CN108257612B - 语音信号处理装置及语音信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种语音信号处理装置及语音信号处理方法。检测输入语音信号的响度以获得基准响度，依据基准响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各频带的基准响度增益，并依据各频带的基准响度增益调整各频带的滤波信号的响度。可有效地避免多频带的宽动态范围压缩处理造成输出语音信号的信噪比下降，大幅地提高输出语音信号的辨识度。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号处理装置，尤其涉及一种语音信号处理装置及语音信号处理方法。
背景技术
多频带的宽动态范围压缩(Wide Dynamic Range Compression,WDRC)技术广泛在助听器的范围被使用，宽动态范围压缩的主要功能是提高响度小的语音信号的响度增益，以利辨识，并降低响度大的语音信号的响度增益，以避免声音太大造成不舒服。一般来说，多频带的宽动态范围压缩是每一个频带各自独立进行语音信号的处理，各个频带的宽动态范围压缩曲线为依据个人需求进行听力检测所决定。在对输入语音信号进行宽动态范围压缩处理时，为分别以各个频带的输入语音信号的响度检测结果为基准配合对应的宽动态范围压缩曲线来决定各频带的输出语音信号的响度。此处理方式虽可提高输出语音信号的响度，然当噪声信号的响度所对应的响度增益较大时，将可能造成信噪比下降，而使得输出语音信号的辨识度下降。
发明内容
本发明提供一种语音信号处理装置及语音信号处理方法，可有效地避免多频带的宽动态范围压缩处理造成输出语音信号的信噪比下降，大幅地提高输出语音信号的辨识度。
本发明的语音信号处理装置包括滤波单元以及处理单元。滤波单元接收输入语音信号，对输入语音信号进行滤波，以产生不同频带的多个滤波信号。处理单元检测输入语音信号的响度，以获得基准响度，依据基准响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各频带的基准响度增益，将滤波信号与滤波信号对应的基准响度增益进行乘法运算，以得到对应不同频带的多个响度调整滤波信号，将响度调整滤波信号进行加法运算，以产生输出语音信号。
在本发明的一实施例中，上述各宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，处理单元还依据各频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应基准响度的第一输出响度以及单位增益曲线上对应基准响度的第二输出响度计算基准响度增益。
在本发明的一实施例中，上述的处理单元还检测上述多个滤波信号的响度，以获得多个滤波响度，依据各滤波响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线分别计算各频带的滤波响度增益，将各频带的基准响度增益与滤波响度增益进行比较，以分别选择出具有较小增益值的响度增益，将选择出的具有较小增益值的响度增益分别与对应的各该频带的滤波信号进行乘法运算，以得到上述多个响度调整滤波信号。
在本发明的一实施例中，上述各宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，处理单元还依据各频带的宽动态范围压缩曲线上与各频带的滤波响度对应的第一输出响度以及单位增益曲线上与各频带的滤波响度对应的第二输出响度计算各频带对应的滤波响度增益。
在本发明的一实施例中，上述的滤波单元对输入语音信号进行带通滤波。
本发明的语音信号处理方法，包括下列步骤。接收输入语音信号。对输入语音信号进行滤波，以产生不同频带的多个滤波信号。检测输入语音信号的响度，以获得基准响度。依据基准响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各频带的基准响度增益。将滤波信号与滤波信号对应的基准响度增益进行乘法运算，以得到对应不同频带的多个响度调整滤波信号。将响度调整滤波信号进行加法运算，以产生输出语音信号。
在本发明的一实施例中，上述各宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，基准响度增益为依据各频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应基准响度的第一输出响度以及单位增益曲线上对应该基准响度的第二输出响度计算得到。
在本发明的一实施例中，上述的语音信号处理方法，还包括下列步骤。检测滤波信号的响度，以获得多个滤波响度。依据各滤波响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线分别计算各频带的滤波响度增益。将各频带的基准响度增益与滤波响度增益进行比较，以分别选择出具有较小增益值的响度增益。将选择出的具有较小增益值的响度增益分别与对应的各频带的滤波信号进行乘法运算，以得到上述多个响度调整滤波信号。
在本发明的一实施例中，上述各该宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，各频带对应的滤波响度增益为依据各频带的宽动态范围压缩曲线上与各频带的滤波响度对应的第一输出响度以及单位增益曲线上与各频带的滤波响度对应的第二输出响度计算得到。
在本发明的一实施例中，上述的语音信号处理方法包括，对输入语音信号进行带通滤波。
基于上述，本发明的实施例检测输入语音信号的响度以获得基准响度，依据基准响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各频带的基准响度增益，并依据各频带的基准响度增益调整各频带的滤波信号的响度，以避免输出语音信号出现信噪比下降的情形，可大幅地提高输出语音信号的辨识度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例语音信号处理装置的示意图。
图2是发明一实施例语音信号处理方法的流程示意图。
图3是本发明一实施例宽动态范围压缩曲线的示意图。
图4是本发明另一实施例语音信号处理方法的流程示意图。
图5是本发明另一实施例宽动态范围压缩曲线的示意图。
符号说明
102：滤波单元
104：处理单元
SF1～SFN：滤波信号
SI1：输入语音信号
SO1：输出语音信号
S202～S214、S402～S412：语音信号处理方法步骤
S0～S4：区间
Gp：响度增益
Gpa、Gpb：滤波响度增益
Gxa、Gxb：基准响度增益
Xa、Xb：滤波信号
Ya、Yb：响度调整滤波信号
具体实施方式
图1是本发明一实施例语音信号处理装置的示意图，请参照图1。语音信号处理装置包括滤波单元102以及处理单元104，滤波单元102耦接处理单元104，其中滤波单元102可例如以带通滤波器来实施，而处理单元104则可例如以中央处理单元来实施，然不以此为限。
滤波单元102用以对输入语音信号SI1进行滤波，以产生多个不同频带的滤波信号SF1～SFN给处理单元104，其中N为大于1的正整数。处理单元104可检测输入语音信号SI1的响度，并以输入语音信号SI1的响度做为基准响度。处理单元104可依据基准响度与各个频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各个频带的基准响度增益，其中各个频带对应的宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各个频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，各个频带的宽动态范围压缩曲线为依据个人需求进行听力检测所决定，不同频带所对应的宽动态范围压缩曲线可能不同。进一步来说，处理单元104可依据各个频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应基准响度的输出响度以及单位增益曲线上对应基准响度的输出响度来计算响度增益。处理单元104可将各个频带的滤波信号与各个频带的滤波信号对应的基准响度增益进行乘法运算，以得到对应不同频带的多个响度调整滤波信号，将此些响度调整滤波信号进行加法运算，以产生输出语音信号SO1。如此依据基准响度来计算各个频带的基准响度增益，可避免噪声信号所对应的响度增益过大，而降低输出语音信号SO1的信噪比。
举例来说，图2是本发明一实施例语音信号处理方法的流程示意图，请参照图2。本实施例的语音信号处理方法可包括下列步骤。首先，接收输入语音信号(步骤S202)，滤波单元102对输入语音信号SI1进行滤波，以产生第一频带的滤波信号Xa(步骤S204A)以及第二频带的滤波信号Xb(步骤S204B)，而处理单元104可检测输入语音信号SI1的响度，以获得基准响度(步骤S206)。值得注意的是，在本实施例中，为以产生2个不同频带的滤波信号为例进行说明，然并不以此为限，在其它实施例中，滤波单元102可产生更多不同频带的滤波信号。在步骤S208A中，处理单元104可依据基准响度与第一频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应第一频带的基准响度增益。而在在步骤S208B中，处理单元104可依据基准响度与第二频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应第二频带的基准响度增益。
例如，图3是本发明一实施例宽动态范围压缩曲线的示意图，假设第一频带与第二频带所对应的宽动态范围压缩曲线皆如图3所示，然不以此为限，在其它实施例中，第一频带与第二频带所对应的宽动态范围压缩曲线可不同于图3的宽动态范围压缩曲线，且第一频带与第二频带也可对应不同的宽动态范围压缩曲线。图3实施例的宽动态范围压缩曲线可区分为多个区间S1～S4，其中区间S1为线性区、区间S2为压缩区、区间S3为线性区而区间S4为限制区，此外，虚线为单位增益曲线，也即信号的输入响度等于输出响度。其中区间S1可用以帮助听障人士将微小的语音声音放大，区间S2可用以调节使用者听域的动态范围。区间S3宽动态范围压缩曲线与单位增益曲线重叠，因听障人士的饱和声压与正常人一样不须放大。区间S4用以限制输出语音信号SO1的响度，以避免听力损坏。
假设输入语音信号SI1的输入响度为68dB，输入语音信号SI1中语音信号主要为分布在第一频带，且其输入响度为66dB(也即滤波信号Xa的响度为66dB)，输入语音信号SI1中噪声信号主要分布在第二频带，且其输入响度为60dB(也即滤波信号Xb的响度为60dB)。处理单元104可依据各个频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应基准响度的输出响度以及单位增益曲线上对应基准响度的输出响度来计算响度增益Gp，例如在本实施例中，输入语音信号SI1的输入响度为做为基准响度(68dB)，基准响度在宽动态范围压缩曲线上对应的输出响度为77dB，而在单位增益曲线上对应的输出响度为68，因此可计算出基准响度增益Gxa、Gxb为77-68＝9dB。
在计算出第一频带与第二频带的基准响度增益Gxa、Gxb后，处理单元104可将第一频带的滤波信号Xa与第一频带的滤波信号Xb对应的基准响度增益进行乘法运算，以得到对应第一频带的响度调整滤波信号Ya(步骤S210A)，响度调整滤波信号Ya的响度等于66+9＝75dB。依此类推，在步骤S210B可计算出响度调整滤波信号Yb的响度等于60+9＝69dB。之后，处理单元104可将响度调整滤波信号Ya与Yb进行加法运算(步骤S212)，以产生输出语音信号SO1(步骤S214)，通过本实施例的语音信号处理方法，输出语音信号SO1的信噪比为75-69＝6dB。而若采用现有的宽动态范围压缩处理方式，也即处理单元104分别依据各频带的宽动态范围压缩曲线以及滤波信号的输入响度计算各频带的滤波信号的输出响度，再将进行宽动态范围压缩处理后的各频带的滤波信号相加以获得输出语音信号，如此获得的输出语音信号相较于本实施例的输出语音信号SO1将具有较小的信噪比。例如若依据图3的宽动态范围压缩曲线来进行现有的宽动态范围压缩处理，第一频带的滤波信号Xa的输入响度(60dB)所对应的输出响度(也即响度调整滤波信号Ya的响度)等于72dB，第二频带的滤波信号Xb的输入响度(66dB)所对应的输出响度(也即响度调整滤波信号Yb的响度)等于76dB，输出语音信号的信噪比将为76-72＝4dB，显然采用本实施例的宽动态范围压缩处理方式可具有较高的信噪比。
图4是本发明另一实施例语音信号处理方法的流程示意图，请参照图4。假设在本实施例中，第一频带与第二频带所对应的宽动态范围压缩曲线皆如图5所示，然不以此为限，在其它实施例中，第一频带与第二频带所对应的宽动态范围压缩曲线可不同于图5的宽动态范围压缩曲线，且第一频带与第二频带也可对应不同的宽动态范围压缩曲线。图5实施例的宽动态范围压缩曲线可区分为多个区间S0～S4，其中区间S0为扩张区、区间S1为线性区、区间S2为压缩区、区间S3为线性区而区间S4为限制区，此外，虚线为单位增益曲线，也即信号的输入响度等于输出响度，当噪声信号远小于语音信号而落于区间S0时，区间S0可用以提高信噪比。值得注意的是，在图4实施例中，为以产生2个不同频带的滤波信号为例进行说明，然并不以此为限，在其它实施例中，滤波单元102可产生更多不同频带的滤波信号。
相较于图2实施例，在本实施例的处理单元104还检测滤波信号Xa与Xb的响度，以获得第一滤波响度与第二滤波响度(步骤S402A、S402B)，并依据第一滤波响度与第一频带对应的宽动态范围压缩曲线计算第一频带的滤波响度增益Gpa(步骤S404A)，以及依据第二滤波响度与第二频带对应的宽动态范围压缩曲线计算第二频带的滤波响度增益Gpb(步骤S404B)，然后再比较第一频带的滤波响度增益Gpa与第一频带的基准响度增益Gxa的大小，以及比较第二频带的滤波响度增益Gpb与第二频带的基准响度增益Gxb，以分别选择出具有较小增益值的响度增益(步骤S406A、S406B)。接着处理单元104再将选择出的具有较小增益值的响度增益分别与对应频带的滤波信号进行乘法运算，以分别得到第一频带的响度调整滤波信号Ya与第二频带的响度调整滤波信号Yb。然后处理单元104将响度调整滤波信号Ya与响度调整滤波信号Yb进行加法运算(步骤S410)，以产生输出语音信号SO1(步骤S412)。如此通过将各频带的基准响度增益与滤波响度增益进行比较，以分别选择出具有较小增益值的响度增益进行滤波信号的响度增益运算，可避免在使用图5的宽动态范围压缩曲线时，皆以各频带的基准响度增益进行滤波信号的响度增益运算，而使得输出语音信号SO1的信噪比下降。
举例来说，假设本案的输入语音信号SI1的输入响度为67dB，输入语音信号SI1中语音信号主要为分布在第一频带，且其输入响度为66dB(也即滤波信号Xa的响度为66dB)，输入语音信号SI1中噪声信号主要分布在第二频带，且其输入响度为20dB(也即滤波信号Xb的响度为20dB)。类似上述实施例，处理单元104可依据各个频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应基准响度的输出响度以及单位增益曲线上对应基准响度的输出响度来计算响度增益，例如在本实施例中，输入语音信号SI1的输入响度为做为基准响度(67dB)，基准响度在宽动态范围压缩曲线上对应的输出响度为78.5，而在单位增益曲线上对应的输出响度为67，因此可计算出基准响度增益Gxa、Gxb为78.5-67＝11.5dB。此外，在本实施中处理单元104还依据各频带的宽动态范围压缩曲线上与各频带的滤波响度对应的第一输出响度以及单位增益曲线上与各频带的滤波响度对应的第二输出响度计算各频带对应的滤波响度增益。例如在本实施例中，第一频带的滤波信号Xa的响度为66dB，其在宽动态范围压缩曲线上对应的输出响度为78dB，也就是说第一频带的滤波信号Xa的滤波响度增益为78-66＝12dB。此外，本实施例的第二频带的滤波信号Xa的响度为20dB，其在宽动态范围压缩曲线上对应的输出响度为12dB，也就是说第一频带的滤波信号Xa的滤波响度增益为12-20＝-8dB。
处理单元104可将第一频带的滤波响度增益(12dB)与基准响度增益(11.5dB)比较，并选择出具有较小的响度增益值的基准响度增益(11.5dB)与第一频带的滤波信号Xa进行乘法运算，而使第一频带的响度调整滤波信号Ya的响度等于66+11.5＝77.5dB。类似地，处理单元104可将第二频带的滤波响度增益(-8dB)与基准响度增益(11.5dB)比较，并选择出具有较小的响度增益值的第二频带的滤波信号Xb的滤波响度增益(-8dB)与第二频带的滤波信号Xb进行乘法运算，而使第二频带的响度调整滤波信号Yb的响度等于20-8＝12dB。如此一来，输出语音信号SO1的信噪比将为77.5-12＝65.5dB，而可保持相当不错的信噪比。而若如图2实施例的方式，直接以第二频带的基准响度增益Gxb(11.5dB)与第二频带的滤波信号Xb进行乘法运算，可得到第二频带的响度调整滤波信号Yb的响度等于20+11.5＝31.5dB，如此将使得输出语音信号SO1的信噪比将为77.5-31.5＝36dB，显然在使用图5的宽动态范围压缩曲线时，采用本实施例的宽动态范围压缩处理方式可具有较高的信噪比。
此外，若本实施例的第二频带的滤波信号Xb为落于区间S2，也即噪声信号落于区间S2时，由于第一频带的滤波信号Xa与第二频带的滤波信号Xb的滤波响度必然小于输入语音信号SI1的响度，因此第一频带的滤波信号Xa与第二频带的滤波信号Xb的滤波响度增益将分别大于第一频带与第二频带的基准响度增益Gxa与Gxb。也就是说，在步骤S406A与步骤S406B中，将分别选择基准响度增益Gxa与Gxb来分别与滤波信号Xa与滤波信号Xb进行乘法运算，而可达到类似图2实施例的效果，使输出语音信号SO1具有较高的信噪比。由于图2实施例已举例说明以基准响度增益进行滤波信号的响度调整，因此在此不再赘述。由此可知，本实施例的语音信号处理方法不论噪声信号的响度大或小，皆可使输出语音信号具有高信噪比。
值得注意的是，在图4实施例中，为以产生2个不同频带的滤波信号为例进行说明，然并不以此为限，在其它实施例中，滤波单元102可产生更多不同频带的滤波信号。此外，上述实施例虽以dB值来表示响度大小，然实际应用上处理单元104并不限定必须使用dB值来进行运算，处理单元104可直接依据对应响度的电压值来进行计算，以节省运算资源。
综上所述，本发明的实施例通过检测输入语音信号的响度以获得基准响度，依据基准响度与各频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各频带的基准响度增益，并依据各频带的基准响度增益调整各频带的滤波信号的响度，以避免输出语音信号出现信噪比下降的情形，而可大幅地提高输出语音信号的辨识度。在部分实施例中，也可将各频带的基准响度增益与滤波响度增益进行比较，并分别选择出具有较小增益值的响度增益进行滤波信号的响度增益运算，以进一步避免输出语音信号的信噪比下降。
虽然本发明已以实施例揭示如上，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，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种语音信号处理装置，包括：
滤波单元，接收输入语音信号，对所述输入语音信号进行滤波，以产生不同频带的多个滤波信号；以及
处理单元，检测所述输入语音信号的响度，以获得基准响度，依据所述基准响度与各所述频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各所述频带的基准响度增益，将所述多个滤波信号与所述多个滤波信号对应的基准响度增益进行乘法运算，以得到对应所述多个频带的多个响度调整滤波信号，将所述多个响度调整滤波信号进行加法运算，以产生输出语音信号，
其中各所述宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各所述频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，所述处理单元还依据各所述频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应所述基准响度的第一输出响度以及所述单位增益曲线上对应所述基准响度的第二输出响度计算所述基准响度增益。
2.根据权利要求1所述的语音信号处理装置，其中所述处理单元还检测所述多个滤波信号的响度，以获得多个滤波响度，依据各所述滤波响度与各所述频带对应的宽动态范围压缩曲线分别计算各所述频带的滤波响度增益，将各所述频带的基准响度增益与滤波响度增益进行比较，以分别选择出具有较小增益值的响度增益，将选择出的具有较小增益值的响度增益分别与对应的各所述频带的滤波信号进行所述乘法运算，以得到所述多个响度调整滤波信号。
3.根据权利要求2所述的语音信号处理装置，其中各所述宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各所述频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，处理单元还依据各所述频带的宽动态范围压缩曲线上与各所述频带的滤波响度对应的第一输出响度以及所述单位增益曲线上与各所述频带的滤波响度对应的第二输出响度计算各所述频带对应的滤波响度增益。
4.根据权利要求1所述的语音信号处理装置，其中所述滤波单元对所述输入语音信号进行带通滤波。
5.一种语音信号处理方法，包括：
接收输入语音信号；
对所述输入语音信号进行滤波，以产生不同频带的多个滤波信号；
检测所述输入语音信号的响度，以获得基准响度；
依据所述基准响度与各所述频带对应的宽动态范围压缩曲线计算对应各所述频带的基准响度增益；
将所述多个滤波信号与所述多个滤波信号对应的基准响度增益进行乘法运算，以得到对应所述多个频带的多个响度调整滤波信号；以及
将所述多个响度调整滤波信号进行加法运算，以产生输出语音信号，其中各所述宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各所述频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，所述基准响度增益为依据各所述频带对应的宽动态范围压缩曲线上对应所述基准响度的第一输出响度以及所述单位增益曲线上对应所述基准响度的第二输出响度计算得到。
6.根据权利要求5所述的语音信号处理方法，还包括：
检测所述多个滤波信号的响度，以获得多个滤波响度；
依据各所述滤波响度与各所述频带对应的宽动态范围压缩曲线分别计算各所述频带的滤波响度增益；
将各所述频带的基准响度增益与滤波响度增益进行比较，以分别选择出具有较小增益值的响度增益；以及
将选择出的具有较小增益值的响度增益分别与对应的各所述频带的滤波信号进行所述乘法运算，以得到所述多个响度调整滤波信号。
7.根据权利要求6所述的语音信号处理方法，其中各所述宽动态范围压缩曲线为单位增益曲线分别进行各所述频带对应的宽动态范围压缩处理后所得到的曲线，各所述频带对应的滤波响度增益为依据各所述频带的宽动态范围压缩曲线上与各所述频带的滤波响度对应的第一输出响度以及所述单位增益曲线上与各所述频带的滤波响度对应的第二输出响度计算得到。
8.根据权利要求5所述的语音信号处理方法，包括：
对所述输入语音信号进行带通滤波。
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