一种基频估计算法在各类具有谐波结构的信号的基频估计中的应用制造技术

本分案申请公开了一种基频估计算法在各类具有谐波结构的信号的基频估计中的应用，属于信号处理领域，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，技术要点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，效果是减少频谱泄露对高频谱峰的影响。

The Application of a Fundamental Frequency Estimation Algorithms in Fundamental Frequency Estimation of Various Signals with Harmonic Structure

This sub-case application discloses the application of a fundamental frequency estimation algorithm in the fundamental frequency estimation of various signals with harmonic structure, which belongs to the field of signal processing. In order to solve the problem of fast and accurate extraction of fundamental frequency and reduce the impact of spectrum leakage on high spectrum peaks, the fundamental frequency estimation algorithm of audio harmonic signal described in the technical key points realizes multi-resolution spectral estimation with common Q transform and is based on harmonics. Wave summation energy defines folded harmonic summation spectrum and applies it to preliminary fundamental frequency screening. Base frequency estimation is realized by maximum a posteriori probability method. The effect is to reduce the influence of spectrum leakage on high frequency peaks.

【技术实现步骤摘要】
一种基频估计算法在各类具有谐波结构的信号的基频估计中的应用本申请是申请号201610044926.X，申请日2016-01-22，专利技术名称“谐波信号基频估计算法及装置”的分案申请。
本专利技术属于信号处理领域，涉及一种谐波信号基频估计算法。
技术介绍
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。公开号为CN1342968A的中国专利技术专利申请公开了一种用于语音识别的高精度高分辨率基频提取方法，并具体记载了基频提取方法中具有信号分割、加窗、确定基频候选、过滤具有过低的Hper值或Rper值的步骤，最后用DP算法求基频路径。其目的是可以在时域上，对候选基频进行相关系数评测。然而，该种做法提取基频候选时，虽然可以减少DP的运算量，但是，该专利技术属于自相关法，仍具有计算量大，提取速度慢的缺点。
技术实现思路
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，本专利技术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。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：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。有益效果：本专利技术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。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，本专利技术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。附图说明图1是实施例10中的一帧音乐信号图示；图2是实施例10中的音乐信号的常Q变换谱；图3是实施例10中的折叠谐波求和谱；图4是实施例10中的基频后验概率密度谱；图5是实施例11中的时域信号图示；图6是实施例11中的常Q变换谱；图7是实施例11中的折叠谐波求和谱；图8是实施例11中的基频后验概率密度谱；图9是本专利技术所述方法的软件流程图。具体实施方式实施例1:一种谐波信号基频估计算法，包括步骤：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。本专利技术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。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，本专利技术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。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。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。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。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：(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)表示第l帧信号中的序号为m的采样点；设x1(n),n＝0,1,....M-1表示长度为M，采样率为Fs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l帧信号可以表示为：x(l,m)＝x1(m+lL),m＝0,1,...N[k]-1(2)(1)式中，wN[k](m)表示长度为N[k]的汉宁窗，即：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：其中：h为谐波次数，H为最高次谐波，0＜α＜1，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，最高频率分量为fmax，则其中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：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：其中：Fi,l为第l帧的第i个基频候选，上式中p(Fi,l)为第l帧第i个基频Fi,l的先验概率，定义p(Fi,l)＝Xc(Fi,l,l)；上式中p(Xc(fk,l)|Fi,l)量测给定基频Fi,l得到观测常Q频谱的概率。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：其中:(8)式中β＝0.03，若常Q谱中基频候选Fi,l的第h次谐波是谱峰则γl(h,Fi,l)为1，否则为0，故表征第l帧常Q谱中所包含的前H次谐波分量的数量。类似地，若XQ(k,l)是谱峰则λl(k)为1，否则为0，故表征第l帧常Q谱中Fi,l的前H次谐波频率范围内的所有谱峰数。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F0，则折叠谐波求和谱在F0位置处的函数值为常Q变换在F0,2F0,3F0,...,HF0等处幅度的归一化加权和；折叠谐波求和谱在2F0位置处的函数值为常Q变换在2F0,4F0,6F0,...,2HF0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。最大后验概本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基频估计算法在各类具有谐波结构的信号的基频估计中的应用。

【技术特征摘要】
1.一种基频估计算法在各类具有谐波结构的信号的基频估计中的应用。2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维维，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21