語音信號處理講稿第8章

第8章語音增強(qiáng)本章主要討論的問題：1.語音增強(qiáng)基本概念2.語音增強(qiáng)的原理和方法語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!1.語音增強(qiáng)基本概念語音增強(qiáng)的一個主要目標(biāo)：從含有噪聲的語音信號中提取盡可能純凈的原始語音。目前，語音識別系統(tǒng)大多是工作在安靜（無噪聲）的環(huán)境中，噪聲環(huán)境對語音識別系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。因此，語音增強(qiáng)可以作為語音識別的預(yù)處理手段。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法語音增強(qiáng)方法有多種，大致分為三類：①基于語音產(chǎn)生模型如：線性濾波法、梳狀濾波法、自相關(guān)法②基于語音模型和噪聲模型如：維納濾波法、卡爾曼濾波法③基于噪聲特性(短時譜估計(jì))

如：頻譜減法、自適應(yīng)噪聲抵消法語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法①基于語音產(chǎn)生模型1)線性濾波法主要利用了語音的產(chǎn)生模型（語音知識），也用到噪聲的統(tǒng)計(jì)知識（即對于受加性穩(wěn)態(tài)白噪聲干擾的語音來說，語音的頻譜可以根據(jù)語音的產(chǎn)生模型近似地用含噪語音來預(yù)測得到）。但這些知識都是一種近似。因此，在低信噪比，且噪聲不是白噪聲（如有色噪聲）時，效果不理想。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法2)梳狀濾波法它利用了語音的頻譜特性，即諧波性（如元音、濁音）。對諧波性語音信號產(chǎn)生較大干擾的是周期性噪聲，這種周期性噪聲可以用梳狀濾波器予以抑制，采用數(shù)字信號處理方法來實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：必須已知語音的基頻；沒有考慮到諧波被噪聲干擾的情況；對輔音的增強(qiáng)不理想（輔音不一定存在諧波性）。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!梳狀濾波法的原理圖語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法②基于語音模型和噪聲模型1)維納濾波法假定線性濾波器的輸入為有用信號和噪聲之和，兩者均為廣義平穩(wěn)過程且已知它們的二階統(tǒng)計(jì)特性，他根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則（濾波器的輸入信號與需要信號之差的均方值為最?。┣蟮米罴丫€性濾波器的參數(shù)。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法2)卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法建立在噪聲模型和基于語音LPC生成模型基礎(chǔ)上，假定噪聲和語音都是一個由高斯白噪聲驅(qū)動的、具有適當(dāng)階數(shù)p的自回歸AR模型，彌補(bǔ)了維納濾波器的上述兩個缺陷。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法設(shè)語音為s(n)，則有其中，u(n)為激勵源，g為增益因子。當(dāng)s(n)為清音時，u(n)為寬帶噪聲；當(dāng)s(n)為濁音時，u(n)為間隔為基音周期Ｔ的脈沖串。當(dāng)不存在背景噪聲時，由序列s(n)求各聲道參數(shù)ak的過程，即是典型的線性預(yù)測（LPC）分析。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法卡爾曼濾波法的缺點(diǎn)：

a.當(dāng)信噪比較低時，語音與非語音信號的判別存在困難。

b.用有限的自回歸過程代替噪聲和語音的產(chǎn)生過程，存在近似。

c.用非語音段的噪聲參數(shù)替代語音段的噪聲參數(shù)，也存在近似。

d.當(dāng)信噪比較低時，噪聲必然會對語音參數(shù)的估計(jì)產(chǎn)生影響，語音參數(shù)估計(jì)難以保證足夠的精度。

e.整個過程計(jì)算復(fù)雜性較大，難以實(shí)時實(shí)現(xiàn)。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法1)頻譜減法它利用噪聲的統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)性以及加性噪聲與發(fā)音不相關(guān)的特點(diǎn)。其主要思想是：含噪語音在噪聲平均功率以上的部分就是語音功率，其余則是噪聲功率。缺點(diǎn)：忽略了噪聲和語音的隨機(jī)特性，對提高語音信噪比十分有限，而且會引起語音的失真。在低信噪比時，效果不理想。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!譜相減法的原理框圖語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法

b.影響自適應(yīng)噪聲抵消性能的兩個因素：

a)參考輸入中含有信號成分。

b)基本輸入和參考輸入中含有非相關(guān)的噪聲成分。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法其中，y(n)=s(n)+d(n)為通道輸入的含噪語音，s(n)為純凈語音，d(n)為平穩(wěn)加性高斯噪聲；v(n)是含噪信號濾波后的結(jié)果；r(n)是第二個通道采集到的噪聲信號；Wk為濾波器系數(shù)；N為FIR濾波器的抽頭數(shù)。只要噪聲與話音相互獨(dú)立，使誤差e(n)的平均值最小，就能得到最接近于含噪語音中的噪聲復(fù)制品。但若采集到的噪聲與語音相關(guān)，則濾波器系數(shù)只應(yīng)在語音間歇期間進(jìn)行刷新。帶自適應(yīng)濾波器的噪聲抵消器原理圖，如圖所示。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法在線性濾波法中，噪聲頻譜用期望值來近似。在得到語音和噪聲近似的頻譜后，可得到濾波器，即語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法梳狀濾波器可在時域?qū)崿F(xiàn)，表達(dá)式如下：其中，L為基頻周期；M為常數(shù)；x(n)是濾波器輸入信號序列；y(n)為輸出信號序列；Ck為系數(shù)，隨信號周期而變化。輸出信號y(n)是輸入信號x(n)的延時加權(quán)和的平均值。當(dāng)延時與周期一致時，這個平均過程將使周期性分量得到加強(qiáng)，而其他非周期性分量或與信號周期不同的其他周期性分量受到抑制或消除。梳狀濾波器也可以在頻域?qū)崿F(xiàn)。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法3)自相關(guān)法利用語音時域波形特征，即利用語音信號相關(guān)性來濾除噪聲，增強(qiáng)語音信號。在語音信號中，元音和濁音具有明顯的周期性，其相關(guān)函數(shù)也具有周期性，而噪聲一般無規(guī)則，其相關(guān)函數(shù)從R(0)開始很快衰減。因此，含噪語音的相關(guān)函數(shù)基本上就是噪聲中語音的相關(guān)函數(shù)。缺點(diǎn)：自相關(guān)信號校準(zhǔn)較困難，濾波時信息的損傷較大；對輔音的增強(qiáng)不理想，因?yàn)檩o音幾乎不存在周期性；此外，在低信噪比時，語音信號相關(guān)性減弱，增強(qiáng)效果不理想。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法維納濾波器的缺點(diǎn)：維納濾波器要求輸入過程廣義平穩(wěn)且輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性已知。一般情況下，語音是非平穩(wěn)的。它沒有完全利用語音的生成模型。因此，它不適合于非平穩(wěn)噪聲干擾下的語音增強(qiáng)?？柭鼮V波器可以彌補(bǔ)上述兩個缺陷。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法自回歸AR模型是一種全極點(diǎn)模型，即式中，p為階數(shù)，ak為LPC系數(shù)。因此，由H(z)=1/A(z)可構(gòu)成全極點(diǎn)濾波器。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法在卡爾曼濾波器中，語音s(n)和噪聲n(n)分別假定為p階和q階的AR模型如下：其中，(n)、(n)是零均值、方差分別為2、2的高斯白色序列。被加性噪聲污染的含噪聲語音信號x(n)可描述為

x(n)=s(n)+n(n)

純凈語音信號s(n)是不可接近的，只能從唯一可測量的信號x(n)中估計(jì)出其最佳值s^(n)。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法③基于噪聲特性(短時譜估計(jì))

基于噪聲特性的短時譜估計(jì)方法，是一種經(jīng)典的方法，可以從含噪語音信號中直接估計(jì)出原始語音。此外，由于人耳對語音相位的感受不敏感，所以，通常將估計(jì)的對象集中在短時譜幅度上。常見的語音短時譜估計(jì)方法有兩種：頻譜減法和自適應(yīng)噪聲抵消法。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法在頻譜減法中，假設(shè)噪聲信號的采樣值為n(n)，語音信號的采樣值為s(n)，含噪語音信號的采樣值x(n)為

x(n)=s(n)+n(n)

其傅里葉變換為

X()=S()+N()

則頻譜減法濾波器為

S()=X()-N()譜相減法的原理框圖，如圖所示。語音信號處理》講稿第8章共25頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!2.語音增強(qiáng)的原理和方法2)自適應(yīng)噪聲抵消法

a.自適應(yīng)噪聲抵消法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：該方法的語音增強(qiáng)效果最好。它比其他方法多用了一個參考噪聲作為輔助輸入，從而獲得了較全面的關(guān)于噪聲的信息，達(dá)到更好的降噪效果（特別是在輔助輸入噪聲與語音中的噪聲完全相關(guān)時）。當(dāng)在輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性未知(“學(xué)習(xí)”過程)時，或是輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性變化(“跟蹤”過程)時，自適應(yīng)濾波器能夠調(diào)整自己的參數(shù)，以滿足某種最佳準(zhǔn)則（如最小均方準(zhǔn)則、最小二乘準(zhǔn)則等）的要求。缺點(diǎn)：參考噪聲在某些情況下難