一种改进gsc自适应语音增强方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理领域，特别涉及阵列信号处理、自适应滤波和语音增强。 技术背景
[0002] 语音是人类信息传播和情感交流的重要载体，也是人类信息交流最重要、最有效 、最方便的方式。在实际的语音通信中，语音总是不可避免地受到外界环境噪声的干扰，包 括传输媒介引入的噪声、通信设备内部电噪声、乃至其它讲话者的干扰。这些干扰使麦克风 接收到的语音信号并非纯净的原始语音信号，而是受噪声污染的带噪语音信号，导致许多 语音处理系统性能急剧恶化。因此，为了从带噪语音信号中获得尽可能纯净的原始语音信 号，就需要进行语音增强。和单个麦克风相比，麦克风阵列在时频域的基础上增加了一个空 间域，充分利用语音信号的空域、时域和频域信息，同时具有高空间分辨率、高信号增益与 较强的抗干扰能力等特点。它可以弥补单个麦克风在噪声处理、语音提取分离等方面存在 的不足。
[0003] 在麦克风阵列技术基础上引入自适应滤波可灵活地控制波束方向，实时跟踪目标 语音信号。自适应滤波只需要很少的或根本不需要任何关于信号和噪声统计特性的先验知 识，仅根据观测信息就能实时估计信号和噪声的统计特性。在自适应滤波算法中，最小均方 算法（LMS)是最为典型的，虽然该算法较递归最小二乘法（RLS)收敛速度慢，但该算法简 单，便于实时实现。滤波后的语音信号还会伴有一些背景噪声或其它难以去除的噪声，这些 噪声可以利用谱减法来进一步去除。谱减法作为一种常用的语音增强方法，因其简单方便， 计算量小等优点使其在单通道语音增强中很受欢迎，但经其处理后会产生刺耳的"音乐"噪 声，而且比较难消除。
【发明内容】
[0004] 本发明基于传统的麦克风阵列语音增强技术，提出一种新型广义旁瓣抵消器的自 适应语音增强方法。该方法利用自适应阻塞矩阵级联自适应抵消器来估计出维纳滤波器输 出信号中的残余噪声，并与维纳滤波器输出信号进行对消，然后后续一个谱减法进一步去 除可能留有的残余噪声，从而达到增强目标信号而抑制噪声干扰信号的目的。
[0005] 本发明采用的改进GSC自适应语音增强系统框图（如图1所示），根据麦克风接 收到的信号估计得到后置滤波器的权系数，然后利用后置维纳滤波器来去除信号中的非相 干噪声，利用自适应阻塞矩阵代替传统GSC结构中的固定阻塞矩阵，更好的阻塞掉目标信 号，降低目标信号对消，改进自适应抵消器中自适应算法的迭代方式，兼顾了收敛速度和稳 态失调信号，最大程度的滤除噪声干扰信号，根据谱减法去除噪声简单方便，计算量小等特 性，本发明利用改进的谱减法来进一步去除可能残余的噪声信号。
[0006] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0007] 一种改进GSC自适应语音增强方法，具体步骤如下：
[0008] 步骤一：对麦克风阵列接收到的带噪语音信号X(t)进行延时估计和补偿，使各个 麦克风通道中的信号在时间上是一致的，其中x(t) =A(0)S(t)+N(t)，Θ为目标信号的来 波方向，Α(θ)为目标信号的阵列流型，S(t)为目标语音信号，N(t)为方向性干扰噪声或是 随机噪声；
[0009] 步骤二：此时的X(t)经上下支路分别处理，上支路经固定波束形成器，起到初 步抑制干扰噪声信号而增强目标信号的作用，输出为具有一定增强的目标语音参考信号 y?，其中 y? = ATX(n)，A 为固定加权系数，A = [aQ, . . .，A 满足,J7T = I;
[0010] 步骤三：利用后置维纳滤波器进一步去除y>)中残余的非相干噪声，得到增强后 的语音信号ya(n);
[0011] 步骤四：X(t)经上支路处理的同时也经下支路进行相关处理，下支路的自适应阻 塞矩阵可以很好的跟踪目标信号，并对其进行自适应阻塞，使泄露的目标信号达到最小或 完全没有；
[0012] 步骤五：改进的自适应FIR抵消器根据U(n)估计出上支路输出信号中噪声信号的 估计值，噪声信号估计值为：
【主权项】
1. 一种改进GSC自适应语音增强方法，其特征在于：具体步骤如下： 步骤一：对麦克风阵列接收到的带噪语音信号X(t)进行延时估计和补偿，使各个麦克 风通道中的信号在时间上是一致的，其中X(t) =A(0)S(t)+N(t)，Θ为目标信号的来波方 向，Α(θ)为目标信号的阵列流型，S(t)为目标语音信号，N(t)为方向性干扰噪声或是随机 噪声； 步骤二：此时的X(t)经上下支路分别处理，上支路经固定波束形成器，起到初步抑制 干扰噪声信号而增强目标信号的作用，输出为具有一定增强的目标语音参考信号y。(η)，其 中 yc(n) =A1X (n)，A 为固定加权系数，A= Hac^a1，…，满足.X7T=I; 步骤三：利用后置维纳滤波器进一步去除y。(η)中残余的非相干噪声，得到增强后的语 音信号ya(n); 步骤四：X(t)经上支路处理的同时也经下支路进行相关处理，下支路的自适应阻塞矩 阵可以很好的跟踪目标信号，并对其进行自适应阻塞，使泄露的目标信号达到最小或完全 没有； 步骤五：改进的自适应FIR抵消器根据U(n)估计出上支路输出信号中噪声信号的估计 值，噪声信号估计值为：
其中，Wk= = [U1 (n)，u2 (n)... uK(n)]T，y2 (η)为处理后得 到较为纯净的语音信号，改进自适应抵消器和自适应阻塞矩阵中自适应算法权系数更新方 式一样都兼顾了更新速度和信号的稳态失调，两大模块中自适应的应用增强了整个系统处 理随机信号的稳定性，同时也增加了系统对目标信号的预期方向与实际到达方向不匹配带 来误差的稳健性； 步骤六：为了进一步去除可能存在的残余噪声，在y2 (η)后续接谱减法。
2. 根据权利要求1所述的改进GSC自适应语音增强方法，其特征在于：步骤三中利用 后置维纳滤波器进一步去除y。(η)中残余的非相干噪声，得到增强后的语音信号y a(n)的处 理方法为：根据X(t)估计出接收信号和目标信号的自相关谱Sxx(k)和S ss(k)并求出滤波 器系数WJk):
k = 0, 1，2,…K-I，其中，k为频域序号，K为短时傅里叶变换 的长度，使用WJk)对yjn)进行频域滤波，得到ya(k)后进行傅里叶逆变换得到增强后的 语音信号ya(n)。
3. 根据权利要求1所述的改进GSC自适应语音增强方法，其特征在于：步骤四中进行 自适应阻塞的方法为：第m个通道自适应算法为：
um (n) = xm(n)-yam(n)
其中，m = 1，2…M，M为麦克风数目，N为滤波器介数，Uni(η)为相应通道对消后的信号， 多为噪声和干扰信号的组合。
4.根据权利要求1所述的改进GSC自适应语音增强方法，其特征在于：对步骤六中 y2(η)后续接谱减法进行改进：谱减法是在短时平稳假定的基础上，对带噪语音信号进行傅 里叶变换并进行重叠分帧处理，用每帧信号功率减去估计得到的噪声功率，并利用人耳对 语音信号的幅度比较敏感，而对语音的相位不敏感这一特性，可以用含有噪声的语音信号 的相位来代替纯净语音信号的相位，然后对其进行傅里叶逆变换即可得到增强后的语音信 号，在利用谱减法对带噪语音信号进行去噪时，本发明利用一阶低通滤波器来估计噪声的 功率：
其中0〈 〇〈1，K是带噪语音总帧数，得到的每帧纯净语音功率为：
其中，α>1，β〈〈1，在噪声段保留一定的噪声可以取得较好的降噪及抑制纯音噪声的 效果，降低"音乐"噪声的产生，改善听觉效果。
【专利摘要】本发明涉及一种改进GSC自适应语音增强方法，采用的改进GSC自适应语音增强系统，根据麦克风接收到的信号估计得到后置滤波器的权系数，利用后置维纳滤波器来去除信号中的非相干噪声，利用自适应阻塞矩阵代替传统GSC结构中的固定阻塞矩阵，更好的阻塞掉目标信号，降低目标信号对消，改进自适应算法的迭代方式，兼顾了收敛速度和稳态失调信号，滤除噪声干扰信号，根据谱减法去除噪声简单方便，计算量小等特性，利用改进的谱减法来进一步去除可能残余的噪声信号。本发明方法可以针对任意角度的信号进行自适应语音增强，对随机环境下的语音信号增强有一定的稳健性，而且后续的谱减法可以进一步去除残余噪声提高系统整体去噪能力。
【IPC分类】G10L21-0208
【公开号】CN104835503
【申请号】CN201510226277
【发明人】赵益波, 徐进, 孙心宇
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月6日