登陆注册
13113100000020

第20章 助听器的声学处理技术(8)

3)最小均方误差法

最小均方误差法是在维纳滤波法的基础上发展而来的,它不像维纳滤波法是由过去所有的观测值来估计当前值。最小均方误差法考察系统的每一个瞬时值,并以瞬时平方误差性能函数代替维纳滤波的均方误差性能函数,得出的结果为一个瞬时递推式,即用N-1时的值来估计N时的值。该算法的优点是对非平稳的环境噪声有较好的衰减作用,也能减少处理过程中出现的残留噪声。缺点是由于需要统计各种参数,算法运算量大,实时性不好。

此外,除了考虑语音信号和噪声信号的性质外,有些计算方法还加入了人耳对声音分析的特性,比如模拟人耳的24个频率群;模拟人耳的掩蔽效应,该掩蔽效应是指人耳不能在信号谱能量高的地方觉察出噪声的存在,是信号掩蔽噪声的情况,这与基础听力学上噪声掩蔽信号的掩蔽效应有所不同。也就是说,残留噪声强度能被语音信号掩蔽而不被人觉察就可以了,没有必要把噪声全部消除,这种处理可以减少语音信号在减噪过程中有用信号的丢失。

4)自适应滤波法

新的算法中,自适应滤波技术是在助听器中最常使用的语音增强技术之一。传统的数字滤波器的权系数是固定的,权系数在设计时根据各种可获得的语音、噪声信号参数来计算目标输出,该参数可能是来自对信号直接的估计,也可能是来自语音模型的参数。设计出的系数在使用过程中对各种信号处理时保持不变。然而在实际使用过程中,在有限的信息(相对应千变万化的信号)基础上设计出最优的权系数并非易事,这也是出现各种滤波技术及各自的改进、修正版本的原因。自适应滤波器在输入信号特性未知或者输入信号特性变化时,能够调整自己的参数,以满足某种最佳滤波准则的要求。除了普通滤波器的硬件设备外,还有软件部分,即自适应算法。

它可以按照某种事先设定的准则、算法自动调节本身的传递函数以达到所需要的输出。换句话说,它的最大特点是其工作时的滤波参数来自前一时刻输入信号的统计特征,根据事先设定的准则、算法使输出的信号能符合设计的目标。自适应算法的好坏直接影响滤波效果。按照设计最佳滤波准则不同,自适应滤波器的计算方法也相应不同。一般把自适应滤波器分为线性自适应滤波器和非线性自适应滤波器。虽然非线性自适应滤波器具有更强的信号处理能力,但由于其计算复杂度高,在目前的应用中受到限制。线性自适应滤波器的算法复杂性低,尽管对信号的处理能力有限,但目前仍然广泛地被应用。线性自适应滤波器中常见的事先约定的计算滤波的准则有最小均方误差准则(该准则认为滤波器的输出与需要信号之间的均方值差最小为最佳,这个准则与维纳滤波的准则相同,但一般的维纳滤波只能处理信号统计特性先验已知的情况,如维纳滤波器的权系数能作出改变就成为自适应维纳滤波器)、递归最小二乘算法、基于子带分解的自适应滤波算法等。其中因计算简单而使用最广泛的是最小均方误差准则和最小均方算法,后者是在前者基础上的改进。

自适应滤波法可以用于单通道信号处理,也可以用于多通道信号处理。其中自适应噪声对消技术是自适应滤波法的典型应用。后面的自适应波束形成中也有自适应滤波的计算,只是在波束形成中还涵盖了空域的参数。

5.自适应噪声对消技术

在自适应噪声对消技术中,信号的处理过程中有两个输入端:主通道输入端和参考通道输入端。主通道的信号为带噪语音信号,参考通道的作用是估计出噪声,通过调整该通道中的滤波系数使参考通道中估计的噪声最接近主通道中的噪声。这种方法降噪明显,被广泛应用于语音增强技术中,关键在于获得噪声源的复制。

6.单通道降噪与多通道降噪

(1)单通道降噪

单通道降噪是指信号的输入为单通道,多通道降噪是指信号的输入为多通道。助听器技术中单麦克风的属于单通道降噪,双麦克风或者多麦克风的属于多通道降噪。这里所讲的单、多通道不是压缩特性中的通道数。单通道降噪中语音与噪声同时存在于一个通道中,对噪声的获得没有参照数据,比较适用于噪声平稳的情况。

(2)多通道降噪

多麦克风陈列的语音增强除了它自有发展的有关算法外,同时也吸收了单麦克风语音增强的方法,如常用的语音参数模型法、谱减法和维纳滤波法都有应用到多麦克风阵列的语音增强中。两者结合更能有效地提高降噪的作用。多通道降噪中,各通道中获得的信号与噪声的数据可以相互参照,同时由多麦克风获得信息的降噪技术使得探究噪声与信号空间上的分离成为可能,即除了时域、频域的信息外,同时也可获得空间上信息的差异。助听器的多麦克风技术是助听器对来自多麦克风通道多信号源的信号通过空间滤波器来完成降噪。与单麦克风的降噪技术相比,多麦克风降噪可以增加信噪比,可以实现声源的自动定位与跟踪。人们已经提出了许多基于麦克风阵列的语音增强方法,大体可分为波束形成法和信号子空间法。其中比较经典的方法是波束形成法,包括固定波束形成、自适应波束形成和后置滤波法。在多通道语音增强中,常见的名词有麦克风阵列、波束成型、固定波束形成方法、自适应波束形成方法、具有后置滤波的波束形成法。先介绍各名词,再介绍多通道降噪中噪声场问题、语言检测问题与时延问题。

1)各名词及经典计算方法

①麦克风阵列,即一组以某种形式作空间排列的传感器单元连接到一个或多个接收信道。

利用多个麦克风拾取信号来实现语音信号处理。

②波束成型,即空间滤波。其实质是计算求和加权系数,对各阵元接收信号进行加权求和。

可以通过调制权系数,对不同方向来的信号使用不同增益。

③固定波束形成方法,也称延迟求和波束形成法。其滤波权值是固定不变的。原理是对期望语音信号在各麦克风上的相对时延进行补偿对齐再求和,即实现同相位相加,从而增强语音。

而且结构简单,计算量小。它的效果与麦克风个数、麦克风间距、噪声入射方向等有很大关系。

尤其在低信噪比的情况下,语音被噪声淹没,降噪的效果就不明显。对在非相干噪声或散射噪声情况下的作用优于相干噪声的情况。

④自适应波束形成方法。基于不同算法准则和不同的滤波器,自适应波束形成的方法也有多种,常见的有Frost宽带波束形成、自适应抵消法、广义旁瓣抵消法。Frost宽带波束形成自适应计算方法,可以用较少的麦克风取得较好的降噪效果。广义旁瓣抵消法是对Frost宽带波束形成法的修正,并成为后来许多算法的理论框架,是自适应波束形成器的一种通用模型。其包括固定波束形成器、阻塞矩阵和无约束的自适应噪声抵消器。阵列信号一路通过固定波束形成得到增强后的信号,同时该阵列信号通过一个阻塞矩阵尽量使这一路的信号阻塞语音,希望只包含噪声,完成后的信号再通过自适应滤波器,在自适应滤波器中完成对噪声的估计。最后把估计的噪声应用到另外一路的信号以减去噪声。这种计算方法当干扰噪声源数目少于麦克风数目时能达到较好的效果,但其主要的问题是这种计算方法存在无法完全阻塞语音的问题,对于非相干噪声,降噪能力反而不如传统的波束形成方法,由此也相应出现了许多修正的版本。

⑤具有后置滤波的波束形成法,是指在自适应波束形成的基础上再加用自适应维纳滤波来增强降噪效果。该方法还增强了对回响的效果。

除上述几种经典方法外,还有基于子带自适应波束形成的麦克风阵列语音增强(不同于一般的延迟求和波束形成计算只进行一次,这种计算把宽频的声音分成子频带,进行多个延迟求和波束形成计算),基于盲波束形成的麦克风阵列语音增强(是以盲源分析作为输入的基础)等等。也有学者把几种经典的方法结合使用,比如把能抑制频率成分不同的干扰信号和噪声的谱减法与具有空时滤波优势的波束成型结合使用增强效果等。无论用何种方法,都是以提高计算量为代价来换取性能的改善,很多理论在目前都难以实现,特别是在助听器中。

2)多通道降噪中噪声场问题

麦克风阵列所处的噪声场分为相干噪声场、非相干噪声场和散射场。当只有一个噪声源存在,麦克风接收的噪声只有相位和幅度上的差异时,这种情况称为相干噪声场。当麦克风接收到的噪声彼此不相干,称为非相干噪声场。在实际环境中,最常见的是散射噪声场,同时有上述两种情况。在散射场中,平面波在所有方向上随即传播,噪声是无限多个平面波的叠加,通过计算可以知道,噪声在低频段强相关,在高频段弱相关。对于自适应波束形成,其降噪能力与麦克风所处的噪声场的空间相干性密切相关。

3)多通道降噪中的语音检测问题

麦克风阵列中的语音检测一方面使后续的时延估计可以只在语音段进行,提高了估计的准确性;另一方面,检测结果也可以被其后的自适应滤波所用,使滤波器能及时更新系数,提高对噪声的判断。

4)多通道降噪中的时延问题

由于麦克风阵列对语音信号的空间采样,使得声音到达不同位置的麦克风有时间上的差异。

同类推荐
  • 消化性溃疡(贴心大夫丛书)

    消化性溃疡(贴心大夫丛书)

    这套丛书的特点主要表现在以下几个方面:1通俗性:采用大众语言讲解医学术语,患者及家属能看得懂,并以生活“比喻”帮助了解;2实用性:学以致用,用得上。一人读书,全家受益,成为“家庭小医生”、左邻右舍的“健康小顾问”;3科学性:不仅知其然,还要了解其所以然。通过临床病症的表现,讲基础理论,理论与实际结合。贯彻“一分为二”的两点论讲解、诊断和治疗,避免绝对化不会使群众无所适从;4权威性:这套丛书的作者,都是具有丰富的经验的临床医生,其中多数是某一专科的专家,并介绍了他们所在单位、姓名、联系方式、出诊等时间等,便于联系,又成了就医指南。
  • 精神科医生话:自杀、妄想、抑郁、毒痴、酒疯

    精神科医生话:自杀、妄想、抑郁、毒痴、酒疯

    《一个人拥抱天空》主要内容包括:看见河流、向西向西、一个人拥抱天空、上狼山、春天里来、自语、大海鲢、坍塌的大桥、独处的日子、冰王子、眼睛里有风声掠过、雨后阳光、异乡的刀、空间站、沿街挂起红灯笼、双人舞:爱与恨、飞机等。
  • 黄帝内经1000问

    黄帝内经1000问

    本书包括典籍流传、书名由来、篇章构成、学术价值、阴阳五行论、藏象要旨、经络衍说、病因病机、病证通说、脉要精微、妙诊异法、论治宜方、宝命全形、阴阳应天、藏气法时共15个篇章,用通俗易懂的语言以问答的形式论述了《黄帝内经》的中医学要旨、辨证论治及养生保健等方面的知识。力求深入浅出,不偏执于一家之言,对中医学爱好者,特别是初学者具有较强的指导意义。同时,对有志于《黄帝内经》和中医学基础理论研究的朋友们,也起到了抛砖引玉的作用。
  • 解读中国第一病:让我们携手应对乙肝的挑战

    解读中国第一病:让我们携手应对乙肝的挑战

    中国是世界人口大国,就发病人数而言,又是肝炎大国。肝炎、肝硬化和肝癌三者之间,既存在疾病发生、发展的因果关系;又是三个完全不同的疾病。
  • 本草纲目(中华国学经典)

    本草纲目(中华国学经典)

    《本草纲目》被世界人民誉为“东方药方巨典”。《本草纲目》内容丰富,知识广博,不仅对古代人民的医疗、保健有很大的影响,对现代人认识和了解药物、加强养生保健也有重要的指导作用。本选本以药材的便利性和实用性为出发点,编选了一些觉的药方和常用药物,以便广大读者更好的阅读、理解和使用。
热门推荐
  • 写给青少年的国学语文读本

    写给青少年的国学语文读本

    "博大精深的汉语,是中华民族的文化瑰宝,闪烁着璀璨夺目的光辉。而流传于民间最为精彩经典的语言,就像埋没于泥土中的金子,在拂去尘埃后方显出其光芒和价值。《写给青少年的国学语文读本》这些活生生的语言文字故事,都是直接从古往今来的语文实践中采撷、提炼、概括、总结而来,它关照社会语文现象,注重人们的日常生活、工作劳动、社会交往和娱乐活动,是鲜活的原生态语文。
  • 健全人格与心理和谐

    健全人格与心理和谐

    本书融汇日常生活中大量生动事例和寓言故事,为你展示自立、自信、正直、诚信、爱心、乐观等健全人格的丰富内涵,及其在促进心理和谐、纾解心理困扰中的作用,并全方位打开心理健康新视野。
  • 特种房客俏千金

    特种房客俏千金

    他是战无不胜的特种兵之王,网恋情迷大美妞,追爱来到花花都市,意外成为三个美女的合租室友。情场得意,都市纵横,一段狂放霸道的人生开始了……
  • 青春变幻

    青春变幻

    几个内地普通的年轻人因各种原因来到据说赚钱机会多又充满传奇的深圳,他(她)在深圳奋斗,发展,有的小有成绩,有的一事无成。有的感情稳定,有的和妻子分手回内地。在这个变革巨大的时代,他们追求梦想,用自己的努力实现自己的梦想。
  • 白崖之黑夜传说

    白崖之黑夜传说

    白崖山上住着一位独臂高人,人称“独臂枪手”,我的子玉叔。在一个平常的黑夜,他讲述了自己一段不平常的经历,与一头山林的“黑色幽灵”——黑子——之间的传奇故事。
  • 上海滩大亨黄金荣

    上海滩大亨黄金荣

    黄金荣,自幼就喜欢与地痞流氓交往,后来,考入上海法租界老北门麦兰巡捕房当探员。他用“贼喊捉贼”的办法提高了自己在租界的威信,后升至督察长。他走私鸦片、开设赌台,牟取巨额利润。他还涉足娱乐业,进入金融界、工商界,在上海滩叱咤风云。解放后,势力渐弱的黄金荣留在了上海。1951年5月20日,他发表《自白书》,表示要“洗清个人历史上的污点,重新做人”,最后,老死家中,他的一生可谓大起大落、千回百转、坏事做绝,却能怡养天年,不能不说是一个传奇。
  • 我也曾为你翻山越岭

    我也曾为你翻山越岭

    整部文集以《暗恋女王的幕后独白》《在梦醒之前见到你》《人海中你最明亮》三篇代表成长不同时期心情的散文分隔成三部分,疏星把所有少女经历过的喜欢这件小事中的悲喜酸甜,都刻进了她的作品,引出读者心中埋藏或久失的少女梦。
  • 月光情唯独属

    月光情唯独属

    月光影下。一步步跌倒,为了自己的亲情友情爱情他会成功吗?
  • 狂飙的人生

    狂飙的人生

    当一切可以从头来过,你是否还会还会做出从前的选择。当徐桓睁开双眼,这一切都将发生改变,他会做出什么选择
  • 君莫离卿不负

    君莫离卿不负

    纵然万劫不复,纵然相思入骨,我也待你眉眼如初,岁月如故。