MATLAB語言信號分析與合成（第2版）

本書是《MATLAB在語音信號分析和合成中的應(yīng)用》（北京航空航天大學(xué)出版社出版）一書的升級版本，由MATLAB中文論壇的獨立創(chuàng)始人張延亮（math）為其深情作序。書中所有程序代碼均可通過掃描書中二維碼免費獲得。作者宋知用堅持每天在本書的作者-讀者交流平臺回答兩個問題。至今已有4500多個回帖，1000多個答案。

　　MATLAB語言信號分析與合成（第2版）　

語音信號處理是數(shù)字信號處理的一個重要分支。本書含有許多數(shù)字信號處理的方法和 MATLAB函數(shù)。 全書共10章。第1~4章介紹語音信號處理的一些基本分析方法和手段,以及相應(yīng)的MATLAB函數(shù);第5~ 9章介紹語音信號預(yù)處理和特征的提取,包括消除趨勢項和基本的減噪方法,以及端點檢測、基音的提取和共 振峰的提取,并利用語音信號處理的基本方法,給出了多種提取方法和相應(yīng)的 MATLAB程序;第10章結(jié)合 各種參數(shù)的檢測介紹了語音信號的合成、語音信號的變速和變調(diào)處理,還介紹了時域基音同步疊加( TD PSOLA)的語音合成,并給出了相應(yīng)的MATLAB程序。附錄A中給出了調(diào)試復(fù)雜程序的方法和思路。 本書可作為從事語音信號處理的本科高年級學(xué)生、研究生或科研工程技術(shù)人員的輔助讀物,也可作為從 事信號處理研究與應(yīng)用的科研工程技術(shù)人員的參考用書。

宋知用  曾在中國科學(xué)院聲學(xué)研究所工作20多年，長期從事電聲信號和數(shù)字信號處理工作。具有十余年的MATLAB編程經(jīng)驗，出版的圖書有《MATLAB數(shù)字信號處理85個實用案例精講——入門到進階》和《MATLAB在語音信號分析和合成中的應(yīng)用》。過去十余年中，宋知用一直活躍在MATLAB中文論壇及其他科技平臺中，至今已回答并解決各種數(shù)字信號處理問題逾4500個。

第1章 語音的產(chǎn)生和感知……………………………………………………………………… 1

1.1 發(fā)聲器官………………………………………………………………………………… 1

1.2 語音信號的數(shù)字模型…………………………………………………………………… 2

1.2.1 激勵模型……………………………………………………………………………… 3

1.2.2 聲道模型……………………………………………………………………………… 4

1.2.3 輻射模型……………………………………………………………………………… 7

1.3 語音的感知……………………………………………………………………………… 7

1.3.1 人耳的構(gòu)造…………………………………………………………………………… 7

1.3.2 聽覺感受性…………………………………………………………………………… 8

1.3.3 掩蔽效應(yīng)……………………………………………………………………………… 8

1.3.4 響 度……………………………………………………………………………… 10

1.3.5 音 高……………………………………………………………………………… 11

參考文獻……………………………………………………………………………………… 11

第2章 語音信號的時域、頻域特性和短時分析技術(shù)………………………………………… 12

2.1 MATLAB中的語音信號分幀………………………………………………………… 12

2.2 語音分析中的窗函數(shù)…………………………………………………………………… 15

2.3 語音信號短時時域處理………………………………………………………………… 16

2.3.1 短時能量和短時平均幅度……………………………………………………………… 16

2.3.2 短時平均過零率……………………………………………………………………… 18

2.3.3 短時自相關(guān)函數(shù)……………………………………………………………………… 19

2.3.4 短時平均幅度差函數(shù)………………………………………………………………… 20

2.4 語音信號短時頻域處理………………………………………………………………… 21

2.4.1 短時傅里葉變換的定義……………………………………………………………… 22

2.4.2 語譜圖……………………………………………………………………………… 25

2.4.3 短時功率譜密度……………………………………………………………………… 27

參考文獻……………………………………………………………………………………… 29

第3章 語音信號在其他變換域中的分析技術(shù)和特性……………………………………… 30

3.1 語音信號的同態(tài)處理和倒譜分析……………………………………………………… 30

3.1.1 同態(tài)處理的基本原理………………………………………………………………… 30

3.1.2 復(fù)倒譜和倒譜………………………………………………………………………… 31

3.2 離散余弦變換…………………………………………………………………………… 34

3.3 Mel頻率倒譜系數(shù)的分析……………………………………………………………… 37

3.3.1 Mel濾波器組………………………………………………………………………… 37

3.3.2 MFCC特征參數(shù)提取………………………………………………………………… 38

3.4 小波和小波包變換……………………………………………………………………… 43

3.4.1 小波變換……………………………………………………………………………… 43

3.4.2 小波包變換…………………………………………………………………………… 44

3.4.3 小波包算法…………………………………………………………………………… 45

3.4.4 MATLAB中一維小波和小波包變換函數(shù)……………………………………………… 46

3.4.5 MATLAB語音信號小波和小波包變換的例子………………………………………… 49

3.5 EMD的基本理論和算法……………………………………………………………… 53

3.5.1 EMD的基本概念……………………………………………………………………… 53

3.5.2 EMD 的基本原理……………………………………………………………………… 55

3.5.3 EMD法的完備性和正交性…………………………………………………………… 57

3.5.4 基于EMD的Hilbert變換的基本原理和算法………………………………………… 59

3.5.5 EMD法的MATLAB函數(shù)…………………………………………………………… 60

參考文獻……………………………………………………………………………………… 61

第4章 語音信號的線性預(yù)測分析…………………………………………………………… 62

4.1 線性預(yù)測分析的基本原理……………………………………………………………… 62

4.1.1 信號模型……………………………………………………………………………… 62

4.1.2 線性預(yù)測方程的建立………………………………………………………………… 64

4.1.3 語音信號的線性預(yù)測分析……………………………………………………………… 65

4.2 線性預(yù)測分析自相關(guān)和自協(xié)方差的解法……………………………………………… 66

4.2.1 自相關(guān)法……………………………………………………………………………… 66

4.2.2 協(xié)方差法……………………………………………………………………………… 71

4.3 線性預(yù)測分析格型法的解法…………………………………………………………… 72

4.3.1 格型法的基本原理…………………………………………………………………… 72

4.3.2 格型法的求解………………………………………………………………………… 74

4.4 線性預(yù)測導(dǎo)出的其他參數(shù)……………………………………………………………… 78

4.4.1 預(yù)測誤差及其自相關(guān)函數(shù)……………………………………………………………… 79

4.4.2 反射系數(shù)和聲道面積………………………………………………………………… 79

4.4.3 線性預(yù)測的頻譜和預(yù)測誤差濾波器A(z)多項式的根…………………………………… 81

4.4.4 線性預(yù)測倒譜………………………………………………………………………… 83

4.5 線譜對的分析法………………………………………………………………………… 86

4.5.1 LSP的定義和特點…………………………………………………………………… 87

4.5.2 LPC到LSP參數(shù)的轉(zhuǎn)換……………………………………………………………… 89

4.5.3 LSP參數(shù)到LPC的轉(zhuǎn)換……………………………………………………………… 91

參考文獻……………………………………………………………………………………… 95

第5章 帶噪語音和預(yù)處理…………………………………………………………………… 96

5.1 純語音和帶噪語音……………………………………………………………………… 96

5.2 信噪比…………………………………………………………………………………… 96

5.3 帶噪語音的產(chǎn)生………………………………………………………………………… 97

5.4 語音信號的預(yù)處理一———消除趨勢項和直流分量………………………………… 101

5.4.1 最小二乘法擬合趨勢項的原理……………………………………………………… 102

5.4.2 最小二乘法擬合消除趨勢項的函數(shù)…………………………………………………… 103

5.5 語音信號的預(yù)處理二———數(shù)字濾波器……………………………………………… 105

5.5.1 IIR低通、高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計…………………………………………… 105

5.5.2 FIR低通、高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計…………………………………………… 109

參考文獻……………………………………………………………………………………… 116

第6章 語音端點的檢測……………………………………………………………………… 117

6.1 雙門限法……………………………………………………………………………… 117

6.2 雙門限法的改進和推廣……………………………………………………………… 123

6.2.1 噪聲的影響………………………………………………………………………… 123

6.2.2 平滑處理…………………………………………………………………………… 125

6.2.3 雙參數(shù)的雙門限檢測法……………………………………………………………… 127

6.2.4 單參數(shù)的雙門限檢測法……………………………………………………………… 129

6.3 相關(guān)法的端點檢測…………………………………………………………………… 131

6.3.1 自/互相關(guān)函數(shù)最大值的端點檢測…………………………………………………… 131

6.3.2 歸一化自相關(guān)函數(shù)的端點檢測……………………………………………………… 134

6.3.3 自相關(guān)函數(shù)主副峰比值的端點檢測…………………………………………………… 136

6.3.4 自相關(guān)函數(shù)余弦角值的端點檢測…………………………………………………… 138

6.4 方差法的語音端點檢測……………………………………………………………… 141

6.4.1 頻帶方差的端點檢測………………………………………………………………… 141

6.4.2 均勻子帶分離頻帶方差的端點檢測…………………………………………………… 142

6.4.3 頻域BARK子帶方差的端點檢測…………………………………………………… 143

6.4.4 小波包BARK子帶方差的端點檢測………………………………………………… 145

6.5 譜距離法的端點檢測………………………………………………………………… 148

6.5.1 對數(shù)頻譜距離的端點檢測…………………………………………………………… 149

6.5.2 倒譜距離的端點檢測………………………………………………………………… 151

6.5.3 MFCC倒譜距離的端點檢測………………………………………………………… 153

6.6 譜熵在端點檢測中的應(yīng)用…………………………………………………………… 155

6.6.1 譜熵法的端點檢測…………………………………………………………………… 155

6.6.2 譜熵法端點檢測的改進……………………………………………………………… 156

6.7 能零比和能熵比的端點檢測………………………………………………………… 159

6.7.1 能零比的端點檢測…………………………………………………………………… 159

6.7.2 能熵比法的端點檢測………………………………………………………………… 161

6.8 小波變換和EMD分解在端點檢測中的應(yīng)用……………………………………… 162

6.8.1 小波變換在端點檢測中的應(yīng)用……………………………………………………… 162

6.8.2 EMD分解在端點檢測中的應(yīng)用……………………………………………………… 164

6.9 低信噪比時的端點檢測……………………………………………………………… 167

6.9.1 噪聲的估算………………………………………………………………………… 168

6.9.2 基本譜減法和方差法的端點檢測…………………………………………………… 170

6.9.3 多窗譜估計譜減法和能熵比法的端點檢測…………………………………………… 172

參考文獻……………………………………………………………………………………… 174

第7章 語音信號的減噪……………………………………………………………………… 176

7.1 自適應(yīng)濾波器減噪…………………………………………………………………… 176

7.1.1 LMS算法基本原理………………………………………………………………… 176

7.1.2 基本LMS自適應(yīng)算法……………………………………………………………… 178

7.1.3 LMS的自適應(yīng)帶陷濾波器…………………………………………………………… 181

7.2 譜減法減噪…………………………………………………………………………… 184

7.2.1 基本譜減法………………………………………………………………………… 184

7.2.2 改進的譜減法……………………………………………………………………… 187

7.3 維納濾波法減噪……………………………………………………………………… 195

7.3.1 維納濾波的基本原理………………………………………………………………… 195

7.3.2 維納濾波減噪的具體步驟和函數(shù)WienerScalart96 …………………………………… 197

7.3.3 維納濾波的MATLAB例子………………………………………………………… 199

參考文獻……………………………………………………………………………………… 201

第8章 基音周期的估算方法………………………………………………………………… 202

8.1 基音周期提取的預(yù)處理……………………………………………………………… 203

8.1.1 基音檢測中的端點檢測……………………………………………………………… 203

8.1.2 基音檢測中的帶通濾波器…………………………………………………………… 204

8.2 倒譜法的基音檢測…………………………………………………………………… 205

8.2.1 倒譜法基音檢測原理………………………………………………………………… 205

8.2.2 倒譜法基音檢測的MATLAB程序…………………………………………………… 206

8.2.3 簡單的后處理方法…………………………………………………………………… 207

8.3 短時自相關(guān)法的基音檢測…………………………………………………………… 209

8.3.1 短時自相關(guān)函數(shù)法…………………………………………………………………… 209

8.3.2 中心削波的自相關(guān)法………………………………………………………………… 211

8.3.3 三電平削波的互相關(guān)函數(shù)法………………………………………………………… 212

8.3.4 基于自相關(guān)函數(shù)法提取基音的MATLAB程序……………………………………… 214

8.4 短時平均幅度差函數(shù)的基音檢測…………………………………………………… 215

8.4.1 短時平均幅度差函數(shù)法……………………………………………………………… 215

8.4.2 改進的短時平均幅度差函數(shù)法……………………………………………………… 217

8.4.3 循環(huán)平均幅度差函數(shù)法……………………………………………………………… 218

8.4.4 基于平均幅度差函數(shù)法提取基音的MATLAB程序…………………………………… 220

8.4.5 自相關(guān)函數(shù)法和平均幅度差函數(shù)法的結(jié)合…………………………………………… 221

8.5 線性預(yù)測的基音檢測………………………………………………………………… 223

8.5.1 線性預(yù)測倒譜法…………………………………………………………………… 223

8.5.2 簡化逆濾波法……………………………………………………………………… 225

8.6 基音檢測的進一步完善……………………………………………………………… 227

8.6.1 主體延伸法的原理和方法…………………………………………………………… 228

8.6.2 主體延伸基音檢測法的步驟………………………………………………………… 229

8.6.3 端點檢測和元音主體的檢測………………………………………………………… 230

8.6.4 元音主體的基音檢測………………………………………………………………… 232

8.6.5 計算延伸區(qū)間和長度………………………………………………………………… 239

8.6.6 在延伸區(qū)間進行基音檢測…………………………………………………………… 241

8.6.7 主體延伸基音檢測法的MATLAB程序……………………………………………… 248

8.7 帶噪語音中的基音檢測……………………………………………………………… 251

8.7.1 小波自相關(guān)函數(shù)法………………………………………………………………… 251

8.7.2 譜減自相關(guān)函數(shù)法………………………………………………………………… 253

8.7.3 譜減法與主體延伸法相結(jié)合………………………………………………………… 255

參考文獻……………………………………………………………………………………… 258

第9章 共振峰的估算方法…………………………………………………………………… 259

9.1 預(yù)加重和端點檢測…………………………………………………………………… 259

9.1.1 預(yù)加重……………………………………………………………………………… 259

9.1.2 端點檢測…………………………………………………………………………… 260

9.2 倒譜法對共振峰的估算……………………………………………………………… 260

9.2.1 倒譜法共振峰估算的原理…………………………………………………………… 260

9.2.2 倒譜法共振峰估算的MATLAB程序………………………………………………… 261

9.3 LPC法對共振峰的估算……………………………………………………………… 262

9.3.1 LPC法共振峰估算的原理…………………………………………………………… 262

9.3.2 LPC內(nèi)插法共振峰的估算…………………………………………………………… 263

9.3.3 LPC求根法共振峰的估算…………………………………………………………… 266

9.4 連續(xù)語音LPC法共振峰的檢測……………………………………………………… 268

9.4.1 簡單的LPC共振峰檢測……………………………………………………………… 268

9.4.2 改進的LPC共振峰檢測……………………………………………………………… 270

9.5 基于Hilbert Huang變換(HHT)的共振峰檢測………………………………… 274

9.5.1 希爾伯特變換……………………………………………………………………… 275

9.5.2 語音信號的另一種模型———AM FM 模型…………………………………………… 278

9.5.3 對AM FM 模型的分析…………………………………………………………… 279

9.5.4 語音信號共振峰特征參數(shù)提取的HHT方法………………………………………… 279

9.5.5 基于Hilbert Huang變換的共振峰檢測步驟和MATLAB程序……………………… 280

參考文獻……………………………………………………………………………………… 283

第10章 語音信號的合成算法……………………………………………………………… 284

附錄A 程序的調(diào)試和修改…………………………………………………………………… 345