第11章多带激励声码器.ppt

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1、国家“十一五”规划教材数字语音编码讲议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 第第1111章多带激励声码器章多带激励声码器11.1概述CELP、MPLPC等：等：全极点模型全极点模型、LPC 分析分析，合成合成-分析法分析法，听觉加权听觉加权方均误差准则，方均误差准则，闭环闭环确定激励参数。确定激励参数。这类这类混合编码混合编码，在，在 4.816 kbit/s 码率内获得巨大成功。码率内获得巨大成功。关键技术：关键技术：是保持了合成语音与原始语音波形的相似性。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。再降数码率

2、时，合成语音质量迅速下降。LPC 声码器：声码器：（清（清/浊音）浊音）二元激励模型二元激励模型，分析分析-合成法合成法，LPC 分析分析，清清/浊音判别浊音判别，估计，估计基音周期基音周期。SNR 较高时，较高时，2.4 kbit/s 及以下码率，语音及以下码率，语音可懂度可懂度相当高。相当高。以上编码器，当噪声较大时，因无法准确提取参数，以上编码器，当噪声较大时，因无法准确提取参数，性能性能严重恶化严重恶化；其它声码器，如其它声码器，如通道声码器通道声码器、同态声码器同态声码器等也有同样弱点。等也有同样弱点。第11章多带激励声码器 11.1概述 -3-产生原因：产生原因：二元激励模型二元激

3、励模型过于简化，不符合实际语音的特性。过于简化，不符合实际语音的特性。许多语音段，同时含许多语音段，同时含周期性周期性、非周期性非周期性分量，分量，过渡音段过渡音段、有噪浊音段有噪浊音段更是如此。更是如此。当用当用二元谱二元谱来拟合时，合成语音来拟合时，合成语音缺乏自然度缺乏自然度。1988 年年 MIT 林肯实验室林肯实验室提出提出多带激励多带激励（MBE）语音编码语音编码，突破突破二元激励的局限性，对二元激励的局限性，对多个频带多个频带逐个进行逐个进行 V/U 判决判决，故称为多带激励模型。故称为多带激励模型。采用采用合成合成-分析法分析法，在，在 2.4 4.8 kbit/s 码率码率时

4、性能优良。时性能优良。改进方案被改进方案被国际海事卫星组织国际海事卫星组织采用（采用（INMARSAT-M Voice Codec），），码率码率为为 6.4 kbit/s。本章主要内容：本章主要内容：MBE 原理原理，参数提取参数提取方法，方法，合成语音合成语音的方法。的方法。重点介绍重点介绍 INMARSAT-M Voice Codec 标准标准的算法。的算法。第11章多带激励声码器 11.1概述 -4-第第1111章多带激励声码器章多带激励声码器11.2多带激励语音模型窗选语音信号窗选语音信号为（窗长为（窗长 2040 ms）：）：源源-系统语音模型系统语音模型理论，语音段是理论，语音段

5、是线性系统线性系统（声道）（声道）对某种对某种激励信号激励信号的响应。的响应。设系统的设系统的单位脉冲响应单位脉冲响应为，则的为，则的 Fourier 变换变换可表示为：可表示为：式中式中Hw(),Ew()hw(n),ew(n)的的 Fourier 变换变换。重建语音信号谱重建语音信号谱 Xwr()可表示为：可表示为：式中式中Hwr()合成滤波器合成滤波器的的系统函数系统函数；Ewr()合成滤波器的合成滤波器的激励信号激励信号的的 Fourier 变换变换。两者皆从两者皆从原始语音信号原始语音信号中分析中分析提取提取。第11章多带激励声码器 11.2多带激励语音模型 -5-()()()wxnx

6、 n w n()()()wwwXHE()()()wrwrwrXHE清音波形Hwr()用用全极点函数全极点函数来逼近，相应于来逼近，相应于 Xwr()的的谱包络谱包络。MBE 按按基音基音各各谐波谐波，将语音分成若干个，将语音分成若干个子频带子频带 （如以（如以 3 个相邻的谐波频带为一组进行分带），个相邻的谐波频带为一组进行分带），分别对各子带进行分别对各子带进行 V/U 判决判决，激励信号激励信号为各子带的为各子带的和和。清音带：清音带：用用白噪声谱白噪声谱作为作为激励信号谱激励信号谱；浊音带：浊音带：用用周期性周期性的的 Pw()作为作为激励信号谱激励信号谱。激励信号是激励信号是周期性信号

7、周期性信号与与非周期性噪声非周期性噪声按不同频带混合而成。按不同频带混合而成。系统函数系统函数 Hwr()的作用是：的作用是：调整调整各子带分量的相对各子带分量的相对幅度幅度和和 相相位位，并将，并将 Ew()映射成映射成 Xw()。该模型较符合实际语音的特性，使该模型较符合实际语音的特性，使合成语音谱合成语音谱同同原语音谱原语音谱 在频谱精细结构上在频谱精细结构上拟合得更好拟合得更好。若还利用谱的若还利用谱的相位相位信息，则能够合成出高质量的语音。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 -6-图图11.1：典型的典型的浊音浊音、清音清音和和混合语音混

8、合语音段的分析段的分析-合成情况。合成情况。MBE 编码过程涉及三种参数的提取，编码过程涉及三种参数的提取，基音频率基音频率；每个每个子带子带的谱包络的的谱包络的幅度幅度和和相位相位参数；参数；每个每个子带子带的的 V/U 判决判决。图图11.2：MBE 语音语音编编/解码器解码器的简化原理图。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 -7-图图11.2MBE声码器语音编声码器语音编/解码器原理图解码器原理图清语音合成清语音合成浊语音合成浊语音合成基音周期估计基音周期估计谐波产生谐波产生频带划分频带划分幅度估计幅度估计清清/浊判决浊判决相位计算相位计算FFT传传 输输 输

9、出输出Hamming窗窗()x n0TkA/V Uk0TkA/V Uk()wxn -8-(a)浊语音段浊语音段 (b)清语音段清语音段 (c)混合语音段混合语音段图图11.1语音语音MBE的分析的分析-合成波形（合成波形（10 kHz采样，采样，256点点Hamming窗）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 -9-第第1111章多带激励声码器章多带激励声码器11.3多带激励语音分

10、析MBE模型参数的最优提取，计算量大，工程难以实时实现。模型参数的最优提取，计算量大，工程难以实时实现。常用常用次优次优算法，分两步完成参数的提取：算法，分两步完成参数的提取：确定确定基音频率基音频率和和每个分带每个分带的的谱包络谱包络参数，用参数，用 AbS 法法提取提取；对对每个分带每个分带进行进行 V/U 判决判决。有两种参数提取方案：有两种参数提取方案：使下列使下列加权积分加权积分值（值（加权方均谱误差加权方均谱误差）为）为最小最小：应使下列应使下列加权积分加权积分值达到值达到最小最小：式中式中 G()频率加权函数频率加权函数；Xw(),Xwr()原始语音谱原始语音谱和和合成语音谱合成

11、语音谱。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 21()()()d2wwrGXX21()()()d2wwrGXX差别：差别：方案方案 利用语音谱的利用语音谱的模值模值；方案方案 利用利用模值模值和和相位相位，性能优于，性能优于 ，但计算复杂，码率有所增加。但计算复杂，码率有所增加。INMARSAT-M Voice Codec 采用方案采用方案。本节主要内容：本节主要内容：11.3.1频域分析频域分析11.3.2时域分析时域分析11.3.3INMARSAT-M 改进改进 MBE 模型分析算法模型分析算法 第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 -10-11.3.1频域分析频域

12、分析1.基音估计及各次谐波幅度的计算基音估计及各次谐波幅度的计算设设基音周期基音周期为为 T0（基音角频率基音角频率 0=2/T0）。）。依次依次假设假设 0 为各种可能出现的值。为各种可能出现的值。对于对于可能可能的的基音角频率基音角频率值值0，将，将=-分为若干频带，分为若干频带，分界点分界点为：为：am=(m-0.5)0,bm=(m+0.5)0,m=0,1,(M+1)设设每个每个分带分带 am,bm 中中 Hwr()保持不变，保持不变，Hwr()=Am，则有：则有：式中式中 总的总的加权方均谱加权方均谱误差；误差；m 第第m子带子带加权方均谱加权方均谱误差，误差，或或 第11章多带激励声

13、码器 11.3多带激励语音分析 -11-21()()()d2mmbmwmwraGXAE21()()()d2mmbmwmwraGXA EMmmM仅考虑仅考虑幅度谱幅度谱时时考虑考虑幅度、幅度、相位谱相位谱时时令令或，或，由上两式可分别由上两式可分别解得解得一组一组最佳最佳 和和 ：或或若若第第 m 次谐波次谐波的能量显的能量显周期性周期性，则其能量集中在该谐波附近，则其能量集中在该谐波附近;选选周期性周期性 Pw()的作为的作为激励信号激励信号 Ewr()，则则合成语音谱合成语音谱Xwr()与与窗选语音谱窗选语音谱 Xw()在在第第 m 次谐波次谐波带内将拟合得很好（带内将拟合得很好（m 最小）

14、。最小）。若若第第 m 次谐波次谐波的能量显的能量显非周期性非周期性，则则 Xw()在该频带内没有特征性的形状。在该频带内没有特征性的形状。仍用仍用 Pw()作为激励，作为激励，m 值将较大。此时，值将较大。此时，应选应选噪声噪声为激励。为激励。第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 -12-2()()()d()()dmmmmbbmwwrwraaAGXEGE2()()()d()()dmmmmbbmwwrwraaAGXEGE/0/0mmmmAAmmAA仅考虑仅考虑幅度谱幅度谱时时考虑考虑幅度、幅度、相位谱相位谱时时分析分析周期性周期性与与非周期性非周期性信号激励时的信号激励时的最佳解最

15、佳解。浊音频带时浊音频带时，选，选 Pw()为为激励信号激励信号，由上页两式得：，由上页两式得：清音频带时，清音频带时，激励采用激励采用理想白噪声理想白噪声（幅度谱幅度谱=1），则有：），则有：第11章多带激励声码器 11.3多带激励语音分析 -13-2()()()d()()dmmmmbwwambwaGXPAGP2()()()d()()dmmmmbwwambwaGXPAGP()()d()dmmmmbbmwaaAGXG仅考虑仅考虑幅度谱幅度谱时，时，最佳谱幅度最佳谱幅度考虑考虑幅度、相位谱幅度、相位谱时，时，最佳谱包络最佳谱包络。相位信息无关紧要，相位信息无关紧要，在此在此无需计算无需计算 Am

16、。对于对于假定假定基音频率基音频率 0 的每一个谐波，的每一个谐波，计算计算 Am 或或 Am，再求再求出出各次谐波内各次谐波内的最小误差的最小误差 。则整个频带的总的最小误差：则整个频带的总的最小误差：每假设一个每假设一个基音频率基音频率 0，计算出对应的，计算出对应的 0。显然，正确的显然，正确的基音周期基音周期或其或其倍数倍数上，上，0 取取极小值极小值。搜索搜索 0 的全局最小值对应的的全局最小值对应的 T0=2/0 值可能是值可能是 正确的正确的基音周期基音周期的某个整数倍值。的某个整数倍值。因而，还需要对因而，还需要对T0/2、T0/3、处的处的 0 进行进行校核校核，以判断以判断正确正确的的基音周期基音周期，从而确定，从而确定最佳基音周期最佳基音周期。最后确定最佳基音周期时，还最后确定最佳基音周期时，还需要考虑需要考虑前后帧前后帧的情况。的情况。一般相邻帧的一般相邻帧的 T0 值变化不会太大。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 -14-00MmmM0mm2.谐波频带内谐波频带内 V/U 判决判决第第 m 子带的子带的归一化误差能量归一化误差能