基音周期估计

sea-wind

发布于 2019-09-11 16:17:39

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发布于 2019-09-11 16:17:39

文章被收录于专栏：海风海风

这是语音信号的数字处理课程的课程作业，这里采用了自相关法对基音周期进行估计。语料采样率：8kHz；量化精度为16bits/sample；

1、算法描述

本次实验选择了自相关方法对基音周期进行估计。算法主要包括以下几个步骤

预处理：包括语料读取和分帧、滤波。
阈值设定：对每帧数据选择合适的阈值进行设定
削波处理：提高检测准确性
互相关求基音频率：通过求解互（自）相关得到基音周期的检测值。

本实验准备使用MATLAB软件完成基音检测任务，具体步骤实现如下

下载语音工具箱voicebox，并导入MATLAB中。
使用readwav读取预料，enframe完成分帧，fir1设计低通滤波器滤波。
采用MAX函数分别取前60点最大值和最后60点最大值，选择其中较小的乘以0.68作为阈值。
对信号进行中心削波和三电平量化得到f_c，f_3。
求这两个信号的互相关值（或者分别求自相关）。取20-160点中的最大值，如果大于0值处1/4，认为是基音周期，否则认为基音周期为0.

2. 实验代码

MATLAB代码如下所示

 1 %% 基音检测-语音信号的数字处理作业
 2 % 本代码实现了语音信号的基音检测功能，采用了自相关方法处理。
 3 %
 4 % * 作者：
 5 % * 日期：2015-04-15
 6 % 
 7 
 8 %% 预处理
 9 %% 
10 % 清空工作区
11 clc;clear all;close all;        
12 %%
13 % 读取预料，同时对其进行低通滤波（900Hz）和分帧
14 [y,fs,wmode,fidx]=readwav('MaoYiSheng.wav','p',-1,-1);
15 f=enframe(y,160);       %分析帧长:20ms(160样点)
16 lpf_900 = fir1(39,900/fs);
17 f_l = conv2(f,lpf_900,'same');
18 figure;plot(f_l(5,:));xlabel('n');ylabel('幅值');title('语音信号波形（低通滤波）');
19 %% 阈值设定
20 %% 
21 % 对每帧预料进行阈值选择
22 f_l_max = [max(abs(f_l(:,1:60)),[],2) max(abs(f_l(:,101:160)),[],2)];
23 CL = 0.68*min(f_l_max,[],2);    
24 figure; stem(CL);xlabel('帧序号');ylabel('阈值大小');title('阈值分布');
25 CL = repmat(CL,1,160);
26 %% 削波处理
27 %%
28 % 三电平量化
29 f_3 = zeros(size(f));
30 f_3(f>CL) = 1;
31 f_3(f<-CL) = -1;
32 figure;plot(f_3(5,:));xlabel('n');ylabel('幅值');title('语音信号波形（三电平量化）');
33 %%
34 % 中心削波
35 f_c = zeros(size(f));
36 f_c(f>CL) = f(f>CL) - CL(f>CL);
37 f_c(f<-CL) = f(f<-CL) + CL(f<-CL);
38 figure;plot(f_c(5,:));xlabel('n');ylabel('幅值');title('语音信号波形（中心削波）');
39 %% 互相关求基音频率
40 % 互相关 （采用卷积计算）
41 f_3_inv = f_3(:,end:-1:1);
42 f_c_inv = f_c(:,end:-1:1);
43 for n = 1:45
44     f_xcorr(n,:) = conv(f_c(n,:),f_c_inv(n,:));
45 end
46 f_xcorr = f_xcorr(:,160:319);
47 %% 
48 % 找出最大值位置
49 [f_xcorr_max,f_postition] = max(f_xcorr(:,21:160),[],2);
50 f_postition = f_postition+20;
51 noPitch = f_xcorr_max<f_xcorr(:,1)/4;   % 清音检测
52 pitchFrequence = fs./f_postition;       % 基音频率
53 pitchFrequence(noPitch==1) = 0;
54 figure;stem(pitchFrequence);xlabel('帧序号');ylabel('基音频率（Hz）');
55 title('基音频率检测');grid on;