【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3。 28 致 謝 29 參考文獻(xiàn) 30 附 錄 32 一 、 英文原文 32 二 、 英文翻譯 36 三、源程序 40 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 日常生活中，經(jīng)常會(huì)遇到在噪聲干擾下進(jìn)行語(yǔ)音通信的問(wèn)題。例如在汽車(chē)、火車(chē)上使用移動(dòng)電話， 旁人的喧鬧聲，馬路旁和市場(chǎng)里的公用電話等。 軍事通信 中，指揮員的作戰(zhàn)命令和戰(zhàn)斗員的戰(zhàn)情匯報(bào)都需要用語(yǔ)音來(lái)表達(dá)，由于 戰(zhàn)斗環(huán)境中的聲環(huán)境惡劣，特別是炸彈產(chǎn)生的沖擊性噪聲，使有用信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲中。竊聽(tīng)技術(shù)中需要語(yǔ)音增強(qiáng)。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)也需要語(yǔ)音增強(qiáng)。 語(yǔ)音增強(qiáng)不但與語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理理論有關(guān)，而且涉及到人的聽(tīng)覺(jué)感知和語(yǔ)音學(xué)范疇。在實(shí)際生活中，語(yǔ)音信號(hào)無(wú)時(shí)無(wú)地不受各種噪聲干擾。人們正常的生活環(huán)境就是一個(gè)聲級(jí)為 60dB 左右的噪聲環(huán)境。被強(qiáng)噪聲污染的場(chǎng)合，噪聲達(dá) 120dB 以上。 噪聲的來(lái)源眾多，因應(yīng)用場(chǎng)合而異，它們的特性也各不相同。所以必須針對(duì)不同噪聲，采用不同的語(yǔ)音增強(qiáng)對(duì)策。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一 章 緒論 第一節(jié) 語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 一、 語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)的意義 隨著語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，不論是語(yǔ)音編碼，語(yǔ)音合成還是語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)都在不斷的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越廣泛 [1]。這些技術(shù)在理論研究階段都是以純凈的信號(hào)進(jìn)行研究和分析的，然而在實(shí)際應(yīng)用中，語(yǔ)音信號(hào)會(huì)不可避免的受到周?chē)h(huán)境的影響，很多因素都會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音信 號(hào)受到噪聲的污染，比如語(yǔ)音信號(hào)在傳輸媒介中引入的噪聲，電子設(shè)備內(nèi)部的電噪聲，還有來(lái)自其他音源的干擾等。這些干擾導(dǎo)致語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)中使用的是非純凈的語(yǔ)音信號(hào)，直接使用帶有噪聲的語(yǔ)音會(huì)使系統(tǒng)的整體性能明顯降低。在很多語(yǔ)音處理系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的整體性能，需要事先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，降低噪聲對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的影響。 語(yǔ)音增強(qiáng)是提高語(yǔ)音質(zhì)量的一種有效方法，從受噪聲污染的語(yǔ)音信號(hào)中盡量分離噪聲并盡可能地還原純凈語(yǔ)音信號(hào)，使接受語(yǔ)音的人覺(jué)得語(yǔ)音質(zhì)量得到改善，增強(qiáng)語(yǔ)音信號(hào)的可懂性，提高語(yǔ)音處理系統(tǒng)的識(shí)別率和抗干擾能力。語(yǔ) 音增強(qiáng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成了數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理的一個(gè)重要分支，廣泛地應(yīng)用在降低聽(tīng)覺(jué)噪聲以及語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)和線性預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)的預(yù)處理部分。 圖 語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 二、 噪聲的種類和特點(diǎn) 噪聲是指人們不需要的聲音，此外，雜亂的振幅和頻率，斷續(xù)或統(tǒng)計(jì)上無(wú)規(guī)律的聲震動(dòng)也稱為噪聲。噪聲來(lái)源于實(shí)際的環(huán)境中，其特性復(fù)雜，很難找到一種語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)可以適應(yīng)所有的噪聲環(huán)境。因此，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)制定相應(yīng)的語(yǔ)音增強(qiáng)算法。 根據(jù)噪聲對(duì)語(yǔ)音頻譜的干擾方式不同，可以將噪聲分為加性噪聲和非加性噪聲。當(dāng)噪聲對(duì)語(yǔ)音的干擾表現(xiàn)為兩者在時(shí)域上進(jìn)行相加時(shí)，該噪聲被稱為加性噪聲。實(shí)際環(huán)境中背景噪聲可以看做加性噪聲。當(dāng)噪聲和語(yǔ)音在頻域上表象為相乘的關(guān)系，含噪信號(hào)表現(xiàn)在時(shí)域上即為噪聲和語(yǔ)音信號(hào)的卷積。非加性 噪聲可以通過(guò)某種變換轉(zhuǎn)換為加性噪聲，從而用處理加性噪聲的方法處理非加性噪聲。為簡(jiǎn)化討論，本文所分析的噪聲都是加性噪聲。語(yǔ)音處理中的加性噪聲大致上有：周期性噪聲、脈沖噪聲、寬帶噪聲和同聲道的其他語(yǔ)音干擾等。 （一）周期性噪聲 周期性噪聲主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)等周期性運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，電氣干擾，特別是電源交流聲也會(huì)引起周期性噪聲，其特點(diǎn)是在頻域上有許多離散的線譜?？涩F(xiàn)實(shí)環(huán)境中產(chǎn)生的周期性噪聲并非只含線譜分量，還有許多的窄譜。而且往往是時(shí)變的，并與語(yǔ)音信號(hào)頻譜重疊，只有用自適應(yīng)濾波的方法才可以處理這類噪聲。 （二）脈沖噪聲 脈沖噪聲來(lái)源于爆炸、撞擊和放電等，表現(xiàn)為時(shí)域波形中突然出現(xiàn)的窄脈沖。脈沖噪聲不太密，一般容易用內(nèi)插法來(lái)去掉這種噪聲。 （三）寬帶噪聲 寬帶噪聲來(lái)源于熱噪聲、氣流（如風(fēng)、呼吸）噪聲及各種隨機(jī)噪聲源，量化噪聲也可視為寬帶噪聲。平穩(wěn)的寬帶噪聲，通常也可認(rèn)為是白色高斯噪聲；不具有白色頻譜的噪聲，也可以通過(guò)白化處理轉(zhuǎn)化為白噪聲。 （四）同聲道語(yǔ)音干擾 多個(gè)語(yǔ)音信號(hào)在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸相互干擾而產(chǎn)生的現(xiàn)象稱為同聲道語(yǔ)音干擾。根據(jù)人耳的感知特性，一個(gè)較弱的語(yǔ)音信號(hào)會(huì)由于出現(xiàn)一個(gè)更強(qiáng)的語(yǔ)音信號(hào)而被感知閾值掩蔽，即人耳的掩蔽 效應(yīng)。然而，由于人的雙耳輸入效應(yīng)，人耳可以根據(jù)需要分辨出其中某個(gè)人的聲音，這種能力被稱作“雞尾酒會(huì)效應(yīng)”。人的主觀感覺(jué)決定了語(yǔ)音增強(qiáng)的效果，因重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 此，合理的利用人耳的感知特性可以在語(yǔ)音增強(qiáng)中得到更好的增強(qiáng)效果。 三、語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展 正如前面提到的，由于噪聲特性各異，因此語(yǔ)音增強(qiáng)方法也不同。在語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)發(fā)展的 40多年里，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在對(duì)加性噪聲研究了各種語(yǔ)音增強(qiáng)算法。至目前應(yīng)用的方法可分為四種：參數(shù)方法、非參數(shù)方法、統(tǒng)計(jì)方法和其他方法。 （一）參數(shù)方法 此類方法主要依賴于使用的語(yǔ)音生成模型（例如 AR 模型） ，需要提取模型參數(shù)（如基因周期、 LPC 系數(shù)），常常使用迭代方法。如果實(shí)際噪聲或語(yǔ)音條件與模型的有較大的差距或提出模型參數(shù)有困難，這類方法容易失效。常用的濾波器模型有梳狀濾波器，維納濾波器和卡曼濾波器等。 （二）非參數(shù)方法 因?yàn)椴恍枰獜膸г胄盘?hào)中估計(jì)模型參數(shù)，非參數(shù)方法應(yīng)用范圍廣，限制少，但沒(méi)有利用可能的統(tǒng)計(jì)信息，故結(jié)果一般不是最優(yōu)。這種方法包括：譜減法、自適應(yīng)濾波等。 （三）統(tǒng)計(jì)方法 統(tǒng)計(jì)方法較多的利用了語(yǔ)音和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，一般需要建立模型庫(kù)，需要訓(xùn)練過(guò)程獲得初始統(tǒng)計(jì)參數(shù)，它與語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的聯(lián)系很密切。如 最小均方誤差估計(jì)（ MMSE）、聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)等。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，將統(tǒng)計(jì)方法與其他語(yǔ)音增強(qiáng)算法結(jié)合可以得到很好的降噪效果。在小波變換和離散余弦變換中常使用來(lái)尋找合適的閾值參數(shù)，在基于聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)的語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)中葉經(jīng)常使用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定聽(tīng)覺(jué)掩蔽閾值。在對(duì)語(yǔ)音信號(hào)和噪聲信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，選擇合適的統(tǒng)計(jì)方法可以有效地確定語(yǔ)音和噪聲的特征參數(shù)。 （四）其他方法 如小波變換、卡亨南 洛維變換（ KLT）、離散余弦變換（ DCT）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 利用之前的各種方法進(jìn)行語(yǔ)音增強(qiáng)，需要知道噪聲的有一些特征或統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。在沒(méi)有噪聲 先驗(yàn)知識(shí)的情況下，從唯一帶噪語(yǔ)音信號(hào)中分離出語(yǔ)音信號(hào)，這非常困難。小波變換能將信號(hào)在多個(gè)尺度上進(jìn)行小波分解，各尺度上分解所得到的小波變換系數(shù)代表信號(hào)在不同分辨率上的信息。語(yǔ)音信號(hào)和噪聲之間具有不同的 Lipschitz 指數(shù)，即信號(hào)具有正奇異性，而隨機(jī)噪聲具有負(fù)奇異性。這種性質(zhì)在小波變換中，表現(xiàn)為信號(hào)的變換模值隨尺度的增加而增加，隨機(jī)噪聲的變換模值隨尺度的增加而減小。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 二 節(jié) 語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)概況 語(yǔ)言是人類交換信息最方便，最快捷的一種方式 [2]。在這個(gè)信息化高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)，數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的傳送、存儲(chǔ)、 識(shí)別、合成以及增強(qiáng)是現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)中極為重要的組成部分。 語(yǔ)音信號(hào)處理與很多領(lǐng)域的知識(shí)體系都有非常密切的關(guān)系，是語(yǔ)音和數(shù)學(xué)信號(hào)處理這兩個(gè)學(xué)科衍生出來(lái)的邊緣學(xué)科。隨著心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、信息論、密碼學(xué)、模式識(shí)別以及人工智能等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步以及電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理也開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)合成的主要分支。 一、 語(yǔ)音合成 在語(yǔ)音合成技術(shù)的發(fā)展中，早期的研究主要是采用參數(shù)合成方法。但真正具有實(shí)用意義的近代語(yǔ)音合成技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，主要是采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生高清 晰度、高自然度的連續(xù)語(yǔ)音。使用語(yǔ)音合成技術(shù)的好處是不需要事先進(jìn)語(yǔ)音信號(hào)的錄入，只需要根據(jù)建立相應(yīng)的語(yǔ)音合成法則，將需要表達(dá)的內(nèi)容在機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行編碼，自動(dòng)地生成相應(yīng)的語(yǔ)音信號(hào)。相對(duì)于傳統(tǒng)的語(yǔ)音播放系統(tǒng)，語(yǔ)音合成技術(shù)節(jié)省了資源空間并且提高了系統(tǒng)的的可擴(kuò)展性。 現(xiàn)階段語(yǔ)音合成的最大進(jìn)展是已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)地將任意文本 轉(zhuǎn)換 成連續(xù)可懂的自然語(yǔ)句輸出。文語(yǔ)轉(zhuǎn)換使得數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信在終端一級(jí)實(shí)現(xiàn)交融，人們將有望在獲取 Inter信息時(shí)，使短信消息服務(wù)、電子郵件等多數(shù)以文本方式提供的信息也能用語(yǔ)音的方式輸出。語(yǔ)音合成技術(shù)經(jīng) 歷了從參數(shù)合成到拼接合成，再到兩者的逐步結(jié)合，其不斷發(fā)展的動(dòng)力是人們認(rèn)知水平和需求的提高。 二、 語(yǔ)音編碼 語(yǔ)音編碼是將機(jī)器采集來(lái)的模擬語(yǔ)音信號(hào)按照一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，而最簡(jiǎn)單的方法就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 采樣。 語(yǔ)音編碼是通過(guò)減少語(yǔ)音信號(hào)的冗余度和利用人耳掩蔽等特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮， 目的就是在保證一定語(yǔ)音質(zhì)量的前提下，盡可能降低編碼的比特率，以節(jié)省頻率資源。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 三、 語(yǔ)音識(shí)別 語(yǔ)音識(shí)別就是讓機(jī)器能夠識(shí)別和理解人類的語(yǔ)言內(nèi)容，從而轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的文本或命令的技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)具有很多的優(yōu)勢(shì)。比 如，在輸入信息的時(shí)候，直接說(shuō)出語(yǔ)音指令比通過(guò)鍵盤(pán)輸入要更方便很多，在速度上也要快很多。然而語(yǔ)音識(shí)別也有缺陷，它涉及的分類眾多，技術(shù)難點(diǎn)多，環(huán)境影響大，識(shí)別率不高等等，這都是未來(lái)需要解決的難題。 第三節(jié) 課題研究的背景與意義 在語(yǔ)音通信過(guò)程中不可避免地會(huì)受到來(lái)自周?chē)h(huán)境和傳輸媒介引入的噪聲、通信設(shè)備內(nèi)部電噪聲乃至其他說(shuō)話者的干擾。這些干擾最終使得收聽(tīng)者收到的語(yǔ)音已經(jīng)不是純凈的原始語(yǔ)音信號(hào)，而是受到噪聲污染的帶噪語(yǔ)音信號(hào)。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)在背景噪聲很強(qiáng)時(shí)，識(shí)別正確率大大下降；在低速率語(yǔ)音參數(shù)編碼中當(dāng)模型參 數(shù)受到混雜在語(yǔ)音信號(hào)中的背景噪聲嚴(yán)重干擾時(shí)，重建語(yǔ)音質(zhì)量將急劇惡化等等。 語(yǔ)音增強(qiáng)算法的研究對(duì)人的語(yǔ)音感知和聽(tīng)覺(jué)機(jī)理、聽(tīng)覺(jué)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的借鑒仍然是不充分的。一方面是由于神經(jīng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大腦的復(fù)雜作用，使得人們對(duì)聽(tīng)覺(jué)機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)尚處于非常粗淺的階段，另一方面則是因?yàn)檎Z(yǔ)音增強(qiáng)算法的研究人員一般來(lái)自于信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)語(yǔ)音學(xué)、心理學(xué)和生理學(xué)的結(jié)果沒(méi)有給予足夠的重視。所以，語(yǔ)音增強(qiáng)的研究有待于進(jìn)一步的完善和發(fā)展，還具有很大的研究空間和研究?jī)r(jià)值。 第四節(jié) 課題研究的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 本文首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理和語(yǔ) 音增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀做了詳細(xì)的介紹；其次對(duì)幾種常用的語(yǔ)音增強(qiáng)算法進(jìn)行了介紹，接著簡(jiǎn)要的介紹了小波分析的基本原理以及在信號(hào)處理中的應(yīng)用；深入分析了小波閾值降噪算法的原理，最后 利用 MATLAB 軟件進(jìn)行了信號(hào)降噪的模擬仿真實(shí)驗(yàn)。 全文結(jié)構(gòu)如下： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第一章簡(jiǎn)要介紹了語(yǔ)音信號(hào)處理的概況和語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)的基本概念，本文主要的研究?jī)?nèi)部和論文結(jié)構(gòu)； 第二章 深入研究了幾種常見(jiàn)的語(yǔ)音增強(qiáng)算法； 第三章 介紹了小波變換的基本概念以及多分辨小波分析的構(gòu)造，并介紹了小波在信號(hào)處理中的應(yīng)用； 第四章詳細(xì)介紹 Matlab 軟件的功能與應(yīng)用，利用 Matlab 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二章 幾種常用的語(yǔ)音增強(qiáng)方法 第一節(jié) 自適應(yīng)噪聲抵消法 自適應(yīng)噪聲抵消法可以在未知環(huán)境中跟蹤時(shí)變的語(yǔ)音信號(hào) [3]，通過(guò)構(gòu)建自適應(yīng)噪聲濾波器來(lái)估計(jì)噪聲，使增強(qiáng)后的語(yǔ)音信號(hào)達(dá)到最優(yōu)，其原理如圖 ： 圖 自適應(yīng)噪聲抵消法結(jié)構(gòu)圖 如圖 ， s(n)為純凈語(yǔ)音信號(hào)， d(n)為加性平穩(wěn)噪聲， y(n)為帶噪聲語(yǔ)音信號(hào)， r(n)為自適應(yīng)濾波器的參考噪聲輸入， v(n)是該濾波器的輸出。自適應(yīng)濾波器在輸入過(guò)程中，當(dāng)參考噪聲發(fā)生變化時(shí)，可以自適應(yīng)的調(diào)整濾波器參數(shù)，以達(dá)到最佳的語(yǔ)音增強(qiáng)效果。自適應(yīng)濾波器通過(guò)對(duì)輸入 r(n)進(jìn)行處理，使得輸出的噪聲估計(jì) v(n)盡 量逼近噪聲 d(n)，從帶噪聲語(yǔ)音中減去噪聲分量，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音增強(qiáng)的效果。自適應(yīng)濾波器通常采用 FIR 濾波器，以誤差 e(n)最小為標(biāo)準(zhǔn)，濾波器系數(shù)通過(guò)最小均方誤差準(zhǔn)則迭代估計(jì)。誤差的表達(dá)式為： ?? ???????Nk k knrwndnsnvndnsne 1 )()()()(