分析，将其转化为声纹特征，用于实现语音身份认证等应用。
噪声抑制噪声抑制是指对含噪声的语音信号进行处理，去除噪声以提高语音信号的质量。
语音压缩语音压缩是将语音信号进行压缩，以减小存储空间和传输带宽的需求。
语音压缩技术可以用于语音通信、语音存档等应用。
语音信号处理是一项重要的技术，它在语音识别、语音合成和其他领域中有广泛的应用。
《语音数字信号处理》课程介绍与教学大纲
《语音数字信号处理》课程简介课程编号：06044008课程名称：语音数字信号处理/ Speech Digital Signal Processing学分：2学时：32 （实验：0 上机：0 课外实践：0 ）适用专业：电子信息工程建议修读学期：7开课单位：电气与信息工程学院电子信息与通信工程系先修课程：《数字信号处理》、《MATLAB及应用》、《随机信号处理》考核方式与成绩评定标准：作业、考试（闭卷）教材与主要参考书目：主要教材：《语音信号处理》主编：赵力机械工业出版社2011-6T参考书目：《离散时间语音信号处理》主编：夸特尔瑞电子工业出版社2004-87内容概述：《语音数字信号处理》是电子信息工程专业本科生的专业必修课程。
它系统地介绍了语音信号处理涉及的主要内容和方法，讲述语音信号的应用前景、语音信号处理流程及流程中涉及到的相关知识点，每个知识点通过案例仿真讲述其应用的结果。
主要内容分四部分：（1）基础部分：语音信号基础知识、人的发音原理、人的听觉原理、语音的数学模型；（2）语音信号分析方法：时域分析、频域分析、同态处理和线性预测分析；（3）语音信号涉及的新技术：矢量量化和隐马尔可夫模型；（4）语音的四个方面应用：语音编码、语音识别、语音合成和语音增强；通过《语音数字信号处理》学习，使学生掌握语音信号发音和听觉原理、语音信号的数字模型; 语音的时域、频域、倒谱、线性预测的分析方法；矢量量化；隐马尔可夫模型；语音波形编码、参数编码、混合编码；语音的合成；语音识别和语音增强的原理和技术，为学生毕业后从事语音处理工作和进一步研究相关课题打下一定的基础。
《嵌入式系统及应用》教学大纲课程编号：06044008课程名称：语音数字信号处理/ Speech Digital Signal Processing学分：2学时：32 （实验：0 上机：0 课外实践：0 ）适用专业：电子信息工程建议修读学期：7开课单位：电气与信息工程学院电子信息与通信工程系先修课程：《数字信号处理》、《MATLAB及应用》、《随机信号处理》一、课程性质、目的与任务《语音数字信号处理》是电子信息工程专业本科生的专业必修课程。
语音信号处理课件__第03章时域分析
x
xmax
)
(3-11)
3.1 语音信号的短时处理方法 脉冲编码调制
若是xmax取为4倍方差(δx)
SNRdB 6.02B 7.27
取样之位数 8 16 24
(3-12)
数字信号的信噪比 41 dB 89 dB 137 dB
3.1 语音信号的短时处理方法 脉冲编码调制
一个数字信号取样之后，变成离散时间信号，接下来就是要用数字 方式来表示这个离散时间信号上的每个取样值。 一个电位波形会有固定的电压范围，一个取样值可以是在此电压范 围内的任何电位。如果只能用固定数目的位来表示这些取样值，那 么这些二进数字就只能代表固定的几个电位值，这个转换就是量化 (quantization)，而转换之后只允许存在的几个电位值就是量化阶 数(quantization level)。 执行量化转换的硬件电路，就是量化器（quantizer)。以二进数字 表示的信号就是数字信号(digital signal)，而这种将信号波形转 变成二进数字的方法，就叫脉冲编码调制(pulse code modulation, PCM)。
3.1 语音信号的短时处理方法
预处理 平滑滤波器：D/A后面的低通滤波器是平滑滤 波器，对重构的语音波形的高次谐波起平滑 作用，以去除高次谐波失真。 预加重：
现象:由于语音信号的平均功率谱受声门激励和口 鼻辐射的影响，高频端大约在800 Hz以上按6dB/ 倍频程跌落，为此要在预处理中进行预加重。 目的:提升高频部分，使信号的频谱变得平坦，以 便于进行频谱分析或声道参数分析。 位置:预加重可在A/D变换前的反混叠滤波之前进行， 这样不仅能够进行预加重，而且可以压缩信号的动 态范围，有效地提高信噪比。
东南大学语音信号处理期末考试复习总结(全面)
语音信号处理是研究数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门科学语音：是声音和语言的结合体，是一连串的音组成的语言的声音。
人的说话过程：想说，说出，传送，接收，理解。
句法的最小单位是单词，词法的最小单位是音节。
语音特征：音色，音调，音强，音长。
语音音素：元音和辅音。
辅音包括浊音（声带振动）和清音共振峰：元音激励进入声道时引起共振特性，产生一组共振频率。
基音频率：浊音的声带振动的基本频率。
汉语是一种声调语言，声调具有辩义作用。
声调的变化就是浊音基音周期的变化。
汉语音节的一般结构：声带，韵母，声调对发音影响最大的是声带。
基音周期：声带每开启和闭合一次的时间，倒数就是基音频率。
语音听觉系统：耳：内耳（将机械信号转化为神经信号），中耳（声阻抗变换），外耳（声源定位和声音放大）。
掩蔽效应：在一个强信号附近，弱信号将变得不可闻。
被掩蔽掉的不可闻信号的最大声压级称为掩蔽门限或掩蔽阈值。
掩蔽效应:同时掩蔽和短时掩蔽。
同时掩蔽：存在一个弱信号和一个强信号频率接近，强信号会提高弱信号的听阀，当弱信号的听阀被升高到一定程度就会导致这个弱信号弱不可闻。
短时掩蔽：当A声和B声不同时存在时也存在掩蔽作用，称为短时掩蔽。
语音信号生成的数学模型：激励模型（一般分为浊音激励和清音激励），声道模型（一般分为声管模型和共振峰模型，共振峰模型又分为三种：级联，并联，混合型），辐射模型。
浊音激励模拟成是一个以基音周期为周期的斜三角脉冲串。
可以把清音模拟成随机白噪声。
完整的语音信号的数学模型的传输函数H(z) = AU(z)V(z)R(z).一阶高通形式的R(z)=R0(1-z^(-1)) 把和时序相关的傅里叶分析的显示图形称为语谱图。
语谱图是一种三维频谱，它是表示语音频谱随时间变化的图形。
第三章：语音信号分析1.参数性质不同：时域，频域，倒频域。
分析方法：模型分析法（根据语音信号产生的数学模型来分析和提取表征这些模型的特征参数）和非模型分析法（时域，频域，倒频域）。
语音信号处理期末考试复习题
《语音信号处理》期末考试复习资料（涉及考点的教材课后复习题）授课教师：薛雅娟老师整理人：通信161班梁雨（第2-5章）通信161班左自睿（第6-10章）根据成都信息工程大学通信工程学院选修课《语音信号处理》期末考试范围，整理成期末考试的复习资料以供学弟学妹们参考。
所有权归属成都信息工程大学。
在此衷心感谢薛老师平时悉心地教育指导。
整理人均系在读本科学生，水平有限，错误与不足之处在所难免，敬请大家见谅，欢迎批评、斧正。
第二章：语音信号处理的基础知识人耳听觉的掩蔽效应分为哪几种？掩蔽效应的存在对我们研究语音信号处理系统有什么启示？答：分为同时掩蔽和短时掩蔽。
同时掩蔽是指同时存在的一个弱信号和一个强信号频率接近时，强信号会提高弱信号的听阈，当弱信号的听阈被升高到一定程度时就会导致这个弱信号变得不可闻。
当A声和B声不同时出现时也存在掩蔽作用，称为短时掩蔽。
短时掩蔽分为前向掩蔽和后向掩蔽。
语音信号的数学模型包括哪些子模型？激励模型是怎样推导出来的？辐射模型又是怎样推导出来的？它们各属于什么性质的滤波器？答：①激励模型②声道模型③辐射模型④完整的语音信号的数学模型激励模型一般分成浊音激励和清音激励。
浊音激励：发浊音时，声激励是一个准周期的单位脉冲串，Av为增益参数；为了使浊音的激励信号具有声门振动气流脉冲的实际波形，需将冲激序列通过一个声门脉冲模型滤波器（实际上是一个斜三角波形）G(z)。
最后形成一个以基音周期为周期的斜三角波形。
清音激励模拟为随机噪声，实际中一般使用均值为0、方差为1的白噪声。
辐射模型：从声道模型射出的是速度波ul(n)，而语音信号是声压波pl(n)，二者之倒比称为辐射阻抗Zl。
在语音信号参数分析前为什么要进行预处理，有哪些预处理过程？答：预滤波的目的有两个：一是抑制输入信号各频域分量中频率超出fs/2的所有分量（fs为采样频率），以防止混叠干扰；二是抑制50Hz的电源工频干扰。
预处理过程：预加重、加窗和分帧。
第3讲语音信号处理第3
其中，
xn (m) (m)x(n m), (0 k K )
(m)
1, 0,
m 0 ~ (N 1) m 其它值
x'n (m) '(m)x(n m), (0 k N 1 K)
'
(m)
1, 0,
m 0 ~ (N 1 K) m 其它值
2．修正的短时自相关函数
图3-7 修正短时自相关函数计算中窗口长度的说明
N 1
M n xn (m) m0
❖ Mn也是一帧语音信号能量大小的表征，它与En的区别在于 计算时小取样值和大取样值不会因取平方而造成较大差异， 在某些应用领域中会带来一些好处。
短时过零率分析
❖ 短时过零率表示一帧语音中语音信号波形穿过横轴(零电平) 的次数。过零分析是语音时域分析中最简单的一种。对于连 续语音信号，过零即意味着时域波形通过时间轴；而对于离 散信号，如果相邻的取样值改变符号则称为过零。过零率就 是样本改变符号的次数。
3.1 概述
❖ 语音信号分析 分析出可表示语音信号特征参数
进行高效的语音通信、语音合成和语音识别的基础 时域特征 频率特征
❖ 短时分析技术：贯穿于语音分析全过程 语音信号从整体来看其特征及表征其本质特征的参数均是
随时间而变化的，所以它是一个非平衡态过程，不能用处理 平衡信号的数字信号处理技术对其进行分析处理。
(m)
1, 0,
m 0 ~ (N 1) m 其它值
❖ 其中，n=0,1T,2T,…,并且N为帧长，T为帧移长度。
❖ 设第n帧语音信号xn(m)的短时能量用En表示，则其计算公 式如下：
N 1
En xn2 (m) m0
短时能量及短时平均幅度分析
❖ En是一个度量语音信号幅度值变化的函数，但它有一个缺陷， 即它对高电平非常敏感（因为它计算时用的是信号的平方)。 为此，可采用另一个度量语音信号幅度值变化的函数，即短 时平均幅度函数Mn，它定义为：
语音信号处理PPT_第三章_语音信号分析
① ②
③
应用： 区分清音和浊音； 从背景噪声中找出语音信号，判断寂静无声段和有声段的起点和 终点位置； 当语音以某些音位开始或结尾时（弱摩擦音、弱爆破音、鼻音 等），过零率和短时平均能量一起结合使用，更为有效。
短时过零率分析
实际问题： 如果输入信号中包含有50Hz的工频干扰或者A/D转换器的工作点有 偏移（等效于输入信号有直流偏移），计算的过零率参数很不精 确。 解决方法： ① A/D转换器前的防混叠带通滤波器低端截止频率应高于50Hz，有 效抑制电源干扰。 ② 采用低直流漂移器件，也可以算出每一帧的直流分量并加以滤除。
3.2 数字化和预处理
语音信号的数字化一般包括放大及增益控制、反混叠滤波、 采样、A/D变换及编码（一般就是PCM码）；如下图：
语音信号 带通滤 波器 自动增益控制 （AGC） 存入计算机 模/数转换 （A/D） 脉冲编码 调 制 （ PCM ）
预处理一般包括预加重、加窗和分帧等。 分析和处理之前必须把要分析的要分析的语音信号部分从输 入信号中找出来，叫做语音信号的端点检测。
有时窗口长度的选择，更重要的是要考虑语音信号的基音周期。 通常认为在一个语音帧内应包含1～7个基音周期。然而不同人的 基音周期变化很大，所以N的选择比较困难。通常在10kHz取样频率 下，N折中选择为100～200点为宜(即10～20ms持续时间)。
3.3 语音信号的时域分析
语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数。 应用范围：常用于最基本的参数分析及应用，如语音的分割、预 处理、大分类等。 特点： ①表示语音信号比较直观、物理意义明确。 ②实现起来比较简单、运算量少。 ③可以得到语音的一些重要的参数。 ④只使用示波器等通用设备，使用较为简单等。
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0.54 0.46cos[2 n / ( N 1)], 0 n N 1 w(n ) 0, n else
不同窗函数的形状差别比较大，因此对于短时分析参 数的特性影响很大。选择合适的窗口可使短时参数更 好地反映语音信号的特性变化。此外，窗函数的长度 也是一个关键参数。
*窗口的长度
1 f Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱs
频率分辨率和时间分辨率是矛盾的，应该根据不同的需要 选择合适的窗口长度。
对于时域分析来讲，如果N很大，则它等效于很窄的低通 滤波器，语音信号通过时，反映波形细节的高频部分被阻 碍，短时能量随时间变化很小，不能真实的反映语音信号 的幅度变化；反之，N太小时，滤波器的通带变宽，短时 能量随时间有急剧的变化，不能得到平滑的能量函数。
(a)矩形窗 1
幅度
0.5 0 0 1 5 10 15 (b)汉宁窗 20 25 30
幅度
0.5 0 0 1 5 10 15 (c)汉明窗 20 25 30
幅度
0.5 0 0 5 10 15 点数 20 25 30
*窗口的形状 虽然不同的短时分析方法以及求取不同的语音特 征参数可能对窗函数的要求不尽一样，但一般来 讲，一个好的窗函数的标准是： 在时域，由于是语音波形乘以窗函数，所以要减 小时间窗两端的坡度，使窗口边缘两端不引起急 剧变化而平滑过渡到零，从而以使截取出的语音 波形缓慢降为零，减小语音帧的截断效应；在频 域，窗函数要有较宽的3dB带宽以及较小的边带 最大值。
8 4 / N
窗函数的频率响应： 1）矩形窗： 2）海宁窗：
WR ( w) e jwnT
n 0
N 1
sin( NwT / 2) jwT ( N 1)/2 e sin( wT / 2)
2 2 ) WR ( w )] N 1 N 1
WHan ( w) 0.5 WR ( w) 0.25 [WR ( w
消除方法：直流分量的消除比较简单，即减去语音信号的 平均项即可。而对于线性趋势项或多项式趋势项，常用的 消除趋势项的方法是用多项式最小二乘法。在MATLAB里 自带有消除线性趋势项的函数detrend。
用一个多项式函数 表示语音信号中的趋势项：
ˆk a0 a1k a2 k 2 am k m a j k j (k [1, n ]) x
窗口长度的选择更重要地是要考虑语音信号的基音周期。 通常认为在一个语音帧内应包含1~7个基音周期。
3.2.2 消除趋势项和直流分量
(a)带趋势项的语音信号 1 0.5
幅值
0 -0.5 带趋势项的语音信号 -1 -1.5 0 0.5 1 1.5 时间/s (b)消除趋势项的语音信号 趋势项信号 2 2.5
j 0 m
令函数 与离散数据 的误差二次方和为最小，即
ˆ k xk ) 2 ( a j k j x k ) 2 E ( x
k 1 k 1 j 0 n n m
依次对 ai求偏导，可得 m+1 元线性方程组
a j k
k 1 j 0
n
m
j i
xk k i 0
3）汉明窗： 2 2 WHam ( w) 0.54 WR ( w) 0.23 [WR ( w ) WR ( w )] N 1 N 1 性能对比
窗类型 旁瓣峰值 主瓣宽度 最小阻带衰减 -13 4π/N -21 矩形窗 -31 8π/N -44 汉宁窗 -41 8π/N -53 汉明窗
由此可知，当 时的趋势项为信号采样数据的算术平均值， 即是直流分量。消除常数趋势项的计算公式为
ˆ k xk a 0 y k xk x
n n 当 m=1时为线性趋势项，有 n 0 0 a k a k x k 0 1 k 0 k 1 k 1 k 1 n n n 2 a k ak x k 0 0 1 k k 1 k 1 k 1
0.4 0.2
幅值
0 -0.2 -0.4 0
0.5
1 时间/s
1.5
2
2.5
产生原因：由于测试系统的某些原因在时间序列中会产生 的一个线性的或者慢变的趋势误差，例如放大器随温度变 化产生的零漂移，传声器低频性能的不稳定或传声器周围 的环境干扰，总之使语音信号的零线偏离基线，甚至偏离 基线的大小还会随时间变化。零线随时间偏离基线被称为 信号的趋势项。
k 1
n
i [0,m]
通过解方程组求出m+1 个待定系数 ai 。
在实际语音信号数据处理中，通常取m=1~3来对采样数据进 行多项式趋势项消除的处理。
当m=0 时求得的趋势项为常数，有
0 a k x k 0 k 0 0 k 1 k 1 n n
解方程得
1 n a0 xk n k 1
第3章
语音信号分析方法
概述
语音信号预处理 时域分析
频域分析
倒谱分析
线性预测分析
3.1
概述
贯穿于语音分析全过程的是“短时分析技术”。语音信号
从整体来看其特性及表征其本质特征的参数均是随时间而 变化的，所以它是一个非平稳态过程。但是，由于不同的 语音是由人的口腔肌肉运动构成声道某种形状而产生的响 应，而这种口腔肌肉运动相对于语音频率来说是非常缓慢 的。因此，语音信号具有短时平稳性。 任何语音信号的分析和处理必须建立在“短时”基础上， 将语音信号分为一段一段来分析其特征参数。通常，每一 段被称为一“帧”，帧长一般取10~30ms。此时，对于整 体的语音信号来讲，分析出得到的参数应该是由每一帧特 征参数组成的特征参数时间序列。
xn ( m ) w( m ) x ( n m )
常用加窗函数： 1）矩形窗： 2）海宁窗： 3）汉明窗：
1, w(n ) 0,
0 n N 1 n else 0 n N 1 n else
0.5(1 cos(2 n / ( N 1))) w(n ) 0
3.2
3.2.1 分帧与加窗
语音信号预处理
分帧虽然可以采用连续分段的方法，但一般采用交叠分段的 方法。前一帧和后一帧的交叠部分称为帧移。帧移与帧长的 比值一般取为0～1/2。分帧是用可移动的有限长度窗口进行 加权的方法来实现的，即用一定的窗函数来乘以语音信号。
3.2.1 分帧与加窗
加窗信号的表示形式：