变速方法和系统的制作方法

专利名称：变速方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及声音信号处理技术领域，具体涉及一种应用在变调处理中的变速方法及系统。
背景技术：
变调(Pitch Scaling)是指在不改变声音数据的总长度下，改变声音的音调，将音调升高或者降低。
变调的过程实际上是将声音的频谱进行扩展，同时原先各谐波成分之间的关系仍然保留，变调需借助于一定的算法实现。变调算法主要分为时域算法和频域算法两大类。频域算法一般采用相位声码器(Phase Vocoder)实现，比较适合大比例的音调改变，不过变调之后的声音的自然度较低；时域算法一般采用变速加变采样率的方法实现，比较适合小比例的音调改变，音调比例较大时，变速算法处理后的声音接合处质量较差。
变速(Time Scaling)即对信号进行变速不变声的处理，也就是将一段声音的持续时间拉长或者缩短，而声音的音调不变。
现有的变速处理的具体步骤如图1所示，其具体步骤如下步骤101设变调比例为a，根据变调比例确定输入信号的帧长度为Sa，输出信号的帧长度为Ss，且Sa/Ss＝a，将Sa/Ss称为变速比例，设输入缓冲区的长度为2W，输出缓冲区的长度为W，初始化k＝1，设置互相关搜索终止点Kmax，设置叠加长度Wov＝W-Ss，各参数的具体含义如图2所示。
a的值根据变调要求设定，若为升调处理，则a＜1；若为降调处理，则a＞1；Kmax根据经验设定，通常1＜Kmax＜150，单位为采样点。
步骤102从输入缓冲区中取出第k～(W+k)个输入信号。
这里的1个输入信号即1个输入信号采样点。
第k个输入信号为最先进入输入缓冲区的第k个输入信号，则第k～(W+k)个输入信号为最先进入输入缓冲区的第k～(W+k)个输入信号。
步骤103取该第k～(W+k)个输入信号的前Wov个输入信号，计算该Wov个输入信号与输出缓冲区的前Wov个输出信号的互相关值，得到第k个互相关值。
输出缓冲区的前Wov个输出信号指的是最先进入输出缓冲区的Wov个输出信号。
步骤104判断k＝Kmax是否成立，若是，执行步骤106；否则，执行步骤105。
步骤105令k＝k+1，转至步骤102。
步骤106在所有互相关值中查找最大的互相关值。
步骤107将最大互相关值对应的W个输入信号的前Wov个输入信号与输出缓冲区的前Wov个输出信号进行叠加。
步骤108以叠加结果替换输出缓冲区中的前Wov个输出信号，以最大互相关值对应的W个输入信号的后Ss个输入信号替换输出缓冲区中的后Ss个输出信号。
步骤109将输出缓冲区中的前Ss个输出信号作为变速后的输出信号；将输入缓冲区的前Sa个输入信号移出，将最新的Sa个输入信号输入到输入缓冲区。
步骤107～109的具体处理可参见图2。
对每次经变速处理得到的变速信号，再进行变采样率处理，以得到变调信号。
图3是现有的变采样率处理的流程图，如图3所示，其具体步骤如下步骤301根据变调比例a确定增采样系数L和降采样系数M，且L/M＝a，对变速后的信号进行L倍的增采样处理。
在具体应用中，为了降低增采样和降采样处理的复杂度，应该将L、M的值设置得尽可能地小，通常在设置L、M时，只要L、M没有公约数即可。
经过本步骤的处理之后，变速后的信号的长度由Ss扩展为Ss*L。
步骤302对增采样处理后的信号进行低通滤波处理。
低通滤波器的截至频率为f＝min(π/M，π/L)，低通滤波的目的是，将频率大于f的信号过滤掉。
步骤303对滤波处理后的信号进行1/M的降采样处理，得到变调后的信号。
经本步骤的处理后，信号的长度由Ss*L变为Ss*L/M＝Sa，可以看出信号的长度未发生改变。
从图1可以看出，在变速处理中，最关键的是找到与输出缓冲区中的前Wov个输出信号互相关性最强的Wov个输入信号。现有技术在互相关搜索范围1～Kmax内查找与输出信号互相关性最强的输入信号，虽然理论上最大互相关值对应的输入信号为与输出信号互相关性最强的输入信号，但是，当最大互相关值对应的互相关搜索点的取值较大时，常常会导致相邻两次变速处理后的声音的接合处的质量较差。
图3所示的变采样率处理方法的缺点是当变调比例较小时，L、M的取值往往比较接近，且取值都较大，此时，会给低通滤波器的设计带来困难，同时运算量也较大。

发明内容
本发明提供变速方法和系统，以提高声音质量。
本发明的技术方案是这样实现的一种变速方法，将互相关搜索范围按照搜索点值从低到高划分为一个以上的阶段，按照所包含的搜索点值的从低到高，为各阶段从大到小设置互相关权值，包括根据变速比例，计算互相关搜索范围内的各搜索点对应的输入信号与输出信号的互相关值，确定各阶段内的最大互相关值，结合各阶段的互相关权值，确定最终的最大互相关值，将最终确定的最大互相关值对应的输入信号与输出信号叠加，得到变速后的信号。
所述确定最终的最大互相关值包括将各阶段内的最大互相关值乘以该阶段的互相关权值，将最大乘积对应的阶段的最大互相关值作为最终的最大互相关值。
所述将最终确定的最大互相关值对应的输入信号与输出信号叠加，得到变速后的信号包括根据预先确定的叠加长度Wov，将最终确定的最大互相关值对应的输入信号中的前Wov长度的信号与输出信号中的前Wov长度的信号叠加，将叠加得到的信号中的前Ss长度的信号作为变速信号，其中，Ss为根据变速比例确定的变速信号的长度。
所述得到变速后的信号之后进一步包括根据变调比例，对变速后的信号进行变采样率处理，得到变调后的信号。
所述根据变调比例，对变速后的信号进行变采样率处理包括根据变调比例确定增采样系数和降采样系数，将增采样系数分割成一个以上的子增采样系数，根据各子增采样系数对变速后的信号进行分级增采样和低通滤波处理，然后根据降采样系数，对低通滤波处理后的信号进行降采样处理。
所述分级子增采样和低通滤波处理中的第一级处理包括根据确定的第一级子增采样系数，对变速后的信号进行增采样处理，对增采样处理后的信号进行低通滤波，将滤波后的信号作为下一级子增采样处理的输入信号；所述分级子增采样和低通滤波处理中的最后一级处理包括根据确定的最后一级子增采样系数，对前一级低通滤波后的信号进行增采样处理，对增采样处理后的信号进行低通滤波，将滤波后的信号作为降采样处理的输入信号；所述分级子增采样和低通滤波处理中位于第一级和最后一级之间的分级处理包括根据确定的当前级的子增采样系数，对前一级低通滤波后的信号进行增采样处理，对增采样处理后的信号进行低通滤波，将滤波后的信号作为下一级子增采样处理的输入信号。
所述为各阶段设置互相关权值为设置阶段A的互相关权值与相邻阶段B的互相关权值的比值为大于1且小于1.5的值，其中，阶段A所包含的互相关搜索点的值低于阶段B所包含的互相关搜索点的值。
一种变速系统，包括输入缓存模块、输出缓存模块、互相关计算模块、最大互相关值确定模块和叠加模块，其中输入缓存模块，根据请求，将自身的输入信号输出到互相关计算模块、叠加模块、输出缓存模块；输出缓存模块，根据请求，将自身参与互相关计算的输出信号输出到互相关计算模块，以叠加模块和输入缓存模块输出的信号替换自身的输出信号块，根据变速比例，将自身信号中的变速信号输出到外部；互相关计算模块，用于计算从输出缓存模块获取的输出信号和从输入缓存模块获取的输入信号的互相关值，将得到的互相关值及对应的互相关搜索点输出到最大互相关值确定模块；最大互相关值确定模块，用于将互相关搜索范围按照搜索点值从低到高划分为一个以上的阶段，并根据所包含的搜索点值的从低到高为各阶段从大到小各设置一个互相关权值，在互相关计算模块发来的互相关值中，分别查找各阶段内的最大互相关值，根据各阶段的互相关权值确定最终的最大互相关值，根据该最大互相关值向输入缓存模块发送向叠加模块输出输入信号的通知；叠加模块，用于将输入缓存模块和输出缓存模块发来的输入信号和输出信号叠加，将叠加结果输出到输出缓存模块。
所述系统进一步包括变采样率处理模块，用于根据变调比例，对输出缓存模块输出的变速信号进行变采样率处理，将得到的变调信号输出到外部。
所述变采样率模块包括子增采样系数确定模块、分级增采样和滤波处理模块和降采样处理模块，其中子增采样系数确定模块，用于根据变调比例，确定一个以上的子增采样系数，将各个子增采样系数输出到分级增采样和滤波处理模块；分级增采样和滤波处理模块，用于根据子增采样系数确定模块发来的各个子增采样系数，依次对输出缓存模块输出的变速信号进行分级增采样处理和低通滤波处理，将处理后的信号发送给降采样处理模块；降采样处理模块，用于根据变调比例，对分级增采样和滤波处理模块发来的信号进行降采样处理，将处理后的信号输出到外部。
与现有技术相比，本发明通过将互相关搜索范围按照搜索点的值从低到高划分为一个以上的阶段，按照各阶段所包含的搜索点值的从低到高，依次为各阶段从大到小设置互相关权值，根据变速比例，计算互相关搜索范围内的各搜索点对应的输入信号与输出信号的互相关值，确定各阶段内的最大互相关值，根据各阶段的互相关权值，确定最终的最大互相关值，将最终确定的最大互相关值对应的输入信号与输出信号叠加，得到变速后的信号，本发明为值较小的搜索点对应的输入信号设置较大的权值，增大了值较小的搜索点对应的输入信号被作为输出信号的最大互相关信号的机率，从而提高了相邻的变速信号的接合处的平滑性，提高了变速后的语音质量，从而提高了变调后的语音质量。另外，本发明在变采样率处理中，通过分级增采样处理，降低了运算复杂度，且减少了信号混叠，进一步提高了变调后的语音质量。


图1为现有的变速处理的流程图；图2为现有的变速处理的过程示意图；图3为现有的变采样率处理的流程图；图4为本发明提供的变速处理的流程图；图5为本发明提供的变采样率处理的流程图；图6为本发明提供的变速处理的系统组成示意图；
图7为本发明提供的变采样率模块的组成示意图。
具体实施例方式
造成变速处理后的声音的接合处的质量较差的原因是计算得到的与输出信号互相关性最强的输入信号所在的搜索点对应的不是真正的基音延时，这是由于声音信号具有基音周期，因此，当输入信号上存在干扰信号时，会导致搜索到的具有最大互相关值的输入信号所在的搜索点对应的不是真正的基音延时，而是真正的基音延时的整数倍，即此时得到的具有最大互相关值的输入信号实际上不是与输出信号互相关性最强的输入信号。因此，本发明的核心思想是将互相关搜索范围按照搜索点值从低到高依次划分为一个以上的阶段，按照包含的搜索点值的从低到高，依次为各阶段从大到小设置一个互相关权值，分别找出在各阶段内的输入信号和输出信号的最大互相关值，根据各阶段的互相关权值以及各阶段内的最大互相关值，确定最终的最大互相关值，根据该最终的最大互相关值确定与输出信号互相关性最强的输入信号，将与输出信号互相关性最强的输入信号叠加到输出信号上，得到变速后的输出信号。
本发明中，为包含的搜索点值较低的阶段设置较大的互相关权值，以增大该阶段内的搜索点对应的输入信号作为与输出信号互相关性最强的输入信号的机率，提高变速后的信号的平滑性。
下面结合附图及具体实施例对本发明中的变速处理和变采样率处理分别作进一步详细的说明。
图4是本发明提供的变速处理的流程图，如图4所示，其具体步骤如下步骤401根据变调需求设置变调比例a，根据变调比例a确定输入信号的帧长度为Sa，输出信号的帧长度为Ss，且Sa/Ss＝a，将Sa/Ss称为变速比例，设输入缓冲区的长度为2W，输出缓冲区的长度为W，叠加长度为Wov＝W-Ss，设置互相关搜索起始点K0、互相关搜索终止点Kmax，初始化k＝K0。
通常K0＝20，K0＜Kmax＜150。
步骤402将互相关搜索范围[K0，Kmax]按照搜索点的值，从低到高划分为三个阶段，第一阶段[K0，40]，第二阶段[40，80]，第三阶段[80，Kmax]，设置第一阶段的互相关权值为m2，第二阶段的互相关权值为m，第三阶段的互相关权值为1。
m的取值范围为1＜m＜1.5，通常取1.2。
在实际应用中，可根据需要，为互相关搜索的各阶段设置互相关权值，应该遵循的原则是为低阶段设置的互相关权值高于为高阶段设置的互相关权值。
步骤403从输入缓冲区中取出第k～(W+k)个输入信号。
步骤404取该第k～(W+k)个输入信号的前Wov个输入信号，计算该Wov个输入信号与输出缓冲区的前Wov个输出信号的互相关值。
步骤405判断k＝Kmax是否成立，若是，执行步骤407；否则，执行步骤406。
步骤406令k＝k+1，转至步骤403。
步骤407在各互相关搜索阶段中查找该阶段内的最大互相关值，设三个阶段的最大互相关值分别为Cof1、Cof2和Cof3。
步骤408判断Cof3＞m*Cof2和Cof3＞m2*Cof1是否同时成立，若是，执行步骤409；否则，执行步骤410。
步骤409将Cof3作为最大互相关值，转至步骤413。
步骤410判断Cof2＞m*Cof1是否成立，若是，执行步骤411；否则，执行步骤412。
步骤411将Cof2作为最大互相关值，转至步骤413。
步骤412将Cof1作为最大互相关值。
步骤413将最大互相关值对应的W个输入信号的前Wov个输入信号与输出缓冲区的前Wov个输出信号进行叠加。
步骤414以叠加结果替换输出缓冲区中的前Wov个输出信号，以最大互相关值对应的W个输入信号的后Ss个输入信号替换输出缓冲区中的后Ss个输出信号。
步骤415将输出缓冲区中的前Ss个输出信号作为变速后的输出信号输出；将输入缓冲区的第1～Sa个输入信号移出，将最新的Sa个输入信号输入到输入缓冲区。
对变速得到的Ss个输出信号进行L倍的增采样处理和1/M的降采样处理后，就可得到变调比例为L/M的变调信号。
需要指出的是，在实际应用中，可根据需要，将互相关搜索范围划分为一个以上的阶段。
图5是本发明提供的变采样率处理的流程图，如图5所示，其具体步骤如下步骤501根据变调比例a确定增采样系数L和降采样系数M，且L/M＝a，将增采样系数L转换成两个或两个以上大于1的整数的乘积，将各整数称为子增采样系数。
在确定变调比例a时，应该考虑到a可表示为两个尽可能小的整数L、M相除的形式，且应考虑到L应该可表示成两个或两个以上的大于1的整数的乘积。
步骤502根据得到的各子增采样系数，对变速后的信号进行分级增采样和低通滤波处理。
例如L＝L1*L2，则先对变速后的信号进行L1倍的增采样处理，信号的长度变为Ss*L1，然后对信号进行截止频率为π/L1的低通滤波处理，对滤波后的信号进行L2倍的增采样处理，信号的长度变为Ss*L1*L2，再对信号进行截止频率为π/L2的低通滤波处。
步骤503对滤波处理后的信号进行1/M的降采样处理，得到变调信号。
图6是本发明提供的变速系统组成示意图，如图6所示，其主要包括输入缓存模块61、输出缓存模块62、互相关计算模块63、最大互相关值确定模块64和叠加模块65，其中
输入缓存模块61用于接收并保存输入信号，根据互相关计算模块63的请求，将对应的Wov个输入信号输出到互相关计算模块63；根据最大互相关值确定模块64的请求，将对应的Wov个输入信号输出到叠加模块65，同时将该Wov个输入信号之后的Ss个输入信号输出到输出缓存模块62。
输出缓存模块62用于保存输出信号，根据互相关计算模块63的请求，将前Wov个输出信号输出到互相关计算模块63，以叠加模块64输出的Wov个信号替换自身的前Wov个输出信号，以输入缓存模块61输出的Ss个输入信号替换自身的后Ss个输出信号，将自身的前Ss个输出信号输出到变采样率处理模块。
互相关计算模块63用于向输出缓存模块62获取前Wov个输出信号，向输入缓存模块61获取第k～(k+Wov)(k＝K0～Kmax)个输入信号，计算获取到的输入信号和输出信号的互相关值，将得到的互相关值及对应的互相关搜索点k值输出到最大互相关值确定模块64。
最大互相关值确定模块64用于将互相关搜索范围按照搜索点值的从低到高划分为一个以上的阶段，按照各阶段所包含的搜索点值的从低到高，为各阶段从大到小分别设置一个互相关权值，接收互相关计算模块63发来的互相关值及对应的互相关搜索点k，根据预先保存的互相关搜索范围的阶段划分，分别查找各阶段内的最大互相关值，根据各阶段的互相关权值以及各阶段内的最大互相关值，确定最终的最大互相关值，向输入缓存模块61发送向叠加模块65输出与最终确定的最大互相关值对应的Wov个输入信号的通知。
叠加模块65用于在收到输入缓存模块61发来的Wov个输入信号后，向输出缓存模块62获取前Wov个输出信号，将输入信号和输出信号进行叠加，将叠加结果输出到输出缓存模块62。
进一步地，图6所示的变速处理系统可以包括变采样率处理模块66，用于对输出缓存模块62输出的Ss个输出信号进行变采样率处理，将经变采样率处理得到的变调信号输出到外部。
图7是本发明提供的变采样率处理模块的组成示意图，如图7所示，其主要包括子增采样系数确定模块661、分级增采样和滤波处理模块662和降采样处理模块663，其中子增采样系数确定模块661用于根据变调比例，确定各子增采样系数，将各子增采样系数输出到分级增采样和滤波处理模块662。
分级增采样和滤波处理模块662用于接收输出缓存模块62发来的变速信号，根据子增采样系数确定模块661发来的各子增采样系数，对变速信号进行分级增采样处理和低通滤波处理，将处理后的信号发送给降采样处理模块663。
降采样处理模块663用于接收分级增采样和滤波处理模块662发来的信号，根据变调比例，对该信号进行降采样处理，将处理后的信号输出到外部。
实验表明，本发明提出的方法对于变调比例为1～2倍范围内的升调处理，以及变调比例为1～0.5内的降调处理都能获得很好的处理效果，不引入噪声，同时保持了声音的自然度。
以上所述仅为本发明的过程及方法实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种变速方法，其特征在于，将互相关搜索范围按照搜索点值从低到高划分为一个以上的阶段，按照所包含的搜索点值的从低到高，为各阶段从大到小设置互相关权值，包括根据变速比例，计算互相关搜索范围内的各搜索点对应的输入信号与输出信号的互相关值，确定各阶段内的最大互相关值，结合各阶段的互相关权值，确定最终的最大互相关值，将最终确定的最大互相关值对应的输入信号与输出信号叠加，得到变速后的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定最终的最大互相关值包括将各阶段内的最大互相关值乘以该阶段的互相关权值，将最大乘积对应的阶段的最大互相关值作为最终的最大互相关值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将最终确定的最大互相关值对应的输入信号与输出信号叠加，得到变速后的信号包括根据预先确定的叠加长度Wov，将最终确定的最大互相关值对应的输入信号中的前Wov长度的信号与输出信号中的前Wov长度的信号叠加，将叠加得到的信号中的前Ss长度的信号作为变速信号，其中，Ss为根据变速比例确定的变速信号的长度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到变速后的信号之后进一步包括根据变调比例，对变速后的信号进行变采样率处理，得到变调后的信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据变调比例，对变速后的信号进行变采样率处理包括根据变调比例确定增采样系数和降采样系数，将增采样系数分割成一个以上的子增采样系数，根据各子增采样系数对变速后的信号进行分级增采样和低通滤波处理，然后根据降采样系数，对低通滤波处理后的信号进行降采样处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述分级子增采样和低通滤波处理中的第一级处理包括根据确定的第一级子增采样系数，对变速后的信号进行增采样处理，对增采样处理后的信号进行低通滤波，将滤波后的信号作为下一级子增采样处理的输入信号；所述分级子增采样和低通滤波处理中的最后一级处理包括根据确定的最后一级子增采样系数，对前一级低通滤波后的信号进行增采样处理，对增采样处理后的信号进行低通滤波，将滤波后的信号作为降采样处理的输入信号；所述分级子增采样和低通滤波处理中位于第一级和最后一级之间的分级处理包括根据确定的当前级的子增采样系数，对前一级低通滤波后的信号进行增采样处理，对增采样处理后的信号进行低通滤波，将滤波后的信号作为下一级子增采样处理的输入信号。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为各阶段设置互相关权值为设置阶段A的互相关权值与相邻阶段B的互相关权值的比值为大于1且小于1.5的值，其中，阶段A所包含的互相关搜索点的值低于阶段B所包含的互相关搜索点的值。
8.一种变速系统，其特征在于，包括输入缓存模块、输出缓存模块、互相关计算模块、最大互相关值确定模块和叠加模块，其中输入缓存模块，根据请求，将自身的输入信号输出到互相关计算模块、叠加模块、输出缓存模块；输出缓存模块，根据请求，将自身参与互相关计算的输出信号输出到互相关计算模块，以叠加模块和输入缓存模块输出的信号替换自身的输出信号块，根据变速比例，将自身信号中的变速信号输出到外部；互相关计算模块，用于计算从输出缓存模块获取的输出信号和从输入缓存模块获取的输入信号的互相关值，将得到的互相关值及对应的互相关搜索点输出到最大互相关值确定模块；最大互相关值确定模块，用于将互相关搜索范围按照搜索点值从低到高划分为一个以上的阶段，并根据所包含的搜索点值的从低到高为各阶段从大到小各设置一个互相关权值，在互相关计算模块发来的互相关值中，分别查找各阶段内的最大互相关值，根据各阶段的互相关权值确定最终的最大互相关值，根据该最大互相关值向输入缓存模块发送向叠加模块输出输入信号的通知；叠加模块，用于将输入缓存模块和输出缓存模块发来的输入信号和输出信号叠加，将叠加结果输出到输出缓存模块。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括变采样率处理模块，用于根据变调比例，对输出缓存模块输出的变速信号进行变采样率处理，将得到的变调信号输出到外部。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述变采样率模块包括子增采样系数确定模块、分级增采样和滤波处理模块和降采样处理模块，其中子增采样系数确定模块，用于根据变调比例，确定一个以上的子增采样系数，将各个子增采样系数输出到分级增采样和滤波处理模块；分级增采样和滤波处理模块，用于根据子增采样系数确定模块发来的各个子增采样系数，依次对输出缓存模块输出的变速信号进行分级增采样处理和低通滤波处理，将处理后的信号发送给降采样处理模块；降采样处理模块，用于根据变调比例，对分级增采样和滤波处理模块发来的信号进行降采样处理，将处理后的信号输出到外部。
全文摘要
本发明公开了一种变速方法，将互相关搜索范围按照搜索点值从低到高划分为一个以上的阶段，按照包含的搜索点值的从低到高，依次为各阶段从大到小设置互相关权值，根据变速比例，计算互相关搜索范围内的各搜索点对应的输入信号与输出信号的互相关值，确定各阶段内的最大互相关值，结合各阶段的互相关权值，确定最终的最大互相关值，将最终确定的最大互相关值对应的输入信号与输出信号叠加，得到变速后的信号；本发明同时公开了一种变速系统，包括输入缓存模块、输出缓存模块、互相关计算模块、最大互相关值确定模块和叠加模块。本发明提高了变速信号接合处的平滑性，提高了变速后的语音质量，从而提高了变调后的语音质量。
文档编号G10H1/00GK1920951SQ20061015208
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月11日 优先权日2006年9月11日
发明者张晨 申请人:北京中星微电子有限公司