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基于LabVIEW的变声器设计


基于 LabVIEW 的变声器设计
摘 要:数字信号处理技术在语音信号的处理中具有十分重要的意义,是语音

变换的处理方法之一。 基于在语音变换时的技术要求,本文介绍了一种在基音同 步叠加(PSOLA)算法的前提下,结合重采样技术实现语音变调不变速的方法, 在分析变换理论及具体算法的基础上,利用 LabVIEW 编程实现语音的多种频率 变换以及男∕女

声变换。

关键词:基音同步叠加(PSOLA)算法;

重采样; 频谱搬移; 语音转换

LabVIEW-based variable sound design
Abstract:
Digital signal processing technology is of great significance in speech signal processing, is one of the processing method of voice transformation. Based on the technical requirements in the voice change, this paper describes a synchronous overlap in pitch (PSOLA) algorithm premise resampling technique combining voice tone does not shift method, based on the analysis of specific algorithms transform theory and on the use of LabVIEW programming a variety of voice frequency conversion and male / female transformation.

Keyword: PSOLA;

resampling;

spectrum shifting;

Voice conversion

0 引言
在音频信号处理中,将源说话人 语音中的个性特征转换成目标说话人 语 音 的个性特征的语 音信号处理技 术,称为语音变换技术。人的语音说 话特征分为音段特性与超音段特性以 及语言特性,音段特征包括谱包络, 谱激励;超音段特性包括基频,时长, 幅度[1]。 近几年来,语音信号处理技术在

实用化方面取得了很多突破性进展, 例如,随着在对声学语音学统计模型 的深入研究,像语音识别,基于语音 段的建模方法等逐渐成为研究热点。 在语音合成方面,基于基音同步叠加 (PSOLA) 算法的波形编辑和拼接技术 得到广泛应用[2],PSOLA 算法的优势 在于能在不改变语音音段的音质的基 础上,能改变体现语音自然度的韵律 特征的变化,进而获得更高的清晰度。

语音技术的研究难在语音合成,基音 同步叠加(PSOLA)就是最具有代表 性的一种方法,它既能保持语音的音 段特性,又能在拼接时调整它的基频, 强度和时长等超音段特性。本设计通 过 LabVIEW 设计一个变声仪器, 利用 PSOLA 算法与重采样技术结合,实现 音频的变调不变速,以及多种频段变 调。

利用频谱变换函数处 理这个频谱分 布,得到变换频谱,最后利用傅立叶 反变换将信号从频域转换到时域,就 能得到变速不变调的语音。本设计就 是利用第二个方法最 终实现变声目 的。实现变声的流程框图如图 1 所示:
语音信号 X(n)

傅里叶变换

1

变声原理
变声即实现音频的变调,进行频
频谱分布

谱搬移,改变音频的频率[3]。为了实现 变调不变速,可以先对信号进行变速 不变调处理,再进行重采样,由于重 采 样 能够同时改变语 音的语速和音 调,只要变调因子取值合适,就能使 语速恢复正常,只有音调改变,即达
傅立叶逆变换 处理后的频谱 频谱变换 函数处理

到变调不变速的目的。为此,变声的 首要过程就是对信号的变速不变调的 处理。要实现语音的变速不变调有两 种方法:一个是, 用窗口函数截取语 音信号样本,用傅里叶变换将时域信 号转换到频域,然后将信号的频率往 低频段压缩,再用傅里叶反变换从频 域转换到时域,最后进行重采样(主 要是抽点) ,就可达到语音的变速不变 调目的;另一个是,用傅里叶变换实 现语音的压扩,即用傅里叶变换处理 语音信号得到对应的频谱分布,然后
图 1 变声流程图 变声语音信号 重采样 变速后的信号

2

基音同步叠加(PSOLA)

算法
PSOLA 算法是利用短时傅里叶变

换重构信号的叠接相加法,分为三个 部分:基音同步分析,基音同步修改 和基音同步合成[4]。

元进行时长的修改。具体地说,对语 音基频的修改是通过对合成单元标记 间隔的增加,减少进行的;对语音时 长的修改是通过合成单元同步标记的 插入,删除进行的。 首先,进行语音基频的修改:对 短时分析信号 xm (n) 进行傅里叶变换, 得到短时分析傅里叶变换 X m (n) ,即
X m (n) ? X m (e j 2?n N ) ? ? xm (n)e ? j 2?n N (3)
n ?0 N ?1

2.1

基音同步分析
设采集的音频信号为 X(n),选择

合适的时窗分析窗口 hm (n) 对原始合 成单元做加窗处理,得到一组短时信 号 xm (n)

xm (n) ? hm (t m ? n) X (n)

(1)

其中 式(1)中,t m 为基音标注点,hm (n) 一般 采用 Hamming 窗,窗长大于原始信号 的一个基音周期,因此窗间有重叠, 窗长一般取原始信号基音周期的 2~4 倍,于是有,

(0 ? n ? N ? 1)

又有公式:

X m (n) ? E(n)V (n)

(4)

其中, E (n) 为分析音段激励源信号频 谱;V (n) 为频谱的谱包络部分。然后,

hm (n) ? h(n)(n ?p)

(2)

按照音高调整系数对音段激励源信号 频谱 E (n) 进行拉伸或压缩,得到合成

式(2)中, h(n) 为归一化窗长, 为窗 激励源频谱 E ' (n) .将 E ' (n) 与原始频谱 覆盖基音周期数的比例系数, p 为基 的谱包络 V (n) 相乘得到短时合成傅立 音周期。通常情况下,取 ? ? 2 ,能够 使合成简化。若要提高基频,令 p 取 为原始分析基音周期;若要降低基频, 令 p 取为合成基音周期,这样能够使 得合成简化。 叶频谱 X m (n) :
'

X m (n) ? E ' (n)V (n)

'

(5)

最后,进行语音时长的修改:首 先对短时合成傅立叶频谱 X m (n) 进行 傅立叶逆变换,得到中间短时合成信 号 xm (n) 。 然后对原始拼接单元时长进 行修改,得到新的中间短时合成信号
' '

2.2 基音同步修改
基音同步修改分为两个方向,一 个 是 在频域内 对信号 进行音高的修 改,另一个是在时域内对原始拼接单

x p (n) ,这样,新的基音标注 t p 就取代

'

了前面中间短时合成信号的基音标注

长为合成基音周期的两倍时,该因子 也为常数;在窄带条件下接近于常数。 故上式可进一步简化为:

t m ,当时长调整系数为 时,选择合适
的 t m 使 之 与 ?t p 最 接 近 , 则

x(n) ? ? a p x p (n)
' p

(8)

x p (n) ? xm (n) .因此,合成轴的长度变
为分析轴的 倍, 在保持基频不变的基 础上,短时信号间的间隔不变,因而, 短时信号的数量相应的改变为原来的 倍。当时长调整系数 <1 时,则加 快语音,需要去掉一些短时信号;当 时长调整系数 >1 时,则放慢语速, 需要重复一些短时信号。这样就可以 得到与新合成信号基音标记同步的短 时合成信号序列。

'

'

3

重采样
音频信号 X ( n) 的采样率为 Fs, 长

度为 m 个采样点,对信号进行采样因 子为 P/Q 倍的重采样后,信号的样本 数就增大或减小了,对该采样过程分 为以下三个步骤: (1).在上采样过程中,对原信号相邻两 点内插 p ? 1 个零点,创建一个采样 点 为 P( M ? 1) ? 1 的 信 号 X u (n) , 当 n=1,2,...m 时, X u ( P(n ?1) ? 1) ? X (n) 否则,X(n)=0. (2).插值: X u (n) 和一个低通插值滤波

2.3 基音同步合成
采用合成信号谱与原始信号谱差 异最小的最小平方叠加合成法,合成 的信号为:
x(n) ? ? a p x p (n)h p (t p ? n) / ? h p (t p ? n)
2 p p



h( n)



卷 .



(6) 其中,分母是时变单位化因子, hp (n) 是合成窗序列,是窗之间时变叠加的 能量补偿, aq 是音强调整系数,是用 来调整合成语音信号的强度,上式也 可简化为:

X j (n) ? X u (n)h(n)

(3). 在下采样过程中,对原信号每隔
Q ? 1 个点抽取一个点,创建一个有

Q 点的信号 X (n) ,当 n ? 1,2,...Q 时, q

x(n) ? ? a p x p (n) / ? h p (t p ? n)
' p p

(7)

X q (n) ? X j (1 ? Q(n ?1)) ,那么重采样
信号 y(n) ? X q (n) .在插值算法中, 通 常采用线性插值。在重采样的过程 中通常会用到窗函数来减少频谱泄

式中的分母是时变的单位化因子,用 来 补 偿相邻窗口叠加 部分的能量损 失。该因子在宽带条件下,当合成窗

漏[5],加窗前后的频谱图如图 2,3 所示:

图 5 变声器设计程序框图

采样数据时,采样率为 22050S/s, 通道数为 2,每采样比特数为 16,采 样数为 10000, 得到原始音频和变声后
图 2 加窗前的频谱图

的时域波形图如图 6,7 所示:

图 3 加窗后的频谱图

图 6 原始信号波形

4

变声器设计
以 LabVIEW 为平台, 对音频数据

进行采集,在基因同步叠加算法的理 论基础上,以加窗重采样为核心实现 变声。变声器设计如图 4,5 所示:
图 7 变声后的波形图

在本设计中加了对语音信号的滤 波处理[6],滤波前后的波形图如图 8, 9 所示:
图 4 变声器设计前面板

[2] 黎子芬,谢晓方,林丽娜,刘剑锋. 基于 TD-PSOLA 算法的语音合成 方法研究 [J]. 海军航空工程学院学 报,2008,1:101-104. [3] 彭柏, 许刚.利用频谱搬移控制语音 转 换 中 的 共 振 峰 [J]. 语 音 技 术 ,
图 8 滤波前的波形图

2007,31(1) :39-43. [4] 涂相华,蔡莲红 . 用于语音合成的 PSOLA 算法简介[J].微型计算机, 1996,16(4) :5-9. [5] 邓淼,王磊等编著.LabVIEW7.1 测 试技术与仪器应用[M].北京:机械

图 9 滤波后的波形图

工业出版社,2004,7:248-250. [6] 陈栋,崔秀华 . 虚拟仪器应用设计 [M].西安:西安电子科技大学出版 社,2009,12:51-54.

5

总结
本设计利用 PSOLA 算法和重采

样技术, 基于 LabVIEW 设计一个多频 段的变声器,实现了音频信号的多频 段的变声处理,改善了音频的清晰度, 并实现了语速的同步,但仍然存在一 些问题有待完善,比如声音的仿人程 度不逼真,随着语音变换技术的深入 研究和发展,基因同步叠加技术与重 采样在 LabVIEW 平台上必将得到更加 广泛的应用。

参 考 文 献:
[1] 罗小冬, 裘雪红, 刘凯.语音信号的 基音标注算法[J].计算机与现代化, 2003,1:3-5.


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