语音特征提取技术解析：从预处理到倒谱分析

"语音特征提取详解PPT，涵盖了语音预处理、短时傅里叶变换、听觉特性、线性预测、倒谱分析以及多种常用的声学特征，如语谱图、FBank、MFCC和PLP。" 本文将深入探讨语音特征提取的关键步骤和技术，这些内容对于理解和实现语音识别系统至关重要。 3.1 语音预处理 预处理是为了提高后续特征提取的准确性和效率。主要包括三个步骤：预加重、分帧和加窗。 预加重是一种补偿高频成分的技术，通过公式𝑥′𝑛=𝑥𝑛−𝛼𝑥𝑛−1 (其中𝛼通常取0.97) 来增强高频部分，抵消口唇辐射导致的高频衰减。 分帧是将连续的语音信号切割成短暂的片段，通常每帧10-30ms，帧间隔10ms，以利用语音的短时平稳性。 加窗操作则是为了减少频谱泄露，常用的窗函数有汉明窗、汉宁窗和布莱克曼窗。汉明窗在保留频率特性方面表现优秀，被广泛使用。 3.2 短时傅里叶变换 短时傅里叶变换（STFT）用于对短时信号进行频谱分析，它能够揭示语音信号随时间变化的频谱特性。STFT是通过对每个加窗帧应用离散傅里叶变换来计算的，这有助于理解声音的频域结构，尤其是纯音和复合音。 3.3 听觉特性 人类听觉系统对不同频率的敏感度不一，这一特性在特征提取中也有所体现。例如，倒谱分析就是模拟人耳对声音的感知，通过倒谱系数（Cepstral Coefficients）来捕获声音的关键信息。 3.4 线性预测 线性预测（Linear Prediction, LP）是一种预测未来信号样本的方法，通过最小化预测误差来估计模型参数。在语音处理中，LP可以用来近似声道滤波器，从而提取出关键的声学特征。 3.5 倒谱分析 倒谱分析（Cepstrum Analysis）是将频谱转换到倒谱域，可以模拟人耳对声音的感知，并有助于消除滤波器效应。MFCC（Mel-Frequency Cepstral Coefficients）是基于倒谱分析的一种特征，它结合了人耳对低频敏感的特性（梅尔尺度），是许多语音识别系统的核心。 3.6 常用的声学特征 - 语谱图（Spectrogram）是表示语音信号随时间变化的频率分布图，直观地展示了语音的频谱特性。 - FBank（Filter Bank）是滤波器组的输出，它将频谱分成多个频带，提供了一种对语音信号进行频域分析的方法。 - MFCC是经过梅尔滤波器组、对数变换和离散余弦变换后的倒谱系数，特别适合语音识别。 - PLP（Perceptual Linear Prediction）进一步考虑了人耳对声音的感知，通过线性预测和感知校正来提取特征。 总结，语音特征提取是语音识别技术的基础，涵盖了一系列复杂的过程，包括预处理、频谱分析和听觉建模。理解并掌握这些方法对于开发高效、准确的语音识别系统至关重要。