噪聲環(huán)境中的雙聲道音頻回波抵消模型構(gòu)建

武田甜， 李 靜

（中北大學(xué)， 山西 太原 030051）

0 引 言

人類聽覺系統(tǒng)可依據(jù)音頻在兩耳間的聲級(jí)差、聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間判斷聲音源位置和距離[1]，例如視頻觀看、電話會(huì)議、汽車免提系統(tǒng)、音樂會(huì)和演唱會(huì)等，但是目前在聲音傳播和接收過程中[2]，環(huán)境中會(huì)存在大量噪聲，干擾聲音的質(zhì)量，因此通常會(huì)采用單聲道音頻抵消器進(jìn)行噪聲處理[3]，但是該方式無法利用左右聲道差還原真實(shí)空間化聽覺感受。為提升聽覺感受，降低噪聲干擾，雙聲道音頻回波抵消器被重點(diǎn)研究[4]。該抵消器能夠提供更佳的聽覺感受，并且能夠提升遠(yuǎn)端說話人員的分辨率，還原真實(shí)空間化聽覺感受。雙聲道音頻回波抵消器是在單聲道音頻抵消器的基礎(chǔ)上演變而來的，在應(yīng)用時(shí)雙聲道系統(tǒng)中輸入信號(hào)之間會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，從而導(dǎo)致抵消器中的濾波收斂速度下降[5]，甚至發(fā)生收斂路徑失調(diào)以及混疊等現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6]為實(shí)現(xiàn)聲音干擾抑制，采用深度學(xué)習(xí)構(gòu)建聲音回波抑制模型，該模型在應(yīng)用過程中可完成干擾信號(hào)的抑制，但是對(duì)于遠(yuǎn)端人員說話的分辨率無法進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]為保證回波信號(hào)的聽覺質(zhì)量，獲取音頻的頻域先驗(yàn)信息后進(jìn)行稀疏分解；構(gòu)建頻域先驗(yàn)稀疏矩陣后進(jìn)行音頻信號(hào)重構(gòu)。該方法能夠有效降低音頻中的噪聲干擾，但還是無法提升聲音的空間化感受。

為提升雙聲道音頻回波抵消器的應(yīng)用效果，保證真實(shí)空間化聽覺感受效果，提升聲音質(zhì)量，本文構(gòu)建了噪聲環(huán)境下的雙聲道音頻回波抵消模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。測(cè)試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)模型可有效處理音頻信號(hào)中的噪聲信號(hào)，抵消后的音頻信號(hào)信噪比均在3.5 dB 以上，音頻信號(hào)的振幅誤差均在0.2 V 以下，能夠提升遠(yuǎn)端人員說話的分辨率，保證音頻質(zhì)量。

1 雙聲道音頻回波抵消模型

1.1 基于子帶分解的雙聲道回波抵消結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)雙聲道回波抵消，并避免發(fā)生收斂路徑失調(diào)以及混疊等現(xiàn)象[8]，基于子帶分解設(shè)計(jì)雙聲道回波抵消結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 基于子帶分解的雙聲道回波抵消結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的雙聲道回波抵消結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中，主要依據(jù)下采樣的方式并結(jié)合子帶自適應(yīng)濾波器組設(shè)計(jì)消除音頻混疊信號(hào)之間的干擾[9]，極大程度地提升音頻質(zhì)量以及遠(yuǎn)端說話人員的分辨率，保證聲音的空間化感受。

1.2 子帶自適應(yīng)濾波器組設(shè)計(jì)

1.2.1 子帶自適應(yīng)濾波器組結(jié)構(gòu)

考慮到噪聲環(huán)境中的雙聲道音頻回波信號(hào)在不同頻率上具有變化特性，而利用子帶分解可以將原始信號(hào)分解成多個(gè)子帶，使得每個(gè)子帶可以獨(dú)立進(jìn)行處理，以更好地抵消回波信號(hào)對(duì)主信號(hào)的影響，因此，在雙聲道音頻回波抵消前，優(yōu)先設(shè)計(jì)子帶自適應(yīng)濾波器組結(jié)構(gòu)?；谧訋Х纸獾碾p聲道回波抵消結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中，子帶自適應(yīng)濾波器組是模型的重要部分，其能夠保證音頻回波抵消效果[10]，對(duì)于消除音頻混疊信號(hào)之間的干擾具有重要作用。因此，本文結(jié)合雙聲音頻回波抵消需求設(shè)計(jì)子帶自適應(yīng)濾波器組，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 子帶自適應(yīng)濾波器組結(jié)構(gòu)

子帶自適應(yīng)濾波器組可通過均勻或者非均勻兩種方式將音頻信號(hào)進(jìn)行分解，使其形成若干個(gè)子頻帶信號(hào)，其可在子帶域內(nèi)完成原始音頻回波信號(hào)的處理，同時(shí)依據(jù)人耳聽覺特性的回波抵消方法實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)處理，消除音頻混疊；并且能夠顯著提升音頻回波信號(hào)處理效率。

1.2.2 依據(jù)人耳聽覺特性的回波抵消方法

利用子帶自適應(yīng)濾波器組對(duì)音頻回波抵消時(shí)，需以人耳聽覺特性為依據(jù)，結(jié)合噪聲環(huán)境特性[11]，采用依據(jù)人耳聽覺特性的Bark 域子帶回波抵消方法實(shí)現(xiàn)音頻回波噪聲處理，消除音頻混疊。該方法整體分為兩個(gè)部分，分別為噪聲干擾閾值計(jì)算和回波抵消，詳細(xì)內(nèi)容如下所述。

1） 噪聲干擾閾值計(jì)算

噪聲是影響音頻回波質(zhì)量的主要因素[12]，因此，為實(shí)現(xiàn)音頻回波的有效處理，先進(jìn)行噪聲干擾閾值計(jì)算。依據(jù)頻帶頻率范圍完成音頻信號(hào)臨界頻帶劃分，計(jì)算臨界頻帶功率譜Pl(f)，公式為：

式中：Re 表示變換幅值；Vl(f)表示音頻信號(hào)變換結(jié)果；Im 表示變換能量。

計(jì)算各個(gè)臨界頻帶內(nèi)的信號(hào)能量Bl，公式為：

式中：f0和f1分別表示臨界頻帶的下、上邊界。

不同臨界頻帶之間的音頻信號(hào)也存在相互混疊情況，因此在完成Bl的計(jì)算后，文中引入擴(kuò)散函數(shù)S進(jìn)行擴(kuò)散譜的計(jì)算。如果sij為S中的元素，其中i表示本地臨界頻段，j表示擴(kuò)散頻段，擴(kuò)散譜C的計(jì)算公式為：

完成擴(kuò)散譜C的計(jì)算后，確定噪聲閾值。正常情況下音頻回波信號(hào)存在兩種閾值，即噪聲混疊語(yǔ)音[13]和語(yǔ)音混疊噪聲，文中主要是以語(yǔ)音混疊噪聲為主，將語(yǔ)音中的噪聲進(jìn)行區(qū)分，以此降低雙聲道系統(tǒng)中輸入信號(hào)之間較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。噪聲閾值的計(jì)算公式為：

式中l(wèi)′表示臨界頻段頻率中值。

2） 回波抵消

完成噪聲干擾閾值計(jì)算后，通過人耳聽覺特性子帶雙聲道回波抵消算法進(jìn)行回波抵消處理。輸入雙聲道信號(hào)x1和x2，通過子帶自適應(yīng)濾波器組進(jìn)行處理后，抽取信號(hào)的下采樣抽取因子s0～s3。

依據(jù)公式（4）計(jì)算噪聲閾值，分別用ξ1l和ξ2l表示，依據(jù)閾值的計(jì)算結(jié)果對(duì)噪聲進(jìn)行獨(dú)立分布白噪聲的疊加[14]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各個(gè)子帶的回波抵消，其抵消結(jié)果計(jì)算公式為：

1.3 子帶自適應(yīng)濾波器組參數(shù)優(yōu)化

子帶自適應(yīng)濾波器組在進(jìn)行回波抵消過程中，其穩(wěn)態(tài)收斂速度較慢，并且誤差抑制能力也存在一定不足。此外，因噪聲環(huán)境隨時(shí)間發(fā)生變化，導(dǎo)致回波信號(hào)的特性發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。通過優(yōu)化子帶自適應(yīng)濾波器組的參數(shù)，可以及時(shí)適應(yīng)回波信號(hào)的變化，以保持回波抵消效果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本文為提升音頻回波抵消效果，采用改進(jìn)最小均方算法進(jìn)行濾波器組優(yōu)化，在優(yōu)化過程中，引入步長(zhǎng)補(bǔ)償因子和反饋控制理念提升抵消效果。

在優(yōu)化過程中，需要通過不斷調(diào)整濾波器參數(shù)來逼近最優(yōu)解，而合適的步長(zhǎng)因子可以加快濾波器組收斂速度，使優(yōu)化過程更快地達(dá)到最佳參數(shù)配置。為此，首先對(duì)迭代步長(zhǎng)因子μ(n)進(jìn)行更新，計(jì)算公式為：

依據(jù)上述公式完成優(yōu)化后，進(jìn)行歸一化處理，獲取子帶自適應(yīng)濾波器組參數(shù)優(yōu)化結(jié)果w′，公式如下：

式中τ表示常數(shù)。

依據(jù)上述步驟完成子帶自適應(yīng)濾波器組參數(shù)優(yōu)化，以此提升濾波器組的收斂速度和回波抵消效果。

2 測(cè)試分析

為驗(yàn)證本文模型的應(yīng)用效果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.1 測(cè)試設(shè)置

本文選擇某企業(yè)語(yǔ)音會(huì)議音頻作為測(cè)試對(duì)象，該音頻的采集環(huán)境為正常會(huì)議室環(huán)境，該環(huán)境中存在其他人員聲音以及空調(diào)聲音，將這些聲音作為噪聲，根據(jù)圖3的流程進(jìn)行測(cè)試。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程

圖3 中，采樣過程中的音頻采樣頻率為44 kHz，音頻信號(hào)長(zhǎng)度為40 000 B。子帶自適應(yīng)濾波器組的初始步長(zhǎng)因子為0.01，迭代次數(shù)為100 次，濾波器階數(shù)為32，環(huán)境中的噪聲為20 dB。

2.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文模型的信號(hào)噪聲處理效果，采用本文模型對(duì)采集的音頻信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理，獲取濾波降噪前后的音頻信號(hào)結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 濾波降噪前后音頻處理結(jié)果

依據(jù)圖4 測(cè)試結(jié)果可知：采集的原始信號(hào)中存在一定噪聲信號(hào)，對(duì)于音頻信號(hào)產(chǎn)生較大影響；采用本文模型進(jìn)行處理后，音頻信號(hào)中的噪聲信號(hào)被有效處理，為音頻回波抵消處理提供了可靠的音頻信號(hào)基礎(chǔ)。

為驗(yàn)證本文模型的音頻回波抵消效果，文中采用信噪比ψR(shí)SN作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲取回波抵消優(yōu)化前后音頻信號(hào)的信噪比結(jié)果，該值越大表示抵消效果越好。ψR(shí)SN的計(jì)算公式為：

式中：x(n)表示未知信號(hào)；x～(n)表示處理后信號(hào)。

依據(jù)上述公式計(jì)算本文模型在不同大小輸入信噪比的情況下濾波器組的輸出結(jié)果，如表1 所示。

表1 濾波器組的輸出結(jié)果 dB

依據(jù)表1 測(cè)試結(jié)果可知：隨著輸入信號(hào)中信噪比的不斷增加，本文模型進(jìn)行回波抵消優(yōu)化前，輸出的ψR(shí)SN結(jié)果均在3.5 dB 以下；本文模型優(yōu)化后，輸出的ψR(shí)SN結(jié)果均在12.3 dB 以下，最小ψR(shí)SN結(jié)果為3.5 dB。本文模型優(yōu)化后的回波抵消應(yīng)用效果顯著提升，能夠更好地實(shí)現(xiàn)音頻回波抵消處理，保證音頻信號(hào)的真實(shí)空間化聽覺感受效果，提升聲音質(zhì)量。

遠(yuǎn)端說話人員的分辨率是描述真實(shí)空間化聽覺感受效果的重要標(biāo)準(zhǔn)，該分辨率可通過音頻振幅進(jìn)行描述，振幅的偏差越小，表示音頻回波抵消效果越佳，真實(shí)空間化聽覺感受效果越佳。因此，為進(jìn)一步驗(yàn)證本文模型的應(yīng)用效果，獲取本文模型對(duì)不同大小音頻信號(hào)進(jìn)行回波抵消后的誤差結(jié)果，如圖5 所示，期望誤差低于0.2 V。

圖5 回波抵消后的誤差結(jié)果

依據(jù)圖5 測(cè)試結(jié)果可知：采用本文模型進(jìn)行不同大小信噪比的人聲音頻回波抵消處理后，音頻信號(hào)的振幅誤差結(jié)果均在0.2 V 以下，其中最大誤差僅為0.14 V。因此，本文模型具有較好的雙聲道音頻回波抵消效果，可提升遠(yuǎn)端人員說話的分辨率，并且能夠極大程度上避免信號(hào)混疊現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

為提升接聽者的聽覺感受以及音頻信號(hào)質(zhì)量，本文提出一種噪聲環(huán)境中的雙聲道音頻回波抵消模型。該模型主要以子帶自適應(yīng)濾波器組為核心，并結(jié)合參數(shù)優(yōu)化方法獲取最佳的音頻信號(hào)濾波效果，實(shí)現(xiàn)音頻回波抵消處理。測(cè)試結(jié)果表明：本文模型具有較好的應(yīng)用效果，能夠有效處理音頻信號(hào)中的噪聲信號(hào)，保留有效的音頻信號(hào)，更好地保證音頻質(zhì)量，提升真實(shí)空間化聽覺感受效果。