對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明實施例提供了一種對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法和裝置，該方法主要包括計算出語音信號的加性模型的功率譜，根據所述語音信號的加性模型的功率譜和帶噪信號、噪聲信號的功率估計值得到所述語音信號的功率估計值；對所述語音信號的功率估計值進行逆傅立葉變換，得到增強后的語音信號；利用小波變換矩陣對所述增強后的語音信號作小波變換處理；對小波變換矩陣作門限閾值處理，對門限閾值處理過的小波變換矩陣作逆變換，得到消除了噪聲的語音信號。本發明有效地解決了電話會議中的語音信號的背景噪聲問題，并且不會帶來其他的“音樂噪聲”等噪聲。
【專利說明】對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法和裝
【技術領域】
[0001] 本發明涉及語音信號處理【技術領域】，尤其涉及一種對語音信號進行自適應譜減和 小波包消噪處理的方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 在我國武警、公安、鐵路、電力、石油石化等行業的大型企業中，經常召開生產調度 會議，需要支持大容量全交互式的電話會議系統。在這些電話會議系統中，存在大量的異種 語音資源終端，這些異種語音資源終端之間需要通過轉換設備進行相互語音通信，如公眾 通信網、數字集群系統、衛星網和有線網中的模擬終端（電話）之間通過程控交換機實現互 通；VoIP語音電話終端之間通過軟交換實現互通；超短波網和短波網終端分別通過IP無線 網關和綜合接入設備實現向IP體制的轉換，然后再通過軟交換機和IP電話等終端實現互 通，或通過中繼接口和程控交換機連接，實現和其他模擬終端的互通。
[0003] 上述異種語音資源終端和轉換設備在實際應用中的噪聲干擾通常是隨機的，其背 景噪聲來源和種類各不相同，需要對帶噪信號進行噪聲消除處理，以消除背景噪聲，改善語 音質量，提高語音的清晰度、可懂度和舒適度，提高語音處理系統的性能。
[0004] 現有技術中的電話會議系統的噪聲消除方法的缺點為：對不同背景噪聲來源和種 類采用單一降噪方法，只改善部分或對某類噪聲有效，如減譜法降噪，本身還會帶入"音樂 噪聲"。
【發明內容】
[0005] 本發明的實施例提供了一種對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方 法和裝置，以有效地消除了電話會議中的語音信號的噪聲。
[0006] 本發明提供了如下方案：
[0007] (和權利要求書相互對應）
[0008] 由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例通過建立語音信 號的加性模型，根據語音信號的加性模型的功率譜和帶噪信號、噪聲信號的功率估計值得 到所述語音信號的功率估計值和增強后的語音信號，再根據實時估算的噪聲功率和小波變 換矩陣得到去噪后的語音信號，有效地解決了電話會議中的語音信號的背景噪聲問題，并 且不會帶來其他的"音樂噪聲"等噪聲。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 的附圖。
[0010] 圖1為本發明實施例一提供的一種語音資源處理和交換服務平臺的結構示意圖；
[0011] 圖2為本發明實施例一提供的一種語音增強處理板采用自適應譜減法對帶噪信 號進行消噪處理的原理示意圖；
[0012] 圖3為本發明實施例一種語音增強處理板對語音信號進行自適應譜減和小波包 消噪處理的方法的處理流程圖；
[0013] 圖4為本發明實施例一提供的一種對帶噪信號進行五層小波分解的原理示意圖；
[0014] 圖5為本發明實施例提供的一種對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理 的裝置的具體結構示意圖，圖中，語音信號的功率估計值獲取模塊51，增強語音信號獲取模 塊52,小波變換處理處理模塊53,消噪語音信號獲取模塊54。
【具體實施方式】
[0015] 為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步 的解釋說明，且各個實施例并不構成對本發明實施例的限定。
[0016] 實施例一
[0017] 本發明實施例提供的一種語音資源處理和交換服務平臺的結構示意圖如圖1所 示，該平臺主要完成語音增強、音頻媒體流的轉碼、多路混音、錄音、放音、回音消除等功能。 該平臺具備碼流轉發功能，能夠把前端音頻流轉發到調度臺、存儲設備；具備強大的流媒體 處理能力，單臺支持1440路語音無阻塞調度并發、轉發處理，單場會議支持480方混音。
[0018] 上述語音資源處理和交換服務平臺中的I/O板：主要實現交換機與硬件平臺的外 部連接，同時將外部中繼線信息用前后板針腳的形式，實現與數字中繼板的中繼互連。
[0019] 數字中繼板：主要在CPU板的控制下將中繼信息轉換成H. 110總線背板總線形式， 為各資源板進行功能服務提供信息來源。
[0020] 語音導航板：對背板總線上需要提供語音收發、雙音頻收號、 FSK(Frequency-shift Keying:頻移鍵控）發號等各類語音增值服務的話路信息進行處 理。
[0021] 會議橋板：通過對背板總線數據進行處理，提供多方電話會議的建立。
[0022] CPU 板：通過 PCI (Peripheral Component Interconnect :外設部件互連標準）總 線控制各語音資源板之間的協調工作能力。
[0023] 語音增強處理板：主要采用自適應譜減法完成帶噪信號的降噪處理和語音增強處 理，改善語音質量，提高語音的清晰度、可懂度和舒適度，提高電話會議系統的語音性能。
[0024] 該實施例提供的一種語音增強處理板采用自適應譜減法對帶噪信號進行消噪處 理的原理示意圖如圖2所示，基于上述圖2所示的自適應譜減法消噪處理的原理，該實施例 提供的一種上述語音增強處理板對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法的 處理流程如圖3所示，包括如下的處理步驟：
[0025] 步驟S310、根據低通過濾處理后的帶噪信號、噪聲信號和語音信號建立語音信號 的加性模型。
[0026] 高通濾波器是一個使高頻率比較容易通過而阻止低頻率通過的系統。它去掉了信 號中不必要的低頻成分或者說去掉了低頻干擾。
[0027] 本發明實施例中的高通濾波器的基準頻率可以設置為50Hz，該高通濾波器不允許 比50Hz低的語音信號通過，而允許比50Hz高的語音信號通過，該高通濾波器對帶噪信號進 行低通過濾處理，抑制帶噪信號的50Hz電源工頻干擾。
[0028] 由于語音信號是短時平穩的，所以在短時譜幅度估計中認為語音信號是平穩隨機 信號，假設s(m)、n(m)和y(m)分別代表語音信號、噪聲信號和低通過濾處理后的帶噪信號。
[0029] 假設噪聲n(m)是與語音s(m)不相關的加性噪聲，于是，建立語音信號的加性模 型：
[0030] y (m) = s (m) +n (m) 公式 1
[0031] 步驟S320、計算出所述語音信號的加性模型的功率譜，根據所述語音信號的加性 模型的功率譜和帶噪信號、噪聲信號的功率估計值得到所述語音信號的功率估計值。
[0032] 對信號y(m)、s(m)、n(m)分別進行加窗處理后，得到信號yw(m)，s w(m)，nw(m)， Ss(co)、Sn(c〇)和\(?)分別表示語音信號、噪聲信號和低通過濾處理后的帶噪信號的短 時譜，上述加窗處理表示取傅立葉變換的幀長數。
[0033] 則有：
[0034] yw(m) = sw(m)+nw(m) 公式 2
[0035] 對公式2的兩端分別做傅立葉變換，得到
[0036] Yw(co) = Sw(c〇)+Nw(c〇) 公式 3
[0037] 公式3中的ω表示頻率
[0038] 對公式3的兩端分別作功率譜，該功率譜表示研究信號在頻域中的各種特征。
[0039] 得到：
[0040] |Υ￥(ω) |2 = |SW(?) |2+|Ν￥(ω) 12+Sw ( ω ) N*w ( ω )+S*W ( ω ) Nw ( ω ) 公式 4
[0041] 其中，Ν\(ω)表示噪聲信號的功率譜，S\(c〇)表示語音信號的功率譜。
[0042] |YW(?) |2表示帶噪信號的功率估計值，可以根據帶噪信號y(m)采用隨機分析方 法求均值估計出|Y W(?)|2。
[0043] 其余各項必須近似為統計均值，由于s(m)和n(m)獨立，則互相的統計均值為0,所 以語音信號的功率估計值| 卩的計算公式為：
[0044]
【權利要求】
1. 一種對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法，其特征在于，包括： 計算出語音信號的加性模型的功率譜，根據所述語音信號的加性模型的功率譜和帶噪 信號、噪聲信號的功率估計值得到所述語音信號的功率估計值； 對所述語音信號的功率估計值進行逆傅立葉變換，得到增強后的語音信號； 利用小波變換矩陣對所述增強后的語音信號作小波變換處理； 對小波變換矩陣作門限閾值處理，對門限閾值處理過的小波變換矩陣作逆變換，得到 消除了噪聲的語音信號。
2. 根據權利要求1所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法，其特 征在于，所述的計算出所述語音信號的加性模型的功率譜，根據所述語音信號的加性模型 的功率譜和帶噪信號、噪聲信號的功率估計值得到所述語音信號的功率估計值，包括： 通過高通濾波器對帶噪信號進行低通過濾處理； 設s(m)、n(m)和y(m)分別代表語音信號、噪聲信號和低通過濾處理后的帶噪信號，噪 聲n(m)是與語音s(m)不相關的加性噪聲，建立語音信號的加性模型為： y(m)=s(m)+n(m) 公式 1。 對所述信號y(m)、s(m)、n(m)分別進行加窗處理后得到信號yw (m)，Sw (m)，nw (m)，所述Ss(?)、Sn(?)和Sy(?)分別表示語音信號、噪聲信號和低通過濾處理后的帶噪信號的短 時譜； yw(m) =sw(m)+nw(m) 公式 2 對所述公式2的兩端分別做傅立葉變換，得到： Yw(Co)=Sw(c〇)+Nw(c〇) 公式3 所述公式3中的w表示頻率 對所述公式3的兩端分別作功率譜，得到： Yw(?)I2= |Sw(c〇) |2+|Nw(c〇) |2+Sw(?)N*w(c〇)+S*w(?)Nw(c〇) 公式 4 其中，N\(?)表示噪聲信號的功率譜，S#w(?)表示語音信號的功率譜； 根據帶噪信號y(m)采用隨機分析方法求均值估計出帶噪信號的功率估計值 |yw(?) |2,采用語音激活檢測法估計出噪聲信號的功率估計值|nw(?) |2,得到語音信號的 功率估計值II2的計算公式為： II2H〇)I2 _可I〇)I2] 公式 5 其中E[|NW(?)I2= |nw(?) |2+sw(?)n*w(?)+s*w(?)nw(c〇) = |nw(?) |2。
3. 根據權利要求2所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法，其特 征在于，所述的采用語音激活檢測法估計出噪聲信號的功率估計值|NW(?) |2,包括： 采用語音激活檢測法檢測到帶噪信號的寂靜段后，再利用下列公式6對噪聲信號的功 率估計值|NW(?)I2進行更新： INw(Q))I2= ?INwl(CO)I2+(1-a)ISu^ 1(CO)I2 公式 6 其中0 <a< 1，Uw)I是前一巾貞的噪聲信號的功率估計值，Il1(^y)I是前一巾貞的 語音信號的功率估計值。
4. 根據權利要求2或3所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法， 其特征在于，所述的對所述語音信號的功率估計值進行逆傅立葉變換，得到增強后的語音 信號，包括： 設增強后的語音信號為S(W) s(m) =IFFT^Sw(co)\eMm)^ 公式 7 所述公式7中的Mw)表示語音信號的相位，所述IFFT表示逆傅立葉變換。
5. 根據權利要求4所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法，其特 征在于，所述的利用小波變換矩陣對所述增強后的語音信號作小波變換處理，包括： 將所述增強后的語音信號作為帶噪信號，對該帶噪信號進行小波分解，設s、n和 y分別為語音信號、噪聲信號和小波分解后的帶噪信號，得到增強后的語音信號的加性模 型： y=s+n 公式8 對所述公式8的兩端進行小波變換，得到： Y =S+N 公式9 其中：F =W'，S=W?s，N=W?n，W是設定的小波變換矩陣，
其中
V (t)表示小波函數，R表示實數域，t表示時間，X(t)表示需要變換的信號。
6. 根據權利要求5所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的方法，其特 征在于，所述的對小波變換矩陣作門限閾值處理，對門限閾值處理過的小波變換矩陣作逆 變換，得到消除了噪聲的語音信號，包括： 選取閾值形式：
上述公式中的〇表示子帶的噪聲標準差估計，n表示子帶序列長度； 對門限閾值處理過的小波變換矩陣作逆變換W'得到消除了噪聲信號的語音信號左：
〇
7. -種對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的裝置，其特征在于，包括： 語音信號的功率估計值獲取模塊，用于計算出語音信號的加性模型的功率譜，根據所 述語音信號的加性模型的功率譜和帶噪信號、噪聲信號的功率估計值得到所述語音信號的 功率估計值； 增強語音信號獲取模塊，用于對所述語音信號的功率估計值進行逆傅立葉變換，得到 增強后的語音信號； 小波變換處理處理模塊，用于利用小波變換矩陣對所述增強后的語音信號作小波變換 處理； 消噪語音信號獲取模塊，用于對小波變換矩陣作門限閾值處理，對門限閾值處理過的 小波變換矩陣作逆變換，得到消除了噪聲的語音信號。
8. 根據權利要求7所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的裝置，其特 征在于： 所述的語音信號的功率估計值獲取模塊，具體用于通過高通濾波器對帶噪信號進行低 通過濾處理； 設s(m)、n(m)和y(m)分別代表語音信號、噪聲信號和低通過濾處理后的帶噪信號，噪 聲n(m)是與語音s(m)不相關的加性噪聲，建立語音信號的加性模型為： y(m)=s(m)+n(m) 公式 1 ; 對所述信號y(m)、s(m)、n(m)分別進行加窗處理后得到信號yw (m)，Sw (m)，nw (m)，所述Ss(?)、Sn(?)和Sy(?)分別表示語音信號、噪聲信號和低通過濾處理后的帶噪信號的短 時譜； yw(m) =sw(m)+nw(m) 公式 2 對所述公式2的兩端分別做傅立葉變換，得到： Yw(Co)=Sw(c〇)+Nw(c〇) 公式3 所述公式3中的w表示頻率 對所述公式3的兩端分別作功率譜，得到： Yw(?)I2 = |Sw(c〇) |2+|Nw(c〇) |2+Sw(?)N*w(c〇)+S*w(?)Nw(c〇) 公式 4 其中，N\(?)表示噪聲信號的功率譜，S#w(?)表示語音信號的功率譜； 根據帶噪信號y(m)采用隨機分析方法求均值估計出帶噪信號的功率估計值 |yw(?) |2,采用語音激活檢測法估計出噪聲信號的功率估計值|nw(?) |2,得到語音信號的 功率估計值II2的計算公式為：
其中e[|nw(c〇)2| = |nw(?) |2+sw(?)n*w(?)+s*w(?)nw(c〇) = |nw(?) |2。由于s(m) 和n(m)獨立，則互相的統計均值為0 ; 所述的消噪語音信號獲取模塊，具體用于設增強后的語音信號為
所述公式7中的如(w)表示語音信號的相位，所述IFFT表示逆傅立葉變換。
9. 根據權利要求8所述的對語音信號進行自適應譜減和小波包消噪處理的裝置，其特 征在于： 所述的小波變換處理處理模塊，具體用于將所述增強后的語音信號作為帶噪信 號，對該帶噪信號進行小波分解，設s、n和y分別為語音信號、噪聲信號和小波分解后的帶 噪信號，得到增強后的語音信號的加性模型： y=s+n 公式8 對所述公式8的兩端進行小波變換，得到： Y=S+N 公式9 其中：K=m，s=w?s，N=W?n，W是設定的小波變換矩陣，
其中
V (t)表示小波函數，R表示實數域，t表示時間，X(t)表示需要變換的信號； 所述的消噪語音信號獲取模塊，具體用于選取閾值形式：
上述公式中的〇表示子帶的噪聲標準差估計，n表示子帶序列長度； 對門限閾值處理過的小波變換矩陣作逆變換F1，得到消除了噪聲信號的語音信號
〇
【文檔編號】G10L21/0208GK104269178SQ201410390560
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月8日 優先權日:2014年8月8日
【發明者】張金明, 劉宇, 陳少卿 申請人:華迪計算機集團有限公司