第八章语音增强电子信息

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,一、语音增强的定义,语音增强是指当语音信号被各种各样的噪声干扰、甚至淹没后，从噪声背景中提取有用的语音信号，抑制、降低噪声干扰的技术。一句话，从含噪语音中提取尽可能纯净的原始语音。,第八章,语音增强,8.1,概述,2,二、语音增强的意义,1.,日常生活中，经常会遇到在噪声干扰下进行语音通信的问题。例如在汽车、火车上使用移动电话，旁人的喧闹声，马路旁和市场里的公用电话等。,2.,军事通信中，指挥员的作战命令和战斗员的战情汇报都需要用语音来表达，由于战斗环境中的声环境恶劣，特别是炸弹产生的冲击性噪声，使有用信号完全淹没在噪声中。,8.1,概述,3,（,3,）窃听技术中需要语音增强,（,4,）语音识别技术需要语音增强,在实际生活中，语音信号无时无地不受各种噪声干扰。人们正常的生活环境就是一个声级为,60dB,左右的噪声环境。被强噪声污染的场合，噪声达,120dB,以上。,4,一、噪声的分类和度量,1.,噪声的定义：噪声是扣除被测信号真实值后的各种测量值，可能来自外界环境、物理系统、操作人员等。广义将噪声称为干扰。,8.2,噪声度量、特性和评价,5,按产生原因和按噪声性质分类。,（,1,）产生原因：产生于物理系统外部，并以声、光、电、机械等方式作用于物理系统，称为外部噪声；物理系统内部产生的噪声称为内部噪声，例如量子噪声等。,2.,噪声的分类,6,（,2,）按性质分为：脉冲噪声（爆炸、撞击和放电）和连续噪声；周期性周期（如交流电的干扰）和非周期性噪声；按统计特性分为：平稳噪声（如白噪声）和非平稳噪声（如色噪声）；按噪声和信号相关的性质分为加性噪声和乘性噪声。,我们研究的噪声是声音的一种，它具有声波的一切特性，称之为声噪声。,7,3.,噪声的度量,声压、声强和声功率,（,1,）声压级,(SPL),：,L,p,=20lg(P/P,0,)P,0,20uPa,声压就是有声波存在时，在单位面积上大气压的变化部分,，,最弱的声音声压为,0.00002 Pa,，最强的声音的声压为,20 Pa,。,（,2,）声强级：,L,I,=20lg(I/I,0,)I,0,=10,12,W/m,2,声强是指单位面积上通过多少瓦的声能，单位是,W/m,2,（瓦,/,平方米）。,（,3,）声功率级：,L,w,=20lg(W/W,0,)W,0,=10,12,W,声功率是指声源在单位时间内向外辐射出的总声能,8,噪声源和噪声环境,声压,/Pa,声压级,/dB,飞机附近,200,140,织布车间,20,100,地铁,0.63,90,繁华街道,0.063,70,普通谈话,0.02,60,安静房间,0.002,40,耳语,0.00063,30,树叶沙沙声,0.0002,20,农村静夜,0.000063,10,听阈,0.00002,0,9,声压和声压级表征声音在物理上的强弱，它是对噪声的客观评价，不能表征人对声音的主观感觉。响应级和响度是人耳对噪声的主观评价的基本量之一。响度的单位为宋（,Sone,）响度级的单位为方（,phon,），在数值上等于,1kHz,纯音的声强级。,噪声度量的另一个参数就是信噪比。,其中,Ps,和,Pn,分别代表信号和噪声的有效功率,目前,MP3,播放器的信噪比有,60dB,、,65dB,、,85dB,、,90dB,、,95dB,等等,而在汽车中,SNR,只有几,dB,10,二、噪声的特性,从统计特性的角度讲：平稳噪声和非平稳噪声。白噪声是平稳噪声中的一种，其频谱和功率谱为常数，其概率密度分布满足正态分布。,我们关注的噪声有：,1.,冲激噪声：放电、打火、爆炸等引起的噪声。它的消除方法可以在时域进行，通过阈值判别的方法滤除。,2.,周期性噪声：常见的由电动机、风扇之类周期运转的机械发出，,50Hz,交流电源哼哼声等。在频谱上表现为离散的窄带谱，可以通过陷波器方法滤除。,11,二、噪声的特性,3.,宽带噪声：说话时呼吸引起的噪声、随机噪声源产生的噪声等。特点是噪声频谱遍布于语音信号频谱之中消除较为困难，一般需采用非线性处理方法。,4.,语音干扰：干扰语音信号和待传语音信号同时在一个信道中传输造成的。一般两种语音的基因不同，也不成整数倍，则可以利用梳状滤波器提取基音及各次谐波，再回复有用语音信号。,5.,传输噪声：传输系统的电路噪声，她在时域里是语音和噪声的卷积，处理时采用同态处理的方法，把非加性噪声变换为加性噪声处理。,12,一、频域语音增强技术,频域语音增强技术是语音信号增强的一种重要技术，由于其原理简单所以被广泛使用，如手机中的降噪处理就是采用的此方法，美国,NCT,的,Clear Speech,产品中，就是应用的这技术。减谱法是频域语音增强技术的常用方法。,减谱法：,减谱法是处理宽带噪声较为传统和有效的方法，基本思想是假定加性噪声与短时平稳的语音信号相互独立的条件下，从带噪语音的功率谱中减去噪声功率谱，从而得到较为纯净的语音频谱。,8.3,语音增强的原理和方法,13,1.,减谱法,（,Spectral Subtraction,）的基本原理描述,DFT,平方,DFT,插入,相位,IDFT,含噪语音,x(n)=s(n)+d(n),|X(e,jw,)|,d,(n),|D,(e,jw,)|,纯噪,声,|S,(e,jw,)|,e,jarg(X(jw),s,(n),原始语音谱幅度的估值,14,将含噪语音信号和有声,/,无声判别得到的纯噪声信号进行,DFT,变化，从含噪语音谱幅度的平方中减去纯噪声的谱幅度的平方，然后开方，得原始语音谱幅度的估值，再借用含噪语音的相位，进行,IDFT,变化，得到增强的语音。,8.3,语音增强的原理和方法,1.,减谱法,（,Spectral Subtraction,）的基本原理描述,15,2.,减谱法的数学推导,首先假设语音和噪声信号是线性叠加的，且噪声是平稳的，噪声与语音信号不相关。,上式的傅里叶变换为：,简写为,：,假设语音信号与加性噪声是相互独立的，则有：,8.3,语音增强的原理和方法,16,8.3,语音增强的原理和方法,2.,减谱法的数学推导,其功率谱：,由于平稳噪声的功率谱在发声前和发声期间可以认为基本没有变化，则可以通过发声前的所谓,“,静寂段,”,来,估计噪声的功率谱,在具体运算中，为防止出现负功率谱的情况，,完整的减谱法为：,17,3.,减谱法的特点,(1),原理简单，只需要一个话筒，故又称为单话筒语音降噪。,话音,噪声,减谱法处理,输出,话筒,18,(2),需要无声和有声判决，在信噪比大的情况下，使用短时平均能量等参数可达到效果。,(3),由于该方法存在的前提条件要求噪声平稳，因此当噪声特性变化时，消噪效果可能会变差，,这时需要重新拾取噪声特性。,3.,减谱法的特点,19,(4),由于噪声的随机分布的范围广，因此相减时，若该帧某频率点上的噪声谱幅度分量大时，就会有很大一部分残留，在频谱上呈现随机起伏的尖峰。在听觉上形成有节奏的类似音乐的残留噪声，又称为背景音乐噪声。背景音乐噪声损伤了语音的质量，降低了可懂度和清晰度，是该类方法最大的缺点。所以实际电路中一般采用其改进形式进行语音增强处理。,3.,减谱法的特点,20,蓝色为原始含噪语音,黄色为减谱法处理的结果,21,4.,减谱法,的改进形式,DFT,平方,DFT,插入,相位,IDFT,含噪语音,x(n)=s(n)+d(n),|X(e,jw,)|,d,(n),|D,(e,jw,)|,纯噪,声,|S,(e,jw,)|,e,jarg(X(jw),s,(n),原始语音谱幅度的估值,在辅音帧中取,3,，在元音帧中取,4-5,，信噪比可改善,6dB,左右,22,二、时域语音增强技术,时域语音增强技术,语音增强中另一常用技术，其特点是对语音的损伤小。在消噪过程中，一般需要二个以上话筒，采用自适应滤波算法。故常常将时域语音增强技术称为自适应语音降噪技术（,Adaptive noise canceling ANC,）。,噪声的统计特性跟现场密切相关，即使同一场合的噪声统计特性也可能会随时间发生某种变化，这都要求消噪设备必须具有噪声跟踪的自适应能力。将自适应信号处理技术应用于语音通信的噪声对消,.,23,主话筒和参考话筒获得的信号是语音和噪声在话筒处迭加后的混合信号。,话音,噪声,+,自适应滤波器,主话筒,+,输出,参考话筒,-,二、时域语音增强技术,24,主信号,s+n0,，为有用信号,s,（来自信号源）和一个与它不相关的噪声信号的混合而成。,n1,为另外拾取的噪声参考信号，与,n0,相关。,主输入信号,x=s+n0,+,输出,s,参考输入,n,1,自适应,滤波器,+,n,-,1.,自适应消噪的基本原理描述,25,将参考信号,n1,通过自适应滤波器后，得到信号,n,(n),，此信号与,n0(n),基本一致。,x(n)-n,(n)=s(n)+n0(n)-n,(n)=s(n)+e(n)=s,(n),s,(n),中仍然包含部分噪声,(e(n),，要使这部分噪声小，达到完全消除噪声的目的,(e(n)=0),，则,n,(n),尽可能与,n0(n),一致。,常常引入,s,(n),调节滤波器的参数，形成自适应地修改滤波器的参数，使,e(n),的均方误差最小。,1.,自适应消噪的基本原理描述,26,2.,自适应消噪的实现框图,模拟,放大,两路,A/D,输出,抗混叠,滤波,DSP,一路,D/A,输入,在,DSP,中实现核心,LMS,（最小均方）算法,。,采样率为,8kHz,利用,DSP,串行口或定时器中断，每隔,125us,中断一次，读入两路数据，将参考数据按照先入先出的顺序排列，进行滤波，用主通道信号减去滤波后的数据，得到增强后的信号，将此信号输出，修改滤波器权系数。,27,抗交叉串扰自适应滤波消噪输出结果,主输入信号（收音机失谐纯噪声）,28,3.,影响自适应消噪效果的因素,（,1,）参考信号中含有语音成分，则通过滤波后，,n,(n),信号中含有有用信号成分，经过相减后，将主通道信号减去一部分，损伤了有用信息。,话音,噪声,+,自适应,滤波器,主话筒,+,输出,参考话筒,-,29,可以证明，输出信号的信噪比和参考信号的输入信噪比有如下关系：,可见，当参考通道的输入信噪比愈强，噪声抵消系统输出信噪比愈差，所以，为了获得好的噪声抵消系统性能，应使参考通道检测的信号尽可能小。,30,（,2,）主输入信号和参考输入信号中含有非相关的噪声成分,m,0,和,m,1,。自适应滤波只能将两个输入中的噪声相关部分滤掉，则当信号不相关时，则无法消除。,话音,噪声,+,自适应,滤波器,主话筒,+,输出,参考话筒,-,m,0,m,1,31,原始含噪语音,基本自适应抗噪输出结果,32,三、时频语音增强技术,为了达到更好的消噪效果，可将自适应消噪技术和谱相减结合起来。,自,适,应,消,噪,主输入信号,参考信号,谱,相,减,消,噪,增强语音,33,原始含噪语音,自适应抗噪与谱相减相结合后的输出结果,基本自适应抗噪输出结果,34,