CN106558316A - 一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法：对输入待检测信号进行加窗分帧，即对待检测信号的数据作截断分帧处理；利用离散傅里叶变换计算待检测信号功率谱；计算谱熵；确定候选啸叫频率；计算长时信号特定频带变化率；根据长时信号特定频带变化率，进行检测判决，若长时信号特定频带变化率小于设定的检测阈值，则判定产生啸叫，否则判定未产生啸叫。本发明的一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法，与传统的啸叫检测方法相比，在检出率相同的情况下，具有更低的虚警率，综合检测性能更好。

Description

一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法

技术领域

本发明涉及一种啸叫检测方法。特别是涉及一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法。

背景技术

声反馈是扩声系统中常见的现象，严重制约了扩声技术的发展。声反馈现象是指在扩声系统中，声音由传声器拾音经功率放大器放大，由扬声器输出后经声场折射返回到传声器，传声器拾音后再经过扩声系统又由扬声器输出，形成了“扬声器—传声器—放大器—扬声器”这样的正反馈路径，如此反复循环形成正反馈由于声反馈现象的存在，使得系统在扩声增益达到一定量值时变得不稳定，容易产生自激振荡，引起“嗡嗡”或“呜呜”等刺耳的啸叫声。根据奈奎斯特准则，信号在同时以下满足相位和增益条件时，会在频点ω₀处产生自激震荡，产生啸叫。

|G(w)F(w)|≥1

∠G(w)F(w)＝2πk，k为整数

G(w)和F(w)分别表示系统扩声增益和声场反馈路径的频率响应，可通过计算各自的短时离散傅里叶变换获得。

克服啸叫的方法通常是采用陷波器啸叫抑制方法。陷波器啸叫抑制方法的应用最为广泛，主要由啸叫检测以及陷波器设计两部分组成。其基本框图如图1。首先，基于一定的检测特征实时检测输入信号是否产生啸叫；若判定啸叫产生，需精确计算啸叫频率点以尽可能减小因陷波器滤波对输出语音质量的影响；最后根据啸叫频率设计相应的陷波器，降低该啸叫频点处增益，破坏啸叫现象产生的幅值条件。其中，

啸叫检测多是基于不同的检测特征，鉴于啸叫成分本质为一种能量随时间不断增加的单频窄带信号，相关学者提出了一系列的基于特征检测方法。主要包括：峰值均值功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)、峰值谐波功率比(Peak-to-Harmonic PowerRatio,PHPR)、峰值邻近功率比(Peak-to-Neighboring Power Ratio,PNPR)和帧间幅度谱斜率偏差(Interframe Magnitude Slope Deviation,IMSD)等。

当检测到啸叫成分后，需要设计相应频率的陷波器来降低啸叫频点处增益。最常见的为二阶IIR滤波器，通过牺牲线性相位以获得良好的频率选择特性。并且由于IIR滤波器存在输出对输入的反馈，用极少的阶数就可以满足需求。更为重要的一点，IIR滤波器设计具有现成的闭合公式，适合实时设计，以适应可能会随时发生变化的啸叫频率。

但是现有的陷波器啸叫抑制方法存在着虚警率偏高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有更低的虚警率的基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法，包括如下步骤：

1)对输入待检测信号进行加窗分帧，即对待检测信号的数据作截断分帧处理；

2)利用离散傅里叶变换计算待检测信号功率谱：

其中，S_x(n,w_k)为第n帧信号在频率w_k处的功率谱，N_W为每帧信号长度，N_SH为每帧信号移动长度，l为每帧数据索引值，取值范围为l＝0,1,2,…,N_W-1，x(nN_SH+l)为第n帧信号的第l个采样点数值，h(l)为长度N_W的汉明窗，e为自然底数，j表示虚数；

3)计算谱熵

根据步骤2)得到的功率谱S_x(n,w_k)，计算谱熵：

其中，表示第n帧信号在频率w_k处的谱熵，m和i为帧索引值，取值范围为n-R+1,n-R+2,…,n-1,n，R为选取帧的数目；

4)确定候选啸叫频率

根据步骤2)得到的功率谱S_x(n,w_k)，确定候选啸叫频率，所述候选啸叫频率为功率谱S_x(n,w_k)取得最大值时对应的频率

5)计算长时信号特定频带变化率：

根据步骤3)得到的谱熵和步骤4)得到的候选啸叫频率计算第n帧信号在候选啸叫频率处的长时信号特定频带变化率

其中N表示在候选啸叫频率两侧选取频率点的数量，N越大，表示选择频率范围越广，表示选择频率处的谱熵的均值；

6)根据步骤5)得到的长时信号特定频带变化率进行检测判决，若长时信号特定频带变化率小于设定的检测阈值，则判定产生啸叫，否则判定未产生啸叫。

步骤5)所述谱熵的均值按下式计算：

其中k为整数变量，取值范围k₀-N,k₀-N+1,…,k₀,…,k₀+N-1,k₀+N。

本发明的一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法，与传统的啸叫检测方法相比，在检出率相同的情况下，具有更低的虚警率，综合检测性能更好。

附图说明

图1是现有技术的陷波器啸叫抑制方法系统框图；

图2是本发明基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法和流程图；

图3a反馈路径f₁下的不同方法的检测结果；

图3b反馈路径f₂下的不同方法的检测结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法，包括如下步骤：

1)对输入待检测信号进行加窗分帧，即对待检测信号的数据作截断分帧处理；

2)利用离散傅里叶变换计算待检测信号功率谱：

其中，S_x(n,w_k)为第n帧信号在频率w_k处的功率谱，N_W为每帧信号长度，N_SH为每帧信号移动长度，l为每帧数据索引值，取值范围为l＝0,1,2,…,N_W-1，x(nN_SH+l)为第n帧信号的第l个采样点数值，h(l)为长度N_W的汉明窗，e为自然底数，j表示虚数；

3)计算谱熵

根据步骤2)得到的功率谱S_x(n,w_k)，计算谱熵：

其中，表示第n帧信号在频率w_k处的谱熵，m和i为帧索引值，取值范围为n-R+1,n-R+2,…,n-1,n，R为选取帧的数目；

4)确定候选啸叫频率

根据步骤2)得到的功率谱S_x(n,w_k)，确定候选啸叫频率，所述候选啸叫频率为功率谱S_x(n,w_k)取得最大值时对应的频率

5)计算长时信号特定频带变化率：

根据步骤3)得到的谱熵和步骤4)得到的候选啸叫频率计算第n帧信号在候选啸叫频率处的长时信号特定频带变化率

其中N表示在候选啸叫频率两侧选取频率点的数量，N越大，表示选择频率范围越广，表示选择频率处的谱熵的均值；所述谱熵的均值按下式计算：

其中k为整数变量，取值范围k₀-N,k₀-N+1,…,k₀,…,k₀+N-1,k₀+N。

6)根据步骤5)得到的长时信号特定频带变化率进行检测判决，若长时信号特定频带变化率小于设定的检测阈值，则判定产生啸叫，否则判定未产生啸叫。

图3a和图3b给出了在不同的反馈路径下采用不同的检测方法进行实验的结果，图中LTSV-SFB为本发明提出的方法。如图所示，在检出率相同的情况下，本发明具有更低的虚警率，检测效果更好。

下面给出最佳实例。

选择两种不同的反馈路径进行实验，反馈路径f₁下的啸叫频率约为510Hz，反馈路径f₂下的啸叫频率约为1300Hz。实验中参数设置：帧长N_W＝512，帧移N_SH＝256，窗函数h(l)选择512点的汉明窗，N＝1，R＝8。

对两种不同的反馈路径生成啸叫信号进行实验，对提出的基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法进行对比分析，具体实施如下：

1、分别读取两种反馈路径下生成的啸叫信号，并进行分帧加窗处理，每帧512个采样点，加512点的汉明窗。

2、对加窗后的每帧数据进行512点离散傅里叶变换，计算出每帧数据功率谱S_x(n,w_k)。

3、根据计算的功率谱S_x(n,w_k)，计算当前帧信号的谱熵

4、根据功率谱S_x(n,w_k)，选取功率谱S_x(n,w_k)取得最大值时对应的频率作为候选啸叫频率。

5、根据谱熵和候选啸叫频率计算出当前帧信号在候选啸叫频率处的长时信号特定频带变化率

6、根据计算的当前帧的长时信号特定频带变化率进行啸叫判决，若长时信号特定频带变化率小于设定的检测阈值，则判定产生啸叫，否则判定未产生啸叫。

Claims (2)

1.一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对输入待检测信号进行加窗分帧，即对待检测信号的数据作截断分帧处理；

2)利用离散傅里叶变换计算待检测信号功率谱：

$S_x(n,w_k)=|\underset{l=0}{\overset{Nw-1}{\Σ}}x({\mathrm{nN}}_{SH}+l)h\left(l\right)e^{-{\mathrm{jlw}}_k}{|}^2$

其中，S_x(n,w_k)为第n帧信号在频率w_k处的功率谱，N_W为每帧信号长度，N_SH为每帧信号移动长度，l为每帧数据索引值，取值范围为l＝0,1,2,…,N_W-1，x(nN_SH+l)为第n帧信号的第l个采样点数值，h(l)为长度N_W的汉明窗，e为自然底数，j表示虚数；

3)计算谱熵

根据步骤2)得到的功率谱S_x(n,w_k)，计算谱熵：

${\mathrm{\ξ}}_k^x\left(n\right)=-\underset{m=n-R+1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{S_x(m,w_k)}{{\Σ}_{i=n-R+1}^n{S}_x(i,w_k)}\×\log \left(\frac{S_x(m,w_k)}{{\Σ}_{i=n-R+1}^n{S}_x(i,w_k)}\right)$

其中，表示第n帧信号在频率w_k处的谱熵，m和i为帧索引值，取值范围为n-R+1,n-R+2,…,n-1,n，R为选取帧的数目；

4)确定候选啸叫频率

根据步骤2)得到的功率谱S_x(n,w_k)，确定候选啸叫频率，所述候选啸叫频率为功率谱S_x(n,w_k)取得最大值时对应的频率

5)计算长时信号特定频带变化率：

根据步骤3)得到的谱熵和步骤4)得到的候选啸叫频率计算第n帧信号在候选啸叫频率处的长时信号特定频带变化率

$L_{k_0}^x\left(n\right)=\frac{1}{2N+1}\underset{k=k_0-N}{\overset{k_0+N}{\Σ}}{\left({\mathrm{\ξ}}_k^x\right(n)-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ξ}}^x\left(n\right)})}^2$

其中N表示在候选啸叫频率两侧选取频率点的数量，N越大，表示选择频率范围越广，表示选择频率处的谱熵的均值；

6)根据步骤5)得到的长时信号特定频带变化率进行检测判决，若长时信号特定频带变化率小于设定的检测阈值，则判定产生啸叫，否则判定未产生啸叫。

2.根据权利要求1所述的一种基于长时信号特定频带变化率的啸叫检测方法，其特征在于，步骤5)所述谱熵的均值按下式计算：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ξ}}^x\left(n\right)}=\frac{1}{2N}\underset{k=k_0-N}{\overset{k_0+N}{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_k^x\left(n\right)$

其中k为整数变量，取值范围k₀-N,k₀-N+1,…,k₀,…,k₀+N-1,k₀+N。