無線語音通信降噪

羅俞坤

摘 要：在傳輸?shù)倪^程中無線語音信號往往會受到噪聲干擾，所以，在語音通信中降噪一直是大家重點研究的一個課題。本文研究和綜合分析了語音降噪的關(guān)鍵技術(shù)、三大基本工具與兩大基礎(chǔ)理論，意在提升無線語音傳輸?shù)馁|(zhì)量。

關(guān)鍵詞：語音通信;降噪;關(guān)鍵工具;關(guān)鍵技術(shù)

引言

語音是信息傳遞最重要的手段之一。在無線通信中，噪聲不可避免地對有用語音產(chǎn)生影響，對帶噪語音信號進行降噪處理是仍是當(dāng)今語音通信中的一個重大課題。頻譜減法、遺傳算法、自適應(yīng)濾波算法等，早在上世紀(jì)六十年代，就在相關(guān)學(xué)者對語音靜噪處理的深入研究中提出來。語音降噪的過程如下圖1所示：

1 無線語音噪聲分類

目前還沒有一種降噪處理技術(shù)能夠完美處理任何噪聲，因此對噪聲進行分類并選擇適用的降噪算法顯得尤為重要。噪聲是無法徹底消除的，因為噪聲與純凈語音信號都屬于隨機信號。故而，我們只能盡可能地在語音降噪處理過程中提取出有用語音信號[1]。在進行降噪處理時，選擇適用的技術(shù)很關(guān)鍵，但是必須先根據(jù)分析出的待處理語音中噪聲的種類與特性，再作出選擇。噪聲的分類有很多種。一般而言，加性噪聲與乘性噪聲是無線通信系統(tǒng)中存在的兩大類噪聲。

1.1 乘性噪聲

乘性噪聲：卷積失真是乘性噪聲的另一種稱謂，它是指噪聲在頻域上同純凈語音信號存在相乘的關(guān)系，它是一種由于聲場或信道特性的隨機變化所引起的噪聲。在實際中，乘性噪聲可轉(zhuǎn)化為加性噪聲，如利用同態(tài)濾波變換，然后以加性濾波方式加以處理，便可處理乘性噪聲。

1.2 加性噪聲

加性噪聲：在時域內(nèi)，噪聲對純凈通信信號的影響表現(xiàn)為兩種語音信號的疊加。因此，在頻域內(nèi)有用語音信號和噪聲也是疊加的。加性噪聲，從噪聲的來源來看，又可進一步分為無線通訊系統(tǒng)中的外部、內(nèi)部噪聲。通信系統(tǒng)各部件和元件是造成內(nèi)部噪聲的主要原因，而外部噪聲則主要來自于信道。單頻噪聲、脈沖噪聲（源于雷電、電火花感染、電力線感應(yīng)等）和起伏噪聲是加性噪聲的三種基本分類。本文研究的是加性噪聲。

2 降噪處理工具

本研究使用了目前應(yīng)用較為廣泛的三種降噪處理工具，分別為：Adobe Audition軟件、VS99語音工作站與DSG—98 計算機語音分析系統(tǒng)。

2.1 Adobe Audition 軟件

Adobe Audition軟件具有強大的編輯、特效、混音等功能，支持128 條音軌、多種音頻格式、多種音頻特效，可有效地對音頻文件進行修改、合并。該軟件所含的降噪工具和聲相修復(fù)工具可有效對噪聲和語音進行調(diào)整。同時，Adobe Audition軟件還設(shè)計有包括噪聲降低器、爆音修復(fù)器和自動咔噠聲消除器等一系列專門處理噪聲的濾波器。

2.2 VS-99 語音工作站

VS-99是我國自主研發(fā)的一款語音信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時動態(tài)采集分析語音，利用VS-99系統(tǒng)中的降噪器和頻域編輯功能，能夠在語圖觀察的基礎(chǔ)上將語音信號中的噪聲進行降噪處理并把有用的語音信號放大，提高語音質(zhì)量。

2.3 DSG—98 計算機語音分析系統(tǒng)

DSG—98 計算機語音分析系統(tǒng)是一款有通用微機構(gòu)成的語音分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FRFT算法為核心，提高了運算速度，還綜合了語音處理、圖像處理和計算機圖形學(xué)等理論和處理技術(shù)，為語音分析探索了一條新路。綜合來看，DSG—98 計算機語音分析系統(tǒng)具備低成本、高性能、多功能的優(yōu)點。

3 語音降噪算法

語音降噪，也稱語音增強。語音降噪的目的在于增強語音質(zhì)量，其實現(xiàn)手段為將有用的語音信號在帶噪語音中盡可能分離出來。

3.1 基于語音譜特征的諧波增強算法

利用帶噪語音濁音段所具有的周期性的特性，可利用自適應(yīng)梳狀濾波器將語音分量提取出來，增加語音可懂度。梳狀濾波器的實現(xiàn)形式如下：

在式中，s （n）代表輸出信號，M為常數(shù)，Ck為濾波器系數(shù)， x （n）為輸入信號，L為基音周期。從上式中可知，s （n）是輸入信號的延時加權(quán)平均。周期性分量在這個平均過程中得以增強，但是其他非周期性分量受到抑制或消除[2]。由此可見，使用諧波增強法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確估計基音周期。各種基音估計算法可有效估計基音周期，但如果背景噪聲過強，則難以準(zhǔn)確估計基音周期。并且，由于基音發(fā)生變化，所以在過渡語音段中，也是難以準(zhǔn)確估計基音周期的。

梳狀濾波不僅有增強語音信號的效果，還可對噪聲產(chǎn)生抑制的作用[3]。但如果同時對兩個語音進行處理，準(zhǔn)確估計基音周期也很困難，這時使用濾波方法增強語音的效果也差強人意。

3.2譜減法

語音降噪算法多種多樣。譜減法因其原理簡單、容易實現(xiàn)等優(yōu)點成為語音降噪算法中較為常用的算法。在使用譜減法時，噪聲滿足以下三個假設(shè)條件：

1. 噪聲為加性噪聲，且都是高斯噪聲。

2. 語音信號是短時平穩(wěn)且獨立于噪聲的信號。

3. 因人耳對語音信號相位不敏感，故可用帶噪語音信號的相位代替純凈語音信號的相位。

將x （n）表示為有用語音信號，d （n）表示為加性噪聲，y （n）表示為帶噪信號，則有如下（2）式：

帶噪語音經(jīng)加窗處理后如式（3）：

其中0 ≤ n ≤ N-1，i為第i幀，n為樣點數(shù)，N是幀長。相應(yīng)的頻域表示為：

k 是頻譜的分離值，假設(shè)純凈語音信號與噪聲信號不相關(guān)，從功率譜的角度出發(fā)則有：

若從幅度值的角度考慮，則有：

人耳對語音信號的頻譜相位不敏感，其獲取語音信號主要是通過獲得頻譜分量的幅度來實現(xiàn)的[4]。將原始語音信號的相位加入到降噪后的語音信號中，便可獲得語音信號的估計值。由此，頻譜減法公式一般化后為：

頻譜減法的原理圖如下：

頻譜減法能夠做到有效降噪并且該方法的算法簡單，故獲得廣泛應(yīng)用，但該方法也有其缺點。它主要包含兩個方面的缺點：（1）傳統(tǒng)頻譜減法是依靠噪聲端點檢測的正確性來估計噪聲的正確性。但是，當(dāng)噪聲水平高時，噪聲端點檢測算的的正確性并不高，于是降低了頻譜減法的語音降噪效果;（2）在對噪聲進行估計時，頻譜減法求噪聲均值。于是，在降噪的過程中，又會引入音樂噪聲。然而，人耳對音樂噪聲易產(chǎn)生疲勞，因此會降低人耳對語音的敏感度。

4.結(jié)束語

綜上所述，Adobe Audition軟件、VS99語音工作站以及DSG—98 計算機語音分析系統(tǒng)都可以有效對語音信號進行降噪。實踐證明，傳統(tǒng)頻譜算法和諧波增強算法是兩種比較高效的語音降噪算法。兩種算法各有其優(yōu)勢與不足。在進行降噪處理時，要根據(jù)實際情況選取相應(yīng)的算法。

參考文獻：

[1]趙力. 語音信號處理. 北京：機械工業(yè)出版社 2003：272-273， 282-283.

[2]甄斌 “語音信號的增強相對譜濾波”，聲學(xué)學(xué)報，Vol. 26 No. 3 pp252-258.

[3]樊養(yǎng)余 “加性噪聲抵消的對稱相關(guān)函數(shù)法”，數(shù)據(jù)采集與處理，Vol. 16 No. 3 pp343-347.

[4] 楊行峻，遲惠生等. 語音信號數(shù)字處理. 北京：電子工業(yè)出版社， 1995.