语音倒谱分析
基于MATLAB的语音倒谱分析
基于MATLAB的语音倒谱分析语音倒谱分析是一种通过对语音信号进行倒谱变换来提取语音特征的方法。
MATLAB作为一种常用的科学计算软件，具有丰富的信号处理工具箱，可以用于实现语音倒谱分析。
语音倒谱分析的基本原理是将语音信号分解为一系列频率低通滤波器的输出，然后对滤波器输出进行离散傅立叶变换（DFT），得到倒谱系数。
倒谱系数反映了语音信号的频谱特征，可用于语音识别、语音合成、语音增强等应用。
在MATLAB中进行语音倒谱分析的步骤如下：1. 读取语音信号：使用`audioread`函数读取语音文件，得到语音信号的波形数据和采样率。
例如：```matlab[x, fs] = audioread('speech.wav');```2. 预处理语音信号：通常需要对语音信号进行预处理，例如去除噪声、端点检测等。
这可以使用MATLAB的信号处理工具箱实现。
例如，使用`medfilt1`函数对语音信号进行中值滤波去噪：```matlabx = medfilt1(x, 3); % 使用中值滤波去噪```3. 分帧：将语音信号分为若干帧，每帧包含N个采样点。
通常选择帧长为20-40毫秒左右，帧移为10-20毫秒。
可以使用`buffer`函数实现：```matlabframeLength = round(fs * 0.025); % 帧长为25msframeShift = round(fs * 0.01); % 帧移为10msframes = buffer(x, frameLength, frameLength-frameShift,'nodelay');```4. 加窗：对每一帧的数据应用窗函数，以减小频谱泄漏效应。
常用的窗函数有汉明窗（hamming window）和黑曼窗（hanning window）。
可以使用`hamming`或`hanning`函数实现：```matlabwindow = hamming(frameLength); % 汉明窗```5. 计算功率谱：对窗函数加权的每一帧信号进行离散傅立叶变换（DFT），得到每帧的功率谱。
语音识别的特征提取方法
语音识别的特征提取方法语音识别技术是指通过计算机技术将人的语音信息转化为可识别和理解的文本或指令的过程。
而在实现语音识别的过程中，特征提取是其中至关重要的一步。
本文将介绍一些常用的语音识别特征提取方法。
1. 短时能量和过零率特征短时能量指的是在一段时间内短时信号的能量大小，它可以用来描述信号的音量大小。
过零率是信号穿过零点的次数，可以用来描述信号的频率特性。
短时能量和过零率特征可以用来区分不同音频信号的语音信息。
2. 梅尔频率倒谱系数（MFCC）MFCC被广泛应用于语音识别领域。
它首先将声音信号通过傅里叶变换转换为频域信号，然后将频域信号转换为梅尔倒谱系数。
MFCC特征具有良好的频率表示能力和语音识别性能。
3. 线性预测编码系数（LPC）LPC是一种常用的短时语音信号建模方法，通过对语音信号进行分帧处理，利用线性预测分析法得到线性预测滤波器的系数。
LPC特征可以表示语音信号中的共振特性，用于说明语音信号的声道特性。
4. 倒谱谱分析（LPCC）LPCC是在LPC基础上进一步改进的一种特征提取方法。
它通过对信号的小波包分解来提取倒谱系数，具有更好的频率表示能力和高分辨率。
5. 线性离散预测（LDA）LDA是一种经典的特征降维方法，被广泛应用于语音识别任务中。
它通过最大化类内散度和最小化类间散度的方式将高维特征映射到低维空间，以提高分类效果和减少计算复杂度。
6. 隐马尔科夫模型（HMM）HMM是一种概率模型，用于描述序列数据中的潜在状态和状态之间的转移关系。
在语音识别中，HMM被广泛用于建模语音的时域演化过程，同时结合上述特征提取方法，实现对语音信号的自动识别。
总结起来，语音识别的特征提取方法包括短时能量和过零率特征、MFCC、LPC、LPCC、LDA以及HMM等。
这些方法在实际应用中相互结合，共同构建一个准确、高效的语音识别系统。
随着深度学习等技术的发展，也出现了一些基于神经网络的特征提取方法，如深度神经网络和循环神经网络等。
语音信号的倒谱分析
因为
ˆ X ' (Z ) X ' (Z ) X (Z )
求复倒谱的一种有效的递推算法
ˆ Z[nx(n)] Z (nx(n))Z[ x(n)]
ˆ n( x(n)) {nx(n)} x(n)
n 1
l ˆ ˆ x(n) ( ) x(l ) x(n l ) x(n) x(0) l 0 n 可推导出： ˆ x ( n)
i 1
P
ˆ e(n) s(n) s(n) s(n) ai s(n i) ai s(n i)
i 1 i 0
P
P
线性预测原理
线性预测是目前分析语音信号的最有效的方法之一，分 析的结果是得到一组信号的全极点模型参数，所以又称 为信号参数模型法。 这个方法的基本思想是将被分析信号模型化，即用有限 数目的模型参数来描述信号中的信息，具体来说，将被 分析信号s(n)视为某系统（即模型）的输出，而系统的 输入，在s(n)为确定性信号是采用单位取样序列。在s(n) 为随机信号是采用白噪声序列。
Linear
Prediction
1947年维纳提出； 1967年板仓等人应用于语音分析与合成；
语音信号处理与分析的核心技术
提供了预测功能；
提供了声道模型和声道模型的参数估计方法；
基本思想：
语音样本之间存在相关性，一个语音信号的样本可 以用过去若干个样本的线性组合来逼近；
ˆ s ( n) a i s ( n i )
g jZ
j 0
Q
j
, A( Z ) ai Z i
i 0
P
g j 和ai都是实数，且a0 1。如果能有一种算法，可能根据已知的s (n) 正确的估计出这些参数，那么未知的系统V(Z)便可求得。由于 E ( Z )V ( Z ) S ( Z ),根据V ( Z )和S ( Z )便可以求得E(Z)，从而全部解决 解卷的的问题。
一些常用的语音特征提取算法
⼀些常⽤的语⾳特征提取算法前⾔语⾔是⼀种复杂的⾃然习得的⼈类运动能⼒。
成⼈的特点是通过⼤约100块肌⾁的协调运动，每秒发出14种不同的声⾳。
说话⼈识别是指软件或硬件接收语⾳信号，识别语⾳信号中出现的说话⼈，然后识别说话⼈的能⼒。
特征提取是通过将语⾳波形以相对最⼩的数据速率转换为参数表⽰形式进⾏后续处理和分析来实现的。
因此，可接受的分类是从优良和优质的特征中衍⽣出来的。
Mel频率倒谱系数(MFCC)、线性预测系数(LPC)、线性预测倒谱系数(LPCC)、线谱频率(LSF)、离散⼩波变换(DWT)和感知线性预测(PLP)是本章讨论的语⾳特征提取技术。
这些⽅法已经在⼴泛的应⽤中进⾏了测试，使它们具有很⾼的可靠性和可接受性。
研究⼈员对上述讨论的技术做了⼀些修改，使它们更不受噪⾳影响，更健壮，消耗的时间更少。
总之，没有⼀种⽅法优于另⼀种，应⽤范围将决定选择哪种⽅法。
本⽂主要的关键技术：mel频率倒谱系数(MFCC)，线性预测系数(LPC)，线性预测倒谱系数(LPCC)，线谱频率(LSF)，离散⼩波变换(DWT)，感知线性预测(PLP)1 介绍⼈类通过⾔语来表达他们的感情、观点、观点和观念。
语⾳⽣成过程包括发⾳、语⾳和流利性[1,2]。
这是⼀种复杂的⾃然习得的⼈类运动能⼒，在正常成年⼈中，这项任务是通过脊椎和颅神经连接的⼤约100块肌⾁协调运动，每秒发出⼤约14种不同的声⾳。
⼈类说话的简单性与任务的复杂性形成对⽐，这种复杂性有助于解释为什⼳语⾔对与神经系统[3]相关的疾病⾮常敏感。
在开发能够分析、分类和识别语⾳信号的系统⽅⾯已经进⾏了⼏次成功的尝试。
为这类任务所开发的硬件和软件已应⽤于保健、政府部门和农业等各个领域。
说话⼈识别是指软件或硬件接收语⾳信号，识别语⾳信号中出现的说话⼈，并在[4]之后识别说话⼈的能⼒。
说话⼈的识别执⾏的任务与⼈脑执⾏的任务类似。
这从语⾳开始，语⾳是说话⼈识别系统的输⼊。
⼀般来说，说话⼈的识别过程主要分为三个步骤:声⾳处理、特征提取和分类/识别[5]。
倒谱分析
图
图
图
（2).倒频谱的应用
分离信息通道对信号的影响
图2.26对数功率谱关系图。
在机械状态监测和故障诊断中，所测得的信号，往往是由故障源经系统路径的传输而得到的响应，也就是说它不是原故障点的信号，如欲得到该源信号，必须删除传递通道的影响。
如在噪声测量时，所测得之信号，不仅有源信号而且又有不同方向反射回来的回声信号的混入，要提取源信号，也必须删除回声的干扰信号。
若系统的输入为x(t)，输出为y(t)，脉冲响应函数是h(t)，两者的时域关系为： y(t)=x(t)*h(t)
频域为： Y(f)=X(f)*H(f)或Sy(f)=Sx(f)*|H(f)|2
对上式两边取对数，则有：
（2.11）
式(2.72)关系如图(2.26)所示，源信号为具有明显周期特征的信号，经过系统特性logGk(f)的影响修正，合成而得输出信号logGy(f)。
对于(2.72)式进一步作傅里叶变换，即可得幅值倒频谱：
（2.12）
即：
（2.13）
以上推导可知，信号在时域可以利用x(t)与h(t)的卷积求输出；在频域则变成X(f)与H(f)的乘积关系；而在倒频域则变成Cx(q)和Ch(q)相加的关系，使系统
特特性Ch(q)与信号特性Cx(q)明显区别开来，这对清除传递通道的影响很有用处，而用功率谱处理就很难实现。
图(2.26b)即为相应的倒频谱图。
从图上清楚地表明有两个组成部分：一部分是高倒频率q2，反映源信号特征；另一部分是低倒频率q1，反映系统的特性。
两部分在倒频谱图上占有不同的倒频率范围，根据需要可以将信号与系统的影响分开，可以删除以保留源信号。
倒频谱分析 (DEMO)
倒频谱分析倒频谱分析也称为二次频谱分析，是近代信号处理科学中的一项新技术，是检测复杂谱图中周期分量的有用工具。
它对于分析具有同族谐频或异族谐频、多成分边频等复杂信号，找出功率谱上不易发现的问题非常有效。
实数倒谱又分为功率倒频谱、幅值倒频谱和类似相关函数的倒频谱。
工程上经常使用的是功率倒频谱和幅值倒频谱。
在语言分析中语音音调的测定、机械振动中故障监察和诊断以及排除回波(反射波)等方面均得到广泛的应用。
若一个测量信号)s(t)x(=，则当两个分量y+tt)(ty是由两个分量)(tx与)(t(s叠加而成的，即)的能量分别集中在不同的频率段时，可用频域分析中的线性滤波或功率谱分析；当所要提取的分量以一定的形状作周期性重复而其中一分量是随时间变化的噪声时，可用时域分析中的信号平均法或相关分析。
这些方法都可有效地处理线性叠加信号。
但是有的信号不是由其分量的线性叠加，例如机床的输出信号是)(ty，激发振动的输入信号是切削力)tty+xhy是(t=即输出)(th描述的，则有)(t(t(x，而机床的动力特性是由脉冲响应))()输入)h的卷积，这是用处理线性叠加信号的方法就不够了。
另外、对于一个(tx与脉冲响应力)(t复杂的功率谱图，有的很难直观看出它的一些特点和变化情况。
而倒谱分析则能很好地处理这类问题，使故障诊断更加便利。
倒频谱是频域函数的傅里叶再变换，与相关函数不同只差对数加权。
对功率谱函数取对数的目的，是使再变换以后的信号能量格外集中，同时还可解析卷积(褶积)成分，易于对原信号的识别。
功率倒谱主要定义为时间信号的功率谱取对数再进行傅里叶逆变换。
通过上述分析可知，倒谱分析技术可适用于：(1)机械故障诊断，对于机械故障信号在频谱图上，出现难以识别的多族调制边频时，采用倒频谱分析技术，可以分解和识别故障频率，分析和诊断产生故障的原因和部位。
在齿轮箱的振动分析中，倒谱分析技术有广泛的应用。
(2)语音和回声分析，求解卷积问题。
倒谱法在基音检测中的应用
倒谱法在基音检测中的应用
倒谱法是一种音频信号处理方法，主要应用于基音检测。
在语音
识别、音乐分析等领域具有广泛的应用。
基音是指说话或唱歌时声带产生的基本频率，也称为声调。
基音
频率的测量对于语音信号处理任务非常重要。
倒谱法就是一种有效的
基音检测方法之一。
它的核心思想是将原始信号转换为倒谱系数，并
利用倒谱系数间的差异来确定基音周期。
具体实现方法是，先取得语音信号的包络频率，经过预加重处理后，使用离散傅里叶变换（DFT）得到频谱，然后对频谱进行对数转换，接着再次进行DFT得到倒谱系数。
通过计算倒谱系数的一阶差分和二
阶差分，可以得到倒谱差分系数。
通过分析倒谱差分系数的尖峰位置，可以获得基音周期。
倒谱法具有简单、快速、准确的特点，适用于不同语种、不同发
音人的声音分析，并经常用于语音信号的频率跟踪、检测、降噪等多
种任务。
语音信号处理课件第05章同态滤波及倒谱分析
快速傅里叶变换
快速傅里叶变换（FFT）在语音信 号处理中的应用和局限性。
小波分析
小波分析在语音信号处理中的优 势和不足。
谱包络估计
谱包络估计方法的优点和应用场 景。
总结回顾
总结本章所学的同态滤波、倒谱分析、自回归模型等知识点，提出问题和思 考建议，并展望下一章节的内容。
自回归模型
自回归模型的概念和基本原理，以及其在语音处理中的应用。
自回归模型介绍
解释自回归模型的基本概念和建模方法。
语音信号拟合
将自回归模型应用于语音信号拟合，展示拟合结果。
应用案例
列举自他信号处理方法
介绍常见的其他信号处理方法，并分析它们在语音信号处理中的优缺点。
语音谱图
同态滤波前后的语音谱图对比， 展示同态滤波的改善效果。
信号处理
同态滤波在实际语音信号处理中 的应用案例。
倒谱分析
倒谱分析的原理、方法，以及将其应用于语音信号分析的实例展示。
1
倒谱分析原理
介绍倒谱分析的基本原理和计算方法。
语音信号分析
2
倒谱分析在语音信号分析领域的应用案
例。
3
实际效果展示
通过音频示例，展示倒谱分析在语音信 号处理中的实际效果。
语音信号处理课件第05章 同态滤波及倒谱分析
本章将介绍同态滤波、倒谱分析、自回归模型等在语音信号处理中的应用。 通过丰富的图文展示，帮助您理解这些方法的原理和效果。
同态滤波
同态滤波的概念和原理，以及其在语音信号处理中的应用场景。通过实例展示同态滤波对语音信号的改善效果。
语音信号
示例语音信号，用于说明同态滤 波的效果。
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海南大学毕业论文（设计）题目：基于MATLAB的语音倒谱分析学号：姓名年级学院：专业：指导教师：完成日期：2012年摘要语言是人类最重要的交流工具，它自然方便、准确高效。
随着社会的不断发展，各种各样的机器参与了人类的生产活动和社会活动，因此改善人与机器之间的关系，使人对机器的操纵更加便利就显得越来越重要。
随着电子计算机和人工智能机器的广泛应用，人们发现，人和机器之间最好的通信方式是语言通信，而语音是语言的声学表现形式。
要使机器听的懂人话，就要对语音信号进行处理。
随着信息技术的不断发展，尤其是网络技术的日益普及和完善，语音信号处理技术正发挥着越来越重要的作用。
为了寻找具有良好性能的特征及提取重要参数以提高识别系统性能，各种科学的算法应运而生，倒谱法作为信号处理的重要的方法之一，能够得到比较好的识别性能。
本文以MATLAB为平台，通过编程实现对语音信号的倒谱分析。
首先，本文简要说明了倒谱与语音的相关理论原理，包括倒谱原理和语音的组成元素，为之后的进一步研究奠定理论基础。
然后,对语音倒谱各个方面的应用进行了MATLAB编程，得到了语音基音检测和共振峰检测的实验仿真结果。
关键词：语音信号；倒谱；MATLAB；基音检测；共振峰检测；AbstractLanguage is one of the most important communication tools,it is convenient and efficient.With the continuous development of the society,a variety of machines are used in the human’s production and social activities,thus improving the relationship between man and machine makes the machine more convenient what becomes more and more important.With the wide application of electronic computers and artificial intelligence machine,it was discovered that language communication is the best means of communication between man and machine,while the voice is the acoustic manifestations of the language.To make the machine understands people,it is necessary to process the speech signal.With the continuous development of IT, especially the growing popularity of network technology and improvement of the voice signal processing technology is playing an increasingly important role,in order to find a good performance characteristics and extract important parameters to improve the performance of the recognition system,a variety of scientific algorithms have emerged,the cepstrum,as the signal processing one of the important methods, can get better recognition performance.MATLAB as a platform,can achieve cepstrum analysis of the speech signal by programming.First,the article briefly described the itheoretical principles of cepstrum and voice,including the the cepstrum principles and elements of voice,which laied the theoretical foundation for the further research.Then the speech cepstrum application in all aspects was programmed in MATLAB,thus we got voice pitch detection,peak detection experiment simulation results by simulation.Keywords:speech signal;cepstrum;MATLAB;pitch detection;resonance peak detection;目录1绪论 (1)1.1目的及意义 (1)1.2语音信号研究现状 (1)1.3主要研究内容 (3)2倒谱的基本原理 (5)2.1复倒谱和倒谱的定义 (5)2.2复倒谱的计算方法 (6)2.3复倒谱与倒谱的关系 (9)3语音信号的组成分析 (11)3.1语音的两个分量 (11)3.2语音类型 (13)4语音倒谱的应用及MATLAB仿真 (15)4.1倒谱的MATLAB实现 (15)4.2倒谱在同态信号处理系统的应用 (16)4.3倒谱在基音检测方面的应用 (17)4.4倒谱在共振峰检测方面的应用 (21)5总结 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录A (28)附录B (28)附录C (30)1绪论1.1目的及意义由于语言是人们在日常生活中的主要交流手段，因此语音信号处理在现代信息社会中占用重要地位。
随着语音信号处理技术在实际生活中的应用的不断发展，语音信号处理技术已经越来越贴近人们的生活。
目前，语音信号处理技术处于蓬勃发展的时期，不断有新的产品被研制开发，市场需求逐渐增加，具有良好的应用前景。
语音信号处理虽然包括语音通信，语音合成，语音识别等内容，但是其前提和基础是对语音信号进行分析。
在语音信号处理中可以常用倒谱域来提取语音的基频和共振峰，用于语音识别。
倒谱系数是一种表征语音特征非常有效的参数矢量,它能将语音信号的声门激励信息及声道响应信息分离开来，也就是说倒谱具有解卷的特性,因此倒谱是说话人识别和语音识别中最常用的特征参数之一。
由于倒谱在语音信号处理中的重要地位，倒谱的应用也越来越广泛。
例如可应用于通信、建筑声学、地震分析、地质勘探和语音处理等领域。
尤其在语音处理方面，应用复倒谱算法可制成同态预测声码器系统，用于高度保密的通信。
1.2语音信号研究现状声学是物理学的一个分支学科，而语言声学又是声学的一个分支学科。
它主要的研究方向是人的发声器官机理，发声器官的类比线路和数学模型，听觉器官的特性(如听阈、掩蔽、临界带宽、听力损失等)，听觉器官的数学模型，语音信号的物理特性(如频谱特性、声调特性、相关特性、概率分布等)，语音的清晰度和可懂度等。
当今通信和广播的发展非常迅速，而语言通信和语言广播仍然是最重要的部分，语言声学则是这些技术科学的基础。
语言声学的发展和电子学、计算机科学有着非常密切的关系。
在它发展的过程中，有过几次飞跃。
第一次飞跃是1907年电子管的发明和1920年无线电广播的出现。
因为有了电子管放大器,很微弱的声音也可以放大，而且可以定量测量。
从而使电声学和语言声学的一些研究成果，扩展到通信和广播部门。
第二次飞跃应该是在20世纪70年代初,由于电子计算机和数字信号处理的发展，人们发现:声音信号特别是语音信号，可以通过模数转换器(A/D)采样和量化，它们转换为数字信号后，能够送进计算机.这样就可以用数字计算方法，对语音信号进行处理和加工.。
例如频谱分析可以用傅里叶变换或快速傅里叶变换(FFT)实现，数字滤波器可以用差分方程实现.在这个基础上，逐渐形成了一门新学科———语音信号处理。
它的发展很快，在通信、自动控制等领域,解决了很多用传统方法难以解决的问题。
在信息科学中占有很重要的地位，其中语音识别的研究也开始了飞速的发展。
语音识别的研究工作可以追溯到20世纪50年代AT&T贝尔实验室的Audry 系统，它是第一个可以识别十个英文数字的语音识别系统。
但真正取得实质性进展，并将其作为一个重要的课题开展研究则是在60年代末70年代初。
这首先是因为计算机技术的发展为语音识别的实现提供了硬件和软件的可能，更重要的是语音信号线性预测编码（LPC）技术和动态时间规整（DTW）技术的提出，有效的解决了语音信号的特征提取和不等长匹配问题。
这一时期的语音识别主要基于模板匹配原理，研究的领域局限在特定人，小词汇表的孤立词识别，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立词语音识别系统；同时提出了矢量量化（VQ）和隐马尔可夫模型（HMM）理论。
随着应用领域的扩大，小词汇表、特定人、孤立词等这些对语音识别的约束条件需要放宽，与此同时也带来了许多新的问题：第一，词汇表的扩大使得模板的选取和建立发生困难；第二，连续的语音中，各个音素、音节以及词之间没有明显的边界，各个发音单位存在受上下文强烈影响的协同发音（Co-articulation）现象；第三，非特定人识别时，不同的人说相同的话相应的声学特征有很大的差异，即使相同的人在不同的时间、生理、心理状态下，说同样内容的话也会有很大的差异；第四，识别的语音中有背景噪声或其他干扰。
因此原有的模板匹配方法已不再适用。
20世纪90年代前期，许多著名的大公司如IBM、苹果、AT&T和NTT都对语音识别系统的实用化研究投以巨资。
语音识别技术有一个很好的评估机制，那就是识别的准确率，而这项指标在20世纪90年代中后期实验室研究中得到了不断的提高。
比较有代表性的系统有：IBM公司推出的ViaVoice和DragonSystem公司的NaturallySpeaking，Nuance公司的NuanceVoicePlatform语音平台，Microsoft的Whisper，Sun的VoiceTone等。
其中IBM公司于1997年开发出汉语ViaVoice语音识别系统，次年又开发出可以识别上海话、广东话和四川话等地方口音的语音识别系统ViaVoice’98。