论文题目: 数字助听器中语音增强算法的研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 生物医学工程
作者: 高杰
导师: 胡广书
关键词: 数字助听器,语音增强,维纳滤波,波束形成
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着社会的不断老龄化以及人们对耳聋问题的关注,助听器的发展日益受到人们的重视。近年来,数字助听器以其体积小、功耗低、可调性强等特点,逐渐成为了助听器市场的主角。高速、低功耗、多功能数字信号处理器的推出,也为数字助听器算法的实现提供了良好的平台。本论文的主要工作是研究数字助听器的语音增强算法,并结合数字信号处理器结构上的特点,开发适用于数字助听器的、高效的、实时的语音增强算法。本论文首先设计了一种适用于单通道数字助听器的语音增强算法,并在基于 TI 公司的 TMS320VC5502 数字信号处理器的平台上实时实现。通过各种算法的对比,我们最终选用了一种基于能量包络的语音活动检测算法,从含噪语音信号中辨别出有语音区和无语音区,然后利用无语音区的噪声统计特性,通过功率谱估计,采用维纳滤波的方法来增强语音。针对增强处理后残留的“音乐噪声”,本文采用功率谱平滑和平均的方法予以抑制。整体算法紧凑、有效,易于在数字信号处理器上实现并优化。针对单通道语音增强的缺陷,本文进一步对数字助听器应用麦克风阵列进行语音增强的波束形成算法进行了研究,着重剖析了超方向型和自适应型波束形成算法,并对算法中的重要参数对波束形成效果的影响予以分析。此外,对于传统自适应波束形成算法的缺陷,本文提出综合考虑算法的抑噪效果和对目标语音信号的畸变,对自适应滤波器的代价函数进行修改,重新定义 NLMS 算法的迭代公式以减少自适应过程中语音的损失。仿真结果显示使用新的代价函数后,背景噪声和强干扰得到了明显的抑制,目标语音信号的畸变也显著减小,算法在实际环境中工作的鲁棒性因此得到了提高。且算法中绝大部分运算都易于利用数字信号处理器的硬件结构上的特点,高效地实现。单通道数字助听器中的语音增强算法以及应用麦克风阵列进行语音增强的波束形成算法,分别根据了噪声的不同特征进行噪声抑制,二者之间具有一定的互补性,在数字助听器中可以结合使用以获得更好的语音增强效果。
论文目录:
第1章 引言
1.1 数字助听器的应用背景
1.1.1 听力学基本原理与听力损失
1.1.2 助听器发展的历史回顾与现状
1.2 数字助听器中的算法
1.2.1 数字助听器中的算法概述
1.2.2 语音增强
1.3 语音与噪声
1.3.1 语音的特征
1.3.2 噪声的分类与特点
1.4 语音增强算法的归纳
1.4.1 单通道语音增强
1.4.2 多通道语音增强
1.4.3 语音增强算法的性能评估
1.5 本论文的主要工作
第2章 单通道数字助听器中的语音增强算法
2.1 语音增强算法的选择
2.1.1 数字助听器对语音增强算法的要求
2.1.2 单通道语音增强算法的对比
2.2 短时谱幅度估计类的语音增强算法
2.2.1 谱相减法
2.2.2 音乐噪声问题
2.2.3 相位失真问题
2.2.4 维纳滤波
2.3 语音活动检测算法
2.3.1 语音活动检测算法的综述
2.3.2 语音活动检测算法的流程
2.3.3 语音活动检测算法的改进
2.4 语音增强算法的完善
2.4.1 无语音区信号的处理
2.4.2 信号的加窗与帧交叠
2.4.3 功率谱的平滑与平均
2.5 语音增强算法的效果
2.6 本章小结
第3章 单通道语音增强算法的实时实现
3.1 数字助听器平台的硬件设计
3.1.1 硬件平台的结构
3.1.2 信号的处理流程
3.2 TMS320C55x 中的运算
3.2.1 TMS320C55x 的运算单元
3.2.2 TMS320C55x 上的基本运算及基本结构
3.3 语音增强算法的实现与优化
3.3.1 帧长的选取
3.3.2 定标问题
3.3.3 程序结构的优化
3.3.4 算法的实时性分析
3.4 本章小结
第4章 麦克风阵列与波束形成算法
4.1 麦克风阵列信号处理
4.1.1 阵列信号处理
4.1.2 麦克风阵元的排布与间距
4.1.3 空间相干函数
4.2 波束形成算法
4.2.1 波束形成算法与方向性麦克风
4.2.2 固定阵列的波束形成算法
4.2.3 自适应阵列的波束形成算法
4.3 外界误差的来源与分析
4.3.1 阵元自身的误差
4.3.2 阵元位置的误差
4.3.3 回声的影响
4.4 低频干扰问题
4.5 本章小结
第5 章 数字助听器中的波束形成算法
5.1 超方向型波束形成算法
5.1.1 权重滤波器的设计
5.1.2 噪声相关矩阵的改进
5.1.3 算法的运算量和效果分析
5.2 GSC 结构的自适应波束形成算法
5.2.1 Hoshuyama 的GSC 结构的自适应波束形成算法
5.2.2 仿真实验
5.2.3 算法参数分析
5.2.4 自适应模式控制
5.3 自适应波束形成算法的改进
5.3.1 自适应控制模式的调整
5.3.2 代价函数的修改
5.3.3 算法改进前后的效果及运算量分析
5.4 后滤波
5.5 本章小结
第6 章 工作总结与展望
6.1 本文的工作内容总结
6.1.1 单通道系统的语音增强
6.1.2 多通道系统的语音增强
6.1.3 经验体会
6.2 对进一步工作的展望
参考文献
致谢与声明
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2006-06-29
参考文献
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