CN111276164A - 飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于语音信号处理、噪声控制技术领域，具体涉及一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置及方法，本装置包括话音信号预处理单元、特征提取单元、VAD判决单元、VAD电平输出单元、及门限计算单元；语音输入至话音信号预处理单元，本方法结合本装置采用VAD算法及采用短时信号的零率的语音检测法实现在飞机上高噪音环境的自适应话音激活检测。本发明信号特征提取单元采用短时能量检测法的话音特征提取识别话音信号的有无，同时也结合短时过零检测法的话音特征获得较准确的话音端点判断，进而提高了判断话音信号有无的准确度。
Description
技术领域
本发明属于语音信号处理、噪声控制技术领域，具体涉及一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置及方法。
背景技术
飞机上高噪音环境自适应话音激活检测(VAD)技术，作用是检测话音通信时是否有话音存在，有话音发送时才打开“发话功能”，此举可以减少干扰，提高通信容量，降低能耗。如果话音激活检测处理不好，就会出现话音时断时续，或者在噪音很大该关断话音输出传输的时候没有关断，或者在话音质量还较好的情况下话音输出传输就被关断，达不到通信灵敏度的要求，极大影响人员之间正常的话音通信需求。
通常的话音激活检测(VAD)技术大多采用固定门限的能量检测算法，固定门限值是基于当前系统固有的背景噪音确定的。高噪音环境使用时，环境的高噪音会通过现场的送话麦克拾取到系统内，送话麦克拾取噪音的能量值接近固定门限值时，话音激活检测(VAD)就会出现频繁的误检测。
飞机上高噪音环境自适应话音激活检测(VAD)技术提出了一种针对实际噪声环境的VAD方法，采用的是随背景噪声能量变化的自适应门限检测方法，该方法能在多种复杂背景噪声环境中保持可靠的话音信号识别检测性能，且具有较低的复杂度和较好的实时性。该技术适用于嵌入式处理平台，能够自适应地调整判断，有效跟踪背景噪声变化情况，可用于多种应用场合，尤其适用于飞机上高噪音环境的话音自动发送的通话要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测(VAD)技术，具有较低的复杂度和较好的实时性，适用于嵌入式处理平台，设置3个检测门限，检测门限随噪声电平同步变化，可自适应地调整判断，有效跟踪背景噪声变化情况，克服固定门限检测无法满足噪声未知条件下话音激活检测的要求。
本发明的技术方案是这样解决的：
一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，包括话音信号预处理单元、特征提取单元、VAD判决单元、VAD电平输出单元、及门限计算单元；
语音输入至话音信号预处理单元，话音信号预处理单元实现对话音信号的放大与带通滤波；再将处理过的话音信号传递给特征提取单元及门限计算单元，信号特征提取单元通过信号采用电路提取话音信号的短时能量大小和短时信号的过零率，门限计算单元通过对噪音信号的采集设置话音激活检测的门限；
特征提取单元将提取的话音信号传递给VAD判决单元，门限计算单元将处理后的信号传递给VAD判决单元；
VAD判据单元结合采集到的短时能量大小和短时信号的过零率与门限值要求判决信号帧是有话音还是无话音信号，进而输出VAD高低电平信号。
所述装置可以嵌入式数字信号处理平台。
所述VAD判决单元中，VAD门限计算单元采用了3个控制门限判定话音信号有无；
3个控制门限分别为TL、TH、TM；
TL作为噪声测量门限值，TH作为检测话音存在的门限值，TM作为门限调节失效的门限值，TH门限电平的变化伴随TL门限电平变化，TM门限电平是固定的。
TL正是用来解决噪声测量的，是在给定时间间隔内以一定频率对噪声抽样测量，将这些抽样值与TL比较，统计抽样值超过TL值的次数，若抽样值次数超过某一比例时，认为噪音增高，自动调高TL门限值，若抽样值次数低于某一比例时，认为噪音降低，自动调低TL门限值，抽样值次数维持在一定比例时，认为噪音大小没有明显变化，TL门限值不变。
TH用来检测话音的存在，TH门限值始终高于TL门限电平值，并随TL调节而上下浮动，因而话音检测门限始终略高于噪声尖峰值，这样可以保证高噪音下良好的抗噪性能和话音灵敏度。
TM是一个固定电平，作用是判定话音出现时门限自动调整停止，TL只能根据噪声电平来调整，而一旦话音达到TM门限值，TL只能是一个恒定的门限电平值，以避免正常接收话音信号对TL门限检测值的影响，TM的门限电平值可根据要求的使用环境最大噪音确定。
本装置采用8kHz话音信号采样速率，125ms的采样时间间隔，总共有125/(1/8)＝1000个实际采样点；当125ms内抽样值超过TL次数为38至55范围内时，认为TL反映当前的噪声水平，如果超过55，则TL门限电平需要提高，相应的TH门限电平也要提高，如果低于38，则TL门限电平需要降低，相应的TH门限电平也要降低；
在电路工作期间，TL门限电平、TH门限电平根据噪音大小在不断调节，以适应飞机高噪音下自适应话音激活检测需求。
在使用VAD时，话音出现“切音”现象情况，话音的起始部分无法正常传输，需采用短时信号的过零率的话音检测法；
利用过零率可以获得准确的话音信号的端点判断，短时能量检测结合短时能量大小检测提高了话音激活检测的准确性。
一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测方法，第一步，信号经过初始化缓冲区，变量vad设置为0；第二步，读取语音数据并进行加窗处理；第三步，计算当前帧短时能量/过零率；第四步，判断是否达到初始化帧数，如果达到了初始化帧数，进入第五步，如果没有达到，经过检测门限初始化处理后返回第二步再进行数据处理；第五步，对短时能量/过零率进行VAD检测；第六步，对检测后的数据进行判断是否达到激活条件，如果达到激活条件，则进行下一步，如果没有达到则进行拖尾延迟保护，保护后的信号返回第三步进行重新处理；第七步，将VAD设置为1；第八步，检测门限更新，合格后本方法结束，不合格则将数据返回至第二步再次进行处理。
本发明的有益效果在于：
本发明信号特征提取单元采用短时能量检测法的话音特征提取识别话音信号的有无，同时也结合短时过零检测法的话音特征获得较准确的话音端点判断，进而提高了判断话音信号有无的准确度。
本发明采用的话音激活检测主要原理是利用话音与噪音的自相关性的差异。噪声具有随机性，其自相关值平均较小，且方差也小；相反，话音信号的自相关值平均较大，且方差也大，并且话音信号不同帧数据之间的自相关之间的方差变化也大。
本发明为了提高噪音环境下话音信号有无的准确判断，门限计算单元自动计算噪音的强弱，根据噪音的强弱动态调节TL噪声测量门限及TH检测话音门限的数值。
本发明适用于嵌入式处理平台，能够自适应地调整判断，有效跟踪背景噪声变化情况，可用于多种应用场合，尤其适用于需要高噪音下的话音自动发送的通话需求。
附图说明
图1为本发明语音激活检测原理框图。
图2为本发明语音激活检测流程图。
图3为本发明3个门限电平相对噪声的位置。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置由话音信号预处理单元、特征提取单元、VAD判决单元、VAD电平输出单元、及门限计算单元组成。
语音输入至话音信号预处理单元，话音信号预处理单元实现对话音信号的放大与带通滤波；再将处理过的话音信号传递给特征提取单元及门限计算单元，信号特征提取单元通过信号采用电路提取话音信号的短时能量大小和短时信号的过零率，门限计算单元通过对噪音信号的采集设置话音激活检测的门限；
特征提取单元将提取的话音信号传递给VAD判决单元，门限计算单元将处理后的信号传递给VAD判决单元；
VAD判据单元结合采集到的短时能量大小和短时信号的过零率与门限值要求判决信号帧是有话音还是无话音信号，进而输出VAD高低电平信号。
为了适用不同噪音环境下话音信号判断，VAD门限计算单元采用了3个控制门限判定话音信号有无。3个控制门限分别为TL、TH、TM。TL作为噪声测量门限值，TH作为检测话音存在的门限值，TM作为门限调节失效的门限值，TH门限电平的变化伴随TL门限电平变化，TM门限电平是固定的。自适应门限的含义就是门限适应噪音大小的变化，确定噪音的大小是门限调整的基础，TL正是用来解决噪声测量的，因而称作为噪声测量门限。具体实现方法是在给定时间间隔内以一定频率对噪声抽样测量，将这些抽样值与TL比较，统计抽样值超过TL值的次数，若抽样值次数超过某一比例时，认为噪音增高，自动调高TL门限值，若抽样值次数低于某一比例时，认为噪音降低，自动调低TL门限值，抽样值次数维持在一定比例时，认为噪音大小没有明显变化，TL门限值不变。TH用来检测话音的存在，TH门限值始终略高于TL门限电平值，并随TL调节而上下浮动，因而话音检测门限始终略高于噪声尖峰值，这样可以保证高噪音下良好的抗噪性能和话音灵敏度。TM是一个固定电平，作用是判定话音出现时门限自动调整停止，也就是说TL只能根据噪声电平来调整，而一旦话音达到TM门限值，TL只能是一个恒定的门限电平值，以避免正常接收话音信号对TL门限检测值的影响，TM的门限电平值可根据要求的使用环境最大噪音确定。
高噪音下自适应话音激活检测(VAD)技术为了电路实现方便，采用8kHz话音信号采样速率，125ms的采样时间间隔，总共有125/(1/8)＝1000个实际采样点。当125ms内抽样值超过TL次数为38(3.8％)至55(5.5％)范围内时，认为TL反映当前的噪声水平，如果超过55，则TL门限电平需要提高，相应的TH门限电平也要提高，如果低于38，则TL门限电平需要降低，相应的TH门限电平也要降低。在电路工作期间，TL门限电平、TH门限电平根据噪音大小在不断调节，以适应飞机高噪音下自适应话音激活检测(VAD)需求。3个门限电平相对噪声的位置见图3。
飞机上高噪音下自适应话音激活检测(VAD)技术的话音激活检测的判定依赖于语音信号的短时能量大小、短时信号的过零率等语音特征。
飞机上高噪音下自适应话音激活检测(VAD)技术适用复杂背景噪音下应用，具有较高的话音激活检测(VAD)可靠性，适用于嵌入式数字信号处理(DSP)平台。
短时能量检测是VAD算法中最基本的、应用最广泛的一种算法，话音信号的一个短段的能量称为短时能量。
话音信号的短时能量大小也就是该短段话音采样值的平方，有话音时，短时能量大于无话音(背景噪音)的能量，通过该短段话音信号的短时能量大小，可以直观方便的分辨出话音的有无。
由于话音中的清音不会带动声带振动，其短时能量相对较小，短时能量大小检测法往往会出现话音起始部分的清音被漏检，导致在使用VAD时，话音出现“切音”现象，话音的起始部分无法正常传输，需采用短时信号的过零率的话音检测法可提高短时能量检测法的不足。
短时信号的过零率实际就是信号采样的符号变化次数，也就是每帧信号过零为零的次数，噪声的过零率要远大于话音信号的过零率，利用过零率可以获得准确的话音信号的端点判断，短时能量检测结合短时能量大小检测提高了话音激活检测(VAD)的准确性。
语音激活检测流程图见图2。
一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测方法，第一步，信号经过初始化缓冲区，变量vad设置为0；第二步，读取语音数据并进行加窗处理；第三步，计算当前帧短时能量/过零率；第四步，判断是否达到初始化帧数，如果达到了初始化帧数，进入第五步，如果没有达到，经过检测门限初始化处理后返回第二步再进行数据处理；第五步，对短时能量/过零率进行VAD检测；第六步，对检测后的数据进行判断是否达到激活条件，如果达到激活条件，则进行下一步，如果没有达到则进行拖尾延迟保护，保护后的信号返回第三步进行重新处理；第七步，将VAD设置为1；第八步，检测门限更新，合格后本方法结束，不合格则将数据返回至第二步再次进行处理。
Claims (9)
1.一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，包括话音信号预处理单元、特征提取单元、VAD判决单元、VAD电平输出单元、及门限计算单元；
其特征在于：语音输入至话音信号预处理单元，话音信号预处理单元实现对话音信号的放大与带通滤波；再将处理过的话音信号传递给特征提取单元及门限计算单元，信号特征提取单元通过信号采用电路提取话音信号的短时能量大小和短时信号的过零率，门限计算单元通过对噪音信号的采集设置话音激活检测的门限；
特征提取单元将提取的话音信号传递给VAD判决单元，门限计算单元将处理后的信号传递给VAD判决单元；
VAD判据单元结合采集到的短时能量大小和短时信号的过零率与门限值要求判决信号帧是有话音还是无话音信号，进而输出VAD高低电平信号。
2.如权利要求1所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：所述装置可以嵌入式数字信号处理平台。
3.如权利要求1所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：所述VAD判决单元中，VAD门限计算单元采用了3个控制门限判定话音信号有无；
3个控制门限分别为TL、TH、TM；
TL作为噪声测量门限值，TH作为检测话音存在的门限值，TM作为门限调节失效的门限值，TH门限电平的变化伴随TL门限电平变化，TM门限电平是固定的。
4.如权利要求3所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：TL正是用来解决噪声测量的，是在给定时间间隔内以一定频率对噪声抽样测量，将这些抽样值与TL比较，统计抽样值超过TL值的次数，若抽样值次数超过某一比例时，认为噪音增高，自动调高TL门限值，若抽样值次数低于某一比例时，认为噪音降低，自动调低TL门限值，抽样值次数维持在一定比例时，认为噪音大小没有明显变化，TL门限值不变。
5.如权利要求3所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：TH用来检测话音的存在，TH门限值始终高于TL门限电平值，并随TL调节而上下浮动，因而话音检测门限始终略高于噪声尖峰值，这样可以保证高噪音下良好的抗噪性能和话音灵敏度。
6.如权利要求3所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：TM是一个固定电平，作用是判定话音出现时门限自动调整停止，TL只能根据噪声电平来调整，而一旦话音达到TM门限值，TL只能是一个恒定的门限电平值，以避免正常接收话音信号对TL门限检测值的影响，TM的门限电平值可根据要求的使用环境最大噪音确定。
7.如权利要求3所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：本装置采用8kHz话音信号采样速率，125ms的采样时间间隔，总共有125/(1/8)＝1000个实际采样点；当125ms内抽样值超过TL次数为38至55范围内时，认为TL反映当前的噪声水平，如果超过55，则TL门限电平需要提高，相应的TH门限电平也要提高，如果低于38，则TL门限电平需要降低，相应的TH门限电平也要降低；
在电路工作期间，TL门限电平、TH门限电平根据噪音大小在不断调节，以适应飞机高噪音下自适应话音激活检测需求。
8.如权利要求1所述的一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测装置，其特征在于：在使用VAD时，话音出现“切音”现象情况，话音的起始部分无法正常传输，需采用短时信号的过零率的话音检测法；
利用过零率可以获得准确的话音信号的端点判断，短时能量检测结合短时能量大小检测提高了话音激活检测的准确性。
9.一种飞机上高噪音环境自适应话音激活检测方法，其特征在于：第一步，信号经过初始化缓冲区，变量vad设置为0；第二步，读取语音数据并进行加窗处理；第三步，计算当前帧短时能量/过零率；第四步，判断是否达到初始化帧数，如果达到了初始化帧数，进入第五步，如果没有达到，经过检测门限初始化处理后返回第二步再进行数据处理；第五步，对短时能量/过零率进行VAD检测；第六步，对检测后的数据进行判断是否达到激活条件，如果达到激活条件，则进行下一步，如果没有达到则进行拖尾延迟保护，保护后的信号返回第三步进行重新处理；第七步，将VAD设置为1；第八步，检测门限更新，合格后本方法结束，不合格则将数据返回至第二步再次进行处理。
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