基于多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法

摘 要：在各種語音增強(qiáng)法中，譜減法以其簡(jiǎn)單、有效而被廣泛應(yīng)用。在譜減法中，一般使用周期圖法對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，但是它的估計(jì)偏差以及方差較大，直接結(jié)果是引起了較大的音樂噪聲。而多窗譜(multitaper估計(jì)具有較小的估計(jì)偏差和方差。因此，使用基于多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法可以有效降低音樂噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，該方法得到的增強(qiáng)語音中的音樂噪聲要明顯小于使用周期圖法的結(jié)果，且信噪比可提高1~2 dB。

關(guān)鍵詞：語音增強(qiáng)；多窗譜；譜減法；音樂噪聲

An Improved Spectral Subtraction Method Based on Multitaper Estimation

WU Pengpeng，HAO Gang，OU Ming

(School of Electronic Information，Sichuan University，Chengdu，610064，China

Abstract：In all speech enhancement methods，spectral subtraction，which is simply and efficient，is widely used.Usually，the periodogram method is used in spectral subtraction to estimate the speech signal′s power spectra.However，it has large and inaccurate variance which causes musical noise.The multitaper estimation has a lower variance.So the combination of multitaper estimation and spectral subtraction can reduce musical noise obviously.The experiment results also show that the multitaper method is better than the periodogram method in restraining musical noise，and improves the SNR by 1~2 dB.

eywords：speech enhancement;multitaper method;spectral subtraction;musical noise

1 引 言

在很多語音增強(qiáng)法中，都需要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，而周期圖估計(jì)法以其簡(jiǎn)單、快速的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但是周期圖法得出的功率譜，與信號(hào)的真實(shí)功率譜存在著較大的方差，導(dǎo)致了在每一幀信號(hào)的譜估計(jì)中會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一些尖峰。在增強(qiáng)后的語音中，這些尖峰就體現(xiàn)為另一種噪聲：“音樂噪聲”^［1］。并且，已經(jīng)有研究表明^［2］，先驗(yàn)信噪比估計(jì)的較大方差是產(chǎn)生音樂噪聲的根本原因。由此可見，功率譜估計(jì)的準(zhǔn)確性與語音增強(qiáng)結(jié)果的優(yōu)劣存在著直接的關(guān)系。

如果能找到一種估計(jì)更加準(zhǔn)確，方差性能更好的功率譜估計(jì)法，就可以有效降低音樂噪聲。多窗譜法就具備以上的特點(diǎn)，因此，本文采用多窗譜來估計(jì)語音信號(hào)的功率譜，并結(jié)合譜減法進(jìn)行語音增強(qiáng)。

2 多窗譜

多窗譜估計(jì)是由Thomson于1982年提出的^［3］。傳統(tǒng)的周期圖法只用一個(gè)數(shù)據(jù)窗，而Thomson對(duì)同一數(shù)據(jù)序列用多個(gè)正交的數(shù)據(jù)窗分別求直接譜，然后求平均得到譜估計(jì)，因可以得到較小的估計(jì)方差。這種思想同Welch提出的改進(jìn)的周期圖法相似^［4］。這多個(gè)數(shù)據(jù)窗必須相互正交，以阻止頻譜泄漏。假設(shè)有L個(gè)數(shù)據(jù)窗，則在理想的情況下，多窗譜估計(jì)的方差可以是周期圖法的1/L。可以看出，多窗譜是一種比周期圖法更準(zhǔn)確的譜估計(jì)方法。

多窗譜定義如下：