一種基于自適應濾波的語音增強方法

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1、維普資訊http://www.cqvip.com證{一＼第九卷第一期信號處理vo1．9。No．11993年3月SIGNALPROCSrNGMaL1993一種基于自適應濾波的語音增強方法沈亞強程仲文弋氣t0(浙江師大)l摘要l本文研究了信號被加性嗓聲污染后的增強問題．所研究的帶噪語音信號是唯一能獲得的源信號，噪聲源是不可接近的．研究噪聲對象是：寬帶白色噪聲和平穩(wěn)的有色噪聲．本文將報告一種時域自適應濾波語音增強處理方法．重點研究了低信噪比下≤5一lodB]帶噪語音信號的信噪比改善問題．文中給出了增強處理的

2、實驗散據(jù)，結(jié)果表明：文中的方法不但能抑制寬帶白噪聲．而且也適用于平穩(wěn)的有色噪聲．Z、一、引言．'，—c加性的白色或有色噪聲，對語音編碼和識別會產(chǎn)生扳壞的影響．甚至會破壞其正常的工作狀態(tài)。因此，增強被加性噪聲污染的語音信號，這一問題自七十年代中期后已引起極大的注意．文獻Il】中，奧本海姆等人綜述了七十年代中提出的各種各樣的噪聲語音信號增強方法．典型的方法有：頻譜相減法；自適應噪聲對消法；及基于語音信號模型的語音增強法．近些年來，語音增強的研究工作有了一定的進展．適用于在帶噪語音信號采集過程中同時能獲得參

3、考噪聲源的自適應噪聲對消技術(shù)，已日趨成熟．據(jù)專家報告：運用此技術(shù)增強帶噪語音，在實驗室環(huán)境中，信噪比s有40dB左右的改善，在實際應用中也有20dB左右的提高；對于帶噪語音信號是唯一可獲礙的語音增強工作，國內(nèi)外的許多專家、學者也做了不少的研究，提出了多種方法．一種建立在隱含Markov模型理論(HMM)上的語音增強研究l獲得了一定的成功，但該方法對低信噪比(小于0dB)情況下的語音增強，困難很大；基于卡爾曼濾波理論的語音增強方法也有人嘗試過；目前在信號處理領域研究極為活躍的神經(jīng)元網(wǎng)絡理論，在語音增強研

4、究上也礙以應用．盡管有眾多的方法能用于語音增強，但是它們都有各自的局限性，尤其是對強有色噪聲，而且?guī)г胝Z音信號又是唯一可獲得的情況下的語音增強，特別地不盡人意．本文將報告一種根據(jù)時間序列最佳估計的自適應濾波方法，用于低信噪比語音信號的增強．通過計算機上的模擬處理，證明此方法是有效的．處理后的語音信號較原噪聲語音信號，顯著地提高了信噪比。試聽結(jié)果表明，該法能改善可懂度及減輕聽覺疲勞．二、濾波算法的推導假設被附加噪聲樗染的語音信號的時問序列(n)為維普資訊http://www.cqvip.com0信號處理

5、第九卷=+(1)式中，是語音信號的樣值．n是噪聲樣值，下角標k表示抽樣時刻．式(1)中，只有n是可接近的，也就是說可測量的，是不可接近的噪聲．附加噪聲()與信號{)是不相關的，郎Eesl·nl0k．t·J表示數(shù)學期望．對式(1)中的信號進行線性估計：=∑q·y一。：y(2)其中A；a一．4J=yl_j．?一定義式(2)的代價函數(shù)為：(3)j=E=E器k—iJI]=E融一nk一§∥】將式(2)代人上式有：E5E鼢I一^k-AY)

6、】=E盼一ATYE融tl-2E毯yt—ATYk)nl1(4)‘E地一JnJ

7、；+一∑卜。)nd=E+n一∑q一。+n一jj^J又’^與是不相關，即E&·^J=0k,1’．一+-一三I．O4。一。+一nJ=E：一?∑4『一·^J一(5)將式(5)代人式(4)中得：蘭EE毯yl—At2Ee∑4—t·n。-Ee(6)定義：R戶E歷·^J(7)R．=《oJR口J?R(8)式(7)和(8)代人式(6)中有：=&一A’rJ0+2R一RcDj(9)根據(jù)晟小均方差估計理論有：2地一鞏(10)求解式(10]就可得式(2)中的最佳濾渡系數(shù)r．維普資訊http://www.cqvip.com三塑三

8、苧塞重依據(jù)LMS算法，式(2)自適應濾波的系數(shù)A估值遞推過程為：互+=五一V兒(11)式中帚兒表示代價函數(shù)的梯度J在時刻k時的估計：。艙：-T-I(12)-T式(11)中系數(shù)是一個控制自適應濾波收斂速度與穩(wěn)定度的增益常數(shù)．為了保證式(11)的收斂，對于橫向濾波器必須滿足：<面‘13)利用式(12)和式(9)，就能得到式(2)中自適應濾波系數(shù)A的遞推算法：五+=五+2ft一rAr~-R．d(14)因此，從式(14)中可以看出，只要有噪聲的統(tǒng)計知識R．．就能得到濾波系數(shù)A的最佳估值j．也就是說我們能從帶噪

9、語音信號中，得到語音信號的最佳估計．三、自適應濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)在上節(jié)中得到了自適應濾波的算法公式：盂：∑鳥=(2)t-口和五+，=五+2—癬一RJ(14)在上兩式中，只有Y(或Y是可以獲得的，實際中噪聲是先驗未知的．所以為了能應用濾波算法，還得設法求得噪聲的統(tǒng)計知識R-。因此，一個自適應濾波的語音增強系統(tǒng)(如圖l所示)中，設有一個語音間隙檢測部分，利用語音間隙期進行噪聲統(tǒng)計，求得R．參數(shù)。一個噪聲語音信號，對于有語音信號段和無語音信號段。，在某些特