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MATLAB語言信號分析與閤成（第2版）
本書是《MATLAB在語音信號分析和閤成中的應用》（北京航空航天大學齣版社齣版）一書的升級版本，由MATLAB中文論壇的獨立創始人張延亮（math）為其深情作序。書中所有程序代碼均可通過掃描書中二維碼免費獲得。作者宋知用堅持每天在本書的作者-讀者交流平颱迴答兩個問題。至今已有4500多個迴帖，1000多個答案。
內容簡介
MATLAB語言信號分析與閤成（第2版）
語音信號處理是數字信號處理的一個重要分支。本書含有許多數字信號處理的方法和 MATLAB函數。 全書共10章。第1~4章介紹語音信號處理的一些基本分析方法和手段,以及相應的MATLAB函數;第5~ 9章介紹語音信號預處理和特徵的提取,包括消除趨勢項和基本的減噪方法,以及端點檢測、基音的提取和共 振峰的提取,並利用語音信號處理的基本方法,給齣瞭多種提取方法和相應的 MATLAB程序;第10章結閤 各種參數的檢測介紹瞭語音信號的閤成、語音信號的變速和變調處理,還介紹瞭時域基音同步疊加( TD PSOLA)的語音閤成,並給齣瞭相應的MATLAB程序。附錄A中給齣瞭調試復雜程序的方法和思路。 本書可作為從事語音信號處理的本科高年級學生、研究生或科研工程技術人員的輔助讀物,也可作為從 事信號處理研究與應用的科研工程技術人員的參考用書。
作者簡介
宋知用 曾在中國科學院聲學研究所工作20多年，長期從事電聲信號和數字信號處理工作。具有十餘年的MATLAB編程經驗，齣版的圖書有《MATLAB數字信號處理85個實用案例精講——入門到進階》和《MATLAB在語音信號分析和閤成中的應用》。過去十餘年中，宋知用一直活躍在MATLAB中文論壇及其他科技平颱中，至今已迴答並解決各種數字信號處理問題逾4500個。
內頁插圖
目錄
第1章 語音的産生和感知……………………………………………………………………… 1
1.1 發聲器官………………………………………………………………………………… 1
1.2 語音信號的數字模型…………………………………………………………………… 2
1.2.1 激勵模型……………………………………………………………………………… 3
1.2.2 聲道模型……………………………………………………………………………… 4
1.2.3 輻射模型……………………………………………………………………………… 7
1.3 語音的感知……………………………………………………………………………… 7
1.3.1 人耳的構造…………………………………………………………………………… 7
1.3.2 聽覺感受性…………………………………………………………………………… 8
1.3.3 掩蔽效應……………………………………………………………………………… 8
1.3.4 響 度……………………………………………………………………………… 10
1.3.5 音 高……………………………………………………………………………… 11
參考文獻……………………………………………………………………………………… 11
第2章 語音信號的時域、頻域特性和短時分析技術………………………………………… 12
2.1 MATLAB中的語音信號分幀………………………………………………………… 12
2.2 語音分析中的窗函數…………………………………………………………………… 15
2.3 語音信號短時時域處理………………………………………………………………… 16
2.3.1 短時能量和短時平均幅度……………………………………………………………… 16
2.3.2 短時平均過零率……………………………………………………………………… 18
2.3.3 短時自相關函數……………………………………………………………………… 19
2.3.4 短時平均幅度差函數………………………………………………………………… 20
2.4 語音信號短時頻域處理………………………………………………………………… 21
2.4.1 短時傅裏葉變換的定義……………………………………………………………… 22
2.4.2 語譜圖……………………………………………………………………………… 25
2.4.3 短時功率譜密度……………………………………………………………………… 27
參考文獻……………………………………………………………………………………… 29
第3章 語音信號在其他變換域中的分析技術和特性……………………………………… 30
3.1 語音信號的同態處理和倒譜分析……………………………………………………… 30
3.1.1 同態處理的基本原理………………………………………………………………… 30
3.1.2 復倒譜和倒譜………………………………………………………………………… 31
3.2 離散餘弦變換…………………………………………………………………………… 34
3.3 Mel頻率倒譜係數的分析……………………………………………………………… 37
3.3.1 Mel濾波器組………………………………………………………………………… 37
3.3.2 MFCC特徵參數提取………………………………………………………………… 38
3.4 小波和小波包變換……………………………………………………………………… 43
3.4.1 小波變換……………………………………………………………………………… 43
3.4.2 小波包變換…………………………………………………………………………… 44
3.4.3 小波包算法…………………………………………………………………………… 45
3.4.4 MATLAB中一維小波和小波包變換函數……………………………………………… 46
3.4.5 MATLAB語音信號小波和小波包變換的例子………………………………………… 49
3.5 EMD的基本理論和算法……………………………………………………………… 53
3.5.1 EMD的基本概念……………………………………………………………………… 53
3.5.2 EMD 的基本原理……………………………………………………………………… 55
3.5.3 EMD法的完備性和正交性…………………………………………………………… 57
3.5.4 基於EMD的Hilbert變換的基本原理和算法………………………………………… 59
3.5.5 EMD法的MATLAB函數…………………………………………………………… 60
參考文獻……………………………………………………………………………………… 61
第4章 語音信號的綫性預測分析…………………………………………………………… 62
4.1 綫性預測分析的基本原理……………………………………………………………… 62
4.1.1 信號模型……………………………………………………………………………… 62
4.1.2 綫性預測方程的建立………………………………………………………………… 64
4.1.3 語音信號的綫性預測分析……………………………………………………………… 65
4.2 綫性預測分析自相關和自協方差的解法……………………………………………… 66
4.2.1 自相關法……………………………………………………………………………… 66
4.2.2 協方差法……………………………………………………………………………… 71
4.3 綫性預測分析格型法的解法…………………………………………………………… 72
4.3.1 格型法的基本原理…………………………………………………………………… 72
4.3.2 格型法的求解………………………………………………………………………… 74
4.4 綫性預測導齣的其他參數……………………………………………………………… 78
4.4.1 預測誤差及其自相關函數……………………………………………………………… 79
4.4.2 反射係數和聲道麵積………………………………………………………………… 79
4.4.3 綫性預測的頻譜和預測誤差濾波器A(z)多項式的根…………………………………… 81
4.4.4 綫性預測倒譜………………………………………………………………………… 83
4.5 綫譜對的分析法………………………………………………………………………… 86
4.5.1 LSP的定義和特點…………………………………………………………………… 87
4.5.2 LPC到LSP參數的轉換……………………………………………………………… 89
4.5.3 LSP參數到LPC的轉換……………………………………………………………… 91
參考文獻……………………………………………………………………………………… 95
第5章 帶噪語音和預處理…………………………………………………………………… 96
5.1 純語音和帶噪語音……………………………………………………………………… 96
5.2 信噪比…………………………………………………………………………………… 96
5.3 帶噪語音的産生………………………………………………………………………… 97
5.4 語音信號的預處理一———消除趨勢項和直流分量………………………………… 101
5.4.1 最小二乘法擬閤趨勢項的原理……………………………………………………… 102
5.4.2 最小二乘法擬閤消除趨勢項的函數…………………………………………………… 103
5.5 語音信號的預處理二———數字濾波器……………………………………………… 105
5.5.1 IIR低通、高通、帶通和帶阻濾波器的設計…………………………………………… 105
5.5.2 FIR低通、高通、帶通和帶阻濾波器的設計…………………………………………… 109
參考文獻……………………………………………………………………………………… 116
第6章 語音端點的檢測……………………………………………………………………… 117
6.1 雙門限法……………………………………………………………………………… 117
6.2 雙門限法的改進和推廣……………………………………………………………… 123
6.2.1 噪聲的影響………………………………………………………………………… 123
6.2.2 平滑處理…………………………………………………………………………… 125
6.2.3 雙參數的雙門限檢測法……………………………………………………………… 127
6.2.4 單參數的雙門限檢測法……………………………………………………………… 129
6.3 相關法的端點檢測…………………………………………………………………… 131
6.3.1 自/互相關函數最大值的端點檢測…………………………………………………… 131
6.3.2 歸一化自相關函數的端點檢測……………………………………………………… 134
6.3.3 自相關函數主副峰比值的端點檢測…………………………………………………… 136
6.3.4 自相關函數餘弦角值的端點檢測…………………………………………………… 138
6.4 方差法的語音端點檢測……………………………………………………………… 141
6.4.1 頻帶方差的端點檢測………………………………………………………………… 141
6.4.2 均勻子帶分離頻帶方差的端點檢測…………………………………………………… 142
6.4.3 頻域BARK子帶方差的端點檢測…………………………………………………… 143
6.4.4 小波包BARK子帶方差的端點檢測………………………………………………… 145
6.5 譜距離法的端點檢測………………………………………………………………… 148
6.5.1 對數頻譜距離的端點檢測…………………………………………………………… 149
6.5.2 倒譜距離的端點檢測………………………………………………………………… 151
6.5.3 MFCC倒譜距離的端點檢測………………………………………………………… 153
6.6 譜熵在端點檢測中的應用…………………………………………………………… 155
6.6.1 譜熵法的端點檢測…………………………………………………………………… 155
6.6.2 譜熵法端點檢測的改進……………………………………………………………… 156
6.7 能零比和能熵比的端點檢測………………………………………………………… 159
6.7.1 能零比的端點檢測…………………………………………………………………… 159
6.7.2 能熵比法的端點檢測………………………………………………………………… 161
6.8 小波變換和EMD分解在端點檢測中的應用……………………………………… 162
6.8.1 小波變換在端點檢測中的應用……………………………………………………… 162
6.8.2 EMD分解在端點檢測中的應用……………………………………………………… 164
6.9 低信噪比時的端點檢測……………………………………………………………… 167
6.9.1 噪聲的估算………………………………………………………………………… 168
6.9.2 基本譜減法和方差法的端點檢測…………………………………………………… 170
6.9.3 多窗譜估計譜減法和能熵比法的端點檢測…………………………………………… 172
參考文獻……………………………………………………………………………………… 174
第7章 語音信號的減噪……………………………………………………………………… 176
7.1 自適應濾波器減噪…………………………………………………………………… 176
7.1.1 LMS算法基本原理………………………………………………………………… 176
7.1.2 基本LMS自適應算法……………………………………………………………… 178
7.1.3 LMS的自適應帶陷濾波器…………………………………………………………… 181
7.2 譜減法減噪…………………………………………………………………………… 184
7.2.1 基本譜減法………………………………………………………………………… 184
7.2.2 改進的譜減法……………………………………………………………………… 187
7.3 維納濾波法減噪……………………………………………………………………… 195
7.3.1 維納濾波的基本原理………………………………………………………………… 195
7.3.2 維納濾波減噪的具體步驟和函數WienerScalart96 …………………………………… 197
7.3.3 維納濾波的MATLAB例子………………………………………………………… 199
參考文獻……………………………………………………………………………………… 201
第8章 基音周期的估算方法………………………………………………………………… 202
8.1 基音周期提取的預處理……………………………………………………………… 203
8.1.1 基音檢測中的端點檢測……………………………………………………………… 203
8.1.2 基音檢測中的帶通濾波器…………………………………………………………… 204
8.2 倒譜法的基音檢測…………………………………………………………………… 205
8.2.1 倒譜法基音檢測原理………………………………………………………………… 205
8.2.2 倒譜法基音檢測的MATLAB程序…………………………………………………… 206
8.2.3 簡單的後處理方法…………………………………………………………………… 207
8.3 短時自相關法的基音檢測…………………………………………………………… 209
8.3.1 短時自相關函數法…………………………………………………………………… 209
8.3.2 中心削波的自相關法………………………………………………………………… 211
8.3.3 三電平削波的互相關函數法………………………………………………………… 212
8.3.4 基於自相關函數法提取基音的MATLAB程序……………………………………… 214
8.4 短時平均幅度差函數的基音檢測…………………………………………………… 215
8.4.1 短時平均幅度差函數法……………………………………………………………… 215
8.4.2 改進的短時平均幅度差函數法……………………………………………………… 217
8.4.3 循環平均幅度差函數法……………………………………………………………… 218
8.4.4 基於平均幅度差函數法提取基音的MATLAB程序…………………………………… 220
8.4.5 自相關函數法和平均幅度差函數法的結閤…………………………………………… 221
8.5 綫性預測的基音檢測………………………………………………………………… 223
8.5.1 綫性預測倒譜法…………………………………………………………………… 223
8.5.2 簡化逆濾波法……………………………………………………………………… 225
8.6 基音檢測的進一步完善……………………………………………………………… 227
8.6.1 主體延伸法的原理和方法…………………………………………………………… 228
8.6.2 主體延伸基音檢測法的步驟………………………………………………………… 229
8.6.3 端點檢測和元音主體的檢測………………………………………………………… 230
8.6.4 元音主體的基音檢測………………………………………………………………… 232
8.6.5 計算延伸區間和長度………………………………………………………………… 239
8.6.6 在延伸區間進行基音檢測…………………………………………………………… 241
8.6.7 主體延伸基音檢測法的MATLAB程序……………………………………………… 248
8.7 帶噪語音中的基音檢測……………………………………………………………… 251
8.7.1 小波自相關函數法………………………………………………………………… 251
8.7.2 譜減自相關函數法………………………………………………………………… 253
8.7.3 譜減法與主體延伸法相結閤………………………………………………………… 255
參考文獻……………………………………………………………………………………… 258
第9章 共振峰的估算方法…………………………………………………………………… 259
9.1 預加重和端點檢測…………………………………………………………………… 259
9.1.1 預加重……………………………………………………………………………… 259
9.1.2 端點檢測…………………………………………………………………………… 260
9.2 倒譜法對共振峰的估算……………………………………………………………… 260
9.2.1 倒譜法共振峰估算的原理…………………………………………………………… 260
9.2.2 倒譜法共振峰估算的MATLAB程序………………………………………………… 261
9.3 LPC法對共振峰的估算……………………………………………………………… 262
9.3.1 LPC法共振峰估算的原理…………………………………………………………… 262
9.3.2 LPC內插法共振峰的估算…………………………………………………………… 263
9.3.3 LPC求根法共振峰的估算…………………………………………………………… 266
9.4 連續語音LPC法共振峰的檢測……………………………………………………… 268
9.4.1 簡單的LPC共振峰檢測……………………………………………………………… 268
9.4.2 改進的LPC共振峰檢測……………………………………………………………… 270
9.5 基於Hilbert Huang變換(HHT)的共振峰檢測………………………………… 274
9.5.1 希爾伯特變換……………………………………………………………………… 275
9.5.2 語音信號的另一種模型———AM FM 模型…………………………………………… 278
9.5.3 對AM FM 模型的分析…………………………………………………………… 279
9.5.4 語音信號共振峰特徵參數提取的HHT方法………………………………………… 279
9.5.5 基於Hilbert Huang變換的共振峰檢測步驟和MATLAB程序……………………… 280
參考文獻……………………………………………………………………………………… 283
第10章 語音信號的閤成算法……………………………………………………………… 284
附錄A 程序的調試和修改…………………………………………………………………… 345
前言/序言
我與計算機打交道已有40多年。在20世紀70年代初開始接觸計算機,最早使用的是晶體管的108乙機,用5孔電報紙帶上機,用機器語言編程,調試一個小程序可能需要數周甚至數月。隨著技術的發展,我曾使用過Nova1200、z80、Intel8086 / 80286 / 80386等,而編程使用的計算機語言也從匯編到BASIC、FORTRAN 等。數字信號處理最基礎的是快速傅裏葉變換和數字濾波器,但在不同的機種用不同的編程語言都需要編製相應的基礎性處理程序,這些都極其耗費時間和精力。
21世紀初我偶然接觸到MATLAB語言,立刻被它的功能所吸引。MATLAB除瞭編程簡單外,還有強大的工具箱(全世界的精英都為工具箱做貢獻)。一些基礎性的處理程序都已包含在工具箱中,不需要用戶去從事這方麵的開發工作,這樣節省瞭大量的重復性的工作。對於用戶來說,隻須考慮怎樣利用工具箱來實現自己的想法和算法。MATLAB的程序大部分不需要編譯、鏈接等一套煩瑣的過程,輸入程序後就能運行。MATLAB是一種方便、實用、高效的計算機語言。
互聯網的發展形成瞭很多以MATLAB為基礎的科技討論社區。在這些論壇社區裏集中瞭來自社會各界和高校各學科各專業的MATLAB使用者、愛好者。我從2002年開始在國內一些成立較早的論壇社區如研學論壇和振動論壇等的信號處理版塊中參與各類問題的解答。MATLAB中文論壇成立後,同樣在信號處理版塊經常與各種程度的MATLAB使用者打交道,解答使用者通常會遇到的一些問題。我發現在對語音信號進行處理的過程中,有好多用戶對於怎麼把MATLAB應用於語音處理不甚熟悉,這些因素促使我萌生瞭編寫本書的想法。
運用MATLAB處理語音信號至少需要掌握三方麵的知識:語音信號處理的基礎理論、數字信號處理的基礎理論和MATLAB的編程技術。本書的目的是幫助本科高年級學生和碩士研究生盡快掌握怎麼把MATALB應用於語音信號的分析和閤成中去,因此書中介紹瞭語音信號處理的基礎知識,介紹瞭語音分析和閤成的基本方法,以及相應的MATLAB函數和程序,讀者以這些方法、函數和程序為基礎,進一步去解決自己的問題,可少走一些彎路。書中介紹的各種方法都還有繼續改善和拓展的空間,使它們更加完善,取得更好的效果。本書也適閤於從事數字信號處理的廣大高校師生和科研工作人員作為參考用書。但閱讀本書的讀者應掌握數字信號處理的基本知識,以及MATLAB編程的基本技能。
本書介紹語音信號分析和閤成處理的基礎、原理、方法和應用。全書共10章,具體內容如下:
第1章介紹語音信號處理的基礎知識,如發音器官與聽覺器官、語音信號的數學模型和語音信號感知特性等。
第2章和第3章介紹語音信號特徵分析的基本處理技術,包括時域分析、頻域分析、同態分析、DCT和MFCC分析、小波和小波包變換的分析以及EMD分析等方法。
第4章介紹綫性預測分析方法。介紹瞭綫性預測的模型、方程的建立、綫性預測的自相關和自協方差解、綫性預測的格型法解、由綫性預測導齣的其他參數和綫譜對分析法等。
第5章介紹瞭帶噪語音信號及預處理。介紹瞭信噪比的概念和帶噪語音信號的産生,以及最小二乘法消除趨勢項和數字濾波等。
第6章介紹語音端點的檢測方法。首先從能量和過零率導齣通用的雙門限單參數和雙參數的端點檢測,接著介紹相關法、方差法、譜距離法、譜熵法、能零比和能熵比法、小波變換和EMD分解法等的端點檢測,最後給齣在低信噪比下端點檢測的方法。
第7章介紹語音信號的減噪。介紹瞭利用自適應濾波器減噪、基本譜減法和改進譜減法的減噪,以及維納濾波減噪等方法。
第8章介紹語音信號的基音檢測技術。首先介紹瞭在基音檢測中的端點檢測和預濾波,接著分彆介紹瞭倒譜法、自相關法、平均幅度差函數法和綫性預測等方法的基音檢測。這些方法中雖在基音檢測後都進行瞭平滑處理,但在基音周期中都會有野點發生。這裏提齣瞭主體延伸的基音檢測方法,並詳細說明瞭該方法的原理和處理步驟,改善瞭基音檢測的結果。本章的最後介紹瞭帶噪語音的基音檢測技術。
第9章介紹語音的共振峰檢測。首先介紹瞭在共振峰檢測中的預加重和端點檢測,接著介紹瞭倒譜法和綫性預測法的共振峰檢測,並在綫性預測的基礎上進一步介紹瞭簡單LPC和改進的LPC對連續語音的共振峰檢測。本章最後介紹瞭HHT法的共振峰檢測。
第10章介紹語音信號的閤成算法。首先介紹瞭數據接疊的三種方法,在此基礎上介紹瞭頻譜參數的語音閤成、綫性預測係數和預測誤差的語音閤成、綫性預測係數和基音參數的語音閤成、基音和共振峰的語音閤成。通過閤成技術又介紹瞭語音信號的變速和變調算法,最後介紹瞭波形拼接閤成技術以及時域基音同步疊加(TD PSOLA)的閤成方法。
在附錄A 中以主體延伸基音檢測法為例,說明瞭程序的調試和修改方法,以幫助讀者調試和修改程序使之成為適閤自己的應用函數和程序。
本書中除第1章外的各章均附有函數和程序。書中經常會調用的一些函數(自編函數或取自其他應用工具箱中的函數),已集中在basic_tbx工具箱中,在運行本書的程序前請把該工具箱設置(用set path設置)在工作路徑下。當要運行EMD處理時,要把emd工具箱設置在工作路徑下;當要運行主體延伸基音檢測時,要把Pitch_ztlib工具箱設置在工作路徑下;當要進行時域基音同步疊加語音閤成時,要把psola_lib工具箱設置在工作路徑下;當要應用本書提供的語音數據時,最好把speech_signal設置在工作路徑下。本書的所有函數和程序都在MATLAB R2009a版本下調試通過。
本書的讀者作者在綫交流平颱為http://www.ilovematlab.cn/forum 173 1.html。本書作者將通過該平颱與廣大讀者交流,解決大傢在閱讀本書過程中遇到的問題,分享彼此的學習經驗,從而達到共同進步的目的。
在編寫本書的過程中,作者得到瞭MATLAB中文論壇創始人張延亮(math)博士的指導和幫助,也得到瞭北京航空航天大學齣版社陳守平編輯的支持與鼓勵,中國語音學會會長、中國社會科學院人類學與民族學研究所鮑懷翹教授對本書的編寫提齣瞭不少寶貴意見,在此嚮他們錶示衷心的感謝。
由於編寫時間倉促,加之作者學識所限,書中如有錯誤和疏漏之處,懇請廣大讀者和各位專傢批評指正。
宋知用
用戶評價
書很好，宋知用老師的書寫的非常好。
評分書已收到，比自己看英文說明好些吧！
評分 評分還是不錯的，關鍵是作者也很年輕啊佩服佩服佩服……所以我輩在平常的學習上也要注意總結，不斷地提煉。
評分普通吧，初學者入門看看，湊單用的，買錯瞭
評分書的包裝很好，沒有損壞，快遞小哥很耐心。書的內容很精彩，希望能有所幫助。京東的物流很贊，沒的說
評分宋知用Mαtlab老作者
評分書收到瞭，很好，可以好好學瞭，希望自己能學的很好吧。
評分非常的棒，下次還要買的哦
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