基于MATLAB算法的数字变声器.doc

"基于 MATLAB 算法的数字变声器" 本文旨在介绍基于 MATLAB 算法的数字变声器的原理和实现过程。变声器是一种可以改变输入声音频率、音色和音调的设备，通过对声音音色和音调的双重复合改变，实现输出声音的改变。变声器的原理是基于重采样实现的，同时使用 LPC 倒谱分析法分析共振峰的 X 围。 本设计通过编写 MATLAB 程序，借助对声音音色和音调的双重复合改变，实现输出声音的改变。实验中通过 MATLAB 软件对采集来的语言信号进行频谱分析，讨论不同人之间的噪音源参数和共振峰参数，通过对不同人语言信号频率和幅度的改变来实现不同人之间的语音转换。 数字变声器的原理基于语音科学家将人类发声过程视作一个由声门源输送的气流经以声道、口、鼻腔组成的滤波器调制而成的。人类语音可分为有声语音和无声语音，前者是由声带振动激励的脉冲信号经声腔调制变成不同的音。无声语音则是声带保持开启状态，禁止振动引发的。一般来说，由声门振动决定的基频跟说话人的性别特征有关，而无声语音则没有体现这个特征。 在进行性别变声时，主要考虑基音周期、基频和共振峰频率的变化。其中男生、女生和童声的基频、共振峰的关系如图 1 所示；基音周期改变时，基频、共振峰同时变化，若伸展既有男变女、女变童，反之亦可。 实验过程中，采用的算法是线性预测参数合成法。线性预测参数合成法利用 LPC 语音分析方法，通过分析自然图 1 人群基频与共振峰的关系语音样本，计算出 LPC 系数，就可以建立信号产生模型，从而合成出语音。大致流程如图 2 所示。 首先，需要对语言信号进行低通滤波，然后进行自相关计算。在低通滤波时，采用巴特沃斯滤波器。根据人的说话特征设定相应指标参数，对本段语音设计算出巴特沃斯模拟滤波器的阶数 N 为 5，3dB 截止频率 ,,算出 为 0.175，归一化低通原型系统函数为：其中将带人中，得到低通滤波器，根据设定的滤波器编写 MATLAB 程序，当信号经过低通滤波器后，对原始信号滤波产生结果如下图 2 所示，低通滤波后，保留基音频率，然后再用 8kHz 采样频率进行采样，采样序列为 x(n)，然后进行下一步的自相关计算。 然后，定义语音信号的短时自相关函数如下：其中 k 为信号延迟点数:为语音信号；N 为语音帧长度。经过低通滤波之后，取 160 个样点数，帧长取 10ms，对每帧语音求短时自相关，取得自相关最大点数，自相关函数在基音周期处表现为峰值，这些峰值点之间的间隔的平均值就是基音周期。 最后，使用 LPC 倒谱法提取共振峰。通过线性预测分析得到合成滤波器的系统函数为 其冲击响应为 h(n), 为预测系数。然后求 h(n) 的倒谱 hˆ (n)，首先根据同态分析方法，有 Hˆ (z)=logH(z)，因为 H（z）是最小相位的，即在单位圆内是解析的，所以 Hˆ (z) 可以展开成级数形式，即(z)=,也就是说(z) 的逆变换(n) 是存在的，设(n)=0，将等式两端分别对求导，得到： =有（1-）=, 令式左右两边 Z 的各次幂前系数分别相等得到：(1)=1(n)=+ 1(n)= n>p 在本实验中，取预测阶数为 10，语音的样点数为 160，按照上式可直接从预测系数 求得倒谱(n)，这个倒谱是根据线性预测模型得到，即称为 LPC。 本设计通过 MATLAB 软件实现了数字变声器的设计和实现，通过对声音音色和音调的双重复合改变，实现输出声音的改变。实验结果表明，本设计可以实现不同的人之间的语音转换，具有良好的实用价值。