复杂环境下语音增强算法研究与实现

作     者：余旭 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马子骥

授予年度：2018年

学科分类：0711[理学-系统科学] 07[理学] 

主      题：复杂环境 语音增强 卷积传递函数广义旁瓣相消器 归一化最小均方 维纳滤波 

摘      要：随着科技的发展,语音增强在车载系统、电话视频会议、助听器、智能家电及人工智能等领域中具有重要的应用前景。在现实生活中,由于噪声的存在,语音信号会被不同的噪声干扰和污染,使得语音质量较差。所以,需要可以对含噪语音信号进行相应降噪处理。语音增强技术,能够抑制噪声的影响,改进语音质量,提高语音可懂度与清晰度。在含有多样性噪声源和环境混响的复杂环境下,采用麦克风阵列和语音增强相结合的技术,能够更好地降低噪声影响。本文基于复杂环境下,对语音增强算法进行了分析和研究,主要工作如下:（1）对广义旁瓣相消器（Generalized Sidelobe Canceller,GSC）语音增强算法进行了分析和研究。GSC语音增强算法是经典的波束形成算法,GSC结构简单,便于实现。（2）对传递函数广义旁瓣相消器（Transfer Function Generalized Sidelobe Canceller,TF-GSC）语音增强算法进行了分析和研究。TF-GSC语音增强算法在GSC语音增强算法的基础上,利用传递函数系数比重新构建阻塞矩阵和固定波束形成器,与GSC语音增强算法相比,TF-GSC语音增强算法提高了系统对声学环境的适应性。（3）对卷积传递函数广义旁瓣相消器（Convolutive Transfer Function Generalized Sidelobe Canceller,CTF-GSC）语音增强算法进行了研究和改进。CTF-GSC语音增强算法是以传统GSC语音增强算法为基础,用CTF近似形式代替TF-GSC语音增强算法中相乘传递函数（Multiplicative Transfer Function,MTF）近似形式,考虑不同频率之间的相互干扰,使用各个麦克风之间的相对传递函数的比例系数对阻塞矩阵和固定波束形成器进行新的构造,利用在频域的CTF形式建立了新的阵列信号传递函数模型。CTF近似形式比MTF近似形式估算更加的准确和更少的限制要求,进一步提高了降噪能力。CTF-GSC语音增强算法的自适应抵消器模块采用了固定步长归一化最小均方（Normalized Least Mean Square,NLMS）算法。改进的CTF-GSC语音增强算法则采用（Variable Step-size-NLMS,VSS-NLMS）算法来构建自适应抵消器模块。改进的VSS-NLMS算法可以进一步抑制输入语音对噪声的影响,使自适应抵消器模块具有更快的收敛性和更强的稳定性,从而使CTF-GSC语音增强算法能够更好地抑制噪声。（4）对基于维纳滤波的语音增强算法进行了较为深入的研究。传统的维纳滤波语音增强算法的主要原理是将期望语音信号和估计语音信号之间的均方误差最小化,从而得到较为纯净的语音信号。改进的维纳滤波语音增强算法在此基础上,引入了语音活性检测（Voice Activity Detection,VAD）算法和小波多窗口谱估计算法对噪声信号进行估计。改进后的算法语音信号中残留的噪声较少,系统降噪效果更佳。（5）对基于CTF-GSC和后置维纳滤波语音增强算法进行了分析和研究。一般情况下,CTF-GSC语音增强算法对于相干性噪声有良好的降噪效果,而维纳滤波算法对于非相干性噪声有显著的抑制效果。本文将这两种方法有效结合,提出了一种新的基于波束形成语音增强算法,该算法对于两种类型的噪声都有明显的降噪能力,并具有良好的鲁棒性。（6）在复杂环境下,对以上几种算法进行仿真分析、语音信号采集和传输实验测试。同时,搭建了实际的测试实验环境,对算法进行了实际模拟,并对实验结果进行了对比和分析。实验结果证明:本文所提出的优化算法切实提高了系统信噪比,降低了语音失真。在含有多噪声源和环境混响的复杂环境下,本文提出的算法具备更好的顽健性。