语音信号的LPC分析讲解

中北大学

课程设计说明书

学生姓名：霍王迎学号：12050641X31 学生姓名：赵乐鑫学号：12050641X32 学生姓名：陈夏杨学号：12050641X35 学生姓名：陈康亮学号：12050641X43 学院：信息商务学院

专业：电子信息工程

题目：信息处理实践：

语音信号的线性预测编码（LPC）分析指导教师：金永、徐美芳职称: 副教授、讲师

2015 年 6 月 22 日

中北大学

课程设计任务书

2014-2015 学年第二学期

学院：信息商务学院

专业：电子信息工程

学生姓名：霍王迎学号：12050641X31 学生姓名：赵乐鑫学号：12050641X32 学生姓名：陈夏杨学号：12050641X35 学生姓名：陈康亮学号：12050641X43 课程设计题目：信息处理实践：

语音信号的线性预测编码（LPC）分析起迄日期：2015年6 月22日～2015年7月10 日

课程设计地点：信息商务学院专业实验室

指导教师：金永、徐美芳

系主任：王浩全

下达任务书日期: 2015 年 6 月 22 日

目录

1 基于USB总线A/D卡的报告 (2)

1.1 USB总线介绍 (2)

1.2 USB接口电路设计 (2)

1.3 接口的数据采集系统的设计实现 (3)

1.4 A/D转换电路 (4)

2 语音信号LPC分析技术 (4)

2.1 语音信号LPC分析技术的基本概念 (4)

2.2 语音信号LPC分析技术的发展背景 (7)

3 线性预测编码（LPC）的基本原理 (9)

3.1 线性预测分析的概念 (9)

3.2 自相关法 (11)

3.3 协方差法 (12)

3.4 全极点声道模型 (13)

4 程序设计 (14)

5 实验结果及分析 (16)

6 设计体会 (19)

7 参考文献 (20)

一丶基于USB总线A/D卡的报告

B总线介绍

USB总线为通用串行总线，USB接口位于PS/2接口和串并口之间，允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来127个外设，传输速率可达480Mb/S，P它可以向低压设备提供5伏电源，同时可以减少PC机I/O接口数量。USB是基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。数据采集就是把来自各种传感器的信号数据实时地、准确地测量或汇集起来,用计算机进行实时处理或记录存储,实时完成测试和控制功能。数据采集系统结构通过微机的标准接口连接各种功能模块、仪器仪表和传感器,组成测量系统。

2．USB接口电路设计

R3是上拉电阻器，它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端，表示USB主机系统是高速设备，同时这个上拉电阻器告诉主机有USB 设备插入。该上拉电阻器的设置对适配器的影响很大，它的负载值和1-Wire网络的总长决定1-Wire总线电压上升到5 V的速度。经过实验测试选择R3的阻值为27 Ω±lO%。R1、R2为USB数据线保护电阻器。L、L2具有禁止高频干扰并且减弱EMI辐射的功能。LF33CV为3.3 V电压稳压器，与周围元件C1、C2组成强上拉部分，给EEPROM 或温度传感器等器件提供额外的电源。

B接口的数据采集系统的设计实现

数据采集系统使用采集卡进行数据采集,然后经过A/D转换器供

计算机加工处理。基于USB接口的数据采集与频谱分析系统本系统结构由硬件部分和软件部分组成,硬件部分主要有计算机、I/ O 接口设备. 计算机作为硬件平台的核心可采用台式机,系统采用的I/ O 设

备为A/ D 数据采集卡,该采集卡是一种基于USB 总线数据采集产品,可与带USB 接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统.整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和A／D转换电路。USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对A／D 转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知EZ-USB控制器，由主机取出数据。整个系统框图如图1所示。

4.A／D转换电路

声卡是计算机对语音信号进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采样保持、A/D和D/A转换等功能。系统中A／D转换芯片采用了MAXIM公司的MAX122，该芯片是12 b的高速的A／D转换器。在完全转换模式下，他的转换时间可以达到2．6μs，采样率为333kS／s。MAX122有5种工作模式，在数据采集系统中，采用了模式2即连续转换模式。在这种模式下，每次转换需要13～14个时钟脉冲节拍，转换可以不间断地进行，但是需要提供开始转换使能信号，并且要保证使能信号和时钟信号同步，读信号和片选始终处于有效状态。数据输出使能信号一直有效，在转换结束时产生新的数据。

二、语音信号LPC分析技术

1. 语音信号LPC分析技术的基本概念

语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科。

处理的目的就是要得到一些语音参数以便高效的传输或存储；或者是通过处理的某种运算以达到某种用途的要求，例如人工合成出语音、辨识出说话者、识别出讲话的内容等。

人类社会愈来愈显示出信息社会的特点。不但在人与人之间，而且在人与机器之间每时每刻都需要进行大量的信息交换。通信或信息交换已经成为人类社会存在的必要条件，正如衣食住行对于人类是必要的一样。虽然，嗅觉、触觉等也是人类固有的感觉，人们也可以从中得到某些外界信息，但是可以指出，最重要的、最精细的信息源只有图像和语言两种。而且，语言是人类最重要、最有效、最常用和最方便的通讯形式。语音是人们交流思想和进行社会活动的最基本手段, 我们要对语音信号进行测定并将其转变为另一种形式, 以提高我们的通信能力。

LPC：Linear Predictive Coding，线性预测编码。

线性预测(Linear Prediction)这一术语是维纳1947年首次提出的，此后，线性预测应用于许多领域中。1967年，板仓等人最先将线性预测技术直接应用到语音分析和合成中。

线性预测作为一种工具，几乎普遍地应用于语音信号处理的各个方面。这种方法是最有效和最流行的语音分析技术之一。在各种语音分析技术中，它是第一个真正得到实际应用的技术。线性预测技术产生至今，语音处理又有许多突破，但这种技术目前仍然是唯一的最重要的分析技术基础。在估计基本的语音参数(例如基音、共振蜂、谱、声道面积函数，以及用低速率传输或储存语音等)方面，线性预测是一种主要的技术。其重要性在于它能够极为精确地估计语音参数，用极少的参数有效而又正确地表现语音波形及其频谱的性质，而且可以用比较简单的计算和比较快的速度求得参数。