基于matlab的语音增强算法仿真研究开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语言是人类特有的功能,声音是人类常用的工具,是相互传递信息的最主要的手段。因此,语音信号是人们构成思想沟通和感情交流的最主要的途径。并且,由于语言和语音与人的智力活动密切相关,与社会文化和进步紧密相连,所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平。现在,人类已开始进入了信息化时代,用现代手段研究语音处理技术,使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息,这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。

直接利用语音信号进行人机对话,作为一种自然的、方便的控制和通信手段,已经广泛地应用到各个实用领域,并已证明其有效性。同时,语音信号作为信息的最普遍、最直接的表达方式,在许多领域具有广泛的应用前景。然而在现实环境下语音信号处理的关键是抗噪声技术,噪声的消减对语音识别、低码率符号化等有很强的实用价值。

现实生活中的语音不可避免地要受到周围环境的影响,很强的背景噪声例如机械噪声、其他说话者的话音等均会严重地影响语音信号的质量。此外传输系统本身也会产生各种噪声,因此接收端的信号为带噪语音信号。由于受到环境噪声的影响,语音通信过程中的干扰是不可避免的,从周围的环境引发的噪声会严重影响电子通信设备的语音信号采集。因为这些干扰,最终接收到的声音将不会是纯净的原始语音信号,而是受噪声污染的语音信号。例如,安装在汽车,飞机,船只,机场内的公共电话,干扰往往是由强背景噪声引起的,严重影响通信的质量。混叠在语音信号中的噪声按类别可分为加性噪声(环境噪声等)和乘性噪声(残响及电器线路干扰等);按性质可分为平稳噪声和非平稳噪声。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标

本论文主要研究对如何对语音信号进行增强,运用数字信号处理及数字语音分析的理论知识和基本原理实现语音信号的处理,在Matlab的环境下使用数字语音信号处理的方法进行语音的录制、有效提取、去噪、增强处理。

  1. 研究数字语音信号处理的理论知识,学习并掌握基本的语音信号处理相关的Matlab编程方法和语音增强的相关算法。

  2. 在Matlab中设计代码来实现录制一段包含噪声的声音。

  3. 在Matlab中设计代码来实现对目标语音信号中的有效语音提取以及去除噪声处理。

  4. 在Matlab环境中设计代码将提取出的有效语音信号进行语音增强,并且设计语音增强算法的工作流程,并对其算法进行优缺点分析。

  5. 将结果图显示来验证研究是否成功。

    预期目标

    将一段带有噪声的语音片段成功地在Matlab环境下改进为无噪声且语音强度增加的信号。

2.2技术方案及措施

通过使用Matlab平台编写算法代码来实现语音的录制、有效提取、去噪和增强,录制一段音频,将需要处理的语音片段内的噪声部分去除,保留所需要的语音部分并且进行增强处理。本次任务将基于谱减法或是基于维纳滤波法,选择其一效果较好的算法完成任务并且对其优缺点进行分析,通过显示结果图,可以清楚看出成功地对目的语音进行去除噪声和增强。

2.2.1减谱法

减谱法是处理宽带噪声较为传统和有效的方法,其基本思想是在假定加性噪声与短时平稳的语音信号相互独立的条件下,从带噪语音的功率谱中减去噪声功率谱,从而得到较为纯净的语音频谱。具体实施原理图如图2.1。


图2.1 减谱法步骤图

2.2.2维纳滤波降噪

一个线性系统,如果它的单位样本响应为h(n),当输入一个随机信号x(n),且

其中s(n)表示信号,表示噪声,则输出y(n)为

我们希望x(n)通过线性系统h(n)后得到的y(n)尽量接近于s(n),因此称y(n)为s(n)的估计值,用表示,即

维纳滤波器的输入—输出关系为:

如上图所示。这个线性系统h(n)称为对于s(n)的一种估计器。

如果我们以s(n)与分别表示信号的真值与估计值,而用e(n)表示它们之间的误差,即

显然,e(n)可能是正的,也可能是负的,并且它是一个随机变量。因此,用它的均方值来表达误差是合理的,所谓均方误差最小即它的平方的统计平均值最小:

最小

已知希望输出为:

误差为:

均方误差为:

上式对求导得到:

进一步得:

从而有:

于是就得到N个线性方程:

写成矩阵形式为:

简化形式:

其中:是滤波器的系数

是互相关序列

是自相关矩阵

由上可见,设计维纳滤波器的过程就是寻求在最小均方误差下滤波器的单位脉冲响应或传递函数的表达式,其实质就是解维纳-霍夫(Wiener-Hopf)方程。另外,设计维纳滤波器要求已知信号与噪声的相关函数。


3. 研究计划与安排

1)第1-4周:查阅与课题相关的中英文文献,了解课题背景意义和研究内容,制定设计方案和计划。

2)第5-6周:完成开题报告的撰写。

3)第7-12周:熟悉相关理论知识、设计工具和计算机语言。初步设计,编写所需要的语言程序和设计图。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]胡航.《现代语音信号处理》.电子工业出版社.2014.7.

[2]李如玮,鲍长春,窦慧晶.基于小波变换的语音增强算法综述[j],《数据采集与处理》2009第3期

[3]陈垚光.精通matlab gui设计,电子工业出版社,2013.

[4]尹栋,蒋涉权等,语音增强算法综述及性能分析[j],《电声技术》2015年第5期

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