CN107424616A - 一种相位谱去除掩模的方法与装置 - Google Patents

一种相位谱去除掩模的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种相位谱去除掩模的方法与装置，依据窗函数、叠窗傅里叶变换算法、以及幅角函数对获取的源信号进行处理，得到对应的相位信号；依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移；依据该本征相移，确定出消除本征相移后的目标相位信号；对该目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；依据预先设置的相消函数，对相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。通过对源信号进行本征相移消除的这一操作来对源信号进行频谱计算，之后通过对频谱中的频率偏移规律的分析来对频谱中原有的相位掩模进行掩模去除工作，得到更加精确和直观的相位变化信息。

Description

一种相位谱去除掩模的方法与装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种相位谱去除掩模的方法与装置。
背景技术
在语音分析和信号处理领域中，就现阶段来看，已有多种成熟方案可以对信噪比高的语音信号进行语音信号的分析与处理，并得到理想的语音信号分析结果；在这些语音信号处理的方法体系中，大部分的方法都是采用傅里叶变换算法或者傅里叶变换的变种算法来对语音信号进行傅里叶变换得到频谱，之后再基于振幅谱进行分析处理，从而得到理想的分析结果；但是当语音信号的信噪比低下时，仅凭振幅谱进行处理会有一定的局限性。
近期研究发现，相比较于仅使用频域振幅对语音信号进行分析处理而言，采用相位谱估计算法也可以获得比较好的语音质量的频谱图。但是大多数的语音信号处理方法不采用相位谱分析方法来对语音信号进行实际上的应用。其中的主要原因在于相位谱语音信号的分析过程中相位变化的处理过程难以解释，以及相位谱中错综复杂的相位信息也难以直观地表达出来，在提取有用的语音相位信息的时候需要更多的计算量。同时，相位谱中这种相位信息的混沌性，也使得在进行语音压缩等工作时难以对相位信息进行压缩和记录。
可见，如何更精确和直观的测得相位变化信息，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种相位谱去除掩模的方法与装置，可以更精确和直观的测得相位变化信息。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种相位谱去除掩模的方法，包括：
利用窗函数，对获取的源信号进行乘窗运算，得到分窗信号；
依据叠窗傅里叶变换算法，将所述分窗信号转换为频域信号；
利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号；
依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移；
依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号；
对所述目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；
依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。
可选的，所述利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号包括：
利用公式计算得到相位信号
其中，表示频域信号，i表示窗口的标号值，j表示窗口中频点位置的标号值。
可选的，所述依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移包括：
根据公式wj＝2π*f*j*m-1，计算出所述频域信号所在频谱的角速度wj；其中，f表示采样频率，m表示傅里叶变换的点数；
根据公式ti＝n*i*f-1，计算出叠窗傅里叶变换中窗口的起始时间点ti；其中，n表示窗口的步长值；
根据公式计算出所述本征相移。
可选的，所述依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号包括：
利用公式计算出所述相位信号消除本征相移后的初始信号；
根据预设设置的修正函数，对所述初始信号进行修正处理，得到消除本征相移后的目标信号。
可选的，所述依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果包括：
利用公式计算出所述相位差数组去除相位掩模后的初始函数其中，f(j)表示相消函数，n表示窗口的步长值；
利用预先设置的所述修正函数，对所述初始函数进行标准化处理，得到去除相位掩模的相位结果。
本发明实施例还提供了一种相位谱去除掩模的装置，包括分窗单元、频域单元、相位单元、相移单元、目标单元、数组单元和结果单元，
所述分窗单元，用于利用窗函数，对获取的源信号进行乘窗运算，得到分窗信号；
所述频域单元，用于依据叠窗傅里叶变换算法，将所述分窗信号转换为频域信号；
所述相位单元，用于利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号；
所述相移单元，用于依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移；
所述目标单元，用于依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号；
所述数组单元，用于对所述目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；
所述结果单元，用于依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。
可选的，所述相位单元具体用于利用公式计算得到相位信号
其中，表示频域信号，i表示窗口的标号值，j表示窗口中频点位置的标号值。
可选的，所述相移单元包括角速度子单元、时间子单元和本征相移子单元，
所述角速度子单元，用于根据公式wj＝2π*f*j*m-1，计算出所述频域信号所在频谱的角速度wj；其中，f表示采样频率，m表示傅里叶变换的点数；
所述时间子单元，用于根据公式ti＝n*i*f-1，计算出叠窗傅里叶变换中窗口的起始时间点ti；其中，n表示窗口的步长值；
所述本征相移子单元，用于根据公式计算出所述本征相移。
可选的，所述目标单元包括初始子单元和修正子单元，
所述初始子单元，用于利用公式计算出所述相位信号消除本征相移后的初始信号；
所述修正子单元，用于根据预设设置的修正函数，对所述初始信号进行修正处理，得到消除本征相移后的目标信号。
可选的，所述结果单元具体用于利用公式计算出所述相位差数组去除相位掩模后的初始函数其中，f(j)表示相消函数，n表示窗口的步长值；利用预先设置的所述修正函数，对所述初始函数进行标准化处理，得到去除相位掩模的相位结果。
由上述技术方案可以看出，依据窗函数、叠窗傅里叶变换算法、以及幅角函数对获取的源信号进行处理，得到对应的相位信号；依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，可以确定出本征相移；利用该本征相移对相位信号进行处理，可以确定出消除本征相移后的目标相位信号；对该目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。通过对源信号进行本征相移消除的这一操作来对源信号进行频谱计算，之后通过对频谱中的频率偏移规律的分析来对频谱中原有的相位掩模进行掩模去除工作，得到相位结果，在保证正确去除频域中的本征相移和保证相位分量正确检出的同时，能对相位谱中的相位差进行等价可逆变换，得到更加精确和直观的相位变化信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种相位谱去除掩模的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种相位谱去除本征相移的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种相位谱去除掩模的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种相位谱去除掩模的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
接下来，详细介绍本发明实施例所提供的一种相位谱去除掩模的方法。图1为本发明实施例提供的一种相位谱去除掩模的方法的流程图，该方法包括：
S10：利用窗函数，对获取的源信号进行乘窗运算，得到分窗信号。
源信号可以是待处理的语音信号，定义源信号为S。对源信号S进行叠窗操作得到各个窗口语音信号，即S＝(S0,S1,···,ST-1)。
预先设置好窗口大小，可以用L表示窗口的大小，其中L的具体取值可以根据实际需求进行设定，在此不做限定。在本发明实施例中可以将二分之一的窗口大小作为窗口的移动步长，通过窗口的非整数倍的移动来达到叠窗的效果，从而抑制频谱能量泄漏。
第i位置开始的窗记为i表示窗口的标号值，i＝0,1,···,T-1。其中有对应关系j表示窗口中频点位置的标号值，j＝0,1,···,L-1。
在本发明实施例中，可以使用窗函数Ω对Si进行乘窗运算，得到分窗信号Si'，其中，
其中，窗函数Ω(j)可以取高斯窗，即使用高斯窗对源信号进行乘窗运算。利用高斯窗中间高两边低的特点来抑制频谱能量泄漏，可以解决由于叠窗操作导致的频谱能量泄漏问题。
S11：依据叠窗傅里叶变换算法，将所述分窗信号转换为频域信号。
为了便于后续处理，需要将时域信号转换为频域信号，在本发明实施例中，针对进行叠窗处理后的源信号，可以利用叠窗傅里叶变换算法，对分窗信号进行时域到频域的转换，得到频域信号
在本发明实例中，叠窗傅里叶变换算法可以采用快速傅里叶变换(Fast FourierTransformation，FFT)，通过对每一个叠窗操作截取得到的窗口语音信号进行FFT，从而得到叠窗傅里叶变换后的频域信号。
S12：利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号。
在具体实现中，可以利用公式计算得到相位信号
其中，表示频域信号，Arg表示幅角函数。
S13：依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移。
本征相移为恒定信号随观测窗口的变化而产生的观测相位变化，本征相移的产生源自于傅里叶变换过程中正交基的不变性；由于观测窗口是随着窗口的移动而移动的，那么当用不变的正交基信号去与观测窗口中的信号进行频谱计算的时候，观测窗口随时间变化的观测初始相位就会因为观测窗口的变化而产生相对应的观测相位变化，用得到的相位结果去进行傅里叶变换得出的相位结果就会也有所偏差。
其中，本征相移与频域信号所在频谱的角速度wj和窗口所在的起始时间点ti有关；为了消除相位谱中的本征相移，可以利用频域信号所在频谱的角速度wj和窗口所在的起始时间点ti来消除频域中的本征相移。
在具体实现中，可以根据公式wj＝2π*f*j*m-1，计算出所述频域信号所在频谱的角速度wj；根据公式ti＝n*i*f-1，计算出叠窗傅里叶变换中窗口的起始时间点ti。
其中，f表示采样频率，m表示傅里叶变换的点数，n表示窗口的步长值。f、m、n可以预先设置，其具体取值可以根据实际需求设定，在此不做限定。
由于角速度wj和窗口所在的起始时间点ti二者的乘积的物理意义是代表着观测窗口中产生的变化的观测相位。故此，在本发明实施例中可以根据公式计算出所述本征相移
S14：依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号。
如图2所示，在本发明实施例中，可以通过将叠窗傅里叶变换后相位结果(相位信号)减去计算得到的变化的观测相位值(本征相移)，即利用公式计算出所述相位信号消除本征相移后的初始信号，即变量然后根据预设设置的修正函数，对所述初始信号进行修正处理，得到消除本征相移后的目标相位信号。
其中，修正函数为以保证目标信号在区间[-π,π)之中，其中，为向下取整运算。利用该修正函数对初始信号进行修正处理，可以得到目标信号该公式表示将经过修正函数修正处理后的相位结果赋值给变量
通过对相位信号进行本征相移的去除工作，可以使得相位信息内在的规律性信息显现出来。
在得到去除本征相移后的目标相位信号后时，可将的值覆写到频域信号相对应的相位值中去，得到去除本征相移后的目标相位信号，减少存储空间的使用，减低空间复杂度。
S15：对所述目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组。
S16：依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。
基于频域上的相位差特性得到频域上的相位差数组在理想状态下，相位差数组各值近似形成一个锯齿形的分段函数，其中每一段的斜率都为Ψ，Ψ为定值。为了得到更加简洁的相位结果，我们可以对相位差数组进行规则化，利用分段函数中每一段锯齿形曲线对变量i进行微分处理，则：其中基于窗口的步长值n和傅里叶变换的点数m可以得到Ψ的值，所述Ψ的计算公式为：Ψ＝-2π*n/m，Ψ为一定值
根据Ψ以及窗口中频点位置的标号值j可以确定出相消函数f(j)＝Ψ*j。
参看图3所示的相位谱去除掩模的示意图，在本发明实施例中，可以利用公式计算出所述相位差数组去除相位掩模后的初始函数其中，n表示窗口的步长值。的特征在理想状态下为一平顶的阶梯函数曲线。
再利用预先设置的所述修正函数G(x)，对所述初始函数进行标准化处理，可以得到去除相位掩模的相位结果即
在得到去除相位掩模的相位结果时，可将对应列的相位结果覆写到相对应的相位位置上，得到去除相位掩模后的相位结果。
在本发明实施例中，可以只选择感兴趣频段进行相位掩模的去除而省略不感兴趣频段的去除相位掩模处理。
由上述技术方案可以看出，依据窗函数、叠窗傅里叶变换算法、以及幅角函数对获取的源信号进行处理，得到对应的相位信号；依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，可以确定出本征相移；利用该本征相移对相位信号进行处理，可以确定出消除本征相移后的目标相位信号；对该目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。通过对源信号进行本征相移消除的这一操作来对源信号进行频谱计算，之后通过对频谱中的频率偏移规律的分析来对频谱中原有的相位掩模进行掩模去除工作，得到相位结果，在保证正确去除频域中的本征相移和保证相位分量正确检出的同时，能对相位谱中的相位差进行等价可逆变换，得到更加精确和直观的相位变化信息。
图4为本发明实施例提供的一种相位谱去除掩模的装置的结构示意图，包括分窗单元41、频域单元42、相位单元43、相移单元44、目标单元45、数组单元46和结果单元47，
所述分窗单元41，用于利用窗函数，对获取的源信号进行乘窗运算，得到分窗信号；
所述频域单元42，用于依据叠窗傅里叶变换算法，将所述分窗信号转换为频域信号；
所述相位单元43，用于利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号；
所述相移单元44，用于依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移；
所述目标单元45，用于依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号；
所述数组单元46，用于对所述目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；
所述结果单元47，用于依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。
可选的，所述相位单元具体用于利用公式计算得到相位信号
其中，表示频域信号，i表示窗口的标号值，j表示窗口中频点位置的标号值。
可选的，所述相移单元包括角速度子单元、时间子单元和本征相移子单元，
所述角速度子单元，用于根据公式wj＝2π*f*j*m-1，计算出所述频域信号所在频谱的角速度wj；其中，f表示采样频率，m表示傅里叶变换的点数；
所述时间子单元，用于根据公式ti＝n*i*f-1，计算出叠窗傅里叶变换中窗口的起始时间点ti；其中，n表示窗口的步长值；
所述本征相移子单元，用于根据公式计算出所述本征相移。
可选的，所述目标单元包括初始子单元和修正子单元，
所述初始子单元，用于利用公式计算出所述相位信号消除本征相移后的初始信号；
所述修正子单元，用于根据预设设置的修正函数，对所述初始信号进行修正处理，得到消除本征相移后的目标信号。
可选的，所述结果单元具体用于利用公式计算出所述相位差数组去除相位掩模后的初始函数其中，f(j)表示相消函数，n表示窗口的步长值；利用预先设置的所述修正函数，对所述初始函数进行标准化处理，得到去除相位掩模的相位结果。
图4所对应实施例中特征的说明可以参见图1所对应实施例的相关说明，这里不再一一赘述。
由上述技术方案可以看出，依据窗函数、叠窗傅里叶变换算法、以及幅角函数对获取的源信号进行处理，得到对应的相位信号；依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，可以确定出本征相移；利用该本征相移对相位信号进行处理，可以确定出消除本征相移后的目标相位信号；对该目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。通过对源信号进行本征相移消除的这一操作来对源信号进行频谱计算，之后通过对频谱中的频率偏移规律的分析来对频谱中原有的相位掩模进行掩模去除工作，得到相位结果，在保证正确去除频域中的本征相移和保证相位分量正确检出的同时，能对相位谱中的相位差进行等价可逆变换，得到更加精确和直观的相位变化信息。
以上对本发明实施例所提供的一种相位谱去除掩模的方法与装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (10)

1.一种相位谱去除掩模的方法，其特征在于，包括：
利用窗函数，对获取的源信号进行乘窗运算，得到分窗信号；
依据叠窗傅里叶变换算法，将所述分窗信号转换为频域信号；
利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号；
依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移；
依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号；
对所述目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；
依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号包括：
利用公式计算得到相位信号
其中，表示频域信号，i表示窗口的标号值，j表示窗口中频点位置的标号值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移包括：
根据公式wj＝2π*f*j*m-1，计算出所述频域信号所在频谱的角速度wj；其中，f表示采样频率，m表示傅里叶变换的点数；
根据公式ti＝n*i*f-1，计算出叠窗傅里叶变换中窗口的起始时间点ti；其中，n表示窗口的步长值；
根据公式计算出所述本征相移。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号包括：
利用公式计算出所述相位信号消除本征相移后的初始信号；
根据预设设置的修正函数，对所述初始信号进行修正处理，得到消除本征相移后的目标信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果包括：
利用公式计算出所述相位差数组去除相位掩模后的初始函数其中，f(j)表示相消函数，n表示窗口的步长值；
利用预先设置的所述修正函数，对所述初始函数进行标准化处理，得到去除相位掩模的相位结果。
6.一种相位谱去除掩模的装置，其特征在于，包括分窗单元、频域单元、相位单元、相移单元、目标单元、数组单元和结果单元，
所述分窗单元，用于利用窗函数，对获取的源信号进行乘窗运算，得到分窗信号；
所述频域单元，用于依据叠窗傅里叶变换算法，将所述分窗信号转换为频域信号；
所述相位单元，用于利用幅角函数对所述频域信号进行处理，得到对应的相位信号；
所述相移单元，用于依据设置的采样频率、傅里叶变换的点数以及窗口的步长值，确定出本征相移；
所述目标单元，用于依据所述本征相移、所述相位信号以及预先设置的修正函数，确定出消除本征相移后的目标相位信号；
所述数组单元，用于对所述目标相位信号进行相位差处理，得到相位差数组；
所述结果单元，用于依据预先设置的相消函数和所述修正函数，对所述相位差数组进行相消操作，得到去除相位掩模的相位结果。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述相位单元具体用于利用公式计算得到相位信号
其中，表示频域信号，i表示窗口的标号值，j表示窗口中频点位置的标号值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述相移单元包括角速度子单元、时间子单元和本征相移子单元，
所述角速度子单元，用于根据公式wj＝2π*f*j*m-1，计算出所述频域信号所在频谱的角速度wj；其中，f表示采样频率，m表示傅里叶变换的点数；
所述时间子单元，用于根据公式ti＝n*i*f-1，计算出叠窗傅里叶变换中窗口的起始时间点ti；其中，n表示窗口的步长值；
所述本征相移子单元，用于根据公式计算出所述本征相移。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述目标单元包括初始子单元和修正子单元，
所述初始子单元，用于利用公式计算出所述相位信号消除本征相移后的初始信号；
所述修正子单元，用于根据预设设置的修正函数，对所述初始信号进行修正处理，得到消除本征相移后的目标信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述结果单元具体用于利用公式计算出所述相位差数组去除相位掩模后的初始函数其中，f(j)表示相消函数，n表示窗口的步长值；利用预先设置的所述修正函数，对所述初始函数进行标准化处理，得到去除相位掩模的相位结果。
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