《数字通信技术》PPT课件

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1、§2.3语音的产生模型和LPC声码器人的发声系统由声带（声门）、声道以及次声门组成，次声门又由肺和气管等组成，是语音的激励源。次声门系统产生的气流作用于声带，通过声道后就产生声音。根据发音机理，声音信号可分为清音和浊音。一、语音信号的基本特性发音系统示意图声带来自肺部的空气流气管声道嘴唇3一、语音信号的基本特性当声带震动产生一个准周期空气脉冲激励声道时就产生浊音。浊音具有明显的准周期性。声带震动的频率称为基音频率，周期为基音周期。基音频率一般在70—450Hz范围内，相当于周期为2—15ms。基音周期是语音信号的主要

2、特征之一。4102030声门点t(ms)(a)声带处的气流速度t(ms)相对声压（唇口）（b）气流通过声道后在唇口处形成的声音波形典型的浊音波形一、语音信号的基本特性5t(ms)清音波形图相对声压（唇口）一、语音信号的基本特性如果声道在某处发生收缩，迫使空气以高速冲过这一收缩部位而产生湍流，就得到清音。发清音时声带不振动，是由湍流建立的宽带噪声源激励声道而发声。清音波形类似于白噪声。6一、语音信号的基本特性7以上是一段话的语音波形和它在时间轴上的展宽波形一、语音信号的基本特性8一、语音信号的基本特性语音信号的基本特性

3、语音信号是非稳态信号，特征随时间变化；但在一个很短的时间段内（约5ms--50ms）具有相对稳定的特征，称为准平稳信号。语音信号通常可以分为浊音、清音和混合音。浊音在时域上具有准周期性，在频域上，精细谱具有周期性起伏的谐波特性，谱包络具有共振峰结构。清音类似于随机噪声，其频带较宽。浊音段的信号能量要比清音段的能量高，这一特点可用于判断区分清、浊音。9语音信号波形及其短时谱一、语音信号的基本特性10激励源等效为基音频率的周期性脉冲或具有平坦频谱的白噪声，声道等效为时变线性数字滤波器。当激励源采用周期脉冲源时，声道输出的

4、是浊音，采用白噪声源时，声道输出的是清音。二、语音信号的产生模型11二、语音信号的产生模型语音的产生模型12全极点数字滤波器时变数字滤波器---线性预测（LP）综合滤波器全极点数字滤波器的输出(LPC差分方程)输出值s(n)可以用当前的输入值Gx(n)和过去输出样值的加权和来表示二、语音信号的产生模型13产生语音信号s(n)的参量清/浊音类型；基音周期TP；代表声道的时变滤波器的系数{aj}及滤波器阶数p；增益系数G；说明：根据语音信号慢变化的特点，可以每隔10-30ms左右预测一次上述各参数的值。即以每10-30m

5、s为一帧传送一次参数样值的编码，并不传送话音样值的编码，因此比特速率低得多。二、语音信号的产生模型14清浊音判决滤波器参数分析Ga1ap量化编码器U/V解码器Ga1apTPU/V激励信号产生合成滤波器信道基音周期提取TPs(n)预加重加窗s(n)LPC声码器的原理框图三、LPC声码器的工作原理151、全极点数字滤波器参数的确定阶数P模型阶数P的选择，应该从频谱估计精度、计算量、存储量等多方面综合进行考虑。P取很大值时，可以获得很好的信号谱估计，但增加的计算量和存储量代价太大。语音谱估计时主要关心的是声道的谐振特性

6、，P值过大，估计的谱中保留许多信号谱细节，反而使共振峰分析效果变坏。阶数P的经验值在8--12之间。通常采用10个极点的滤波器，模型就能正确描述共振峰特性和谱的基本形状。三、LPC声码器的工作原理16滤波器系数{aj}三、LPC声码器的工作原理设计的滤波器系数{aj}就是使得误差e(n)在某个预定的准则下最小，通常是根据最小均方误差准则求解{aj}在LPC模型中，信号s(n)的估计误差e(n)为：17三、LPC声码器的工作原理在语音信号保持平稳的短时段内，令E对aj的偏导数为零，得到：即：其中：根据最小均方误差准则通

7、过求解P个方程来得到P个未知数aj18三、LPC声码器的工作原理2、基音检测根据语音信号的特性检测基音周期的方法有：利用时域特性检测；利用频域特性检测；同时利用时域和频域特性检测；这里只介绍利用时域特性检测19基本原理：利用语音信号的时域波形的相似性，通过比较原始信号和它的移位信号的相似程度来寻找基音周期。如果移位的距离等于基音周期，则两个信号之间将具有最大的相似性。常用方法：短时自相关函数和短时平均幅度差函数AMDF。利用时域特性检测三、LPC声码器的工作原理20设sw(n)是一段加窗的语音信号，它的非零区域为：n

8、=0N-1。s(n)语音输入信号，w(n)是加权窗，一般取矩形窗或哈明窗。三、LPC声码器的工作原理基于求短时自相关函数的基音周期估计21三、LPC声码器的工作原理sw(n)的自相关函数称为语音信号s(n)的短时自相关函数，用Rw(l)表示。如果s(n)是浊音，其短时自相关函数Rw(l)呈现出明显的周期性，其周期等于s(n)的基音周期。基音周