CN102332269A - 呼吸面具中呼吸噪声的消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，包括如下步骤：a)采样呼吸面具中的语音信号，分成10～30ms的语音帧；b)计算每个语音帧的短时能量和过零率；c)当一个语音帧的短时能量和过零率同时高于或等于预定的阈值水平时时判定为呼吸噪声帧，将该语音帧置零；d)将处理后的部分重叠的语音帧合并，得到去除呼吸噪声后的语音信号。本发明提供的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，通过结合语音帧的短时能量和过零率来判断噪声，达到减少或消除呼吸噪声，从而既能使戴面具人员的讲话不失真，又能避免对现有面具进行额外的硬件改装，降低成本。

Description

呼吸面具中呼吸噪声的消除方法

技术领域

本发明涉及一种语音噪声消除方法，尤其涉及一种呼吸面具中呼吸噪声的消除方法。 

背景技术

在某些特殊的场合，需要佩戴空气呼吸面罩工作。比如消防人员救火，有毒气体泄露，潜水员潜水等等。早期的消防员或潜水人员在工作中与指挥中心没有语音通信。后来，出于安全、协调工作等原因，消防人员与指挥中心、潜水员与水面工作人员间需要建立可靠的信息联系。目前我国大多数消防系统是通过对讲机实现消防人员与指挥中心的联络的。但是由于头戴呼吸器，嘴部一般包含在面罩内，对讲的效果较差。为了实现可靠的消防或潜水指挥，需要用到专用的面具内语音通信产品。 

现代电信系统已经相当成熟，普通语音通信系统的语音通信效果比较理想，但当一个人戴上呼吸面罩要与其它的人交流时，其可以通过放在面罩空腔中靠近嘴部位置的麦克风来采集，然后通过有线或无线通信系统传送出去。正如任何其他语音通讯系统，其基本组成是一个源（用麦克风把声音信号编码为电信号），一个信道（有线或无线信道），和一个目标（通过耳机接收已解码的语音信号）。但涉及到呼吸面罩，这里存在与传统话音通信系统不一样的特殊问题：来自于面罩内的话音信号的质量较差。这是因为要在面罩内（一个小谐振腔里）放置一个麦克风，面罩里的空气流动会影响到话音信号，因此使麦克风产生的信号失真。这种由空气流动引起的噪声跟面罩中人的呼吸密切相关，因此称为呼吸噪声。当在正常的空气环境下（而非戴着呼吸面罩）说话时，并不会产生呼吸噪声，只生产大小远小于呼吸噪声的普通噪声。呼吸噪声跟普通通信系统中的噪声相比要大很多，是戴面罩人员与他人语音通信系统中的关键噪声。如何消除呼吸噪声是长久以来的技术难题。 

现有的呼吸噪声可以通过硬件电路用模拟的方法来消除。一种方法是将采集到的带噪语音信号通过一个中心频率为呼吸噪声频率的带通滤波器，然后整流并积分。如果积分信号超过了一个预先设定的阈值说明存在呼吸噪声，此时衰减器将激活以消除噪声。这种方法的理论依据是呼吸噪声的信号振幅比任何语音信号的振幅都要大。另一种方法是采用两个麦克风，一个放在面具内，另一个放在调压器内以采集噪声。采集噪声的麦克风被包起来以检测不到戴面具人员的说话声，但能检测到空气引起的呼吸噪声。当从噪声麦克风检测到人在呼吸时，激活衰减器来消除呼吸噪声。上述方法对面具和调压器需要用额外的硬件改装，不但涉及到安全问题，而且我国的消防系统已配备了大量的不具有语音通信功能的呼吸面具，因此有必要提供独立于面具的可滤除呼吸噪声的语音通信方法，节约设备购置和改装费用。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，采用数字信号处理减少或消除呼吸噪声，从而既能使戴面具人员的讲话既不失真，又能避免对现有面具进行额外的硬件改装，降低成本。 

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，包括如下步骤：a) 采样呼吸面具中的语音信号，分成10～30ms的语音帧；b) 计算每个语音帧的短时能量和过零率；c) 当一个语音帧的短时能量和过零率同时高于或等于预定的阈值水平时将该语音帧置零；d) 将处理后的部分重叠的语音帧合并，得到去除呼吸噪声后的语音信号。 

上述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其中，所述步骤a)中的语音信号采用通频带为1～4 kHz有限脉冲响应滤波器减弱高频噪声及浊音。 

上述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其中，所述步骤b)中的语音短帧的短时能量E(k)计算如下： 

；其中，y(n) 是输入信号，N 是一帧的取样点数，k 是帧数。

上述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其中，所述步骤b)中的语音短帧的过零率ZCR(k)计算如下： 

；其中，y(n) 是输入信号，N 是一帧的取样点数，k 是帧数,sign[y(n)]为符号函数，当y(n)≥0时，sign[y(n)]＝1；当y(n)﹤0时，sign[y(n)]＝－1。

上述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其中，所述步骤a)中的语音帧的帧长取为22.5毫秒。 

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，通过结合语音帧的短时能量和过零率来判断噪声，达到减少或消除呼吸噪声，从而既能使戴面具人员的讲话不失真，又能避免对现有面具进行额外的硬件改装，降低成本。 

附图说明

图1为本发明呼吸面具中呼吸噪声的消除方法流程示意图。 

  

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。 

呼吸面具中产生的带噪语音信号中，语音信号和呼吸噪声在时域是相互排斥的，因为一个人无法同时说话和吸气。因此如果能将语音区间和呼吸噪声区间分开就能达到消除呼吸噪声的目的。 

一般来说，调压器里的空气流在面具腔里产生高幅度的声音，因此，呼吸噪声幅值比语音信号幅度高，因而呼吸噪声能量大小相对比语音信号能量高。这表明，能量测量适用于检测呼吸噪音。因而，对一短时语音帧计算其短时平均能量，就可以区分此帧属于语音帧还是呼吸噪声帧。 

另外，经研究证明，在频域，呼吸噪声的特点是频谱占据整个1～4 kHz频段，而语音信号，由清音和浊音组成，清音段（以清音为主要成份的语音段），其能量比浊音段（以浊音为主要成份的语音段）小得多。此外，发浊音时，其语音能量约集中于1kHz以下，而发清音时，多数能量出现在较高频率上（1～3kHz）。因此，呼吸噪声的频率范围与语音信号的频率范围有很大一部分是重叠的，简单地运用带通滤波器无法将语音信号与呼吸噪声分开。但是，呼吸噪声的平均频率比语音信号的平均频率高。由于信号的平均频率可以由其平均过零率来表征,即可认为语音信号时具有较低的平均过零率，而呼吸噪声具有较高的平均过零率。这意味着，语音信号的平均过零率可用于检测呼吸噪音。短时过零率较大的是呼吸噪声帧，短时过零率较小的是语音帧。 

为了从语音信号中区别呼吸噪声区间，单独使用能量或过零率测量并不适当。如果只测量了能量，浊音可能被确定为呼吸噪音。如果只测量过零率，清音也可被识别为呼吸噪音。本发明采用了这两种方法相结合来消除呼吸噪声，如图1所示，具体处理步骤如下： 

S1：采样呼吸面具中的语音信号，包括呼吸噪音和语音，进入步骤S2。

S2：由于呼吸噪声占有较宽带宽，通常为1～4 kHz，采样到的输入信号先输入到一个20抽头有限脉冲响应（FIR）滤波器，其通频带为1～4 kHz，浊音因此被削弱而且由它引入的检测误差被最小化（因为浊音的频率范围一般在1kHz以下，因此用通频带为1～4kHz的滤波器将滤除大部分浊音的影响，从而使语音段的能量下降，加大语音段与呼吸噪声段能量的区别，以提高判别的正确率。另外由于音频一般在0～4kHz频率范围内，这个滤波器还可以消除高频噪声），进入步骤S3。 

S3：然后将语音信号分为10～30ms的语音帧,优选22.5毫秒的短帧。进入步骤S4。 

S4：运用下面的公式计算短时能量E和过零率ZCR： 

其中，y(n) 是输入信号，N 是一帧的取样点数，k 是帧数；当k=0时，计算出的E(0)就是第0帧的短时能量，此帧包含y(0)到y(N-1)一共N个样值点，求每点的值的平方和就是能量。N是一帧的取样点数，跟一帧信号的长度（22.5ms）及抽样速率有关（等于帧长乘以抽样速率）。当k=1时，计算出的E(1)就是第1帧的短时能量，此帧包含y(N)到y(2N-1)一共N个样值点。

sign[y(n)]为符号函数，当y(n)≥0时，sign[y(n)]＝1；当y(n)﹤0时，sign[y(n)]＝－1；这个计算过零率的式子其实算的是每帧信号符号改变的次数。对于信号而言，每改变一次符号就会经过一次零点，因此符号改变的次数即为过零点的次数。在固定的时间长度内，频率越高则过零点的次数越多。因此过零率可以代表频率的高低。进入步骤S5。 

S5：当一个语音帧的能量和过零率同时高于或等于预定的阈值水平，此帧被假定为呼吸噪音，进入步骤S6。 

S6：将呼吸噪音帧置零，进入步骤S7。 

S7：重组语音信号。 

采用本发明提供的噪声消除方法后，呼吸噪音被消除，只留下语音，呼吸噪声被消除，在以前受噪音占领的语音区间上为无声段，讲话的清晰度很好，词和句子可以被清楚地辨别。 

语音分帧的大小是根据人类语音及呼吸的时间特点来确定，如果每一帧时间太大，一帧信号里同时包含了语音和呼吸噪声，会使两种帧的区别变小，如果这样的帧被判断为语音帧将保留部分呼吸噪声；如果这样的帧被判别为呼吸噪声帧被置零，将使部分语音也被消除，从而影响效果。反之，如果一帧时间过短，会使算法的复杂性增加，影响处理速度。因此对语音一般的短时处理每帧的长度在10～30毫秒之间，本发明优选22.5毫秒。另外,过零率和短时能量阈值可以根据实际系统调试而得，针对一般的呼吸面具，采用22.5毫秒的语音帧，过零率阈值大概为30～35，短时能量阈值小于等于十万。 

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。 

Claims (5)

1.一种呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a) 采样呼吸面具中的语音信号，分成10～30ms的语音帧；

b) 计算每个语音帧的短时能量和过零率；

c) 当一个语音帧的短时能量和过零率同时高于或等于预定的阈值水平时判定为呼吸噪声帧，将该语音帧置零；

d) 将处理后的部分重叠的语音帧合并，得到去除呼吸噪声后的语音信号。

2.如权利要求1所述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其特征在于，所述步骤a)中的语音信号采用通频带为1～4 kHz有限脉冲响应滤波器消弱浊音。

3.如权利要求1所述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其特征在于，所述步骤b)中的语音短帧的短时能量E(k)计算如下：

；其中，y(n) 是输入信号，N 是一帧的取样点数，k 是帧数。

4.如权利要求1所述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其特征在于，所述步骤b)中的语音短帧的过零率ZCR(k)计算如下：

；其中，y(n) 是输入信号，N 是一帧的取样点数，k 是帧数,sign[y(n)]为符号函数，当y(n)≥0时，sign[y(n)]＝1；当y(n)﹤0时，sign[y(n)]＝－1。

5.如权利要求1～4任一项所述的呼吸面具中呼吸噪声的消除方法，其特征在于，所述步骤a)中的语音帧的帧长为22.5毫秒。

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