對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(fā)明實施例提供了一種對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jù)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(jìn)行逆傅立葉變換，得到增強(qiáng)后的語音信號；利用小波變換矩陣對所述增強(qiáng)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(fā)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(jìn)行自適應(yīng)譜減和小波包消噪處理的方法和裝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及語音信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)譜減和 小波包消噪處理的方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在我國武警、公安、鐵路、電力、石油石化等行業(yè)的大型企業(yè)中，經(jīng)常召開生產(chǎn)調(diào)度 會議，需要支持大容量全交互式的電話會議系統(tǒng)。在這些電話會議系統(tǒng)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(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行相互語音通信，如公眾 通信網(wǎng)、數(shù)字集群系統(tǒng)、衛(wèi)星網(wǎng)和有線網(wǎng)中的模擬終端（電話）之間通過程控交換機(jī)實現(xiàn)互 通；VoIP語音電話終端之間通過軟交換實現(xiàn)互通；超短波網(wǎng)和短波網(wǎng)終端分別通過IP無線 網(wǎng)關(guān)和綜合接入設(shè)備實現(xiàn)向IP體制的轉(zhuǎn)換，然后再通過軟交換機(jī)和IP電話等終端實現(xiàn)互 通，或通過中繼接口和程控交換機(jī)連接，實現(xiàn)和其他模擬終端的互通。
[0003] 上述異種語音資源終端和轉(zhuǎn)換設(shè)備在實際應(yīng)用中的噪聲干擾通常是隨機(jī)的，其背 景噪聲來源和種類各不相同，需要對帶噪信號進(jìn)行噪聲消除處理，以消除背景噪聲，改善語 音質(zhì)量，提高語音的清晰度、可懂度和舒適度，提高語音處理系統(tǒng)的性能。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中的電話會議系統(tǒng)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?qū)δ愁愒肼曈行В鐪p譜法降噪，本身還會帶入"音樂 噪聲"。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的實施例提供了一種對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(fā)明提供了如下方案：
[0007] (和權(quán)利要求書相互對應(yīng)）
[0008] 由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例通過建立語音信 號的加性模型，根據(jù)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(qiáng)后的語音信號，再根據(jù)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(fā)明實施例的技術(shù)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(fā)明的一些實施例，對于本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0010] 圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種語音資源處理和交換服務(wù)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明實施例一提供的一種語音增強(qiáng)處理板采用自適應(yīng)譜減法對帶噪信 號進(jìn)行消噪處理的原理示意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明實施例一種語音增強(qiáng)處理板對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(fā)明實施例一提供的一種對帶噪信號進(jìn)行五層小波分解的原理示意圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明實施例提供的一種對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)譜減和小波包消噪處理 的裝置的具體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，語音信號的功率估計值獲取模塊51，增強(qiáng)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(fā)明實施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個具體實施例為例做進(jìn)一步 的解釋說明，且各個實施例并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。
[0016] 實施例一
[0017] 本發(fā)明實施例提供的一種語音資源處理和交換服務(wù)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所 示，該平臺主要完成語音增強(qiáng)、音頻媒體流的轉(zhuǎn)碼、多路混音、錄音、放音、回音消除等功能。 該平臺具備碼流轉(zhuǎn)發(fā)功能，能夠把前端音頻流轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度臺、存儲設(shè)備；具備強(qiáng)大的流媒體 處理能力，單臺支持1440路語音無阻塞調(diào)度并發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)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(wù)平臺中的I/O板：主要實現(xiàn)交換機(jī)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(xiàn)與數(shù)字中繼板的中繼互連。
[0019] 數(shù)字中繼板：主要在CPU板的控制下將中繼信息轉(zhuǎn)換成H. 110總線背板總線形式， 為各資源板進(jìn)行功能服務(wù)提供信息來源。
[0020] 語音導(dǎo)航板：對背板總線上需要提供語音收發(fā)、雙音頻收號、 FSK(Frequency-shift Keying:頻移鍵控）發(fā)號等各類語音增值服務(wù)的話路信息進(jìn)行處 理。
[0021] 會議橋板：通過對背板總線數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）總 線控制各語音資源板之間的協(xié)調(diào)工作能力。
[0023] 語音增強(qiáng)處理板：主要采用自適應(yīng)譜減法完成帶噪信號的降噪處理和語音增強(qiáng)處 理，改善語音質(zhì)量，提高語音的清晰度、可懂度和舒適度，提高電話會議系統(tǒng)的語音性能。
[0024] 該實施例提供的一種語音增強(qiáng)處理板采用自適應(yīng)譜減法對帶噪信號進(jìn)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(yīng)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(qiáng)處理板對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jù)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(tǒng)。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(fā)明實施例中的高通濾波器的基準(zhǔn)頻率可以設(shè)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(jìn) 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(wěn)的，所以在短時譜幅度估計中認(rèn)為語音信號是平穩(wěn)隨機(jī) 信號，假設(shè)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(shè)噪聲n(m)是與語音s(m)不相關(guān)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(jù)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(jìn)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(shù)。
[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(jù)帶噪信號y(m)采用隨機(jī)分析方 法求均值估計出|Y W(?)|2。
[0043] 其余各項必須近似為統(tǒng)計均值，由于s(m)和n(m)獨立，則互相的統(tǒng)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(quán)利要求】
1. 一種對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jù)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(jìn)行逆傅立葉變換，得到增強(qiáng)后的語音信號； 利用小波變換矩陣對所述增強(qiáng)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(jù)權(quán)利要求1所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jù)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(jìn)行低通過濾處理； 設(shè)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(guān)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(jìn)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(jù)帶噪信號y(m)采用隨機(jī)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(jù)權(quán)利要求2所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jìn)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(jù)權(quán)利要求2或3所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jìn)行逆傅立葉變換，得到增強(qiáng)后的語音 信號，包括： 設(shè)增強(qiáng)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(jù)權(quán)利要求4所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(qiáng)后的語音信號作小波變換處理，包括： 將所述增強(qiáng)后的語音信號作為帶噪信號，對該帶噪信號進(jìn)行小波分解，設(shè)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(qiáng)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(jìn)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(shè)定的小波變換矩陣，
其中
V (t)表示小波函數(shù)，R表示實數(shù)域，t表示時間，X(t)表示需要變換的信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行自適應(yīng)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(jù)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(qiáng)語音信號獲取模塊，用于對所述語音信號的功率估計值進(jìn)行逆傅立葉變換，得到 增強(qiáng)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(qiáng)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(jù)權(quán)利要求7所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(jìn)行低 通過濾處理； 設(shè)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(guān)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(jìn)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(jù)帶噪信號y(m)采用隨機(jī)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(tǒng)計均值為0 ; 所述的消噪語音信號獲取模塊，具體用于設(shè)增強(qiáng)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(jù)權(quán)利要求8所述的對語音信號進(jìn)行自適應(yīng)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(qiáng)后的語音信號作為帶噪信 號，對該帶噪信號進(jìn)行小波分解，設(shè)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(qiáng)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(jìn)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(shè)定的小波變換矩陣，
其中
V (t)表示小波函數(shù)，R表示實數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】張金明, 劉宇, 陳少卿 申請人:華迪計算機(jī)集團(tuán)有限公司