TWI590236B - 語音信號處理裝置及語音信號處理方法 - Google Patents

語音信號處理裝置及語音信號處理方法 Download PDF

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Description

語音信號處理裝置及語音信號處理方法
本發明是有關於一種信號處理裝置，且特別是有關於一種語音信號處理裝置及語音信號處理方法。
多頻帶的寬動態範圍壓縮(Wide Dynamic Range Compression,WDRC)技術廣泛在助聽器的範圍被使用，寬動態範圍壓縮的主要功能是提高響度小的語音信號的響度增益，以利辨識，並降低響度大的語音信號的響度增益，以避免聲音太大造成不舒服。此外，為避免當輸出語音信號的響度超過人耳能負荷的範圍，必須將其限制在一定範圍的響度之內，以保護耳朵避免聽力受損。
一般來說，多頻帶的寬動態範圍壓縮是每一個頻帶各自獨立進行語音信號的處理，各個頻帶的寬動態範圍壓縮曲線為依據個人需求進行聽力檢測所決定。在對輸入語音信號進行寬動態 範圍壓縮處理時，為分別以各個頻帶的語音信號的響度檢測結果為基準配合對應的寬動態範圍壓縮曲線來決定各頻帶的輸出語音信號的響度，其中各個頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線皆包括響度的保護限制機制，使各個頻帶語音信號的響度無法大於其對應頻帶的響度限制值，以避免輸出語音信號的響度過大。此處理方式雖可避免輸出語音信號的響度過大，然亦可能會使由各個頻帶的語音信號間的響度差距變小，而使得合成各個頻帶的語音信號所得到的輸出語音信號的聲音品質降低。
本發明提供一種語音信號處理裝置及語音信號處理方法，可大幅地提高輸出語音信號的聲音品質。
本發明的語音信號處理裝置包括濾波單元以及處理單元。濾波單元接收輸入語音信號，對輸入語音信號進行濾波，以產生不同頻帶的多個濾波信號。處理單元檢測濾波信號的響度，以獲得多個濾波響度，依據各濾波響度與各頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線分別計算各頻帶的濾波響度增益，其中各寬動態範圍壓縮曲線不具有輸出響度上限。處理單元將濾波響度增益與增益下降調整值進行乘法運算，以得到多個調整增益，將各頻帶的調整增益分別與對應的濾波信號進行乘法運算，以得到多個響度調整濾波信號，將響度調整濾波信號進行加法運算，以產生加總濾波信號，檢測加總濾波信號的響度，並判斷加總濾波信號的響度 是否小於第一臨限值，若加總濾波信號的響度未小於第一臨限值，降低增益下降調整值，直到加總濾波信號的響度小於第一臨限值，若加總濾波信號的響度小於第一臨限值，將加總濾波信號做為輸出語音信號。
在本發明的一實施例中，上述的處理單元更依據第二臨限值與加總濾波信號的響度的比值降低增益下降調整值，其中第二臨限值小於或等於第一臨限值。
在本發明的一實施例中，上述的第二臨限值小於第一臨限值一誤差值。
在本發明的一實施例中，上述的增益下降調整值等於第二臨限值與加總濾波信號的響度的比值的開根號值乘以前一次使用的增益下降調整值的乘積。
在本發明的一實施例中，上述各寬動態範圍壓縮曲線為單位增益曲線分別進行各頻帶對應的寬動態範圍壓縮處理後所得到的曲線，處理單元更依據各頻帶的寬動態範圍壓縮曲線上與各頻帶的濾波響度對應的第一輸出響度以及單位增益曲線上與各頻帶的濾波響度對應的第二輸出響度計算各頻帶對應的濾波響度增益。
本發明的語音信號處理方法，包括下列步驟。接收輸入語音信號。對輸入語音信號進行濾波，以產生不同頻帶的多個濾波信號。檢測濾波信號的響度，以獲得多個濾波響度。依據各濾波響度與各頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線分別計算各頻帶的濾 波響度增益，其中各寬動態範圍壓縮曲線不具有輸出響度上限。將濾波響度增益與增益下降調整值進行乘法運算，以得到多個調整增益。將各頻帶的調整增益分別與對應的濾波信號進行乘法運算，以得到多個響度調整濾波信號。將響度調整濾波信號進行加法運算，以產生加總濾波信號。檢測加總濾波信號的響度。判斷加總濾波信號的響度是否小於第一臨限值。若加總濾波信號的響度未小於第一臨限值，降低增益下降調整值，直到加總濾波信號的響度小於第一臨限值。若加總濾波信號的響度小於第一臨限值，將加總濾波信號做為輸出語音信號。
在本發明的一實施例中，上述的語音信號處理方法更包括，依據第二臨限值與加總濾波信號的響度的比值降低增益下降調整值，其中第二臨限值小於或等於第一臨限值。
在本發明的一實施例中，上述的第二臨限值小於第一臨限值一誤差值。
在本發明的一實施例中，上述的增益下降調整值等於第二臨限值與加總濾波信號的響度的比值的開根號值乘以前一次使用的增益下降調整值的乘積。
在本發明的一實施例中，上述各寬動態範圍壓縮曲線為一單位增益曲線分別進行各頻帶對應的寬頻動態範圍壓縮處理後所得到的曲線，各頻帶對應的濾波響度增益為依據各頻帶的寬動態範圍壓縮曲線上與各頻帶的濾波響度對應的第一輸出響度以及單位增益曲線上與各頻帶的濾波響度對應的第二輸出響度計算得 到。
基於上述，本發明的實施例依據不具有輸出響度上限的寬動態範圍壓縮曲線調整各個頻帶的濾波信號的濾波響度增益，並藉由降低增益下降調整值來降低各個頻帶的濾波響度增益，以降低響度調整濾波信號的響度，使輸出語音信號的響度低於第一臨限值，如此便可避免不同頻帶的濾波信號間的響度差距因寬動態範圍壓縮曲線的響度限制而大幅地變小，進而提高輸出語音信號的聲音品質。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
102‧‧‧濾波單元
104‧‧‧處理單元
SF1~SFN‧‧‧濾波信號
S11‧‧‧輸入語音信號
SO1‧‧‧輸出語音信號
S202~S222‧‧‧語音信號處理方法步驟
Gc‧‧‧增益下降調整值
Gpa、Gpb‧‧‧濾波響度增益
Gxa‧‧‧第一調整增益
Gxb‧‧‧第二調整增益
SF1、SF2‧‧‧濾波信號
SF1’、SF2’‧‧‧響度調整濾波信號
SZ1‧‧‧加總濾波信號
S1~S4‧‧‧區間
Gp‧‧‧響度增益
TH1‧‧‧保護限制值
Gd‧‧‧響度差距
圖1是依照本發明一實施例之語音信號處理裝置的示意圖。
圖2是依照發明一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖。
圖3是依照本發明一實施例之寬動態範圍壓縮曲線的示意圖。
圖4是依照本發明一實施例之第一頻帶與第二頻帶的濾波信號與響度調整濾波信號的響度示意圖。。
圖1是依照本發明一實施例之語音信號處理裝置的示意圖，請參照圖1。語音信號處理裝置包括濾波單元102以及處理單元104，濾波單元102耦接處理單元104，其中濾波單元102可例如以帶通濾波器來實施，而處理單元104則可例如以中央處理單元來實施，然不以此為限。
濾波單元102用以對輸入語音信號SI1進行濾波，以產生多個不同頻帶的濾波信號SF1~SFN給處理單元104，其中N為大於1的正整數。處理單元104可檢測檢測濾波信號SF1~SFN的響度，以獲得多個濾波響度，並依據各濾波響度與各頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線分別計算各頻帶的濾波響度增益。其中各寬動態範圍壓縮曲線不具有輸出響度上限，各個頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線為單位增益曲線分別進行各個頻帶對應的寬動態範圍壓縮處理後所得到的曲線，各個頻帶的寬動態範圍壓縮曲線為依據個人需求進行聽力檢測所決定，不同頻帶所對應的寬動態範圍壓縮曲線可能不同。進一步來說，處理單元104可依據各個頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線上對應濾波響度的輸出響度以及單位增益曲線上對應濾波響度的輸出響度來計算濾波響度增益。
處理單元104可將各頻帶的濾波響度增益與增益下降調整值(增益下降調整值的初始值可設為1，然不以此為限)進行乘法運算，以得到多個調整增益，將各頻帶的調整增益分別與對應的濾波信號進行乘法運算，以得到多個響度調整濾波信號，將該些響度調整濾波信號進行加法運算，以產生加總濾波信號。處理單 元104可檢測加總濾波信號的響度，並判斷加總濾波信號的響度是否小於第一臨限值，若加總濾波信號的響度未小於第一臨限值，降低增益下降調整值，直到加總濾波信號的響度小於第一臨限值，若加總濾波信號的響度小於第一臨限值，將加總濾波信號做為輸出語音信號。其中處理單元104可例如依據第二臨限值與加總濾波信號的響度的比值來降低增益下降調整值，此外第二臨限值可例如小於或等於第一臨限值，在部份實施例中，可設定第二臨限值小於第一臨限值一個誤差值，例如使第一臨限值等於第二臨限值乘以1.01，亦即誤差值為10%的第二臨限值，然不以此為限。
如此依據不具有輸出響度上限的寬動態範圍壓縮曲線調整各個頻帶的濾波信號的濾波響度增益，並藉由降低增益下降調整值來降低各個頻帶的濾波響度增益，以降低響度調整濾波信號的響度，而非如習知技術般以具有最大響度限制的寬動態範圍壓縮曲線來降低濾波信號的響度，可避免不同頻帶的濾波信號間的響度差距因寬動態範圍壓縮曲線的響度限制大幅地變小，進而提高輸出語音信號的聲音品質。
舉例來說，圖2是依照本發明一實施例之語音信號處理方法的流程示意圖，請參照圖2。在本實施例中，為以產生2個不同頻帶的濾波信號SF1與SF2為例進行說明，然並不以此為限，在其它實施例中，濾波單元102可產生更多不同頻帶的濾波信號。本實施例的語音信號處理方法可包括下列步驟。首先，濾波單元 102接收輸入語音信號SI1(步驟S202)，對輸入語音信號SI1進行濾波，以產生第一頻帶的濾波信號SF1(步驟S204A)以及第二頻帶的濾波信號SF2(步驟S204B)。處理單元104可檢測第一頻帶的濾波信號SF1的響度，以獲得第一濾波響度(步驟S206A)，並依據第一濾波響度與第一頻帶對應的寬頻動態範圍壓縮曲線計算第一頻帶的濾波響度增益Gpa(步驟S208A)。類似地，處理單元104可檢測第二頻帶的濾波信號SF2的響度，以獲得第二濾波響度(步驟S206B)，並依據第二濾波響度與第二頻帶對應的寬頻動態範圍壓縮曲線計算第二頻帶的濾波響度增益Gpb(步驟S208B)。其中，第一頻帶與第二頻帶的寬動態範圍壓縮曲線不具有輸出響度上限。
舉例來說，第一頻帶與第二頻帶的寬動態範圍壓縮曲線可例如為圖3之寬動態範圍壓縮曲線的示意圖所示，圖3實施例的寬動態範圍壓縮曲線可區分為多個區間S1~S4，其中區間S1為線性區、區間S2為壓縮區、區間S3以及區間S4為線性區，此外，虛線為單位增益曲線，亦即信號的輸入響度等於輸出響度。其中區間S1可用以幫助聽障人士將微小的語音聲音放大，區間S2可用以調節使用者聽域的動態範圍。區間S3寬動態範圍壓縮曲線與單位增益曲線重疊，因聽障人士的飽和聲壓與正常人一樣不須放大。此外，相較於在習知技術中，在區間S4設定用以限制輸出語音信號SO1的最大響度值(例如使輸出響度最大為110dB)，在本實施例中，區間S4與區間S3相同，亦為線性區而不限制輸出響度。處理單元104可依據各個頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線上對應 濾波響度的輸出響度以及單位增益曲線上對應濾波響度的輸出響度來計算濾波響度增益Gp。
值得注意的是，在本實施例中，為假設第一頻帶與第二頻帶所對應的寬動態範圍壓縮曲線皆如圖3所示，然不以此為限，在其它實施例中，第一頻帶與第二頻帶所對應的寬動態範圍壓縮曲線可不同於圖3的寬動態範圍壓縮曲線，且第一頻帶與第二頻帶亦可對應不同的寬動態範圍壓縮曲線。
接著，在步驟S208A與S208B後，處理單元104可將第一頻帶的濾波響度增益Gpa與第二頻帶的濾波響度增益Gpb分別與增益下降調整值Gc進行乘法運算，以分別得到第一調整增益Gxa與第二調整增益Gxb(步驟S210A、S210B)。其中若第一頻帶的濾波響度增益Gpa與第二頻帶的濾波響度增益Gpb為第一次產生，增益下降調整值Gc可例如設定為初始值“1”。之後，處理單元104將第一頻帶的濾波信號SF1與第一頻帶的濾波響度增益Gpa進行乘法運算，以得到第一響度調整濾波信號SF1’(步驟S212A)，並將第二頻帶的濾波信號SF2與第二頻帶的濾波響度增益Gpb進行乘法運算，以得到第二響度調整濾波信號SF2’(步驟S212B)。
接著，處理單元104將第一響度調整濾波信號SF1’與第二響度調整濾波信號SF2’進行加法運算，以產生加總濾波信號SZ1(步驟S214)，然後再檢測加總濾波信號SZ1的響度(步驟S216)，並判斷加總濾波信號SZ1的響度是否小於第一臨限值(步 驟S218)。若加總濾波信號SZ1的響度未小於第一臨限值，則降低增益下降調整值(步驟S220)，並回到步驟S210A與S210B重新計算第一調整增益Gxa與第二調整增益Gxb，並接著執行步驟S212A~S218等步驟。如此重複執行步驟S210A~S220以及S210B~S220，直到於步驟S218中判斷出加總濾波信號SZ1的響度小於第一臨限值，即可將加總濾波信號SZ1做為輸出語音信號(S222)。
其中，處理單元104可例如依據第二臨限值與加總濾波信號SZ1的響度的比值來降低增益下降調整值，舉例來說，增益下降調整值可等於第二臨限值與加總濾波信號SZ1的響度的比值的開根號值乘以前一次使用的增益下降調整值的乘積，也就是說第i次計算的增益下降調整值Gc(i)=Gc(i-1)×(SPLlim/SPLz)^0.5，其中i為大於1的正整數，Gc(1)等於1，SPLlim為第二臨限值，SPLz為加總濾波信號SZ1的響度。值得注意的是，在其它實施例中，增益下降調整值的計算方式並不以此為限，增益下降調整值Gc(i)亦可例如為其它包括參數(SPL1im/SPLz)的函數，例如增益下降調整值Gc(i)=Gc(i-1)×(SPLlim/SPLz)^0.25。此外，如上述實施例所述，第二臨限值可例如小於或等於第一臨限值，在部份實施例中，可設定第二臨限值小於第一臨限值一個誤差值，例如使第一臨限值等於第二臨限值乘以1.01，亦即誤差值為10%的第二臨限值，然不以此為限。
如此依據不具有輸出響度上限的寬動態範圍壓縮曲線調 整第一頻帶與第二頻帶的濾波信號SF1與SF2的濾波響度增益，並藉由降低增益下降調整值來降低第一頻帶與第二頻帶的濾波響度增益，以降低第一響度調整濾波信號SF1’與第二響度調整濾波信號SF2’的響度，使輸出語音信號的響度低於第一臨限值，而非如習知技術般使用具有最大響度限制的寬動態範圍壓縮曲線來降低第一頻帶與第二頻帶的濾波信號SF1與SF2的響度，可避免不同頻帶的濾波信號間的響度差距因寬動態範圍壓縮曲線的響度限制而大幅地變小，進而提高輸出語音信號的聲音品質。
舉例來說，圖4是依照本發明一實施例之第一頻帶與第二頻帶的濾波信號與響度調整濾波信號的響度示意圖。如圖4所示，假設TH1為為了避免聽力受損所設定的保護限制值，當藉由圖2實施例的寬動態範圍壓縮處理方式，透過降低增益下降調整值Gc將輸出語音信號SO1的響度降低至低於保護限制值TH1時，第一頻帶的第一響度調整濾波信號SF1’與第二頻帶的第二響度調整濾波信號SF2’(亦即降低響度後的濾波信號SF1與濾波信號SF2)的響度亦必然會被降低至保護限制值TH1。由於本案並未如習知技術使用具有響度限制的寬動態範圍壓縮曲線來限制各個頻帶的最大輸出響度，因此由圖4可看出，本實施例的第一響度調整濾波信號SF1’與第二響度調整濾波信號SF2’間仍具有明顯的響度差距Gd，有效地避免濾波信號間的響度差距因寬動態範圍壓縮曲線的響度限制而大幅地縮小，進而提高輸出語音信號SO1的聲音品質。
綜上所述，本發明的實施例依據不具有輸出響度上限的寬動態範圍壓縮曲線調整各個頻帶的濾波信號的濾波響度增益，並藉由降低增益下降調整值來降低各個頻帶的濾波響度增益，以降低響度調整濾波信號的響度，避免如習知技術般以具有最大響度限制的寬動態範圍壓縮曲線來降低濾波信號的響度，而可避免不同頻帶的濾波信號間的響度差距因寬動態範圍壓縮曲線的響度限制而大幅地變小，進而提高輸出語音信號的聲音品質，並使輸出語音信號的響度低於第一臨限值。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S202~S222‧‧‧語音信號處理方法步驟
Gc‧‧‧增益下降調整值
Gpa、Gpb‧‧‧濾波響度增益
Gxa‧‧‧第一調整增益
Gxb‧‧‧第二調整增益
SF1、SF2‧‧‧濾波信號
SF1’、SF2’‧‧‧響度調整濾波信號
SZ1‧‧‧加總濾波信號

Claims (10)

  1. 一種語音信號處理裝置，包括： 一濾波單元，接收一輸入語音信號，對該輸入語音信號進行濾波，以產生不同頻帶的多個濾波信號；以及 一處理單元，檢測該些濾波信號的響度，以獲得多個濾波響度，依據各該濾波響度與各該頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線分別計算各該頻帶的濾波響度增益，其中各該寬動態範圍壓縮曲線不具有輸出響度上限，將該些濾波響度增益與一增益下降調整值進行乘法運算，以得到多個調整增益，將各該頻帶的調整增益分別與對應的濾波信號進行乘法運算，以得到多個響度調整濾波信號，將該些響度調整濾波信號進行加法運算，以產生一加總濾波信號，檢測該加總濾波信號的響度，並判斷該加總濾波信號的響度是否小於一第一臨限值，若該加總濾波信號的響度未小於該第一臨限值，降低該增益下降調整值，直到該加總濾波信號的響度小於該第一臨限值，若該加總濾波信號的響度小於該第一臨限值，將該加總濾波信號做為輸出語音信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的語音信號處理裝置，其中該處理單元更依據一第二臨限值與該加總濾波信號的響度的比值降低該增益下降調整值，其中該第二臨限值小於或等於該第一臨限值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的語音信號處理裝置，其中該第二臨限值小於該第一臨限值一誤差值。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的語音信號處理裝置，其中該增益下降調整值等於該第二臨限值與該加總濾波信號的響度的比值的開根號值乘以前一次使用的該增益下降調整值的乘積。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的語音信號處理裝置，其中各該寬動態範圍壓縮曲線為一單位增益曲線分別進行各該頻帶對應的寬動態範圍壓縮處理後所得到的曲線，處理單元更依據各該頻帶的寬動態範圍壓縮曲線上與各該頻帶的濾波響度對應的第一輸出響度以及該單位增益曲線上與各該頻帶的濾波響度對應的第二輸出響度計算各該頻帶對應的濾波響度增益。
  6. 一種語音信號處理方法，包括： 接收一輸入語音信號； 對該輸入語音信號進行濾波，以產生不同頻帶的多個濾波信號； 檢測該些濾波信號的響度，以獲得多個濾波響度； 依據各該濾波響度與各該頻帶對應的寬動態範圍壓縮曲線分別計算各該頻帶的濾波響度增益，其中各該寬動態範圍壓縮曲線不具有輸出響度上限； 將該些濾波響度增益與一增益下降調整值進行乘法運算，以得到多個調整增益； 將各該頻帶的調整增益分別與對應的濾波信號進行乘法運算，以得到多個響度調整濾波信號； 將該些響度調整濾波信號進行加法運算，以產生一加總濾波信號； 檢測該加總濾波信號的響度； 判斷該加總濾波信號的響度是否小於一第一臨限值； 若該加總濾波信號的響度未小於該第一臨限值，降低該增益下降調整值，直到該加總濾波信號的響度小於該第一臨限值；以及 若該加總濾波信號的響度小於該第一臨限值，將該加總濾波信號做為輸出語音信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的語音信號處理方法，更包括： 依據一第二臨限值與該加總濾波信號的響度的比值降低該增益下降調整值，其中該第二臨限值小於或等於該第一臨限值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的語音信號處理方法，其中該第二臨限值小於該第一臨限值一誤差值。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的語音信號處理方法，其中該增益下降調整值等於該第二臨限值與該加總濾波信號的響度的比值的開根號值乘以前一次使用的該增益下降調整值的乘積。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的語音信號處理方法，其中各該寬動態範圍壓縮曲線為一單位增益曲線分別進行各該頻帶對應的寬頻動態範圍壓縮處理後所得到的曲線，各該頻帶對應的濾波響度增益為依據各該頻帶的寬動態範圍壓縮曲線上與各該頻帶的濾波響度對應的第一輸出響度以及該單位增益曲線上與各該頻帶的濾波響度對應的第二輸出響度計算得到。
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