语音信号动力学特性递归分析

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1、摘要语音信号动力学特性递归分析摘要近年来，随着语音信号非线性动力学特性研究的深入以及非线性动力学理论的进一步发展，应用非线性方法分析和处理语音信号成为研究的热点。然而，在应用非线性方法分析语音信号过程中，特别是计算语音音素的非线性表征量(如相关维数和最大Lyapunov指数)精细定量描述语音特征时，语音信号的非平稳特性和音素采样点不足这两个因素制约了这些方法的应用，使得计算结果往往波动很大，造成了解释上的误差。因此，研究针对非平稳语音信号的新的时间序列分析技术和新的特征参数提取手段成为本文的目的。首先，论文介绍了利用非线性动力学方法对语音信号

2、进行理论性的定性和定量分析。根据音素的发声机理。讨论了浊音的声门振荡模式、清音的湍流声源模式和交互作用模式这三种不同的非线性模式。在研究语音的状态空间重构中，采用邻接误差法和平均互信息法统计得到语音音素序列重构相空间嵌入维数和延迟时间，为非线性分析方法分析连续语音提供了必要条件。通过对语音音素信号相关维数和最大Lyapunov指数的计算，表明了语音信号的混沌动力学特性。同时，计算结果较大的波动性表明这两种非线性参数只能用作反映语音非线性特征的表征量，而不能用作精细特征分析。然后，论文综述了针对短时非平稳的时问序列分析技术的研究现状，讨论了递归

3、图和定量递归分析技术的应用研究。在递归图分析中，详细介绍了递归图的宏观模式和微观模式及其所表达的潜在的动力学含义。讨论了定量递归分析中的各种不同参量所衡量的动力学递归特性。通过从非平稳的时间序列分析、两时间序列相关性分析和噪声对定量递归分析的影响三个领域进行的研究讨论，说明了递归图和定量递归分析技术分析短时非稳态时间序列的有效性。随后，将递归图和定量递归分析技术引入语音信号处理领域。通过二维递归图观察不同模式的语音信号内部动力学机理的递归现象，使用递归量化参数定量的揭示了语音信号的递归特性。在音素递归图分析中，将语音非线性特征的表现模式和递归

4、图的宏观模式联系起来：浊音的声门振荡模式对应于周期模式递归图，清音的湍流声源模式对应于均态模式递归图。由于爆破音闭塞段和释放段动力学性能的剧摘要烈变化，其对应于递归图的突变模式。在二音素递归图分析中，通过递归图上结构特殊的矩形边界观察语音动力学机制突变点，并和声学上语音音素间边界点对应。通过观察递归图和递归量化参数变化，分析了高斯自噪声信号对语音相空间轨道的影响，提出增大临界距离降低噪声影响的方案。最后，为了验证递归图和定量递归分析技术研究语音信号的有效性，本文分别对三种语音信号处理领域，利用不同的递归量化参数定量分析了语音动力系统不同侧面的

5、动力学特性递归行为。在语音自动切分技术研究方面，通过递归趋势这一衡量系统稳定性程度的特征参数，揭示了语音产生过程中的非平稳性。结合基于HMM模型的连续语音自动切分方法，从定位语音动力学机制突变点的角度调整音素(声韵母)初始切分边界，提高自动切分精度。针对三种连续语音数据库，实验取得了良好效果。在噪声环境下语音边界检测技术研究方面，通过信号递归度这一衡量系统相空间内向量点递归频率及轨迹在相空间内的聚集度变化的特征参数，分析语音／噪声的信源系统动力学特性差异，设定双门限检测语音端点。和传统的能量法、倒谱距离测度法比较，准确率较高。在语音清浊音判定

6、技术研究方面，通过统计确定性和归～化最长对角线这两种衡量动力系统确定性程度的特征参数，得到清浊音的显著差异。设计两种判决框架，分别侧重清、浊音判决要求。和其它传统判决方法比较，误判率有明显降低。以上是作者在这篇学位论文中的主要研究工作，本文首次将递归图和定量递归分析技术引入语音信号处理研究中，利用该技术避免了时间序列平稳性假设和数据长度要求对非线性分析方法的限制，分析了语音复杂多样的非线性动力学特性。在应用领域，从语音切分边界精度提高、复杂噪声环境下语音边界检测和语音清浊音判定三个方面验证了这种技术在语音信号处理中的有效性。本文涉及多方面的内

7、容，得出了一些重要的结论，在语音信号处理新方法上作了有益的探索和深入的研究。论文中的实验数据是由摩托罗拉中国研究中心提供。关键词：语音信号，非线性动力学，非平稳时间序列分析，递归图，定量递归分析，自动切分，端点检测，清浊音判决☆本学位论文受国家重点基础研究发展规划项目(973计划)(No．2005CB724303)资助一II—ABSTRACTRECURRENCEANALYSISOFDYNAMICALCHARACTERISTICSFORSPEECHSIGNALSInrecentyears，withthedevelopmentoftheresea

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