谐波信号基频估计算法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于信号处理领域，涉及一种谐波信号基频估计算法。
【背景技术】
[0002] 目前常用的基频估计算法包括自相关法、倒谱法、小波变换法、谐波求和法等。自 相关法具有原理简单、易于实现的优点，但其计算量随着每帧信号长度成平方倍增。倒谱法 在语音切换时，由于信噪比减小常导致倒谱峰严重偏离基频。小波变换法通过检测声门闭 合时信号特征突变推算出基因周期，但小波变换中的多个阈值难以准确选择。谐波求和方 法仅考虑到各次谐波幅度加权求和，而没有考虑到各次谐波频率可能会稍微偏离谐波整数 倍，频谱泄露现象导致高频范围内信号的伪峰数量增加，及部分高频分量会被低频分量的 旁瓣掩埋。
[0003]
【发明内容】
[0004] 为了解决快速、准确提取基频，并减少频谱泄露对高频谱峰的影响的问题，本发明 提出了一种谐波信号基频估计算法，以提高基频提取的速度和准确性。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种谐波信号基频估计算法，包 括:S1.对音频谐波信号作常Q变换，得常Q变换谱;S2.使用常Q变换谱计算得折叠谐波求和 谱;S3.由折叠谐波求和谱的谱峰初步筛选基频;S4.建立基频候选的后验概率密度函数，根 据最大后验概率准则提取并输出谐波信号基频。
[0006] 有益效果:本发明所述音频谐波信号基频估计算法，用常Q变换实现多分辨率谱估 计，基于常Q变换谱定义折叠谐波求和谱，并将其用于初步基频筛选。通过最大后验概率法 实现基频估计，其中先验概率由折叠谐波求和谱求出，似然函数由谐波谱峰与观测频谱的 匹配度确定。
[0007]音频谐波信号基频估计是信号处理领域的一项关键技术，在语音识别、音乐信号 处理、水声信号处理等方面具有重要作用，本发明提出的基频估计算法可应用到各类具有 谐波结构的信号的基频估计中，提出的方法能够实现频谱多分辨率分析，提出折叠谐波求 和谱作为基频的初步筛选，采用最大后验概率法估计基频。该方法充分利用频谱提供的能 量、谐波性、谱匹配性等信息，实现基频估计，具有运算速度快，参数少，鲁棒性强的特点。
【附图说明】
[0008]图1是实施例10中的一帧音乐信号图不；
[0009] 图2是实施例10中的音乐信号的常Q变换谱；
[0010] 图3是实施例10中的折叠谐波求和谱；
[0011] 图4是实施例10中的基频后验概率密度谱；
[0012] 图5是实施例11中的时域信号图示；
[0013]图6是实施例11中的常Q变换谱；
[0014] 图7是实施例11中的折叠谐波求和谱；
[0015] 图8是实施例11中的基频后验概率密度谱；
[0016] 图9是本发明所述方法的软件流程图。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1: 一种谐波信号基频估计算法，包括步骤：
[0018] S1.对音频谐波信号作常Q变换，得常Q变换谱；
[0019] S2.使用常Q变换谱计算得折叠谐波求和谱；
[0020] S3.由折叠谐波求和谱的谱峰初步筛选基频；
[0021] S4.建立基频候选的后验概率密度函数，根据最大后验概率准则提取并输出谐波 信号基频。
[0022] 本发明所述音频谐波信号基频估计算法，用常Q变换实现多分辨率谱估计，基于谐 波求和能量定义折叠谐波求和谱，并将其用于初步基频筛选。通过最大后验概率法实现基 频估计，其中先验概率由折叠谐波求和谱求出，似然函数由谐波谱峰与频谱的匹配度确定。
[0023] 音频谐波信号基频估计是信号处理领域的一项关键技术，在语音识别、音乐信号 处理、水声信号处理等方面具有重要作用，本发明提出的基频估计算法可应用到各类具有 谐波结构的信号的基频估计中，提出的方法能够实现频谱多分辨率分析，提出折叠谐波求 和谱作为基频的初步筛选，采用最大后验概率法估计基频。该方法充分利用频谱提供的能 量、谐波性、谱匹配性等信息，实现基频估计，具有运算速度快，参数少，鲁棒性强的特点。
[0024] 实施例2:具有与实施例1相同的技术方案，更为具体的，常Q变换前，可以先对音频 谐波信号进行分频，加窗处理。
[0025] 在所述步骤S1中，先对输入的非平稳音频谐波信号作分帧处理，然后给短时分帧 信号加汉宁窗抑制旁瓣幅度，窗口长度与常Q变换的时间窗宽度一致。
[0026] 实施例3:具有与实施例1或2相同的技术方案，更为具体的，所述步骤S3中，筛选规 则为选取折叠谐波求和谱中的至少前3个极大值对应的频率作为候选基频，本实施例选择 前3个极大值作为候选基频，实验中，候选基频数量增加，可以提高准确度，而选取3个，其准 确度已经非常高。
[0027] 实施例4:具有与实施例1或2或3相同的技术方案，更为具体的，步骤S1中，是根据 人耳听觉特性，计算对数频率域常Q变换谱，该常Q变换谱为：
[0029] (1)式中，Q是品质因子，其为常数，N[ k ]为常Q变换在第k个频点对应的时间窗宽 度，（1)式中，x(l，m)表不第1帧信号中的序号为m的米样点；设χι(η)，n = 0,1，· · . ·Μ-1表不 长度为Μ，采样率SFs的音频信号，把该音频信号截断为每段长度为N[k]的帧，若帧移为L， 则第1帧信号可以表示为：
[0030] x( 1 ,m) =xi(m+lL) ,m=0,l,. . .N[k]-1 (2)
[0031 ] (1)式中，WN[k](m)表不长度为N[k]的汉宁窗，即：
[0033]实施例5:具有与实施例1或2或3或4相同的技术方案，更为具体的，折叠谐波求和 谱定义为：
[0035]其中:h为谐波次数，Η为最高次谐波，0<a<l，XQ(k，l)为常Q变换谱，round( ·)运 算结果等于最近的整数，假设每倍频程取Oct个点，常Q变换分析的最低频率分量为fmin，最
1其中ceil( ·)运算结果等于正无穷方 向最近的整数，常Q变换的第k个频率点对应的频率为：
[0037]实施例6:具有与实施例1或2或3或4或5相同的技术方案，更为具体的，基频后验概 率密度定义为：
[0039] 其中：Fi,i为第1帧的第i个基频候选，上式中p(Fi,i)为第1帧第i个基频Fi,i的先验 概率，定义？的,1)=乂。的,1，1);上式中？〇。出，1)旧,1)量测给定基频?^1得到观测常诚页谱 的概率。
[0040] 实施例7:具有与实施例1或2或3或4或5相同的技术方案，更为具体的，定义：
[0045] (8)式中β = 0.03,若常Q谱中基频候选Fi,i的第h次谐波是谱峰则γ i(h，Fi,i)为1，
表征第1帧常Q谱中所包含的前Η次谐波分量的数量。类似地，若X Q
(k，l)是谱峰则心(1〇为1，否则为0 表征第1帧常Q谱中F1;1的前Η次谐波 频率范围内的所有谱峰数。
[0046] 折叠谐波求和谱是基频及各次谐波分量的归一化加权和，设基频为Fo,则折叠谐 波求和谱在Fo位置处的函数值为常Q变换在F Q，2FQ，3F()，. . .，HF〇等处幅度的归一化加权和； 折叠谐波求和谱在2F〇位置处的函数值为常Q变换在2FQ，4F Q，6F()，. . .，2HF〇等处幅度的归一 化加权和。日常语音、音乐等信号主要能量集中在低频段，故即使常Q变换基频幅度小于二 次谐波幅度，其折叠谐波求和谱也能在基频位置处得到较大输出。由折叠谐波求和谱中的 前几个峰值得到基频候选，能够实现基频的初步筛选。
[0047] 最大后验概率密度函数中的第一项定义为？$1,1)=乂。卬1, 1，1)，即折叠谐波求和 谱在F1;1处的幅度，p(F1;1)取折叠谐波求和谱而非常Q变换谱是因为有时候某些谐波分量的 幅度会超过基频的幅度，而即使谐波幅度高于基频幅度的时候，折叠谐波求和谱在基频位 置处的值仍大于高次谐波处的值，进而提高基频估计的准确率，降低误判率。
[0048] 实施例8:具有与实施例1或2或3或4或5或6或7相同的技术方案，更为具体的，基频 估计公式为：
[0050]实施例9: 一种谐波信号基频估计算法，包括如下步骤：
[0051 ] 1.对音频谐波信号作常Q变换，得常Q变换谱，该常Q变换谱为：
[0053] (1)式中，Q是品质因子，其为常数，N[ k ]为常Q变换在第k个频点对应的时间窗宽 度，（1)式中，x(l，m)表不第1帧信号中的序号为m的米样点；设χι(η)，n = 0,