噪聲消除的DSP算法研究

噪聲消除的DSP算法研究

　在語(yǔ)音傳輸?shù)倪^(guò)程中，語(yǔ)音增強(qiáng)方案經(jīng)常被采用。它使用FEC編碼技術(shù)(由卷積編碼和維特比譯碼算法組成)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有著大批量的數(shù)據(jù)運(yùn)算(包括卷積和譯碼等算法)和檢測(cè)，而且都是采用先進(jìn)的DSP處理器來(lái)完成的，其中就包括語(yǔ)音編碼和降噪。

　　1 干擾相減降噪技術(shù)研究

　　為了降低信號(hào)在傳輸過(guò)程中的噪聲，改善語(yǔ)音傳輸質(zhì)量，大多會(huì)采用三種通用的語(yǔ)音增強(qiáng)方法。首先是干擾相減法，即通過(guò)減掉噪聲頻譜來(lái)抑制噪聲；其次是諧波頻率抑制法，即利用語(yǔ)音增強(qiáng)的方法來(lái)完成減噪，基于噪聲的周期性原理，利用諧波噪聲的自適應(yīng)梳狀濾波實(shí)施基頻跟蹤來(lái)完成降噪；第三是利用聲碼器再合成法，它利用迭代法，在語(yǔ)音建模的基礎(chǔ)上，估計(jì)模型參數(shù)，用描述語(yǔ)音信號(hào)的方法再重新合成無(wú)噪聲信號(hào)。

　　每種方法都有自己的特點(diǎn)，這里介紹噪聲相減法降噪。單通道語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)(圖1)必須在無(wú)語(yǔ)音期間，也就是在只有背景噪聲存在時(shí)估計(jì)噪聲的特性。通過(guò)語(yǔ)音啟動(dòng)檢測(cè)器(VAD)采集有效的語(yǔ)音源和噪音源，然后利用噪聲相減算法實(shí)現(xiàn)降噪?；诼曇粽Z(yǔ)音的周期性，時(shí)域自適應(yīng)噪聲抵消法可以通過(guò)產(chǎn)生參考信號(hào)而加以利用。其中，參考信號(hào)是延遲主信號(hào)一個(gè)周期形成的，需要有復(fù)雜的間距估計(jì)算法。在語(yǔ)音幀內(nèi)利用FFT，用估計(jì)的噪聲幅值頻譜相減，并逆變換這個(gè)相減后的頻譜幅值，再利用原始噪音的相位，求出有噪音短時(shí)幅值和相位頻譜。增強(qiáng)步驟一幀接一幀地完成。此方法先把污染的語(yǔ)音利用帶通濾波器組分解成不同的頻率組，隨后每個(gè)分波段的噪聲功率在無(wú)語(yǔ)音期間被估計(jì)出來(lái)。通過(guò)利用衰減因子可以獲得噪聲抑制，其中衰減因子相對(duì)應(yīng)于每個(gè)分波段估計(jì)噪聲功率比上的瞬時(shí)信號(hào)功率。

　　2 譜相減降噪技術(shù)研究

　　目前，多數(shù)的通信減噪都是使用DSP來(lái)完成的，主要是使用FFT降低噪聲。其中，頻譜相減提供了有效的計(jì)算方法，通過(guò)從有噪聲語(yǔ)音譜中減去噪聲頻譜，即增強(qiáng)了語(yǔ)音，又降低了噪聲。有噪聲語(yǔ)音被分段，并且被設(shè)置窗口，每個(gè)數(shù)據(jù)窗口的FFT均被執(zhí)行，并且幅值頻譜被計(jì)算出來(lái)。VAD用來(lái)檢測(cè)輸入的語(yǔ)音信號(hào)。在非語(yǔ)音段，噪聲頻譜將會(huì)被估計(jì)出來(lái)，并存入緩存區(qū)，再通過(guò)算法使得緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)衰減，從而使噪聲減小。在非語(yǔ)音期間，有兩種方法產(chǎn)生輸出：用固定因子衰減輸出或設(shè)置輸出為0。在非語(yǔ)音幀期間具有某種殘余噪聲(舒適噪聲)，可輸出比較高的語(yǔ)音質(zhì)量，原因是在語(yǔ)音幀期間，噪聲局部地被語(yǔ)音屏蔽，它的幅值將會(huì)在非語(yǔ)音段上被存在的相同量值的噪聲所平衡。在語(yǔ)音段上設(shè)置輸出為0，具有放大噪聲的效果，因此在非語(yǔ)音期間，最好通過(guò)固定因子衰減噪聲。幅值與語(yǔ)音段上可覺(jué)察的噪聲特性，以及噪聲段上可覺(jué)察的噪聲之間必須保持平衡，所以不希望的音響效果，如嗡嗡聲、咔嗒聲、抖動(dòng)聲、語(yǔ)音信號(hào)的模糊不清等，均可以避免。

　　在描述算法之前，先設(shè)置一些參數(shù)，并做數(shù)據(jù)分析。首先假設(shè)背景噪聲是平穩(wěn)的，并且在語(yǔ)音段內(nèi)，使其希望幅值頻譜出現(xiàn)在不變的語(yǔ)音段之前。如果環(huán)境是變化的，則在語(yǔ)音幀開(kāi)始之前，有足夠的時(shí)間去估計(jì)背景噪聲的新幅值頻譜。對(duì)于緩慢變化的噪聲算法，需要根據(jù)VAD參數(shù)確定語(yǔ)音是否已經(jīng)終止，同時(shí)估計(jì)新的噪聲影響，然后利用頻譜相減法，就可以使得噪聲明顯下降。

　　假設(shè)信號(hào)s(n)受到干擾信號(hào)v(n)的影響而遭到損失，則被污染的有噪聲信號(hào)可以表示為：

　　取x(n)的DFT得到：

　　假設(shè)V(n)為零均值，且與S(n)不相關(guān)，則S(K)的估計(jì)可以表示為：

s(k)=|x(k)|-E|V(k)|

　　式中：E|V(K)|是發(fā)生在非語(yǔ)音周期上的期望噪聲頻譜。

　　給定估計(jì)|s(k)|，則譜估計(jì)可以表示為：

|s(k)|=|s(k)| ejθx(k)

　　式中：

　　式中：θx(k)是被測(cè)量的有噪聲信號(hào)的相位，利用噪聲語(yǔ)音相位，可以滿足實(shí)際目的需要。因此利用短期語(yǔ)音幅值頻譜的估計(jì)|s(k)|和受到損害的語(yǔ)音相位θx(k)重構(gòu)處理后的信號(hào)，估計(jì)器可以表示為：

　　方程給出的頻譜相減算法避開(kāi)了對(duì)相位的計(jì)算，在浮點(diǎn)DSP硬件中實(shí)現(xiàn)。為了降低噪聲得到良好的聽(tīng)覺(jué)效果，除了以上算法外還有譜幅值平均法、半波整流法和殘余噪聲減小法，其目的都是為了得到更好的效果。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　無(wú)論在通信系統(tǒng)還是其他領(lǐng)域，噪聲的消除都是科技飛速發(fā)展過(guò)程中面臨的難題，因此降噪算法顯得尤為重要。目前，利用DSP降噪技術(shù)也越來(lái)越成熟。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，一定能還社會(huì)一個(gè)安靜和諧的生活環(huán)境。