Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 36
Текст из файла (страница 36)
3.16 следует учесть ряд факторов ~45]. Цифровой вариант полосного вокодера может быть построен на основе полосовых и низкочастотных фильтров, выполненных в цифровом виде ~41]. Но спектральный анализ, выполняемый набором фильтров, можно выполнить с помощью дискретного преобразования Фурье. В одном из таких полосных вокодеров, разработанных Байэли и Андерсоном 146], воздействие гребенки фильтров анализатора на речевой сигнал заменено вычислением кратковременного преобразования Фурье; операции, выполняемые детекторами и фильтрами нижних частот, формировавшими в аналоговом полосном вокодере огибающие канальных сигналов, заменены вычислением модуля кратковременного преобразования Фурье.
Преобразование Фурье может быть вычислено либо непосредственно, либо по алгоритму БПФ. В упомянутом выше вокодере применялось непосредственное вычисление преобразования Фурье. Структура отдельного канала вокодера показана на рис. 3.17. Сигналы, полученные в каналах анализатора, используются в синтезаторе для задания амплит д отрезков синусоид с частотами, Цифровая обработка речевых сигналов 159 Глава 3 158 Огпсчелт речвваг сигнала огас,пТ) Ларамглтр всгдунсй- клтигв сигнала Югсгсансй речки сигнал й~ралгвл7р ° г збулааю- Юга игмг Рис, 3.16. Блок-схема полосного вокодера. а — анализатор; б — синтезатор. равными центральным частотам каналов анализатора, а полученные взвешенные синусоиды складываются. Если все отрезки синусоид приведены к одинаковой фазе, то получающийся импульсный отклик синтезатора симметричен (т. е.
имеет нулевую или линейную фазу). Параметры возбуждающего сигнала, полученные в Рис. 3.17. Структура одного из каналов анализатора полосного вокодера (по Байэли и Андерсону). анализаторе, используются для генерации возбуждающего сигнала, представляющего собой или последовательность импульсов, разнесенных на период основного тона (для звонкой речи), или шумоподобную последовательность (для глухого речевого сигнала). Структура синтезатора показана на рис.
3.18, а. На рис. 3.18, б поясняется фактическая процедура формирования импульсного отклика. Схема цифрового аналога обычного полосного вокодера показана на рис. 3.17 и 3.18; существует ряд ее разновидностей, в том числе использующие умножение входного сигнала на весовую функцию, что позволяет улучшить эффективные частотные характеристики фильтров в каналах. В разд. 3.5 и 3.6 будут рассмотрены другие виды цифровых систем анализа — синтеза, не имеющие соответствующих аналоговых эквивалентов.
До сих пор определение параметров возбуждающего сигнала особо не обсуждалось. Как будет показано в следующих разделах, некоторые системы анализа — синтеза предназначены для получения параметров возбуждающего сигнала. Для полосных вокодеров это не так. Поэтому в полосных вокодерах чаще применяется класс алгоритмов анализа возбуждающего сигнала во временной области, который не является специфическим для какой- либо одной системы анализа — синтеза речи. 161 Глава 3 160 Цифровая обработка речевых сигналов На коротких интервалах времени звонкий речевой сигнал близок к периодическому колебанию.
В этом случае задача анализатора возбуждающего сигнала заключается в измерении частоты, или, что то же самое, периода основного тона. Если сигнал строго периодичен, определить его частоту можно с помощью ряда простых измерений во временной области. Например, если периодический сигнал пропустить через фильтр нижних частот, так что в нем сохранится лишь несколько гармоник, то вполне пригоден простой алгоритм, такой, как измерение интервала между максимумами сигнала или моментами пересечения сигналом нулевого уровня. Однако если колебание не совсем периодично, простые процедуры такого типа часто будут давать неопределенные или Ь з~ сь 1ф ,ф ~а сь ~~~~ соьь ~ч р ас зл )тп ЯТ) = ~ И) Ап ) аая 0тааЪТ) )=1 О()с(Н Рис.
3.18. а — структура синтезатора цифрового полосного вокодера; б — алгоритм генерации им- пульсного отклика (по Байэли и Андерсону). неправильные результаты. Поэтому необходимо применять более тонкие методы. Один из наиболее удачных подходов, первоначально предложенный Голдом 1491 и усовершенствованный Голдом и 1~абинером 154~, заключается в выполнении не одного, а нескольких параллельных элементарных измерений и определении основной частоты сигнала с помощью счетного алгоритма. Если различные измерения дают противоречивые результаты, речь считается глухой.
Весьма успешным для анализа речи оказалось применение кратковременной автокорреляционной функции речевого колебания. Если временной интервал, па котором вычисляется автокорреляционная функция, составляет несколько периодов основного тона, то функция будет иметь максимумы, отстоящие друг от друга на период основного тона.
Следовательно, частоту основного тона мо кно определить, выделив эти максимумы. Аналогично отсутствие этих максимумов свидетельствует о глухом характере речи. Одна из проблем, характерная для автокорреляционных анализаторов возбуждающего сигнала, обусловлена большой шириной главного лепестка автокорреляционной функции. Чтобы сузить автокорреляционную функцию в области малых аргументов, Сонджи 1531 предложил отбрасывать значения сигнала вблизи нулевого уровня и ограничивать максимальные значения сигнала, а только потом вычислять автокорреляционную функцию. Введение такой нелинейности обычно позволяет получить в авто- корреляционной функции узкие, хорошо заметные максимумы в точках, кратных периоду основного тона.
Хотя оба класса алгоритмов позволяют решить, глухой или звонкий характер имеет речь, обычно дополнительно вводят предварительную операцию различения звонкой и глухой речи, основанную на измерении энергии сигнала за короткий промежуток времени. Для глухой речи эта энергия обычно значительно меньше, чем для звонкой. Сравнивая энергию, накопленную за короткий промежуток времени, с некоторой пороговой энергией, можно вынести предварительное решение, является ли речь звонкой или глухой. Затем этот результат вместе с измерениями высоты основного тона используется для принятия окончательного решения о характере речевого сигнала. 3.5.
Гомоморфный анализ и синтез речевых сигналов Как было отмечено в разд. 3.2, речевое колебание является сверткой возбуждающей функции с импульсным откликом голосового тракта. Общий метод нелинейной фильтрации, называемый .гомоморфной фильтрацией [бО, 59, 8], оказался особенно пригодным для задач инверсной фильтрации речевого сигнала. Общая структура гомоморфных систем, применяемых для инверсной фильтрации сообщений, показана на рис. 3.19. Свойства 11 — 359 Цисрровая обработка речевых саеналов !бЗ Глава 3 162 (3.20) 1оД / А1 при и=О, т., и п.,п ! а, с, + ~~~~ — при и ) О, и ~ — ! и с(и)= 1 (3.25) т„Ь вЂ” и р, ~ — и ~~~~ ~' /' ч~~ А и я ! и при и(0. 'т'!г) = йу У(г) хЮ = гаухсг( р (и) = Х ар (и — lгЛ') (3.26) имеет вид р (и) =;5,' 3„о (п — lгЛ').
7г (3.27) (3.22) Х (г) = Х, (г) + Х, (г). Следовательно, х (и) = х, (и) + х, (и). (3.23) (3.28) т1 — аг!,-') П (1 — Ь!,г) !=! П (1 1=! Р(г) =А и( о, (0) 2и, (и) О при и =-О, при и) О, при и (О. (3.24) (3.29) рп = сугг ) П (1 Аг) !=! системы Р„определяются следующим соотношением: Х (г) =1о~ Х (г), где Х(г) и Х(г) — г -преобразования х(п) и х(п) соответственно. Поскольку в общем случае функция Х(а) имеет комплексные значения, необходимо ввести подходящее определение ее логарифма ~601. Система Е является линейной, а система, обозначенная как Рис. 3.19.
Каноническое представление гомоморфных систем для фильтрации последовательностей с помощью инверсной свертки. Р ', обратна по отношению к системе Р.. Если последователь- Ю ность х(п) является сверткой двух компонент х!(п) и х~(п), так что Х(г)=Х, (г) Х,(г), (3.21) то из определения системы Р. вытекает, что Таким образом, система Р„преобразует свертку компонент в сумму, что позволяет разделить эти аддитивные компоненты с помощью линейной фильтрации.
Сигнал на выходе системы Р. обычно называют комплексным кепстром [601. Ряд свойств комплексного кепстра делает рассматриваемый способ анализа особенно удобным для анализа и синтеза речевых сигналов. Эти свойства перечислены ниже. 1. Рассмотрим последовательность и (п) с рациональным д-преобразованием вида где 1с1 ~ ~ Ь ~, ~ с ~ и ~ д!! ~ меньше единицы, так что сомножители вида 1 — а!,г — ' и 1 — с!,г ' соответствуют нулям и полюсам функции, лежащим внутри единичного круга, а сомножители 1 — Ь!,г и 1 — д~а соответствуют нулям и полюсам функции, расположенным вне единичного круга. Тогда в общем случае комплексный кепстр с(п) имеет вид Отсюда можно сделать вывод, что комплексный кепстр убывает не медленнее по крайней мере, чем 1/(п~. Таким образом, комплексный кепстр последовательностей, имеющих а-преобразование вида (3.24) (что соответствует последовательностям, представляемым в гиде сумм комплексных экспонент), в основном сосредоточен вблизи п=О.
2. Комплексный кепстр последовательности Другими словами, последовательность, состоящая из равноотстоящих (но не обязательно одинаковых по величине) импульсов, имеет комплексный кепстр того же вида. 3. Пусть ~,„(п) является последовательностью с минимальной абазой!1, имеющей преобразование Фурье 1т (е!о ). Тогда п~ (п) =0 при п(0. Далее рассмотрим последовательность определенную так, что Г,(е' )=Кем (е"")~=1о~~ 1' (е"") ~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
