CN1897111A - 声音信号分解及合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声音信号分解及合成装置，本发明包含按波段将输入的声音信号进行分离的分解滤波器和在各波段中加入所定增益并进行合成的合成滤波器，上述分解滤波器由以下组件构成：用于对输入信号(x(n))进行M倍采样，获取各波段信号(x_k (m))的子速率复用器；对上述各波段信号(x_k (m))进行卷积并输出的滤波器；将通过上述滤波器按各波段进行卷积并输出的信号(y_k (m))进行共扼快速傅里叶变换，然后按各波段输出的共扼FFT装置。本发明基于清除麦克风中输入声音信号杂音的装置，能够在保持原有性能的同时，比以往更有效地降低计算量。

Description

声音信号分解及合成装置

技术领域

本发明涉及一种声音信号分解及合成装置，特别涉及一种基于清除麦克风中输入声音信号杂音的装置，能够在保持原有性能的同时，比以往更有效地降低计算量，使音质增强的声音信号分解及合成装置。

背景技术

通常在进行声音通信的时候，由于周边各种杂音的影响，通话音质会变差，在这个时候，有必要使用一种能够通过信号处理，消除麦克风中输入声音信号杂音的音质增强(Speech Enhancement)技术。

这种音质增强技术通常采用了如图1所示的声音分解及合成方法。即如图1所示，输入到麦克风(图中未标识)中的输入信号(x(n))通过分解滤波器(Analysis Filter)101，被分解成各波段信号(X_k(m))，然后在各个波段中乘上所定增益(g_k(m))，并利用合成滤波器(Synthesis Filter)102将其合成，这样就能输出消除了杂音的声音信号(y(n))了。

这时，输入到上述麦克风中的输入信号(x(n))包含声音信号(s(n))和杂音信号(n(n))，各波段增益(g_k(m))可以通过下述公式1计算得出。

【公式1】

g_k(m)＝Ps_k(m)/(Ps_k(m)+Pn_k(m))

在这个公式中，上述“Ps_k(m)”表示的是k波段声音信号的功率谱(power spectrum)，“Pn_k(m)”表示是杂音信号的功率谱。使用上述公式1求得增益的方法称之为维纳最佳滤波(Wiener OptimumFiltering)，它是现在使用最为普遍的一种方法。

以下对上述图1中使用现有重叠相加方式(Overlap-Add Method)的声音信号分解滤波器和合成滤波器进行说明。

图2是对现有重叠相加方式的声音信号分解过程进行说明的示意图。如图所示，将每次M-采样(Sample)的声音信号输入到K-采样大小的移位寄存器201中，然后将其与所定的分解窗口(Analysis window)202相乘，并进行离散傅里叶变换(DFT：Discrete Fourier Transform)，这样就生成了M-波段的各波段信号。

图3是对现有重叠相加方式的声音信号合成过程进行说明的示意图。如图所示，在M-波段的各波段信号经过了离散傅里叶变换(DFT)之后，将其与所定的合成窗口203相乘，并对其结果进行重叠相加(Overlap-add)，在将其储存到K-采样大小的累加移位寄存器(Accumulator Shift Register)204中，然后输出每次M-采样，并制成合成信号。

上述重叠相加方式虽然容易实现，但是如图2和图3所示，由于使用了移位寄存器，所以增大了计算量。例如，使用K＝240的移位寄存器，重叠了M＝120的输入信号，这时为了对其进行处理，每次都要对120样值进行存储抄写，从而增加了计算量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于清除麦克风中输入声音信号杂音的装置，能够在保持原有性能的同时，比以往更有效地降低计算量，使音质增强的声音信号分解及合成装置。

为了实现上述目的，本发明基于由按波段将输入的声音信号进行分离的分解滤波器和在各波段中加入所定增益并进行合成的合成滤波器构成的音质增强装置，上述分解滤波器由以下组件构成：

用于对输入信号(x(n))进行M倍采样，获取各波段信号(x_k(m))的子速率复用器(Trans Multiplexer)；

对上述各波段信号(x_k(m))进行卷积并输出的滤波器；

将通过上述滤波器按各波段进行卷积并输出的信号(y_k(m))进行共扼快速傅里叶变换(Conjugate FFT)，然后按各波段输出的共扼FFT装置。

上述合成滤波器由以下组件构成：

对分解滤波器输出的各波段信号(X_k(m))M次共扼快速傅里叶变换(Conjugate FFT)并将其输出的共扼FFT装置；

对上述共扼FFT装置按各波段输出的信号(y_k(m))进行逆卷积然后将其输出的滤波器；

将上述滤波器进行逆卷积并输出的各波段信号依次合成并输出的子速率解复用器(Trans Demultiplexer)。

本发明旨在消除麦克风中输入声音信号所含杂音，其目的是要提供一种在构成上使用比以往重叠相加方式复杂但是能够降低计算量的多相滤波器，从而达到降低声音系统负荷效果的声音处理装置。

在现有次能带适应滤波器中，将各波段带通(band-pass)滤波器制成有限应答滤波器(FIR)结构，所以滤波器系数增加，消耗很大的计算量，致使波段数增多并且需要具有良好切断(cut-off)特性。本发明使用了多相(Polyphase)形态的滤波器，因此就能解决上述问题。

利用这种多相滤波器的方法是使原型(Prototype)低通滤波器的输出值同样存在于其他各波段中，本发明就是使用这种方式的滤波器使音质增强的系统。

举个例子，采用上升余弦(Raised-Cosine)函数的低通滤波器可以通过公式2-4的过程进行设计。当原型低通滤波器使用上升函数的时候，针对“fs”的采样频率，切断频率(fc)为fs/32，并具有128的抽头。

【公式2】

$f_c=\frac{f_s}{2M},{\mathrm{\ω}}_c=2{\mathrm{\πf}}_c$

【公式3】

$H\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \frac{\left|\mathrm{\&omega;}\right|}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&omega;}}_c}}\&le;1-r\\ \frac{1}{2}(1+\cos [\frac{\mathrm{\&pi;}}{2r}(\frac{\mathrm{\&omega;}}{{\mathrm{\&omega;}}_c}-(1-r))\left]\right),& 1-r<\frac{\left|\mathrm{\&omega;}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_c}\&le;1+r\\ 0,& \frac{\left|\mathrm{\&omega;}\right|}{{\mathrm{\&omega;}}_c}\&GreaterEqual;1+r\end{array}\right.$

【公式4】

$h\left(n\right)=\frac{1}{M}\frac{\sin (\mathrm{\&pi;n}/M)}{\mathrm{\&pi;n}/M}\&CenterDot;\frac{\cos (\mathrm{r\&pi;n}/M)}{1-{(2r/M)}^2}$

如上所述，本发明用于音质增强的声音信号分解及合成装置基于清除麦克风中输入声音信号杂音的装置，能够在保持原有性能的同时，比以往更有效地降低计算量。

本发明的音质增强系统中所使用的多相滤波器虽然在设计和构成上比较复杂，但是与现有重叠相加方式相比，它降低了计算量，适用于实时系统中。因此，如果在电话会议系统或者电视会议系统中使用本发明的话，可以使由于周边杂音引起通话音质低下的情况得以改善。

附图说明

图1是对现有音质增强的分解及合成过程进行说明的示意图。

图2是对现有重叠相加方式的声音信号分解过程进行说明的示意图。

图3是对现有重叠相加方式的声音信号合成过程进行说明的示意图。

图4是使用本发明多相滤波器的分解滤波器构成图。

图5是使用本发明多相滤波器的合成滤波器构成图。

附图主要部分符号说明：

301：子速率复用器            302：滤波器

303：共扼FFT装置             304：共扼FFT装置

305：滤波器                  306：子速率解复用器

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。

首先，图4是使用本发明多相滤波器的分解滤波器构成图。上述分解滤波器由以下组件构成：

用于对输入信号(x(n))进行M倍采样，获取各波段信号(x_k(m))的子速率复用器301；

对上述各波段信号(x_k(m))进行卷积并输出的滤波器302；

将通过上述滤波器302按各波段进行卷积并输出的信号(y_k(m))进行共扼快速傅里叶变换(Conjugate FFT)，然后按各波段输出的共扼FFT装置303。

在这里，上述滤波器由多个用于对分各波段进行了采样的声音信号进行卷积的滤波器

构成，各滤波器的“h(n)”为滤波器系数。

即，子速率复用器301沿图中所示的顺时针方向通过输入信号(x(n))，并进行M倍采样(Decimation)，然后从各波段获取的信号(x_k(m))经过滤波器302卷积(Convolution)，输出“y_k(m)”信号，然后在共扼FFT303中对这个值进行M次共扼快速傅里叶变换，然后输出各波段信号(X_k(m))。

图5是使用本发明多相滤波器的合成滤波器构成图。

上述合成滤波器由以下组件构成：

对分解滤波器输出的各波段信号(X_k(m))M次共扼快速傅里叶变换并将其输出的共扼FFT装置304；

对上述共扼FFT装置按各波段输出的信号(y_k(m))进行逆卷积然后将其输出的滤波器305；

将上述滤波器305进行逆卷积并输出的各波段信号依次合成并输出的子速率解复用器306。

上述滤波器305由多个用于对分各波段进行了快速傅里叶变换的声音信号进行逆卷积的滤波器(P₀(r)P_M-1(r))构成，各分波段滤波器的“h(n)”为滤波器系数。

上述图4所示的分解滤波器和图5所示的合成滤波器之间的各波段增益采用了使用根据公式1所求增益的维纳最佳滤波(WienerOptimum Filtering)。

即，上述共扼FFT装置304对分解滤波器输出的各波段信号(X_k(m))进行M次共扼FFT，然后将经过了共扼傅里叶变换的各波段信号在滤波器305中进行滤波(P_k(m))和逆卷积，然后使其沿着图中所示的逆时针方向通过子速率解复用器306，依次合成各波段信号，并将其输出。

Claims (6)

1、一种声音信号分解装置，其特征在于，包括按波段将输入的声音信号进行分离的分解滤波器和在各波段中加入所定增益并进行合成的合成滤波器，所述分解滤波器包括：

用于对输入信号(x(n))进行M倍采样，获取各波段信号(x_k(m))的子速率复用器；

对所述各波段信号(x_k(m))进行卷积并输出的滤波器；

将通过所述滤波器按各波段进行卷积并输出的信号(y_k(m))进行共扼快速傅里叶变换，然后按各波段输出的共扼FFT装置。

2、如权利要求1所述的声音信号分解装置，其特征在于，通过所述分解滤波器按各波段被分离的声音信号使用了根据维纳最佳滤波所求得的增益之后，被输入到合成滤波器中。

3、如权利要求1所述的声音信号分解装置，其特征在于，所述分解滤波器使用多相滤波器生成各波段信号。

4、一种声音信号合成装置，其特征在于，包括按波段将输入的声音信号进行分离的分解滤波器和在各波段中加入所定增益并进行合成的合成滤波器，所述合成滤波器包括：

对分解滤波器输出的各波段信号(X_k(m))M次共扼快速傅里叶变换并将其输出的共扼FFT装置；

对所述共扼FFT装置按各波段输出的信号(y_k(m))进行逆卷积然后将其输出的滤波器；

将上述滤波器进行逆卷积并输出的各波段信号依次合成并输出的子速率解复用器。

5、如权利要求4所述的声音信号合成装置，其特征在于，所述合成滤波器使用多相滤波器合成各波段信号。

6、如权利要求4所述的声音信号合成装置，其特征在于，所述分解滤波器和合成滤波器中所使用的原型低通滤波器的滤波器系数是使用切断特性良好的上升余弦函数设计的。

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