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数字语音处理及MATLAB仿真.rar 第一章


数字语音处理及MATLAB仿真 张雪英编著

数字语音处理及MATLAB仿真
太原理工大学信息工程学院 张雪英编著 College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology

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数字语音处理及MATLAB仿真 张雪英编著

课程总括
1 2

课程性质 课程目的和任务 课程重点 课程难点

3
4

2
2

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课程性质
语音信号处理是通信、电子信息专业的选 修课程,主要用于现代通信和电子信息领域, 其主要前修专业基础课程为信号与系统和数字 信号处理。

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课程目的和任务
通过本课程的学习理解语音发声和听觉机理 及其数字模型;掌握语音信号处理的基本概念、 原理和方法,为以后的学习提供理论依据;掌握 语音信号的短时时域分析和频域分析方法,并且 能够用Matlab语言编程实现对实际语音信号进行 的处理;熟悉语音信号处理的应用领域,并了解 该领域的新理论、新技术和发展趋势,为今后的 进一步学习和工作打下坚实的基础。

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课程重点
语音信号的产生和语音信号数字模型。短时 能量、平均过零率、自相关的意义,以及这些特 征参量在语音信号中的应用,并且会用 MATLAB实现。短时频域分析的两种解释以及 实现、LPC的基本原理以及与语音模型的关系、 自适应量化的PCM,自适应预测编码原理以及 前馈和反馈的主要区别,另外增量调制中所造成 的失真以及失真补偿。矢量量化原理、LBG算法 以及实验。
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课程难点
语音信号的产生和激励、端点检测和基音周 期的估计、用数学公式来证明短时频谱是如何反 映整个语音信号的频谱的、LPC方程组解法、自 适应预测编码原理、LBG算法以及实验中的分帧 和基音周期检测。

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第1章 绪论
1 2 3 4 5

1.1 概述 1.2 语音信号处理的发展 1.3 语音信号处理的应用及新方向

1.4 语音信号处理过程的总体结构
1.5 MATLAB在数字语音信号处 理中的应用
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1.1 概述
语音信号处理是一门新兴的边缘学科,是语音 学与数字信号处理两个学科相结合的产物。它和认 知科学、心理学、语言学、计算机科学、模式识别 和人工智能等学科有着紧密的联系。

语音信号处理的目的:
得到某些语音特征参数以便高效地传输或存储;

通过某种处理运算以达到某种用途的要求。

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语音信息的交换大致上可以分为三大类: (1)人与人之间的语言通信:

包括语音压缩与编码、语音增强等。
(2)第一类人机语言通信问题:

语音合成,机器讲话、人听话的研究。
(3)第二类人机语言通信问题:语音识别和理解 语音识别和理解:人讲话、机器听话的情况。

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1.2 语音信号处理的发展
1 1876年 贝尔电话 的发明 2 1939年 第一个 声码器
3

19世纪60年代

用声学方法对元音和 歌唱进行了研究

4 20世纪40年代 5

语谱图仪问世
7

1948年 6 语谱图 系统论述语言 语音,语音合成 产生的声学理论

突破进展

计算机

基础研究方面

技术应用领域
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1.2 语音信号处理的发展
1 2 3

语音合成

语音编码 语音编码

语音识别

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1.2.1

语音合成

以语言信息压缩、存储为主要目的对语音信 号数字模型进行研究,同时研究音素、音节、词 组与句子的发音规则。最终恢复出自然流畅的语 音来。例如文语转换系统(Text-to-speech)。语音 分析与合成将赋予计算机说话的功能。也是进行 话音编码、语音识别研究的基础。

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1.2.2 语音编码
语音编码的目的: 在保证一定语音质量的前提下,尽可能降低 编码比特率,以节省频率资源。

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1.2.2 语音编码
语音编码与文本到语音转换两个主要区别
一、前者是人与人之间的话音交流,要保留 说话人的声音特征。后者是文本到声音的转换即 计算机发声。它可以是标准播音员或其它声音。 二、前者不仅对压缩率和音质有要求,而且 要求较低的编、解码延迟。而后者对处理帧长没 有什么太严格的限制。

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1.2.3 语音识别
研究如何使计算机能够听懂人类的语言。以 汉语语音为例:汉语约有400个音节,加上声调约 1200个音调节,把这些语音信号的特征存储到计 算机内,并与计算机接收到的汉语发音进行比较, 找到特征相同的音节或音调节,这个过程就是语 音识别。将识别出的音节序列转换成文字,就是 语言理解。许多算法将理解过程溶入到识别中来 提高识别的准确性。因此可以将语音识别与理解 归入同一类应用。
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语音识别研究领域包括:
(1)根据对说话人说话方式的要求,可以分 为孤立字语音识别系统,连接字语音识别系统以 及连续语音识别系统。
(2)根据对说话人的依赖程度可以分为特定 人和非特定人语音识别系统。 (3)根据词汇量大小,可以分为小词汇量、 中等词汇量、大词汇量以及无限词汇量语音识别 系统。

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1.3 语音信号处理的应用及新方向
一:语音信号处理的应用
语音技术的应用领域 包括语音识别、说话人的鉴别和确认、语种的鉴 别和确认、关键词检测和确认、语音合成、语音 编码等。

但其中最具有挑战性和最富有应用前景的为语音 识别技术。

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1. 说话人识别技术的应用
安全加密、银行信息电话查询服务
公安机关破案和法庭取证方面 在声控应用中,识别输入的语音内容,并根据内容来执行相 应的动作,这包括了声控电话转换、声控语音拨号系统、声 控智能玩具、信息网络查询、家庭服务、宾馆服务、旅行社 服务系统、医疗服务、股票查询服务和工业控制等。

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1. 说话人识别技术的应用
在电话与通信系统中,智能语音接口正在把 电话机从一个单纯的服务工具变成为一个服务的 “提供者”和生活“伙伴”。 目前,自动口语分析、用户交换机、电话机、 手机已经包含了语音识别拨号功能,还有语音记事 本、语音智能玩具等产品也包含了语音识别与语音 合成功能。人们可以通过电话网络用语音识别口语 对话系统查询有关的机票、旅游、银行信息。

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2. 语音合成的应用
公交汽车上的自动报站、各种场合的自动报 时、自动报警、手机查询服务和各种文本校对中 的语音提示、在电信声讯服务:如股票、售后服 务、车站查询等信息;也可用于基于微型机的办 公、教学、娱乐等智能多媒体软件,例如语言学 习、教学软件、语音玩具、语音书籍等;也可与 语音合成技术与机器翻译技术结合,实现语音翻 译等。

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3. 语音编码的应用
在移动通信、卫星通信、军事保密通信、信息 高速公路和IP电话通信中的应用。 在个人移动通信、语音存储、多媒体通信、数 字数据网(DDN)中的应用。 未来的ISDN、卫星通信、移动通信、微波接 力通信和信息高速公路以及保密电话等中的应用。

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二、语音信号处理的新方向
(1)基于语音的信息检索。网络技术及数字图书馆 技术的发展,基于语音识别的信息检索技术正成为 研究热点。 (2)基于语音识别的广播新闻的自动文摘技术的研 究。由于广播、电视中的发音较为标准规范,在识 别中避免了说话人发音上的不规范,有利于语音识 别系统性能的提高。

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二、语音信号处理的新方向
(3)VoIP技术。是通过TCP/IP网络,而不是传统的 电话网络来传输语音的新的通信方式,通常称之为 IP电话技术。在网络上对压缩的语音数据以数据包 的形式进行传输和识别。
(4)语音训练与校正技术。现在越来越多的人希望 掌握其他非母语语言,以便方便的进行交流。因此 语言学习机已成为当今外语学习者的有利工具。

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二、语音信号处理的新方向

(5)语种识别。是近年来新出现的研究方向,通过 分析处理一个语音片断来判别其所属语音的种类, 本质上属于语音识别的研究范畴。
(6)基于语音的情感处理研究。在人与人的交流中, 除了语音信息外,非语言信息也起着重要的作用。 为了使人机交流更自然、更人性化,基于语音的情 感处理研究也是非常必要的。

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1.4 语音信号处理过程的总体结构
信息加工和处理的一般流程如图1.1所示
信号源

观察与测量
信号表示 信号变换 信号提取与利用
图1.1 信号处理和加工的一般示意图

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语音处理过程的结构框图
语音输入 预处理 数字化 特征提取

传输 解压缩 语音输出 压缩处理 合成 语音识别 训练 存储

参考模式库 识别结果

识别 模式匹配

图1.2

语音处理过程的结构框图
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1.5 MATLAB在数字语音信号 处理中的应用
数字语音信号处理是将数字信号处理与语音学 相结合,解决现代通信领域中人与人、人与机器之 间的信息交流的学科。 MATLAB是一种功能强大、效率高、交互性 好的计算机高级语言。

近年来MATLAB已成为学习语音信号处理和 进行研究工作的仿真软件工具。

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MATLAB在数字语音信号中的几方面应用:

(1)通过MATLAB可以对数字化的语音信号进 行时频域分析。
(2)通过MATLAB可以对数字化的语音信号进 行估计和判别。 (3)通过利用MATLAB编程对语音信号进行处


本书中的程序实例均用MATLAB语言编写,供 大家上机实践时参考。

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数字语音信号处理研究内容
涉及三方面相互密切配合的任务和课题: 1. 应用

2. 基础理论和算法
3. 硬件系统

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1. 应用方面
通信产业起源于1874年电话的发明。从那时 起,通信产业大致发生了三次重大变革。 ( 1 ) 第 一 次 变 革 产 生 于 七 十 年 代 初 。 1972 年 CCITT组织公布了第一个语音编码标准G.711。 即对数PCM编码,由此开始,数字程控交换网络 逐步淘汰了传统的模拟交换传输方式。

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(2)第二次重大变革产生于八十年代末。1988年 欧共体13个国家数字移动特别工作组(GSM)制定了 采用长时预测规则码激励的编码标准 (13k bps RPE-LTP)。
1989年美国蜂窝通信工业协会(CITA)宣布了 北美数字移动通信话音编码标准(8K bps矢量和激 励VSELP)。从而确立了全球范围第二个传输网移 动通信产业的崛起。

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(3)第三次变革发生在世纪之交。以新兴的计算 机因特网为基础的信息高速公路在全世界范围迅 速发展。如何在INTERNET网上有效地传输话音 成为产业界关注的焦点。IP电话将使因特网成为 第三个话音通信传输网。目前IP电话所用的话音 编码标准有G.723.1、G.728、G.729等。这些标准 各有长短。人们正在努力研究适合IP电话的新的 编码算法。低延迟、低码率、低复杂性、高音质 的话音编码算法将是未来IP电话网络的奠基石。

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2. 基础理论和算法方面
从以下方面进行: (1)语音产生的机理(发音)和感知机理(听)

涉及心理学、语音学、语言学、认知学、神经生 理学等。 (2)将语音作为一种信号来处理
常用方法: 数字滤波器(FIR、IIR);快速付里 叶变换(FFT); 线性预测编码(LPC);同态信号 处理等。 新的方法:神经网络、矢量量化、子波变换等
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3. 硬件方面
硬件系统主要体现在内存容量和计算速度上。 语 音 信 号 处 理 器 的 运 算 速 度 一 般 为 10~20MIPS(Million Instructions Per Second),有的 可达50MIPS或100MIPS, 对语音识别要求的存贮量 达到若干MB。 实时语音语音处理系统的两种实现方式: A. 主从式:主机内插上一块或多块DSP处理板。

B. 脱机工作方式:通用DSP芯片及辅助芯片构
成。
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