沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 孫 博 梅鐵民

復(fù)倒譜去混響研究

沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 孫 博 梅鐵民

語音信號(hào)去混響在通信、語音識(shí)別和聲源定位方面具有重要意義。首先介紹了混響產(chǎn)生的機(jī)理，其次闡述了復(fù)倒譜法去混響的基本原理。該方法利用在復(fù)倒譜域純凈語音信號(hào)和房間沖擊響應(yīng)的復(fù)倒譜分布不同的特點(diǎn)去除混響。通過仿真實(shí)驗(yàn)，證明該算法在去混響中取得了較好的效果。本文采用的是逆濾波方法中經(jīng)典的復(fù)倒譜域?yàn)V波方法。聲源信號(hào)和房間沖擊響應(yīng)的復(fù)倒譜所在位置不同，前者主要集中在中間點(diǎn)較近的位置而后者集中在首尾兩端[1]。因此，利用這一差別，在給語音信號(hào)分段后去掉信號(hào)中的混響部分，之后進(jìn)行逆操作，完成去混響。

去混響；復(fù)倒譜；房間沖擊響應(yīng)；語音信號(hào)

1 混響的產(chǎn)生

1.1 混響

理論上，延時(shí)50ms以上的反射波產(chǎn)生的效應(yīng)稱為混響，混響不同于噪聲等毫不相干的外來干擾信號(hào)，混響信號(hào)來源于聲源信號(hào)，是一種有規(guī)律的干擾信號(hào)。

1.2 混響分析

設(shè)s(n)聲源發(fā)出的語音信號(hào)，x(n)為麥克風(fēng)收到聲源直接發(fā)射來的語音信號(hào)和經(jīng)過反射后的語音信號(hào)：

其中，δ(n)為單位沖激函數(shù)，忽略x(n)中的噪聲信號(hào)u(n)，則x(n)可以表示為：

其中，*表示卷積計(jì)算，房間沖擊響應(yīng)h(n)是計(jì)算室內(nèi)混響的重要參數(shù)。

2 復(fù)倒譜去混響原理

同態(tài)處理[2]是將非線性運(yùn)算變換為線性運(yùn)算，將卷積運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算的技術(shù)，對(duì)于一個(gè)線性系統(tǒng)來說，其輸入輸出關(guān)系服從疊加原理，設(shè)語音信號(hào)x(n)由聲源激勵(lì)信號(hào)s(n)和房間沖擊響應(yīng)h(n)的卷積構(gòu)成，則有：

卷積信號(hào)經(jīng)過同態(tài)系統(tǒng)后變換成一個(gè)處理過的卷積信號(hào)，如圖1所示。

圖1 同態(tài)系統(tǒng)模型

圖2 沖激響應(yīng)函數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用的語音是一段英文錄音，采樣頻率為44100Hz，圖2是采用鏡像法模擬的房間沖擊響應(yīng)函數(shù)。用語音與沖激響應(yīng)函數(shù)做卷積得到混響語音，然后給混響語音分幀，加漢明窗，幀長(zhǎng)1024，幀移為256。設(shè)計(jì)一種倒譜域上的低通濾波器（見圖3），經(jīng)過研究比對(duì)，當(dāng)最高截止點(diǎn)為幀長(zhǎng)的1/256，過渡帶帶寬為幀長(zhǎng)的1/16時(shí)，得到的去混響效果最好。

圖3 低通濾波器

4 仿真結(jié)果分析

分幀后，對(duì)每一幀語音信號(hào)的倒譜進(jìn)行濾波。圖4以第10幀信號(hào)的倒譜為例，引入混響后的語音信號(hào)的倒譜圖較之前有了變化，濾波后的倒譜圖的中部變平了。圖5中的波形由上至下依次為原始語音、加混響后語音和去混響后語音的時(shí)域波形，從中可以看出，加混響后的語音波形較原始語音發(fā)生了變化，而去混響后的語音波形還原了原始語音的一些細(xì)節(jié)。

圖4 加混響前后及濾波前后的語音信號(hào)倒譜圖

圖5 去混響前后語音時(shí)域波形對(duì)比圖

表1 去混響性能改善評(píng)測(cè)表

本文采用主觀和客觀兩類評(píng)測(cè)方法，客觀評(píng)價(jià)方法包含時(shí)域和頻域兩類評(píng)測(cè)指標(biāo)，分別是信混噪比改善△SRNR，這是一種時(shí)域的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，還有線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)距離改善△LPCC和MEL頻率倒譜系數(shù)距離改善△MFCC[3]，這是兩種頻域評(píng)測(cè)指標(biāo)。其中，△SRNR反映信號(hào)在時(shí)域波形上的失真度，能夠很直觀的反映問題。△LPCC和△MFCC是從頻域方面模擬人耳的聽覺特性。

表1是采用復(fù)倒譜法去混響實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用兩類評(píng)測(cè)方法所得出的結(jié)果，客觀評(píng)測(cè)指標(biāo)數(shù)值越高表明去混響效果越好，主觀評(píng)測(cè)指標(biāo)則是按照優(yōu)、良、中、差、劣五個(gè)等級(jí)來說明，可以看出語音去混響有一定效果。

5 結(jié)束語

研究了混響是如何產(chǎn)生的以及混響的特性，論述同態(tài)信號(hào)處理的原理，說明了復(fù)倒譜法去混響的原理和運(yùn)算方法，依據(jù)在復(fù)倒譜域上混響信號(hào)與語音信號(hào)所在位置不同的特征，設(shè)計(jì)出了適用的低通濾波器來減弱房間沖擊響應(yīng)對(duì)聲音信號(hào)的干擾。分析了評(píng)價(jià)去混響效果的主觀和客觀的評(píng)測(cè)指標(biāo)，并給出了評(píng)測(cè)結(jié)果，證明復(fù)倒譜去混響的方法起到了一定效果。

[1]張德會(huì),陳光治.復(fù)倒譜域語音信號(hào)去混響研究[J].聲學(xué)技術(shù),2009,28(1).

[2]張雪英.數(shù)字語音處理及MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016.

[3]宋知用.MATLAB在語音信號(hào)分析與合成中的應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013.