基于LPC的語(yǔ)音信號(hào)預(yù)測(cè)仿真分析

張明　劉祥樓　姜崢嶸

摘要：參數(shù)編碼是針對(duì)提取的語(yǔ)音信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行編碼，主要目的是使重建的語(yǔ)音信號(hào)具有盡可能高的可懂度。線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼（LPC）是一種有實(shí)用價(jià)值的經(jīng)典方法。通過(guò)對(duì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼地原理分析，選擇自相關(guān)算法中的萊文遜-杜賓算法求得預(yù)測(cè)系數(shù)；在確定預(yù)測(cè)階數(shù)和增益后，對(duì)一段實(shí)際的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行了預(yù)測(cè)仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)測(cè)波形最大殘差小于0.3%。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音信號(hào)； 參數(shù)編碼； 線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼； 仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN 911.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.015

Abstract：Parameter coding is to extract the characteristic of speech signal. The main purpose is to improve the intelligibility of the reconstruction of speech signal. Linear prediction coding（LPC）is a valuable method. By analyzing the principle of LPC， we choose Levinson-Durbin algorithm for prediction coefficient. After determining the forecast order number and gain， we carry out the prediction simulation of a real speech signal. The experimental results show that maximum residual error of the predicted waveform is less than 0.3%.

Keywords：speech signal； parameter coding； linear prediction coding（LPC）； simulation analysis

引 言

語(yǔ)言是人類(lèi)交換信息最為方便快捷的方式，語(yǔ)音信號(hào)處理是信號(hào)處理當(dāng)中的重要內(nèi)容之一[1]。語(yǔ)音信號(hào)的線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼（linear prediction coding，LPC）是在語(yǔ)音信號(hào)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)線(xiàn)性預(yù)測(cè)模擬的一種分析方法。線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析的重要性在于它提供了一種十分簡(jiǎn)潔的語(yǔ)音信號(hào)參數(shù)模型，這一組參數(shù)較精確地表征了語(yǔ)音信號(hào)的頻譜幅度，而且分析這些參數(shù)所需要的運(yùn)算量適中[2]。應(yīng)用這種模型參數(shù)可以降低編碼語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)碼率，將LPC參數(shù)形成模板儲(chǔ)存在語(yǔ)音識(shí)別中既可以提高識(shí)別率又可以降低計(jì)算時(shí)間。

1 線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析的基本原理

根據(jù)線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼原理，一個(gè)語(yǔ)音采樣序列的當(dāng)前值能夠通過(guò)對(duì)過(guò)去若干個(gè)語(yǔ)音采樣值的線(xiàn)性組合來(lái)逼近，若經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理可以使預(yù)測(cè)值在最小均方誤差意義上逼近實(shí)際采樣值。若語(yǔ)音信號(hào)的取樣值序列設(shè)為s（n），n=1，2，…，p，…，信號(hào)當(dāng)前取樣值s（n）可以通過(guò)提取信號(hào)序列的前p個(gè)取樣值進(jìn)行加權(quán)預(yù)測(cè)得出，其預(yù)測(cè)值記為s^（n）。為了實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼，首先用系數(shù){ak}定義一個(gè)p階預(yù)測(cè)器F（z），其數(shù)學(xué)描述為：

2 語(yǔ)音信號(hào)線(xiàn)性預(yù)測(cè)仿真分析

語(yǔ)音信號(hào)的線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析可以根據(jù)之前的信號(hào)預(yù)測(cè)，仿真出現(xiàn)在的語(yǔ)音信號(hào)。由上面的計(jì)算可知，在選定合適的預(yù)測(cè)系數(shù)階數(shù)和增益G的情況下，可以得到理想的預(yù)測(cè)結(jié)果。為此，針對(duì)一段實(shí)際語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性預(yù)測(cè)驗(yàn)證分析。圖2所示為語(yǔ)音信號(hào)原始波形圖，圖中語(yǔ)音波形是由五個(gè)漢語(yǔ)單字組成的，本段語(yǔ)音的取樣點(diǎn)數(shù)很高，有幾萬(wàn)個(gè)取樣點(diǎn)，圖3是線(xiàn)性預(yù)測(cè)的結(jié)果。

圖4為兩個(gè)波形的殘差。可以看到線(xiàn)性預(yù)測(cè)的效果較好，由于實(shí)際語(yǔ)音中所用到的抽樣點(diǎn)很多，無(wú)法直觀(guān)的看出各個(gè)點(diǎn)數(shù)的預(yù)測(cè)情況。從上面的語(yǔ)音信號(hào)中截取480個(gè)語(yǔ)音點(diǎn)來(lái)進(jìn)行同樣的預(yù)測(cè)分析，得到圖5所示的曲線(xiàn)圖。其中，深色的曲線(xiàn)代表原始語(yǔ)音波形，淺色的曲線(xiàn)代表估計(jì)語(yǔ)音波形，較為平直的線(xiàn)代表原始語(yǔ)音波形和估計(jì)語(yǔ)音波形之間的殘差。由圖5可以看出，線(xiàn)性預(yù)測(cè)的效果很好，估計(jì)波形已經(jīng)基本接近原始波形，其最大殘差小于0.3%。

3 結(jié) 論

在語(yǔ)音編碼算法中，如果對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行直接編碼，則會(huì)導(dǎo)致編碼所需的比特?cái)?shù)較大，編碼所需的速率較高。為此，采用了線(xiàn)性預(yù)測(cè)這一編碼方法。本文在分析線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼器原理基礎(chǔ)上，利用Levinson-Durbin算法求解預(yù)測(cè)系數(shù)。通過(guò)對(duì)實(shí)際語(yǔ)音波形的線(xiàn)性預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)證明：LPC線(xiàn)性預(yù)測(cè)效果比較理想，不僅大大減少量化比特?cái)?shù)，而且降低了對(duì)編碼速率的需求。

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（編輯：張 磊）