語(yǔ)音信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)的研究與仿真實(shí)現(xiàn)

1、指導(dǎo)老師：夏 凌 學(xué) 生：強(qiáng) 策日常生活中，我們?cè)讷@取和傳輸語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，都會(huì)不可避免的受到噪聲信號(hào)的干擾，這導(dǎo)致語(yǔ)音系統(tǒng)地處理性能變差。語(yǔ)音增強(qiáng)就是要找到一種有效的去除噪聲的方法，它的目的就是盡可能的從帶噪語(yǔ)音中提取出較為純凈的原始語(yǔ)音，也就是去掉語(yǔ)音信號(hào)中的干擾和噪聲，從而最終獲取高質(zhì)量的純凈的語(yǔ)音信號(hào)。噪聲具有很多來(lái)源，而且根據(jù)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合的不同，噪聲所具有的特性也不盡相同，所以想要找到一種通用的、適用于各種噪聲環(huán)境的語(yǔ)音增強(qiáng)方法是非常困難的。語(yǔ)音增強(qiáng)的目的主要有兩個(gè)：一是改善語(yǔ)音質(zhì)量；二是提高語(yǔ)音可懂度。但往往要同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的是不可能的。目前為止，人們針對(duì)加性噪聲已經(jīng)研究了各種語(yǔ)音

2、增強(qiáng)方法，并適用不同的場(chǎng)合。1978 年，Lim 和 Oppenheim 提出了維納濾波法1979年，Boll 提出了譜相減法80年代，Maulay 和 Malpass 提出了軟判決噪聲抑制方法1984年，Ephraim 和 Malah 提出了基于 MMSE 短時(shí)譜估計(jì)的語(yǔ)音增強(qiáng)方法1987年，Paliwal 提出了卡爾曼濾波法90年代，Ephraim 等人提出隱馬爾可夫模型框架的語(yǔ)音增強(qiáng)算法2001年Rajner Manin提出了基于最優(yōu)平滑和最小統(tǒng)計(jì)的噪聲功率譜密度估計(jì)。近年，隨著對(duì)語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)的不斷研究，一些新的語(yǔ)音增強(qiáng)方法如小波變換語(yǔ)音增強(qiáng)方法、卡亨南洛維變換方法、離散余弦變換方法、人

3、工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、隱含馬爾可夫模型方法等被相繼提出。一般濾波法梳狀濾波法維納濾波法自適應(yīng)濾波法一般濾波法就是輸入信號(hào)中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占不同的頻帶，通過(guò)一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波的目的。例如，輸入信號(hào)中含有干擾，如果信號(hào)和干擾的頻帶互不重疊，可濾除干擾得到純信號(hào)。但對(duì)于一般濾波器如果信號(hào)和干擾的頻帶互相重疊，則不能完成干擾的有效濾除，這時(shí)就需要另外的濾波方法。語(yǔ)音中的濁音部分能量很大，往往占據(jù)一段語(yǔ)音的大部分能量，同時(shí)它具有明顯的周期性。利用語(yǔ)音濁音的周期性，可進(jìn)行梳狀濾波。就頻域而言，是保留基頻及其整數(shù)倍的各諧波量，抑制非諧波分量。各諧波之間的間隙基本上是噪聲成分。只要知

4、道基頻就可以把諧波之間的噪聲成分完全濾掉。這種方法不僅用到了噪聲的統(tǒng)計(jì)知識(shí)，還用到了部分語(yǔ)音知識(shí)，但顯然這些知識(shí)都是一種近似的代替。當(dāng)噪聲不是白噪聲時(shí)，按照語(yǔ)音的產(chǎn)生模型就很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)語(yǔ)音參數(shù)。因此對(duì)有色噪聲維納濾波法就很難應(yīng)付。由此可以看出采用這種方法來(lái)提高語(yǔ)音信噪比和可懂度效果十分有限。特別是在噪聲比較強(qiáng)的情況下估計(jì)的全極點(diǎn)模型參數(shù)誤差明顯增大，而如果使用迭代方法，計(jì)算結(jié)果能夠有所改進(jìn)，但仍然存在較大誤差，且計(jì)算量比較大。這種方法是從帶噪聲語(yǔ)音中減去噪聲，用兩個(gè)話(huà)筒的采集系統(tǒng)，一個(gè)采集帶噪語(yǔ)音，另一個(gè)采集噪聲，通過(guò)雙話(huà)筒采集系統(tǒng)的自適應(yīng)噪聲抵消法的原理，經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后與帶噪語(yǔ)音相減。

5、自適應(yīng)噪聲抵消法可以用于平穩(wěn)噪聲相消，也可以用于準(zhǔn)平穩(wěn)噪聲。采用噪聲抵消法時(shí)為保證系統(tǒng)的性能，兩個(gè)話(huà)筒之間必須要有相當(dāng)?shù)母綦x度，應(yīng)避免語(yǔ)音信號(hào)混入噪音通道，如實(shí)在無(wú)法隔離，則自適應(yīng)濾波器的系數(shù)只能在語(yǔ)音間隙期間進(jìn)行刷新?；谛〔ㄗ儞Q的語(yǔ)音增強(qiáng)方法的基本思想是：帶噪語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)小波變換后分解為具有時(shí)頻特性的小波系數(shù)，然后選擇合適的閾值，經(jīng)過(guò)閾值處理后消除背景噪聲，最后再經(jīng)過(guò)小波逆變換對(duì)得到的新小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)來(lái)得到去噪的語(yǔ)音信號(hào)。這種語(yǔ)音增強(qiáng)方法可以很好地去除帶噪語(yǔ)音中的加性噪聲。原理圖如下：含噪信號(hào)選取不同的閾值函數(shù)，目的是對(duì)小波系數(shù)做不同的處理。閾值函數(shù)的一般思想是：去除小波系數(shù)中的小的系數(shù)，按照一定的規(guī)則保留或者收縮大的系數(shù)。閾值函數(shù)主要分為：硬閾值函數(shù)、軟閾值函數(shù)和半軟閾值函數(shù)。小波閾值去噪原理圖 小波閾值去噪的基本步驟是： (1) 對(duì)帶噪語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行小波分解。首先選擇合適的小波基和最佳分解層數(shù)，然后進(jìn)行