CN103093756A - 舒适噪声生成方法及舒适噪声生成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种舒适噪声生成方法及舒适噪声生成器。本发明中，不再对增益因子和LPC系数分别进行估计，而且结合LPC系数及目标能量，共同估计该增益因子，从而尽可能保证背景噪声和生成的舒适噪声的能量接近，解决了舒适噪声生成器所生成的噪声与实际背景噪声之间的能量不匹配问题，进而使得生成的舒适噪声能量更加贴近背景噪声，提高了主观感受。

Description

舒适噪声生成方法及舒适噪声生成器

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及舒适噪声的生成技术。

背景技术

舒适噪声一般用于替换由非线性处理引入的杂音或是断续，采用生成的舒适背景噪声来代替这一部分，用以增强主观感受。传统的舒适噪声器对线性预测编码(Linear Predicted Coding，简称“LPC”)滤波器系数和增益分别进行估计，根据估计的LPC系数和增益因子，生成舒适噪声，生成的舒适噪声y[n]的能量需要接近于背景噪声x[n]的能量。

具体地说，传统的舒适噪声生成器(Comfort Noise Generator，简称CNG)如图1所示，通过语音激活检测(Voice Activity Detection，简称“VAD”)获取真实的背景噪声，然后采用Levinson-Dubin算法分析其LPC系数，另外还需要估计系统的增益，最后将伪随机序列生成器生成的激励信号经过LPC滤波器及增益器获得合成的舒适噪声。然而，该方案存在以下问题：

共同构成生成舒适噪声y[n]的因素：LPC滤波器系数和增益因子，是分别估计的，即增益因子G值不依赖于LPC系数，很容易导致生成的舒适噪声与目标背景噪声存在较大偏差。而且对于增益因子的简单估计，也将进一步扩大生成的舒适噪声与目标噪声的偏差。

也就是说，传统的舒适噪声器虽然解决了断续问题，但是容易造成生成的舒适噪声能量与前后背景噪声能量不匹配，进而背景噪声表现为忽大忽小，主观感受为背景噪声不平稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种舒适噪声生成方法及舒适噪声生成器，使得合成得到的舒适噪声能量能更加贴近背景噪声，提高了主观感受。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种舒适噪声生成方法，包含以下步骤：

对背景噪声进行分析，获取所述背景噪声的线性预测编码LPC滤波器系数；

对获取的所述LPC滤波器系数进行离散傅里叶变换，得到LPC滤波器系数的频谱；

根据所述LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子；

根据所述LPC滤波器系数和计算的所述增益因子，生成舒适噪声。

本发明的实施方式还提供了一种舒适噪声生成器，包含：

滤波器系数获取模块，用于对背景噪声进行分析，获取所述背景噪声的线性预测编码LPC滤波器系数；

离散傅里叶变换模块，用于对所述滤波器系数获取模块获取的所述LPC滤波器系数进行离散傅里叶变换，得到LPC滤波器系数的频谱；

增益因子计算模块，用于根据所述LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子；

生成模块，用于根据所述滤波器系数获取模块获取的所述LPC滤波器系数和所述增益因子计算模块计算的增益因子，生成舒适噪声。

本发明实施方式相对于现有技术而言，对背景噪声的LPC滤波器系数进行离散傅里叶变换，使用LPC滤波器系数的频谱计算生成舒适噪声时所需的增益因子，根据所述LPC滤波器系数和计算的所述增益因子，生成舒适噪声。由于不再对增益因子和LPC系数分别进行估计，而且结合LPC系数及目标能量，共同估计该增益因子，从而尽可能保证背景噪声和生成的舒适噪声的能量接近，解决了舒适噪声生成器所生成的噪声与实际背景噪声之间的能量不匹配问题，进而使得生成的舒适噪声能量更加贴近背景噪声，提高了主观感受。

另外，离散傅里叶变换为快速傅里叶变换FFT。通过FFT实现LPC系数的傅里叶变换，可以有效降低计算复杂度，提高舒适噪声的生成效率。

另外，在对背景噪声进行分析时，每隔预定帧数进行一次分析，获取背景噪声的LPC滤波器系数；或者，在对背景噪声进行分析时，对预定帧数的背景噪声进行分析，获取的LPC滤波器系数为预定帧数的平均LPC滤波器系数，目标功率为预定帧数的平均目标功率。由于噪声具备一定的平稳性，因此可以每隔若干帧(4帧、10帧等)或者采用这段时间内的平均值(平均目标能量，平均LPC系数等)来生成舒适噪声，以进一步降低计算复杂度，提高舒适噪声的生成效率。

附图说明

图1是根据现有技术中传统的舒适噪声生成示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的舒适噪声生成方法流程图；

图3是根据本发明第一实施方式的舒适噪声生成方法示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的舒适噪声生成器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种舒适噪声生成方法。在本实施方式中，不再单独估计该增益因子，而是联合LPC系数及目标能量，共同估计该增益因子，从而尽可能保证背景噪声x[n]和生成的舒适噪声y[n]的能量接近。

具体流程如图2所示，在步骤210中，对背景噪声进行分析，获取背景噪声的LPC滤波器系数。

具体地说，如图3所示，通过VAD获取真实的背景噪声，然后采用Levinson-Dubin算法对背景噪声(如一帧内的背景噪声)进行分析，获取背景噪声的LPC滤波器系数。使用Levinson-Dubin算法得到的LPC滤波器通常采用全极点模型，频域响应为：

$H\left(e^{\mathrm{jw}}\right)=\frac{1}{1+\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n{e}^{-\mathrm{jwn}}}=\frac{1}{C\left(e^{\mathrm{jw}}\right)}$ 公式1

公式1中

c_n为LPC滤波器系数，M为LPC滤波器的阶数。本步骤与现有技术雷同，在此不再赘述。

接着，在步骤220中，对获取的LPC滤波器系数进行离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transformation，简称“DFT”)，得到LPC滤波器系数的频谱。具体地，可通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，简称“FFT”)实现对获取的LPC滤波器系数的傅里叶变换，得到LPC滤波器系数的频谱。

接着，在步骤230中，根据LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子。

具体地说，由于舒适噪声y[n]生成的过程可以用频域表达式(公式2)描述，其中E(e^jw)，Y(e^jw)分别为伪随机序列产生器产生的激励信号e[n]和生成的舒适噪声y[n]的频域形式，G为增益因子。

$Y\left(e^{\mathrm{jw}}\right)=\mathrm{GH}\left(e^{\mathrm{jw}}\right)E\left(e^{\mathrm{jw}}\right)=\frac{G}{C\left(e^{\mathrm{jw}}\right)}E\left(e^{\mathrm{jw}}\right)$ 公式2

由于激励信号e[n]为随机过程，输出噪声信号y[n]和激励信号e[n]的功率谱密度之间的关系为：

P_Y(e^jw)＝G²|H(e^jw)|²P_E(e^jw)                   公式3

公式3中，P_Y(e^jw)表示生成的舒适噪声y[n]的功率谱密度，P_E(e^jw)表示激励信号e[n]的功率谱密度。激励信号e[n]的功率谱密度P_E(e^jw)通常为白噪声，令为故总功率为：

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{y}^2\left[n\right]=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{P}_Y\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\mathrm{dw}$

$=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{G}^2{\left|H\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\right|}^2{P}_E\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\mathrm{dw}$ 公式4

$=G^2{\mathrm{\σ}}_E^2\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\left|H\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\right|}^2\mathrm{dw}$

其中，

为生成的舒适噪声的功率(即目标功率P_X)。

另外，由于希望所获得舒适噪声的功率

与实际噪声功率

接近，因此，在本实施方式中，直接将背景噪声的功率作为目标功率P_X，即

因此，根据公式4，最终的增益因子可以化简为：

$G=\sqrt{\frac{P_X/{\mathrm{\σ}}_E^2}{\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\left|H\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\right|}^2\mathrm{dw}}}$ 公式5

因此，在步骤230中，根据公式

计算增益因子G，该公式中的P_X表示目标功率，从公式5可以看出，由于目标功率已知，伪随机序列的功率也已知，也就是说，只需求得分式的分母，即可求得增益因子。下面对分式的分母即

的求取方式进行说明。

LPC滤波器通常具备稳定性，故其脉冲响应h[n]为一能量有限信号，由Parseval定理可知：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\left|H\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\right|}^2\mathrm{dw}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{h}^2\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\right[k\left]\right|}^2$ 公式6

其中，N为离散傅里叶变换的长度，通常取N≥M，将

代入公式1即可得到：

$H\left[k\right]=\frac{1}{C\left[k\right]}=\frac{1}{1+\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}}}$ 公式7

根据公式7，公式6可以转化为：

$\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\right[k\left]\right|}^2=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left|C\right[k\left]\right|}^2}$ 公式8

也就是说，利用在步骤220中得到的LPC滤波器系数的频谱，通过公式6、7、8求得然后再根据公式5求得增益因子，如图3所示。

接着，在步骤240中，根据LPC滤波器系数和计算的增益因子，生成舒适噪声，即将伪随机序列生成器生成的激励信号经过LPC滤波器及增益器生成舒适噪声，如图3所示。本步骤与现有技术相同，在此不再赘述。

不难发现，在本实施方式中，由于不再对增益因子和LPC滤波器系数分别进行估计，而且结合LPC滤波器系数及目标能量，共同估计该增益因子，从而尽可能保证背景噪声和生成的舒适噪声的能量接近，解决了舒适噪声生成器所生成的噪声与实际背景噪声之间的能量不匹配问题，进而使得生成的舒适噪声能量更加贴近背景噪声，提高了主观感受。

而且，由于在实际应用中，LPC滤波器阶数M通常不是很高(4～12)，典型的N值可取16、32、64等，利用FFT大概需要复乘

次，复加Nlog₂N次，可以有效降低计算复杂度，提高舒适噪声的生成效率。另外，在本实施方式中，只需进行一次傅里叶变换，所以也可以直接使用DFT定义式进行分解。使用DFT大概需要复乘N²/2次，复加N(N-1)/2(考虑了对称性)。

值得一提的是，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明的第二实施方式涉及一种舒适噪声生成方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上，进一步利用了噪声较平稳的特性。

具体地说，在本实施方式中，并不需要对每一帧的背景噪声进行分析，而是每隔预定帧数(如4帧，10帧等)进行一次分析，获取一次背景噪声的LPC滤波器系数。获取到LPC滤波器系数后的流程与第一实施方式相同，在此不再赘述。

或者，在本实施方式中，在对背景噪声进行分析时，对预定帧数的背景噪声进行分析，获取的LPC滤波器系数为预定帧数的平均LPC滤波器系数，当然，在这种情况下，当计算增益因子时，所用到的目标功率也是预定帧数的平均目标功率。

由于噪声具备一定的平稳性，因此可以每隔若干帧(4帧、10帧等)或者采用这段时间内的平均值(平均目标能量，平均LPC系数等)来生成舒适噪声，以进一步降低计算复杂度，提高舒适噪声的生成效率。

本发明第三实施方式涉及一种舒适噪声生成器，如图4所示，包含：

滤波器系数获取模块，用于对背景噪声进行分析，获取所述背景噪声的线性预测编码LPC滤波器系数。

离散傅里叶变换模块，用于对所述滤波器系数获取模块获取的所述LPC滤波器系数进行离散傅里叶变换，得到LPC滤波器系数的频谱。离散傅里叶变换可具体为快速傅里叶变换FFT。

增益因子计算模块，用于根据所述LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子。

生成模块，用于根据所述滤波器系数获取模块获取的所述LPC滤波器系数和所述增益因子计算模块计算的增益因子，生成舒适噪声。

其中，增益因子计算模块根据公式

计算所述增益因子G。公式中的P_X表示目标功率(可直接将背景噪声的功率作为所述目标功率)，

为激励信号e[n]的功率谱密度，N为离散傅里叶变换长度，C[k]表示LPC滤波器系数的第k个频点的频谱。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第四实施方式涉及一种舒适噪声生成器。第四实施方式在第三实施方式的基础上，进一步利用了噪声较平稳的特性。

具体地说，在本实施方式中，滤波器系数获取模块在所述对背景噪声进行分析时，每隔预定帧数进行一次所述分析，获取所述背景噪声的LPC滤波器系数。或者，所述滤波器系数获取模块在所述对背景噪声进行分析时，对预定帧数的背景噪声进行所述分析，获取的所述LPC滤波器系数为所述预定帧数的平均LPC滤波器系数，此时，所述目标功率为所述预定帧数的平均目标功率。

不难发现，本实施方式为与第二实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种舒适噪声生成方法，其特征在于，包含以下步骤：

对背景噪声进行分析，获取所述背景噪声的线性预测编码LPC滤波器系数；

对获取的所述LPC滤波器系数进行离散傅里叶变换，得到LPC滤波器系数的频谱；

根据所述LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子；

根据所述LPC滤波器系数和计算的所述增益因子，生成舒适噪声。

2.根据权利要求1所述的舒适噪声生成方法，其特征在于，根据所述LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子的步骤中，包含以下子步骤：

根据公式

计算所述增益因子G；

其中，P_X表示目标功率，

为激励信号e[n]的功率谱密度，，N为离散傅里叶变换的长度，C[k]表示LPC滤波器系数的第k个频点的频谱。

3.根据权利要求1所述的舒适噪声生成方法，其特征在于，

所述离散傅里叶变换为快速傅里叶变换FFT。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的舒适噪声生成方法，其特征在于，在所述对背景噪声进行分析时，每隔预定帧数进行一次所述分析，获取所述背景噪声的LPC滤波器系数。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的舒适噪声生成方法，其特征在于，在所述对背景噪声进行分析时，对预定帧数的背景噪声进行所述分析，获取的所述LPC滤波器系数为所述预定帧数的平均LPC滤波器系数；

所述目标功率为所述预定帧数的平均目标功率。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的舒适噪声生成方法，其特征在于，直接将背景噪声的功率作为所述目标功率。

7.一种舒适噪声生成器，其特征在于，包含：

滤波器系数获取模块，用于对背景噪声进行分析，获取所述背景噪声的线性预测编码LPC滤波器系数；

离散傅里叶变换模块，用于对所述滤波器系数获取模块获取的所述LPC滤波器系数进行离散傅里叶变换，得到LPC滤波器系数的频谱；

增益因子计算模块，用于根据所述LPC滤波器系数的频谱、目标功率和激励信号的功率谱密度，计算增益因子；

生成模块，用于根据所述滤波器系数获取模块获取的所述LPC滤波器系数和所述增益因子计算模块计算的增益因子，生成舒适噪声。

8.根据权利要求7所述的舒适噪声生成器，其特征在于，所述增益因子计算模块根据公式计算所述增益因子G；

其中，P_X表示目标功率，为激励信号e[n]的功率谱密度，N为离散傅里叶变换的长度，C[k]表示LPC滤波器系数的第k个频点的频谱。

9.根据权利要求7所述的舒适噪声生成器，其特征在于，

所述离散傅里叶变换为快速傅里叶变换FFT。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的舒适噪声生成器，其特征在于，

所述滤波器系数获取模块在所述对背景噪声进行分析时，每隔预定帧数进行一次所述分析，获取所述背景噪声的LPC滤波器系数。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的舒适噪声生成器，其特征在于，

所述滤波器系数获取模块在所述对背景噪声进行分析时，对预定帧数的背景噪声进行所述分析，获取的所述LPC滤波器系数为所述预定帧数的平均LPC滤波器系数；

所述目标功率为所述预定帧数的平均目标功率。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的舒适噪声生成器，其特征在于，

所述增益因子计算模块直接将背景噪声的功率作为所述目标功率。

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