專(zhuān)利名稱(chēng)：：低復(fù)雜度的降噪方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及語(yǔ)音通信系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地是涉及在含噪語(yǔ)音信號(hào)的所述系統(tǒng)中降噪的方法，所述含噪語(yǔ)音信號(hào)具有中等到很低的信噪比。
背景技術(shù)：
：在免提語(yǔ)音通信中，說(shuō)話(huà)者通常位于離麥克風(fēng)較遠(yuǎn)的位置，并且由于語(yǔ)音強(qiáng)度隨著與麥克風(fēng)的距離的增加而減弱，所以，甚至很小的背景噪聲會(huì)對(duì)所感知的語(yǔ)音質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在車(chē)輛環(huán)境中，背景噪聲主要是來(lái)自于風(fēng)和道路的噪聲，并且比語(yǔ)音信號(hào)本身處于高得多的級(jí)別。在此情況下，語(yǔ)音信號(hào)很不清晰，所以降噪功能對(duì)于改進(jìn)語(yǔ)音清晰度至關(guān)重要。圖1表示了降噪算法的典型應(yīng)用。在此例子中，降噪和聲學(xué)回波消除器相結(jié)合以去除來(lái)自于近端說(shuō)話(huà)者的語(yǔ)音信號(hào)的噪聲和回波。用于單通道降噪的最普遍方法是基于頻域信號(hào)處理。圖2表示了單通道頻域降噪的一般框架。如圖所示，噪聲語(yǔ)音信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換到頻域。接著，在每個(gè)單獨(dú)的頻率元(frequencybin)計(jì)算輸入信號(hào)的功率?；谒?jì)算的功率，只有語(yǔ)音和只有噪聲信號(hào)的功率被估計(jì)。這兩個(gè)新估計(jì)功率然后被用來(lái)計(jì)算降噪濾波器系數(shù)。這些頻域?yàn)V波器系數(shù)然后被應(yīng)用于噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜。在最后階段，上述頻譜濾波輸出被轉(zhuǎn)換到時(shí)域以再現(xiàn)純凈的語(yǔ)音信號(hào)。譜相減降噪是一種簡(jiǎn)單并公知的遵循上述原理的方法。參見(jiàn)JSF.Bo11“SuppressionofAcousticNoiseinSpeechUsingSpectralSubtraction”，IEEETransonAcous.SpeechandSig.Proc.，27，1979.pp.113-120.在該方法中，頻域?yàn)V波器系數(shù)由下式計(jì)算得出F(k,m)=max(|X(k,m)|2-Rn(k,m),0)|X(k,m)|2]]>其中，F(xiàn)(k，m)代表頻率k和時(shí)間m處的濾波器增益，X(k，m)為噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜，并且Rn(k，m)為時(shí)間m和頻率k處的估計(jì)噪聲功率.譜相減盡管是一種簡(jiǎn)單的方法，但是該方法的缺點(diǎn)是輸出信號(hào)處存在令人討厭的假象，稱(chēng)作音樂(lè)噪聲。該音樂(lè)噪聲是由任意間隔的譜峰引起的，所述譜峰往來(lái)于每個(gè)數(shù)據(jù)幀并發(fā)生在任意頻率處。幾種降低音樂(lè)噪聲假象的方法已被提出，所述方法的代價(jià)是引入了語(yǔ)音失真.Y.Ephraim和D.Malah，“Speechenhancementusingaminimummean-squareerrorshort-timespectralamplitudeestimator.”IEEETrans.Acoust.，Speech，SignalProcessing，vol，ASSP-32，pp1109-1121，1984提出的最小均方誤差短時(shí)譜估計(jì)器是一種已知的降噪方法，該方法沒(méi)有音樂(lè)噪聲假象，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)計(jì)算量很大，并且輸出語(yǔ)音的降噪和失真之間的折中性較差。一般來(lái)說(shuō)，大部分現(xiàn)有的噪聲方法或者計(jì)算量巨大，或者具有較差的輸出質(zhì)量，特別是信噪比較低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種譜相減法的改進(jìn)方案，該方法具有很低的計(jì)算復(fù)雜度(低于3.5MIPs)以及很高的性能(大于20dB的車(chē)輛噪聲抑制)，并具有很好的主觀質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種降低語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲的方法，該方法包括采用快速傅立葉變換(FFT)將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域；生成選定譜子帶的子集；確定每個(gè)子帶的合適的增益；內(nèi)插增益以和FFT點(diǎn)的數(shù)量相匹配；以及將內(nèi)插的增益當(dāng)作濾波器系數(shù)應(yīng)用于經(jīng)轉(zhuǎn)換的語(yǔ)音信號(hào)；并且進(jìn)行反FFT以恢復(fù)時(shí)域輸出信號(hào)。本發(fā)明可以用于任何語(yǔ)音通信系統(tǒng)中被很高的背景噪聲所污染的語(yǔ)音信號(hào)的語(yǔ)音增強(qiáng)。比如，在噪聲環(huán)境中通過(guò)喇叭擴(kuò)音器說(shuō)話(huà)的移動(dòng)車(chē)輛或者遠(yuǎn)程電信會(huì)議中的免提通信。和現(xiàn)有技術(shù)相比，這里所提出的發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是即使在嚴(yán)重的噪聲條件以及很低的計(jì)算復(fù)雜性情況下，仍然具有很高的性能(在最小化語(yǔ)音失真的同時(shí)最大化噪聲抑制)。通過(guò)實(shí)施例，再參考附圖將詳細(xì)描述本發(fā)明，其中，圖1表示了在免提車(chē)輛通信中的降噪的應(yīng)用；圖2表示通常的譜域降噪方法的塊圖；圖3表示這里所提出的降噪塊圖；圖4是噪聲活動(dòng)檢測(cè)器的實(shí)施圖示；圖5是譜增益估計(jì)器的實(shí)施圖示。圖6表示了降噪查詢(xún)表的輸入輸出關(guān)系。優(yōu)選實(shí)施方式在過(guò)程的第一步，噪聲語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)預(yù)處理以去除低頻假象。在下一步，使用FFT塊，預(yù)處理信號(hào)被轉(zhuǎn)換到頻域?；贔FT塊的輸出信號(hào)功率，生成16個(gè)譜子帶。每個(gè)子帶的平均功率被計(jì)算得出，并基于此，噪聲活動(dòng)檢測(cè)器將檢測(cè)信號(hào)的主要被噪聲所占據(jù)的部分。噪聲活動(dòng)檢測(cè)器的輸出被用于更新噪聲功率估計(jì)。噪聲功率和信號(hào)功率之間的比值被用作到查詢(xún)表的輸入，查詢(xún)表計(jì)算每個(gè)子帶和每個(gè)數(shù)據(jù)幀的合適的增益。那些具有低信噪比的子帶將具有接近于0的計(jì)算增益，而對(duì)于高信噪比，計(jì)算增益將接近于1。為所有16個(gè)子帶計(jì)算得出的增益將被內(nèi)插以和輸入FFT點(diǎn)的個(gè)數(shù)相匹配。內(nèi)插增益然后和FFT塊的輸出相乘。然后采用反FFT將這個(gè)輸出轉(zhuǎn)換回時(shí)域，其中經(jīng)過(guò)一些后處理，純凈的語(yǔ)音信號(hào)將被再現(xiàn)。圖3示出了所提出的降噪方法的塊圖。噪聲語(yǔ)音信號(hào)首先要經(jīng)過(guò)預(yù)處理級(jí)1，所述預(yù)處理級(jí)1由高通濾波器、128采樣成幀器(sampleframer)以及開(kāi)窗口功能構(gòu)成。在每個(gè)數(shù)據(jù)幀中應(yīng)用128點(diǎn)FFT2，并且在FFT塊的輸出，每個(gè)頻率元的功率3被計(jì)算得出。因?yàn)檩斎胄盘?hào)為實(shí)數(shù)，只需要FFT頻率點(diǎn)的一半用于計(jì)算。利用塊4，通過(guò)簡(jiǎn)單地添加每個(gè)子帶中的對(duì)應(yīng)頻率元的功率，F(xiàn)FT功率信號(hào)被映射到16個(gè)關(guān)鍵的子帶。利用塊5計(jì)算得出每個(gè)子帶的時(shí)間平均的功率。噪聲活動(dòng)檢測(cè)器6檢測(cè)輸入信號(hào)頻譜中主要被噪聲占據(jù)的那些區(qū)域。噪聲更新控制邏輯塊8決定噪聲功率估計(jì)7的更新周期?；谙率浇o出的由一階自回歸(autoregressive)AR估計(jì)器，使用模塊9來(lái)作出純凈語(yǔ)音信號(hào)功率的估計(jì)P(k,m)=βP~(k,m-1)+(1-β)max(Rx(k,m)-Rn(k,m),0)]]>其中，Rxk，m是相對(duì)于子帶k和時(shí)間m的模塊4的輸出，Rnk，m是模塊7的輸出，P(k，m-1)是先前計(jì)算得出的純凈語(yǔ)音譜功率，這是利用模塊10，13和17獲得的，并且0＜β＜1是更新因數(shù)。最終的降噪濾波器系數(shù)由模塊14計(jì)算得出，并且是基于來(lái)自于模塊5、7和9的輸出。模塊14的核心是43入口查詢(xún)表(43entrylookuptable)，所述查詢(xún)表具有如圖6所示的輸入輸出關(guān)系。濾波器系數(shù)乘以來(lái)自于2的輸出，并且在進(jìn)行反FFT15和后處理16之后，純凈的語(yǔ)音信號(hào)將出現(xiàn)在模塊16的輸出上。圖4詳細(xì)示出的噪聲活動(dòng)檢測(cè)器檢測(cè)每個(gè)子帶的只存在噪聲并且語(yǔ)音功率可以忽略不計(jì)的那些數(shù)據(jù)幀。噪聲活動(dòng)檢測(cè)器的輸出被用于估計(jì)模塊7和8中的噪聲功率。因?yàn)槊總€(gè)子帶都需要噪聲活動(dòng)檢測(cè)器，在此實(shí)施例中，按照如圖4所示的實(shí)施方式，總共需要16個(gè)噪聲活動(dòng)檢測(cè)器。到噪聲活動(dòng)檢測(cè)器的輸入是圖3中的模塊5的平均功率估計(jì)輸出，這里，對(duì)于子帶k和數(shù)據(jù)幀m，由S(k，m)來(lái)表示。噪聲活動(dòng)檢測(cè)器的輸出或者為0或者為1，其中，1表明數(shù)據(jù)幀m和子帶k中有噪聲存在，T(k)為子帶k處所使用的噪聲系數(shù)值，并且和該子帶中的語(yǔ)音出現(xiàn)的概率有直接的關(guān)系。因?yàn)閷?duì)于語(yǔ)音信號(hào)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)概率集中于低頻帶中，在低頻子帶出現(xiàn)語(yǔ)音的概率較高，所以采用較高的T值。對(duì)于高頻子帶，較低的T值被采用，因?yàn)樵谀切┳訋С霈F(xiàn)語(yǔ)音的概率較低。存儲(chǔ)模塊18和22包含17和23的過(guò)去輸出值，并且在每個(gè)L數(shù)據(jù)幀之后，它們的值分別被重新初始化到19的輸出值以及當(dāng)前的輸入Sk，m。在圖4中，模塊17，19和23的輸出由下面的式子得出c=aa≤bbb<a]]>所述輸出基本上是兩個(gè)輸入值a和b的最小值。計(jì)數(shù)器25計(jì)算數(shù)據(jù)幀的數(shù)量。當(dāng)L數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器25和塊23，17和19將被重新初始化。基于頻譜子帶k和數(shù)據(jù)幀m的所估計(jì)的噪聲功率(N(k，m))、所估計(jì)的純凈語(yǔ)音信號(hào)功率P(k，m)和噪聲語(yǔ)音功率S(k，m)，頻譜增益估計(jì)器計(jì)算降噪濾波器系數(shù)。塊28計(jì)算針對(duì)子帶k和數(shù)據(jù)幀m的所估計(jì)的純凈語(yǔ)音功率和總功率之間的比值。當(dāng)噪聲功率較低時(shí)，該比值接近于1，而對(duì)高噪聲功率來(lái)說(shuō)，該值接近于0。模塊27計(jì)算噪聲語(yǔ)音信號(hào)功率和所估計(jì)的噪聲功率的比值。對(duì)于較低噪聲情況，該比值為大的數(shù)值，而對(duì)于較高的噪聲環(huán)境來(lái)說(shuō)，該比值接近于1。27和28的輸出的乘積被用作到43入口查詢(xún)表29的輸入。比較器30將檢測(cè)29的輸入是否大于43，并且它將打開(kāi)開(kāi)關(guān)34，開(kāi)關(guān)31的輸出將直接連接到28的輸出。注意對(duì)于噪聲功率低的數(shù)據(jù)幀和頻譜子帶，27和28的輸出乘積將是一個(gè)大的數(shù)，該數(shù)可能大于43，從而譜增益估計(jì)器的輸出將基本上為28的輸出，該輸出在較低噪聲情況下將接近于1。換句話(huà)說(shuō)，對(duì)于那些數(shù)據(jù)幀和頻譜子帶，輸入信號(hào)將不受影響。另一方面，對(duì)于較高的噪聲級(jí)別，27和28的輸出乘積將為一個(gè)可能小于43的小的數(shù)，在這種情況下，31的輸出由29和28的輸出的乘積確定。29的輸出由圖6所示的非線(xiàn)性函數(shù)得以確定。為了確保31的輸出不超出1，塊32使31的輸出從上飽和到1。而且為了減少語(yǔ)音信號(hào)失真，塊32將31的輸出從下限制到某些可編程的小正數(shù)。對(duì)于每個(gè)子帶，塊33將輸入32內(nèi)插到該子帶中的頻率元的數(shù)量。對(duì)每個(gè)子帶中的頻率元，內(nèi)插是通過(guò)重復(fù)同一值完成的。在所述的實(shí)施例中，同一查詢(xún)表29被用于所有的16個(gè)子帶。在一替代實(shí)施例中，也可使用對(duì)于每個(gè)子帶不同的查詢(xún)表。這允許將查詢(xún)表的內(nèi)容恰當(dāng)?shù)剡m應(yīng)于每個(gè)子帶，從而改進(jìn)語(yǔ)音失真和降噪量之間的折中性。內(nèi)插級(jí)塊33可以通過(guò)使用交叉子帶(crosssubband)線(xiàn)性或者非線(xiàn)性插值以提高輸出語(yǔ)音的質(zhì)量。本發(fā)明的實(shí)施例提供了具有較低計(jì)算復(fù)雜度的較高性能、易于實(shí)現(xiàn)的噪聲活動(dòng)檢測(cè)器以及用于計(jì)算濾波器增益以消除音樂(lè)音頻問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法。權(quán)利要求1.一種用于語(yǔ)音信號(hào)的降噪方法，包括采用快速傅立葉變換(FFT)將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域；生成選定譜子帶的子集；對(duì)每個(gè)子帶確定合適的增益；對(duì)增益進(jìn)行內(nèi)插以和FFT點(diǎn)的數(shù)量相匹配；將所內(nèi)插的增益作為濾波器系數(shù)應(yīng)用于所轉(zhuǎn)換的語(yǔ)音信號(hào)；以及執(zhí)行反FFT以恢復(fù)時(shí)域輸出信號(hào)。2.權(quán)利要求1所述的方法，其中，每個(gè)子帶的合適的增益根據(jù)查詢(xún)表來(lái)確定。3.權(quán)利要求2所述的方法，其中，一個(gè)所述查詢(xún)表被提供給每個(gè)子帶。4.權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，根據(jù)用于每個(gè)子帶的所估計(jì)的噪聲功率和信號(hào)功率來(lái)確定到所述查詢(xún)表的輸入。5.權(quán)利要求4所述的方法，其中，到查詢(xún)表的所述輸入是每個(gè)子帶的噪聲功率和信號(hào)功率之間的比值。6.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述語(yǔ)音信號(hào)在被轉(zhuǎn)換到頻域之前被預(yù)處理以去除低頻假象。7.權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述信號(hào)功率的估計(jì)是采用一階自回歸估計(jì)器完成的。8.權(quán)利要求4所述的方法，其中，每個(gè)子帶中的所估計(jì)的噪聲功率是根據(jù)在每個(gè)子帶中所估計(jì)的功率來(lái)確定的。9.一種用于語(yǔ)音信號(hào)的降噪電路，包括快速傅立葉變換(FFT)濾波器，用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域；子帶器，用于將被轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)映射到選定子帶集；譜增益估計(jì)器，用于基于選定子帶集的噪聲活動(dòng)來(lái)估計(jì)要應(yīng)用于FFT點(diǎn)的合適的增益；將所述合適的的譜增益應(yīng)用于FFT點(diǎn)的模塊；以及反FFT濾波器，用于根據(jù)應(yīng)用了合適的譜增益的FFT點(diǎn)來(lái)生成時(shí)域輸出信號(hào)。10.如權(quán)利要求9所述的降噪電路，其中，所述譜增益估計(jì)器包括一查詢(xún)表，用于基于噪聲功率和信號(hào)功率來(lái)確定要應(yīng)用于每個(gè)子帶中的譜增益。11.如權(quán)利要求9或者10所述的降噪電路，其中，所述譜增益估計(jì)器對(duì)所述子帶的所述合適的譜增益進(jìn)行內(nèi)插以找到用于每個(gè)所述FFT點(diǎn)的合適的譜增益。12.如權(quán)利要求9所述的降噪電路，進(jìn)一步包括平均功率估計(jì)器用于估計(jì)每個(gè)子帶中的平均功率；以及噪聲活動(dòng)檢測(cè)器，用于根據(jù)其中的平均功率來(lái)估計(jì)每個(gè)子帶的噪聲功率。13.如權(quán)利要求12所述的降噪電路，進(jìn)一步包括用于估計(jì)每個(gè)子帶中的信號(hào)功率的純凈信號(hào)估計(jì)器。14.如權(quán)利要求13所述的降噪電路，其中，所述的純凈信號(hào)估計(jì)器使用一階自回歸函數(shù)。15.如權(quán)利要求9所述的降噪電路，進(jìn)一步包括在所述FFT濾波器的上游的高通濾波器，用于去除低頻假象。全文摘要一種用于語(yǔ)音信號(hào)的降噪方法，包括采用快速傅立葉變換(FFT)將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，生成選定譜子帶的子集，確定每個(gè)子帶的合適的增益，以及對(duì)該增益進(jìn)行內(nèi)插以和FFT點(diǎn)的數(shù)量相匹配。然后使用內(nèi)插的增益作為濾波器系數(shù)對(duì)被轉(zhuǎn)換的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，對(duì)經(jīng)處理的信號(hào)進(jìn)行反FFT以恢復(fù)時(shí)域輸出信號(hào)。文檔編號(hào)G10L21/0208GK101083640SQ20071009797公開(kāi)日2007年12月5日申請(qǐng)日期2007年4月25日優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日發(fā)明者卡姆蘭·拉赫巴爾申請(qǐng)人:扎爾林克半導(dǎo)體股份有限公司