Matlab在基音周期检测教学中的应用研究
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摘要：基音周期是《语音信号处理》中的重点和难点，基音周期作为语音信号的重要参数，在语音编码、语音合成和语音识别等方面，有着非常重要的作用。本文采用Matlab对基因周期进行仿真分析，从仿真图上查看语音信号的基音周期，让学生更形象的理解语音信号的基音周期。
关键词：基音周期;语音编码;语音合成;语音识别;仿真
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0188-02
1 概述
语音信号是通信工程专业的一门必修课，其中基音周期是一个重要的知识点，对于基音周期的检测十分困难，处理复杂，且变化范围较大，不同的人群，他们的基音周期差别相当明显。即使同一个人在不同环境下的基音周期也会有所不同，如何在教学中把语音信号的基音周期讲解清楚，让学生理解透彻，是该知识点讲解的难点。本文采用Matlab对基音周期进行仿真分析，从仿真图中很直观地看到基音周期，有利于把复杂的问题简单化。
2 基音周期检测的难点
2.1 基音周期没有完全的周期性
语音信号是随时间变化的信号，是非线性信号，在信号分析处理时进行短时加窗，近似为线性信号进行处理，而语音信号的产生采用二元激励的方式，即清音和浊音。对于清音，没有明显的周期性;对于浊音，声门激励的波形并不是一个完全的周期序列，从而也就无法准确地计算基音周期[1，3，7]。
2.2 声道的影响
语音信号从声带部位产生到从口腔发出，经过声道的干扰，基音的周期性和共振峰的周期性会产生交叠现象，叠加后波形的峰值可能会与原来峰值相差较大，所以要从语音信号中去除声道的影响。常见的方法有采用逆滤波器法[2]、同态分析法等。或者直接取出仅与声带振动有关的声源信息，在声带部位直接取出语音信号，这也并非易事。
2.3 端点检测的准确性
语音信号的端点检测非常困难，一段语音信号，哪些是无声段，哪些是有声段。在有声段中，哪些是清音，哪些是浊音，它们的分界点很难准确的判决，也就无法准确地判定基音周期的开始和结束位置[3]，所以一个完整的周期很难准确的检测。
3 基音周期检测的方法
3.1 时域分析法
时域法主要包含短时自相关法（ACF）和短时平均幅度差法（AMDF） [6]。语音信号分析采用短时加窗处理，把非线性时变信号近似变成线性时不变信号，以利于分析处理。如若用符号T来表示 ，得到的便是一个时间序列Pn：
时域分析法的主要特点是运算量小，但抗噪性能比较差，很容易产生倍频和半频现象，并且观察基音周期不明显。
3.2 频域分析法
目前，用得比较多的频域检测法是倒谱法，下面就倒谱法进行分析：
对于一个原始语音信号x（n），其倒谱函数可以定义为
上式（2）表示一个信号的倒谱函数，它可以通过对信号实施傅里叶变换，再进行取模和取对数运算，再进行一个傅里叶逆变换，完成倒谱函数的计算。
倒谱法在提取基音周期中的应用一般步骤如下：
（l）对语音信号进行分帧处理（一般选择汉明窗）;
（2） 对分帧后的各段信号做离散傅里叶变换，并取模;
（3） 对上述得到的信号进行取对数处理;
（4） 经过上面处理后，进行离散逆傅里叶变换;
（5） 设置一个峰值幅度的阈值，幅值大于这个阈值，判定为浊音段，否则判定为清音段。倘若语音被判定为浊音信号，则以第二个冲激点的时间值作为基音周期。
4 Matlab在基音周期检测中的应用
语音信号进行时域分析和频域分析，得到浊音信号的基音周期，然后利用Matlab进行仿真分析，在基音周期仿真图上可以看出语音信号的基音周期，为了更加清楚的分析出基音周期，可以调整采集的语音信号的帧数，已达到更加的效果。
4.1 仿真过程
语音信号采用电脑自带的录音功能，录制一段语音，采样率为8kH，窗序列采用300点的汉明窗，帧叠200点，选取帧数2000帧。具体步骤如下：
（1） 语音信号{ x（n）} 用900Hz低通滤波器进行滤波，去掉开头的15个输出值，得到{ x'（n）}[7];
（2） { x'（n）}进行削波处理，采用三电平中心削波，得到信号{ y（n）};
（3） 信号{ y（n）}求基音周期。
4.2 仿真结果
仿真环境，采用Microsoft Windows 7 版本2009，Service Pack 1，Intel（R） Core（TM）i5-3320M CPU @2.60GHz 2.60GHz，8GB的内存。
图1是时间波形，关于采样点数和归一化声压值。
从图2中可以看出浊音信号波形的帧数为本次试验所设置的2000帧，经过削波后修自相关可以大致可以看出基音周期，为了明显看出基音周期，可以缩小所采集的帧数，把framelength=2000中的2000更换为200，则可以得到图3：
如图3可以很明显地看出基音周期，基音周期为38帧左右。
从基音周期值的仿真图上可以看出，经过MATLAB仿真的基音周期图形，可以清晰地观察到语音信号的基音周期，对于学生而言，波形图非常直观，让学生清晰地认识到语音信号分为清音和浊音，浊音有周期性的特点，在语音信号处理上能够学以致用。
5 结束语
本文针对《语音信号处理》中基音周期这一教学难点进行分析，并借助于Matlab仿真软件对基音周期进行仿真，观察了不同帧数下的基音周期图，说明仿真图在基音周期检测中有着较为直观的作用。
参考文献：
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[6] 成新民，曾毓敏，趙力.一种改进的AMDF求取语音基音周期的方法[M].微电子学与计算机，2005-12-20
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【通联编辑：王力】
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