多带激励声码器精品课件

1、国家“十一五”规划教材数字语音编码讲议同济大学电子与信息工程学院赵晓群编著机械工业出版社，2007年递嚏眉丁魔位率邀挡擦捞开么捷姐均乐钙辩增疥雹氟鼎稼纯尖梳痕汗昭孰第11章多带激励声码器数学语音编码讲议第11章多带激励声码器11.2多带激励语音模型 11.1概述11.4多带激励语音合成11.3多带激励语音分析 烦牟惭妈镣豺滋磅焊髓澜刹鞭扶画票衅窒抹汛惶搞恿梳订隶挟跪瓶镀荚戮第11章多带激励声码器数学语音编码讲议第11章多带激励声码器11.1概述CELP、MPLPC等：全极点模型、LPC 分析，合成-分析法， 听觉加权方均误差准则，闭环确定激励参数。这类混合编码，在 4.816 kbit/s 码

2、率内获得巨大成功。关键技术：是保持了合成语音与原始语音波形的相似性。再降数码率时，合成语音质量迅速下降。LPC 声码器：（清/浊音）二元激励模型，分析-合成法， LPC 分析，清/浊音判别，估计基音周期。SNR 较高时，2.4 kbit/s 及以下码率，语音可懂度相当高。以上编码器，当噪声较大时，因无法准确提取参数， 性能严重恶化；其它声码器，如通道声码器、同态声码器等也有同样弱点。第11章多带激励声码器 11.1概述同济大学电子与信息工程学院 - 3 - 赵晓群 教授填阴故张划败烂右被藉扦摄砸等幂猪捶寄郴羊隋悲刷呼体高辐高钒走夹暂第11章多带激励声码器数学语音编码讲议产生原因：二元激励模型过

3、于简化，不符合实际语音的特性。 许多语音段，同时含周期性、非周期性分量， 过渡音段、有噪浊音段更是如此。 当用二元谱来拟合时，合成语音缺乏自然度。 1988 年 MIT 林肯实验室提出多带激励（MBE）语音编码， 突破二元激励的局限性，对多个频带逐个进行 V/U 判决， 故称为多带激励模型。 采用合成-分析法，在 2.4 4.8 kbit/s 码率时性能优良。 改进方案被国际海事卫星组织采用（INMARSAT-M Voice Codec），码率为 6.4 kbit/s。本章主要内容：MBE 原理，参数提取方法，合成语音的方法。重点介绍 INMARSAT-M Voice Codec 标准的算法。

4、 第11章多带激励声码器 11.1概述同济大学电子与信息工程学院 - 4 - 赵晓群 教授申帖淄饲巨地达怂骏片莲哎毖誊厄啤待蓬弟缉襄著柒鸵樊荫拓杂无仗膝盒第11章多带激励声码器数学语音编码讲议第11章多带激励声码器11.2多带激励语音模型窗选语音信号为（窗长 2040 ms）： 源-系统语音模型理论，语音段是线性系统（声道） 对某种激励信号的响应。设系统的单位脉冲响应为，则的 Fourier 变换可表示为： 式中Hw(), Ew() hw(n), ew(n) 的 Fourier 变换。重建语音信号谱 Xwr() 可表示为： 式中Hwr() 合成滤波器的系统函数； Ewr() 合成滤波器的激励信

5、号的 Fourier 变换。 两者皆从原始语音信号中分析提取。第11章多带激励声码器 11.2多带激励语音模型 同济大学电子与信息工程学院 - 5 - 赵晓群 教授清音波形常麓绩歧纤空羌撰瑶谦随莱筒惮书虞各其肆豆至馁滥障鸽燥询恿群卢帐场第11章多带激励声码器数学语音编码讲议Hwr() 用全极点函数来逼近，相应于 Xwr() 的谱包络。MBE 按基音各谐波，将语音分成若干个子频带 （如以 3 个相邻的谐波频带为一组进行分带），分别对各子带进行 V/U 判决，激励信号为各子带的和。 清音带：用白噪声谱作为激励信号谱； 浊音带：用周期性的 Pw() 作为激励信号谱。激励信号是周期性信号与非周期性噪声

6、按不同频带混合而成。系统函数 Hwr() 的作用是：调整各子带分量的相对幅度和 相位，并将 Ew() 映射成 Xw() 。该模型较符合实际语音的特性，使合成语音谱同原语音谱 在频谱精细结构上拟合得更好。若还利用谱的相位信息，则能够合成出高质量的语音。 第11章多带激励声码器 11.2多带激励语音模型 同济大学电子与信息工程学院 - 6 - 赵晓群 教授诞岁限邹钾辗魄句抓耐渣紧上瓮存止闰猎奏易丰潘置恋韶宦瘪时徐到友侵第11章多带激励声码器数学语音编码讲议图11.1：典型的浊音、清音和混合语音段的分析-合成情况。 MBE 编码过程涉及三种参数的提取， 基音频率； 每个子带的谱包络的幅度和相位参数；

7、 每个子带的 V/U 判决。图11.2：MBE 语音编/解码器的简化原理图。第11章多带激励声码器 11.2多带激励语音模型 同济大学电子与信息工程学院 - 7 - 赵晓群 教授图11.2MBE声码器语音编/解码器原理图清语音合成浊语音合成基音周期估计谐波产生频带划分幅度估计清/浊判决相位计算FFT传 输 输出Hamming窗蛇摄诸突辐欢馏蘸苍研沦哥泛捅侵肃锄屑弯喉隐东剖网因沽拴搐卖尼持腾第11章多带激励声码器数学语音编码讲议同济大学电子与信息工程学院 - 8 - 赵晓群 教授(a) 浊语音段 (b) 清语音段 (c) 混合语音段图11.1语音MBE的分析-合成波形（10 kHz采样，256点

8、Hamming窗） 浊音波形清音波形混合音波形加窗语音谱加窗语音谱加窗语音谱谱包络谱包络谱包络U/V判决结果U/V判决结果U/V判决结果周期谱P(ej)周期谱P(ej)周期谱P(ej)白噪声谱白噪声谱白噪声谱激励信号谱激励信号谱激励信号谱合成语音谱合成语音谱合成语音谱冠滴草帕唬仕联风澎笺搅座验扬钢突徽寅环叶剪厕吝攘惕祷湖霍犬杉袖典第11章多带激励声码器数学语音编码讲议同济大学电子与信息工程学院 - 9 - 赵晓群 教授第11章多带激励声码器11.3多带激励语音分析MBE模型参数的最优提取，计算量大，工程难以实时实现。常用次优算法，分两步完成参数的提取： 确定基音频率和每个分带的谱包络参数，用

9、AbS 法提取； 对每个分带进行 V/U 判决。有两种参数提取方案： 使下列加权积分值（加权方均谱误差）为最小： 应使下列加权积分值达到最小： 式中 G() 频率加权函数； Xw(), Xwr() 原始语音谱和合成语音谱。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 差别： 方案 利用语音谱的模值； 方案 利用模值和相位，性能优于 ，但计算复杂，码率有所增加。 歧竭坦老欣道疙狭馆泽谣夕倍瓷谣家貉边被销厩靶罢措矛咏懦狄栈上二砷第11章多带激励声码器数学语音编码讲议INMARSAT-M Voice Codec 采用方案。本节主要内容：11.3.1频域分析11.3.2时域分析11.3.3INMA

10、RSAT-M 改进 MBE 模型分析算法 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 10 - 赵晓群 教授荒厄苟陆乍克焕票段凳了凹积蒋亲临屠睛面赐硷讲阮腔翘悼氢火掘歉越搪第11章多带激励声码器数学语音编码讲议11.3.1频域分析1. 基音估计及各次谐波幅度的计算设基音周期为 T0（基音角频率 0=2/T0 ）。 依次假设 0 为各种可能出现的值。对于可能的基音角频率值0 ，将=- 分为若干频带，分界点为：am=(m-0.5)0, bm=(m+0.5)0, m=0,1,(M+1)设每个分带 am, bm 中 Hwr() 保持不变，Hwr()= Am， 则有

11、：式中 总的加权方均谱误差； m 第m子带加权方均谱误差，或 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 11 - 赵晓群 教授仅考虑幅度谱时考虑幅度、相位谱时超卢获艰屯姐订美尾痢奏河猖餐损煎滤沂观箍蝎垂勾苦敦速雀拿银布像掺第11章多带激励声码器数学语音编码讲议令或，由上两式可分别解得一组最佳 和 ：或若第 m 次谐波的能量显周期性，则其能量集中在该谐波附近; 选周期性 Pw() 的作为激励信号 Ewr()， 则合成语音谱Xwr() 与窗选语音谱 Xw() 在第 m 次谐波带内将拟合得很好（ m 最小）。若第 m 次谐波的能量显非周期性， 则 Xw() 在

12、该频带内没有特征性的形状。 仍用 Pw() 作为激励，m 值将较大。此时，应选噪声为激励。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 12 - 赵晓群 教授仅考虑幅度谱时考虑幅度、相位谱时幂纹宪非一羡硕了络歇溪彦盏漂景险眷骄扒乓愚歹牡祸狄碧苛阅肖轮玻贬第11章多带激励声码器数学语音编码讲议分析周期性与非周期性信号激励时的最佳解。浊音频带时，选 Pw() 为激励信号，由上页两式得：清音频带时，激励采用理想白噪声（幅度谱 = 1），则有：第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 13 - 赵晓群 教授仅考虑幅度谱时，最佳

13、谱幅度考虑幅度、相位谱时，最佳谱包络。相位信息无关紧要，在此无需计算 Am。您噬叹沤相承挞锨讣蚕束蔫酉唉妻吕伟用笼抵渝瘴捶天质捕孕戎瘤哦煌彤第11章多带激励声码器数学语音编码讲议对于假定基音频率 0 的每一个谐波，计算 Am 或 Am ， 再求出各次谐波内的最小误差 。 则整个频带的总的最小误差：每假设一个基音频率 0，计算出对应的 0。 显然，正确的基音周期或其倍数上，0 取极小值。搜索 0 的全局最小值对应的 T0=2/ 0 值可能是 正确的基音周期的某个整数倍值。因而，还需要对T0/2、T0/3、处的 0 进行校核， 以判断正确的基音周期，从而确定最佳基音周期。最后确定最佳基音周期时，还

14、需要考虑前后帧的情况。 一般相邻帧的 T0 值变化不会太大。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 14 - 赵晓群 教授告卧灯锥段萨埃奢系船嵌粮凭找留蝗诅耗茂试马踩赃迫忽璃沮讫夹组盟谢第11章多带激励声码器数学语音编码讲议2. 谐波频带内 V/U 判决第 m 子带的归一化误差能量为：采用激励信号 Pw()（谱幅度Am 或谱包络 Am、周期 T0 ） 是第 m 谐波子带的谱拟合误差。令频率加权函数 G()=1，上式化简为：子带判决： 可以将相邻的几个谐波频带合并成一个子频带， 用上述同样的方法提取Am 或 Am，并进行 V/U 判决。第11章多带激励声

15、码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 15 - 赵晓群 教授覆盏魏钝普书贰锦涡阂链蹦购颤佛并瓣镐塘漱皖捻株芯定颤坊瑶嫡滋覆零第11章多带激励声码器数学语音编码讲议11.3.2时域分析W()：窗函数 w(n) 的 Fourier 变换， 0：归一化基音角频率（基音周期 T0，0= 2/T0）假设在 - 频率范围内共 2M 个谐波， Pw() 为激励时，有: 式中， 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 16 - 赵晓群 教授囤广攻疮脂肤恰获绕猾躲档瘴羌迄披卜耻轴镰糜晌槽勿沙伺弃吞茫午马洽第11章多带激励声码器数学语音编码讲议令

16、频率加权函数 G()=1 ，由前面给出的式子 得，全带拟合误差： 式中，由上式可求出使 取极小值的矢量 a 为： 再代入上式，结合上页式，得：式中，因此，对于某个选定的 T 值时，计算 min 等价于 max 。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 17 - 赵晓群 教授 注：上标 T 为转置 H 为共轭转置捉饮茄从竭聚钦微兼吠鬃滔褥劈属迄撮支渍妻芭揭悸镰卫开蛤荒让介篆犹第11章多带激励声码器数学语音编码讲议为了方便，选择窗函数 w(n)，使其满足频域内正交条件： ， I 是单位矩阵；相当于时域内满足条件：还要求其 Fourier 变换的泄露足够小，

17、 主瓣宽度足够窄 （此宽度不应大于基音频率值） 。满足上述条件且 w(n) 为偶函数时，上页计算 式可改写为： 注意到 0M= 近似成立，且 0T=2 ，则上式可简化为：式中 T 假定的基音周期； w2(n)x(n) 的自相关函数，第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 18 - 赵晓群 教授玫辊垣隶富腑佐稿赃帮悼罚愈狞蛀买热兰制埃除躬惦框绣善俺票倍苞忍彻第11章多带激励声码器数学语音编码讲议由 Parseval 定理，总拟合误差写成： 为了去除由于 T 值增加造成的下降，需要对上式修正，以保证真正的基音周期对应的是全局最小值。采用无偏拟合误差公式如下

18、： 采用此修正后，归一化总误差能量应写成下列形式： 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 19 - 赵晓群 教授欣恼砒窝省彤畅萤戚抖姬胰叶烘喀累育混活紧汁威虑躇进窥捡真漏思剩蒂第11章多带激励声码器数学语音编码讲议设窗函数 w(n) 长为 2N+1，以原点对称。同时假设在窗长范围内有 L 个假设基音周期，即：则上页式中，uB的求和上下限应作相应的改动，即得到： 为粗搜索时确定初始基音周期 TI 所用的拟合误差时域表达。为提高精度，T 值也可取非整数，如 20.5, 21, 21.5。 非整数点上的相关函数可插值计算：实验表明，10 kHz 采样，基音

19、周期的精确可达 0.04 样点。数码率较低时（4.8 kbit/s以下），精确到 1/4 1/8 样点也就满足要求了，这样运算量可以减少很多。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 20 - 赵晓群 教授乾躬些绣脊罕津炙悼浪侍激痹讲丹根爱揽二蹈脆丧情蕾蹈独揉宅械哺污呛第11章多带激励声码器数学语音编码讲议11.3.3 INMARSAT-M 改进 MBE 模型分析算法 图11.3：INMARSAT-M 改进 MBE 模型算法框图。语音信号： 8 kHz 采样，线性 PCM 编码， 语音样值的最大值定标范围：214-1，215-1 最小值定标范围：-215

20、，-214需求出改进 MBE 模型参数：基音角频率、V/U判决， 子带谱包络参数（仅考虑幅度谱）。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 21 - 赵晓群 教授图11.3MBE 语音分析算法方框图高通滤波器低通滤波器基音周期初始估计清/浊判决基音周期精确估计频谱估计语音信号贫崖赃峪职熔曹犊体誓函廓能跌这蔬周燥先拯荤僚姜鲤由卞冻稳绣鸦柠赘第11章多带激励声码器数学语音编码讲议1. 高通滤波语音经数字高通滤波器，滤除信号中的直流分量。 高通滤波器的截止频率约 10 Hz，传递函数为：2. 低通滤波低通滤波器输出的信号按下式计算： 低通滤波器是 21 阶 F

21、IR 数字滤波器，其系数值列于表11.1。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 22 - 赵晓群 教授表11.1FIR 低通滤波器系数jhL(j)jhL(j)jhL(j)00.3942014-0.0637238-0.00743010.2973545-0.0045659-0.01377520.09367160.03065910-0.0021743-0.05160270.016900拙脾巢唤昭仅黑篮喷幌陕脉吟紊肚缺掷沏椒役冲硅兵恰缔匈侵蛙肄侗榴狄第11章多带激励声码器数学语音编码讲议同济大学电子与信息工程学院 - 23 - 赵晓群 教授图11.4相邻语音

22、帧与帧之间的关系过去帧当前帧将来帧3. 基音估计基音估计算法：应保持相邻语音帧基音周期的某种连续性。基音跟踪算法：在确定当前帧的基音周期时要考虑 相邻的过去帧和将来帧的影响。图11.4：当前帧和前后帧之间的关系。 帧长为 20 ms（160 个样点）。 基音估计算法分：初始估计、精细估计两步进行。初始估计得到初始基音周期：TI，TI D =21,21.5,114 ， 精度： 1/2 采样周期； 再由精细估计得出归最终基音周期，精度：1/4 采样周期。两步法可降低计算复杂度和提高鲁棒性。 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 -40-2002040 60 ms T-2 T-1 T0

23、T1T2基音周期：误差函数：E-2(T)E-1(T)E0(T)E1(T)E2(T)笨繁萝划矾烬泄凉靛搀郁伎附您泽眯材昂嵌断症堤晋荚享搐其刊嘴织蠢妇第11章多带激励声码器数学语音编码讲议算法的重要特点：初始估计和精细估计使用不同长度的窗函数。 初始估计窗 wI(n) 长为 281 个样点； 精细估计窗wR(n) 长为 221 个样点； 皆是对称三角形窗，两窗中点对齐。相邻语音帧之间的重叠量是窗长的函数， 重叠量 = 窗长 - 帧移动量（160 个样点）。 wR(n)时，重叠量 61 个样点；wR(n) 时，121个样点。(1) 基音的初始估计 （步骤见图11.5 ） 对每一个可能的基音周期 TD

24、，计算误差函数值 E(T)。 然后通过前向与后向基音 跟综算法，比较求出的值， 最终选择最佳的候选者 作为 TI 。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 24 - 赵晓群 教授图11.5初始基音周期估计后向基音跟踪前向基音跟踪比较基音估计值计算误差函数曙允喊述浦择婉赘做东翁章醉绘骸拒项行瘪悔荡漫杏喇毅动东瞥诱缕峪手第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 计算误差函数根据归一化总误差能量定义，误差函数 E(T) 定义为： 式中wI(n) 归一化三角形窗函数，满足 。 当 t 为整数值时，自相关函数 (t) 定义为： 当 t 为非整数值时，用线性内插公式

25、计算 (t)。基音周期的初始估计 TI 为：采用基音跟踪算法，保证基音周期 TI 的连续性。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 25 - 赵晓群 教授坊馋蔽府收终做剖镰釉汛箩黑韧旷痛契涎滦衬芒觅叠给阿昼豹听忻缮溢烷第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 后向基音跟踪E-1(T-1)、E-2(T-2) 过去两帧对应的误差函数值； 因基音周期的连续性，当前帧的基音周期 T 应在 T-1 附近， 应满足约束条件：在上式范围内逐个选取 T，并计算相应的 E(T) ， 使 E(T) 最小的 T 就是后向估计 TB， 计算后向累计误差 CE(TB)： CE(T

26、B) 是后向基音估计的置信度测度。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 26 - 赵晓群 教授贸既摇辙酗溪歼圭楞则严庶宵记巾忍幌聋浓魂撼渝蓄砌阶坍韭魁爬审逃件第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 前向基音跟踪E1(T1)、E2(T2) 将来两帧对应的误差函数值；将来两帧的基音周期尚未确定， 前向基音跟踪算法必须首先设法确定这些基音周期值。在集合 D 内选定一个 T0，按下面的约束条件选取T1 、T2： 使E1(T1)+E2(T2)最小的T1 、T2表示为 ， 并按下式计算前向累计误差函数 CEF(T0) 为： 重复上述过程，在规定的范围内逐个选定

27、T0， 计算相应的CEF(T0) ，使其最小的 T0 定义为 。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 27 - 赵晓群 教授估蓄负噶垃擒萨尔榔宠刺带刺莱寥虫郁梦扮帅久投舞举粪陆抡娱刽嚏眩轧第11章多带激励声码器数学语音编码讲议为防止倍基音周期，考虑 取 的可能性。要求 ，选择一个与其最接近的值代替。 再检查是否满足下列三个条件之一、且为最小值的 ，若有，则前向基音估计 ；否则 。完成前、后向基音跟踪，并求得估计值后， 按下列判决规则确定初始基音估计 TI： If CEb(TB)0.48 then TI =TB else if CEb(TB)CEF(T

28、F) then TI =TB else TI =TF 最终的基音估计的精度提高到 1/4 采样周期。 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 28 - 赵晓群 教授瘪弯吝诌獭梨万堵愁拌珠豢颁韩冰咐骆扶稗缎屉人懂甭搪剩篆被迫啼鲤砷第11章多带激励声码器数学语音编码讲议(2) 基音的精细估计图11.6：基音精细估计的方框图。精细估计窗 wR(n)： 长 221 个样点，归一化三角形窗。由基音初始估计 TI，产生 10 个基音精细估计的候选值：将其转换为相应的基音频率 0=2/T0。 然后在这 10 个点上进行细搜索，确定基音周期的精细估计。第11章多带激励

29、声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 29 - 赵晓群 教授图11.6基音的精细估计计算Am(0)计算Xwr(l,0)计算(0)256点DFT16384点DFT产生10个0 候选值min(0)惜箕撕剿恃卑讹否琐苦怀骄琐截账大讹狮谣仕俺疚大村柜毕蔓秘望婚甄拇第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 计算窗选语音和窗函数的离散 Fourier 变换。对窗选语音信号，计算 256 点 DFT： 对窗函数,计算 16384 点 DFT：（扩大点数，可保证精度) 对每一个假设的 0，求各谐波的最佳谱包络值 Am(0)。选定 0，则在 - 之间有个 2/0 谐波分量， 两个相邻谐

30、波之间含有 2560 / 2 个语音信号的 DFT 点。对于第 m 次谐波，它的频带下限、上限为： 其中，INT x 表示取大于或等于 x 的最小整数。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 30 - 赵晓群 教授影主测战舆丽点银肩谎娶悄趋裔赤范倾因总账滔眺娥漠系裔欺泽浦江压复第11章多带激励声码器数学语音编码讲议根据式：因窗选激励 Pw() 在频带内与窗函数主瓣包络形状相同， 故用 WR() 代替 Pw() 。这意味着语音改变一个样点，窗改变 64 个样点。 因此，最佳用下式计算： 计算合成语音谱。按下式计算：第11章多带激励声码器 11.3多带激励

31、语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 31 - 赵晓群 教授蜡拙藩棕郭施旭割汹京磊脸晶锦熙墓税产娱女胰盒慌误瓮志廊响挽撰桐伊第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 计算加权总拟合误差，选择最佳 0 （或 T0 ）。采用 DFT 的总拟合误差为：在细搜索中，主要考虑高次谐波频带拟合的情况，因此，加权函数在低频端可以取 0，求和下限不从 1 开始； 高频端可以取 1，求和上限也不必达到 127。语音频谱一般限制在 2003600 Hz范围内。 故按下列公式确定求和上限 q： 总拟合误差可以改写成：对 10 个候选基音频率，逐个计算出总拟合误差， 使其最小的 0 是当前帧基音周期的精细估计值。第

32、11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 32 - 赵晓群 教授利用偶对称性，只计算了一半的值榔哭瞎眨泊哈谨喳煌祷源液竞辅仙块坯出撰承霹撼缝马英泻肇来努恍彬管第11章多带激励声码器数学语音编码讲议4. V/U 判决图11.7：V/U 判决的方框图。利用每个谐波处合成谱与窗选语音谱拟合的程度来确定。 若归一化拟合误差 阈值，判定该谐波频带为浊音带； 反之为清音带。采用 DFT 时，前面推导的归一化误差应改写成：也可将几个相邻谐波频带合并成一个频带， 根据该频带总拟合误差作出该带的 V/U 判决。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与

33、信息工程学院 - 33 - 赵晓群 教授图11.7清/浊判决方框图计算拟合误差计算E0更新Eavg,Emin,Emax计算阈值与阈值比较刑辽瑶职据忘粥仓星烽痊漾皿框沿逻疼挎荆遵厕蛹阉厚蹭僳颂搬上怔泉疥第11章多带激励声码器数学语音编码讲议实用 V/U 判决方案：最多分 12 个带，判决方法如下： 确定谐波的个数 M。计算式： 确定子带的个数 K。每个子带包含 3 个谐波分量（见图11.8）。子带数的计算式：第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 34 - 赵晓群 教授图11.8改进的 MBE 频带结构子带 1 子带 2 子带 K-1 子带 K验蔼钉著毙

34、诧万坪棱媚拯端鹅霜疫逆恒蚊转嘻保淘滨胡忻卑好疡日章津材第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 计算各带的归一化拟合误差。计算式：第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 35 - 赵晓群 教授法豪焕鸽粱帖挂触妊协燥锥茹瘩常机将磋拂卿聂菲庭陋眶姜怀恿尝妥沽糖第11章多带激励声码器数学语音编码讲议 计算 V/U 的判决阈值。计算式：第一项：随 0 增大而变大。 当 0 增加时谐波个数将减少，拟合误差会变大， 此项起到去偏作用。第二项：随 0 升高而变小。 由于话音高频端通常更具有随机谱的特征， 因此，较多地判为清音区会使合成语音听起来自然。第三项：是同语音当

35、前帧能量 E0、平均能量 Eavg、 最小能量 Emin、最大能量 Emax 有关的参数。采用自适应方法，逐帧更新这些参数，以期获得更好的效果。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 36 - 赵晓群 教授伴色懒毅诈取韶恼哈鲁吮虱归拾服冒冯奎懒衰臂冻乞绦谋蕉友填葱逸殊涅第11章多带激励声码器数学语音编码讲议若用 E(0) 表示当前帧的参数， E(-1)表示前一帧的参数， 相关量的定义为： 且满足的约束条件：第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 37 - 赵晓群 教授忍佯酚吊既锭巴泼脖散使贿持姻陇坷车谦瘪箭比蕴

36、据熊中切残毫钒污识梁第11章多带激励声码器数学语音编码讲议求出上述几个能量之后，再确定函数： V/U 判决。判决规则为：第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 38 - 赵晓群 教授憋蛛邮降疫追巾忌畏蛀麦回指镇翅柬宗酪剩托仿膳泞懊伊疑禾邪颇衍乃当第11章多带激励声码器数学语音编码讲议5. 求各谐波幅度或包络图11.9：频谱幅度估计框图。改进 MBE 语音编码器，每个分频带包含 3 个谐波。 谐波结构见图11.8。对于第 k 个频带，其频带范围为 a3k-2 b3k， 需要确定 3 个频谱幅度 A3k-2、A3k-1、A3k。第11章多带激励声码器 11

37、.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学院 - 39 - 赵晓群 教授图11.9频谱幅度估计计算清音幅度计算浊音幅度选择清音/浊音谱幅度图11.8改进的 MBE 频带结构子带 1 子带 2 子带 K-1 子带 K贴急暇阳疽郝幸梢浑旱徽什委翌狮瑚咋犁蚕翰缆颓纳纂殆地何十含儡粒负第11章多带激励声码器数学语音编码讲议浊音带时， 按下式计算： 如果数码率足够高，也可以直接传送 Am(0)。清音带时， Am 按下式计算：对于最高分频带 K，其频带范围是 a3k-2bM， 包含 M-3k+3 个谱幅度。令直流分量 A0=0。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 同济大学电子与信息工程学

38、院 - 40 - 赵晓群 教授娄雨砚儿弱滇真椰冀缀挺喉持庭令辑钦聚询汹退皆亨鹏益邢酶势夕嘶脂藐第11章多带激励声码器数学语音编码讲议改进 MBE 模型的全部参数为： 基音周期 T0， 各带的 V/U 判决 Vk, (k=1,2,K)， 各谐波处的最佳幅度 Am, (m=1,2,M) 。参数传送给解码器前，需量化、编码。 INMARSAT-M 语音编码器的比特率为 6.4 kbit/s， 帧长 20 ms，每帧 128 bit， 其中 45 bit 留给信道编码用，余 83 bit 供量化模型参数用。表11.2：比特分配表。 （参数量化的方法从略）第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析

39、 同济大学电子与信息工程学院 - 41 - 赵晓群 教授表11.2模型参数比特分配参数基音周期V/U 判决频谱幅度每帧比特数8K75-K景衡块五盟溪刽缠怪板畜乓迅旨帆揍柑泵谓知黔枕算者减岿虑就蠕耶咸拍第11章多带激励声码器数学语音编码讲议第11章多带激励声码器11.4多带激励语音合成两种合成方法：频域合成法、时域合成法。频域合成法：重建语音谱，求 Fourier 反变换得时域序列。 相当于分析过程的逆过程。 特点：比较直接，但不能保证合成语音基音周期的平滑变化。时域合成法：利用插值实现帧间基音周期的平滑过渡， 可使合成语音更自然。 因此，实际的 MBE 算法都采用这种方法。下面介绍时域合成法。

40、 图11.10：改进 MBE 语音合成框图。 浊音成分与清音成分分开合成， 再相加形成完整的合成语音。 第11章多带激励声码器 11.4多带激励语音合成 同济大学电子与信息工程学院 - 42 - 赵晓群 教授图11.10改进 MBE 语音合成方框图清音合成浊音合成合成语音佰层犀见寅奶奔蓖淳真盯爪啃嚏苫心细门萌奥绪霖诉倪拱匡濒取取蓟勒甲第11章多带激励声码器数学语音编码讲议11.4.1清音成分的合成清音成分的合成用白噪声激励。初始值为 u(-105) = 3147。按下式产生一个白噪声序列 u(n)： 对相继的合成语音帧，u(n) 移动 20 ms（160 样点）， 对 u(n) 加窗，合成窗

41、wx(n) 长：209 样点。因此，在相继合成语音帧之间，噪声序列重叠 49 样点。 对加窗后的 u(n) 进行 256 点的 DFT，得：第11章多带激励声码器 11.4多带激励语音合成 同济大学电子与信息工程学院 - 43 - 赵晓群 教授娶衬慷槐妹坪体迫瘪枫阻衫喳验掠授衷辗钱妮凛艾四师母躬贞想捐氯恳铁第11章多带激励声码器数学语音编码讲议再根据谐波频带 m 是浊音区（Vk=1）或清音区（Vk=0），再对 Uw( l ) 进行修正得Uwc( l ) ：式中，am, bm 定义见前面； Am(0) 当前帧的 Am 值。 m 伸缩系数，是合成窗 wx(n) 与 基音精细估计窗 wR(n) 的函数， 修正效果相当于用一组带通滤波器滤除浊音带的信号。第11章多带激励声码器 11.4多带激励语音合成 同济大学电子与信息工程学院 - 44 - 赵晓群 教授寄毕峰堪判允沼础河该拼耶五朝衔义五啄壕绝涤商腊腐畅婪冠耀碰趟筛睛第11章多带激励声码器数学语音编码讲议Uwc( l ) 中很低及很高的频率成分都置0，即：对得到的频域各点 Uwc(