复倒谱去混响研究

沈阳理工大学信息科学与工程学院 孙 博 梅铁民

复倒谱去混响研究

沈阳理工大学信息科学与工程学院 孙 博 梅铁民

语音信号去混响在通信、语音识别和声源定位方面具有重要意义。首先介绍了混响产生的机理，其次阐述了复倒谱法去混响的基本原理。该方法利用在复倒谱域纯净语音信号和房间冲击响应的复倒谱分布不同的特点去除混响。通过仿真实验，证明该算法在去混响中取得了较好的效果。本文采用的是逆滤波方法中经典的复倒谱域滤波方法。声源信号和房间冲击响应的复倒谱所在位置不同，前者主要集中在中间点较近的位置而后者集中在首尾两端[1]。因此，利用这一差别，在给语音信号分段后去掉信号中的混响部分，之后进行逆操作，完成去混响。

去混响；复倒谱；房间冲击响应；语音信号

1 混响的产生

1.1 混响

理论上，延时50ms以上的反射波产生的效应称为混响，混响不同于噪声等毫不相干的外来干扰信号，混响信号来源于声源信号，是一种有规律的干扰信号。

1.2 混响分析

设s(n)声源发出的语音信号，x(n)为麦克风收到声源直接发射来的语音信号和经过反射后的语音信号：

其中，δ(n)为单位冲激函数，忽略x(n)中的噪声信号u(n)，则x(n)可以表示为：

其中，*表示卷积计算，房间冲击响应h(n)是计算室内混响的重要参数。

2 复倒谱去混响原理

同态处理[2]是将非线性运算变换为线性运算，将卷积运算转化为加法运算的技术，对于一个线性系统来说，其输入输出关系服从叠加原理，设语音信号x(n)由声源激励信号s(n)和房间冲击响应h(n)的卷积构成，则有：

卷积信号经过同态系统后变换成一个处理过的卷积信号，如图1所示。

图1 同态系统模型

图2 冲激响应函数

3 实验方案

实验所用的语音是一段英文录音，采样频率为44100Hz，图2是采用镜像法模拟的房间冲击响应函数。用语音与冲激响应函数做卷积得到混响语音，然后给混响语音分帧，加汉明窗，帧长1024，帧移为256。设计一种倒谱域上的低通滤波器（见图3），经过研究比对，当最高截止点为帧长的1/256，过渡带带宽为帧长的1/16时，得到的去混响效果最好。

图3 低通滤波器

4 仿真结果分析

分帧后，对每一帧语音信号的倒谱进行滤波。图4以第10帧信号的倒谱为例，引入混响后的语音信号的倒谱图较之前有了变化，滤波后的倒谱图的中部变平了。图5中的波形由上至下依次为原始语音、加混响后语音和去混响后语音的时域波形，从中可以看出，加混响后的语音波形较原始语音发生了变化，而去混响后的语音波形还原了原始语音的一些细节。

图4 加混响前后及滤波前后的语音信号倒谱图

图5 去混响前后语音时域波形对比图

表1 去混响性能改善评测表

本文采用主观和客观两类评测方法，客观评价方法包含时域和频域两类评测指标，分别是信混噪比改善△SRNR，这是一种时域的评测标准，还有线性预测倒谱系数距离改善△LPCC和MEL频率倒谱系数距离改善△MFCC[3]，这是两种频域评测指标。其中，△SRNR反映信号在时域波形上的失真度，能够很直观的反映问题。△LPCC和△MFCC是从频域方面模拟人耳的听觉特性。

表1是采用复倒谱法去混响实验中应用两类评测方法所得出的结果，客观评测指标数值越高表明去混响效果越好，主观评测指标则是按照优、良、中、差、劣五个等级来说明，可以看出语音去混响有一定效果。

5 结束语

研究了混响是如何产生的以及混响的特性，论述同态信号处理的原理，说明了复倒谱法去混响的原理和运算方法，依据在复倒谱域上混响信号与语音信号所在位置不同的特征，设计出了适用的低通滤波器来减弱房间冲击响应对声音信号的干扰。分析了评价去混响效果的主观和客观的评测指标，并给出了评测结果，证明复倒谱去混响的方法起到了一定效果。

[1]张德会,陈光治.复倒谱域语音信号去混响研究[J].声学技术,2009,28(1).

[2]张雪英.数字语音处理及MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2016.

[3]宋知用.MATLAB在语音信号分析与合成中的应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013.