多通道语音增强方法的研究与硬件实现

论文摘要

在语音通信、电话视频会议等系统的声音拾取过程中,不可避免地会受到外界环境的影响而使通话质量下降,严重时甚至使语音处理系统不能正常工作。为了对带噪语音信号进行增强处理,以抑制环境噪声,提高语音质量,多年来,寻求各种优良的语音增强方法已经成为学者们不懈努力的方向。本文在前人研究工作的基础上,主要从以下两个方面对语音增强方法进行了研究,并设计实现了基于TMS320VC5509 DSP的四通道语音信号采集系统:研究了基于收缩函数后置处理的经验模式分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）语音增强方法。经验模式分解将信号中真实存在的不同尺度的波动或趋势逐级分解出来,最终用瞬时频率和能量来表征原信号。本文给出一种利用经验模式分解来分离出噪声成分,采用收缩函数后置处理来进一步提高EMD方法去噪性能的方法。仿真实验结果表明了该方法的有效性。研究了基于四阶统计量语音活动性检测（Voice Activity Detection,VAD）的多通道信号子空间（Multi-Microphone Signal Subspace,MMSS）语音增强方法.首先,通过计算每帧带噪语音子带的平均四阶统计量,对该帧信号进行VAD检测;然后,采用多通道语音信号子空间算法仅对语音帧进行处理,以降低MMSS方法的计算量。同时,将单通道子空间中计算拉格朗日算子的短时信噪比公式进行修正后应用于麦克风阵列信号子空间分解,进一步提高了方法的去噪性能。仿真实验结果表明了本文提出方法的有效性。在SEED-DSK5509开发板的基础上,增加了一个音频编解码模块,实现了4通道音频信号的采集,为理论研究和进一步实现多通道语音增强方法的实际应用提供了硬件平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 语音增强技术研究概述
• 1.2 Hilbert-Huang变换概述及其发展现状
• 1.3 麦克风阵列语音增强技术及其主要方法概述
• 1.3.1 麦克风阵列技术概述
• 1.3.2 麦克风阵列技术的主要方法
• 1.4 基于DSP的四通道语音采集系统的实现
• 1.5 本文的主要工作及各章节安排
• 2 语音增强理论概述
• 2.1 噪声及噪声场特性
• 2.1.1 噪声特性
• 2.1.2 噪声场特性及其分类
• 2.2 语音信号基本特性及其声学模型
• 2.2.1 语音信号基本特性
• 2.2.2 声学模型
• 2.3 语音信号的数字化处理
• 2.4 语音增强系统的性能评价方法
• 2.4.1 主观评测方法
• 2.4.2 客观评测方法
• 2.5 本章小结
• 3 经验模式分解在语音增强领域的应用初探
• 3.1 HHT的实现原理
• 3.1.1 EMD方法
• 3.1.2 Hilbert变换
• 3.1.3 EMD仿真实验分析
• 3.2 影响EMD方法性能的因素讨论
• 3.2.1 包络极值延拓法消弱边界效应
• 3.2.2 滤波停止判决准则的选择
• 3.3 改进的EMD语音增强方法
• 3.4 仿真实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于信号子空间分解的多通道语音增强方法
• 4.1 基于信号子空间语音增强理论
• 4.1.1 信号模型及其表述
• 4.1.2 子空间分解语音增强算法
• 4.1.3 多通道信号子空间分解算法
• 4.2 改进的多通道子空间分解语音增强算法
• 4.2.1 语音活动性检测
• 4.2.2 多通道子空间分解中对拉格朗日算子的修正
• 4.3 仿真实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 基于TMS320VC5509 DSP的四通道语音采集系统的研究与实现
• 5.1 TMS320C55x系列DSP及SEED-DSK5509开发板简介
• 5.2 四通道语音采集系统的硬件设计
• 5.2.1 时钟发生器
• 5.2.2 内部集成电路模块（I2C）
• 5.2.3 多通道缓存串口（McBSP）
• 5.2.4 音频编解码模块（Codec）
• 5.3 四通道语音采集系统的软件设计
• 5.3.1 软件设计流程
• 5.3.2 各模块初始化设置
• 5.3.3 PC机的串口通信程序设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢