基于AMDF与自相关函数的语音基音周期估计对比研究

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB平台实现并深入对比短时平均幅度差函数（AMDF）与短时自相关函数（ACF）在语音信号处理中的应用效果。针对传统自相关函数在基音周期估计过程中因大量乘法运算导致的计算复杂度高、实时性差的问题，本项目重点研究利用只需减法和绝对值运算的AMDF算法。项目核心功能涵盖了语音信号的数字化录入与预处理，包括分帧、加窗及去静音处理；分别实现短时自相关算法与AMDF算法，计算各帧信号的特征函数值；通过寻找自相关函数的最大值或AMDF函数的极小值点，精确估计浊音的基音周期，并在此基础上实现清/浊音

详 情 说 明

基于短时平均幅度差函数(AMDF)与自相关函数的语音分析对比研究

项目介绍

本项目是一个利用MATLAB平台实现的语音信号分析系统，旨在对比研究短时自相关函数（ACF）与短时平均幅度差函数（AMDF）在基音周期估计、清/浊音判别以及计算效率方面的差异。语音信号的基音周期是描述语音本质特征的重要参数，而ACF和AMDF是提取该参数的两种经典时域算法。本项目通过模拟语音信号，直观展示了AMDF算法在牺牲极小精度的情况下，如何通过简化运算（以减法和绝对值代替乘法）显著提升处理速度。

功能特性

• 模拟语音信号合成：系统能够自动生成一段包含浊音（150Hz及其谐波组成的周期信号）和清音（高斯白噪声）的典型语音序列。
• 标准化预处理：实现语音信号的归一化、分帧（30ms窗长）、帧移（15ms）以及汉明窗加窗处理。
• 双算法并行计算：同时运行短时自相关函数与短时平均幅度差函数，计算各帧信号的特征曲线。
• 实时性能定量分析：通过高精度计时功能统计两种算法的总运行耗时，并计算效率提升百分比。
• 基音周期精准提取：在50Hz至500Hz的频率范围内，通过寻找ACF的最大值点和AMDF的极小值点来锁定基音。
• 清/浊音自动识别：基于特征函数的显著性阈值（ACF的峰值强度或AMDF的谷值深度）自动判定当前帧属于浊音还是清音。
• 多维度可视化：提供波形对比图、典型帧特征曲线对比图、基音频率轨迹图以及清浊音判定结果图。

实现逻辑与算法细节

主处理程序遵循以下逻辑流程：

1. 信号初始化与分帧 设定采样率为16000Hz，合成一段1秒长的信号。浊音部分由基频及其多级谐波叠加而成，清音部分为随机噪声。使用30ms的周期性汉明窗对信号进行切分，每帧包含480个采样点，相邻帧重叠50%。

2. 自相关函数 (ACF) 实现 在算法核心循环中，对于每一帧信号，执行双重循环累加。计算每一位偏移量下的乘法积之和。ACF反映了信号与其自身在不同延迟下的相似程度，其计算复杂度主要源于大量的浮点乘法运算。

3. 平均幅度差函数 (AMDF) 实现 同步执行AMDF计算。该算法不使用乘法，而是计算信号点与延迟点之间的绝对差值并求和。这种方式在硬件实现尤其是嵌入式系统中具有显著的性能优势。

4. 特征提取与判别逻辑

• ACF提取：在预设的延迟范围内（32至320个点），寻找R(k)的最大值。若该最大值超过R(0)的35%，则判定为浊音。
• AMDF提取：在相同延迟范围内寻找函数的极小值。若该极小值小于全帧最大幅度差的40%，则判定为浊音。
• 基音计算：根据采样率与最值点对应的延迟点数，计算得到实时的基音频率（Hz）。

5. 统计与反馈 计算结束后，程序汇总两种算法的总耗时，并在控制台输出包含计算耗时、效率改进百分比以及部分典型帧运算结果的对比表。

关键函数与实现细节分析

• 自定义汉明窗函数：代码手动实现了Hamming窗计算公式，支持对称（Symmetric）和周期性（Periodic）两种模式，通过0.54-0.46*cos(2*pi*n/(M-1))公式确保信号边缘平滑，减少分帧带来的频谱泄露。
• 嵌套循环运算：ACF和AMDF均采用直接嵌套循环实现，这种写法虽然在MATLAB中不如矩阵化运算快，但能最真实地模拟硬件指令执行流程，便于进行公平的算法复杂度与原始运行耗时对比。
• 自适应判定阈值：针对ACF采用的是相对最大值的比例(0.35)判定，针对AMDF采用的是相对波动范围的比例(0.4)判定。这两种动态阈值的设定增强了算法对不同信号强度的鲁棒性。
• 基音范围限制：通过min_lag和max_lag变量限定搜索空间，有效避开了0点附近的自相关峰值干扰，确保提取的是人类语音正常的基频范围。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 确保当前工作目录包含该项目的主处理程序文件。
3. 在命令行窗口输入主函数名称并回车。
4. 程序将自动执行计算，随后弹出可视化图形窗口。
5. 在MATLAB控制台（Command Window）查看详细的性能评估报告和实验数据对比表。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：无需特殊硬件，标准的x86或ARM架构计算机即可运行，程序中包含耗时统计，建议关闭其他大型后台程序以获得更准确的效率对比数据。