自適應(yīng)濾波器在語音信號(hào)識(shí)別中的應(yīng)用

周春榮 重慶交通職業(yè)學(xué)院副教授

自適應(yīng)濾波器在語音信號(hào)識(shí)別中的應(yīng)用

周春榮 重慶交通職業(yè)學(xué)院副教授

以最小均方誤差（LMS）為基礎(chǔ)，對(duì)自適應(yīng)濾波器的降噪方法進(jìn)行介紹與闡述，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自適應(yīng)濾波器的降噪作用，希望能夠從理論層面上為自適應(yīng)濾波器在語音識(shí)別中的應(yīng)用與發(fā)展提供一點(diǎn)支持。

自適應(yīng)濾波器 語音信號(hào)識(shí)別 應(yīng)用

1 自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)

1.1 自適應(yīng)濾波器原理

自適應(yīng)濾波器技術(shù)以自適應(yīng)算法的性能問題為核心，根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性中的未知與變化部分，對(duì)自身參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使某種最佳準(zhǔn)則需求得到滿足，并分別被稱為“學(xué)習(xí)”過程與“跟蹤”過程；就本質(zhì)而言，自適應(yīng)濾波器屬于一種能夠?qū)ψ陨韰?shù)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)的特殊維納濾波器。在設(shè)計(jì)過程中，必須要提前對(duì)輸入信號(hào)與噪聲統(tǒng)計(jì)特性的相關(guān)知識(shí)有所了解，它可以在工作過程中對(duì)需要的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行預(yù)估，基于此對(duì)自身參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使濾波效果達(dá)到最佳。如果輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性有所變化，它還可以對(duì)這一變化進(jìn)行跟蹤，對(duì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)濾波器最佳性能的達(dá)成。以自適應(yīng)噪聲濾波器為例，其原理圖如下所示。

圖1 自適應(yīng)濾波器原理框圖

自適應(yīng)濾波器涉及到兩個(gè)輸入端，即初始輸入端與參考輸入端，將有用信號(hào)與噪聲的混合假設(shè)為初始信號(hào)，那么參考輸入信號(hào)就采用一個(gè)有關(guān)于噪聲分量的噪聲，通過自適應(yīng)濾波器，在噪聲抵消器的輸出端就可以抵消噪聲被，實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的獲取。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)自適應(yīng)最小均方（LMS）濾波器設(shè)計(jì)以及LMS算法的收斂趨勢(shì)，受限于篇幅，本文不做詳細(xì)闡述，主要闡述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，具體如下所述。

2.1 信號(hào)仿真

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)定義，語音信號(hào)一定可以向許多正弦分量之和進(jìn)行分解，如下圖所示。

圖2 模擬語音信號(hào)、噪聲信號(hào)、加噪引號(hào)與濾波后的信號(hào)

從上圖可以看出，在對(duì)語音信號(hào)函數(shù)與噪聲信號(hào)函數(shù)進(jìn)行構(gòu)建的過程中，對(duì)四個(gè)0．05HZ整數(shù)倍頻率的正弦信號(hào)加以應(yīng)用并疊加，當(dāng)這個(gè)模擬語音信號(hào)對(duì)自適應(yīng)濾波器的濾波作用有所反應(yīng)時(shí)，那么就說明自適應(yīng)濾波器能夠作用于具有多個(gè)頻率正弦波構(gòu)成的真實(shí)語音，上述原理也可以運(yùn)用在白噪聲的構(gòu)造中。從圖中可以看出，在一段時(shí)間的震蕩之后，輸出信號(hào)的噪聲漸漸被抵消，波形逐漸靠向期望波形。

2.2 實(shí)際語音信號(hào)處理

如下圖分別為真實(shí)語音信號(hào)、噪聲信號(hào)與疊加信號(hào)的信號(hào)仿真圖、步長(zhǎng)變化的濾波效果比較圖以及步長(zhǎng)相同時(shí)的濾波效果比較圖。

圖3 實(shí)際語音信號(hào)、噪聲信號(hào)與加噪信號(hào)圖

圖4 步長(zhǎng)不同時(shí)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的比較圖

圖5 步長(zhǎng)相同時(shí)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的比較圖

從上圖中不難看出，步長(zhǎng)變化會(huì)產(chǎn)生不同的濾波效果，也就是說，如果想要使濾波效果趨于理想，就需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理選取，太大或太小都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，因?qū)Ω鞣矫嬉蛩赜枰跃C合考慮。而在濾波器階數(shù)發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生不同的濾波效果。

實(shí)驗(yàn)表明，在語音信號(hào)降噪處理中，自適應(yīng)濾波器的作用比較明顯。通過真實(shí)語音濾波圖，可以發(fā)現(xiàn)與模擬語音濾波圖相比，收斂速度與跟蹤效果難以觀察，究其原因就在于所有語音都涉及到兩種音素，即元音和輔音。其中輔音又分為兩種，即清輔音和濁輔音，后者的波形與白噪聲相近，并且振幅相對(duì)較弱。而清輔音與寬帶噪聲有著相似的特性，二者通過混疊，就會(huì)使語音信號(hào)頻率的復(fù)雜程度提升，進(jìn)而難以通過圖示來區(qū)分收斂速度與跟蹤效果等微弱變化。此外，在初始階段，真是語音信號(hào)具有很小的幅度，并且整個(gè)收斂過程正好始于這一階段，進(jìn)而難以通過圖示來反映出收斂速度與跟蹤效果。

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