一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法技术

本发明专利技术提供一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，本发明专利技术将窄带激励谱平移和白噪声激励两种方法结合起来，将窄带激励信号通过低通滤波器，输出第一频带激励信号，将第一频带激励信号谱平移和高通滤波后获得第二频带激励信号，通过将能量调整的白噪声并乘以增益因子后作为第三频带激励信号，最后将第一频带激励信号、第二频带激励信号和第三频带激励信号合成为完整的宽带激励信号，该方法能较好地保留激励信号的谐波结构而且不引入过多的人造谐波，算法本身的运算复杂度不高且易于实现，改善了现有带宽扩展技术的性能，提高了窄带语音的通信质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及语音信号处理
，更具体地，涉及一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法。
技术介绍
传统的电话网络由于受到其传输带宽的限制，只能窄带语音通信，虽然窄带语音能满足基本通信要求，但是通信质量却大大降低。由于经济原因，旧的电话网络不可能在短时间内实现真正的宽带传输。人工语音带宽扩展技术的出现，解决了这一难题，该技术在电话网络的接收端作一些处理，对接收的窄带语音信号人工地加入一些缺失频带成分，使得接受端输出听觉质量较高的宽带语音信号，语音的线性预测模型提出后，现在大多数的人工语音带宽扩展技术都是基于该模型(也称为源-滤波器模型)设计实现，如图1所示，该模型将语音的带宽扩展分为独立的两步进行：谱包络扩展和激励信号扩展。扩展后的宽带激励信号最终通过合成滤波器(滤波器系数为谱包络扩展过程中计算所得的参数)合成输出宽带语音信号。因此，激励信号扩展是带宽扩展技术中必不可少的一个步骤。目前，主要的激励信号扩展算法主要有三种：窄带激励谱折叠/谱平移、白噪声激励和谐波激励。目前这三种方法虽然都比较成熟，但是它们的缺点在于：在合成的激励信号中既要保留适当的谐波结构，又不能引入过多的人造谐波，因为过多的人造谐波会对原有谐波结构造成破坏；算法的运算复杂度不能太高，否则该算法将难以实现。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，该方法运算复杂度不高且易于实现。为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，包括以下步骤：S1：将窄带语音信号先后经过上采样、分帧预处理后通过分析滤波器，获得窄带激励信号un；S2：将窄带激励信号un通过截止频率为α1的低通滤波器，输出第一频带激励信号ul，对第一频带激励信号ul进行谱平移操作，将谱平移后的信号再通过一个截止频率为α1的高通滤波器，得到第二频带激励信号um；S3：设置一个单位白噪声发生器产生白噪声信号uf，计算第一频带激励信号ul的方差得到增益因子调整白噪声信号uf的能量并乘以增益因子然后通过一个截止频率为α2的高通滤波器，得到第三频带激励信号uh；S4：将第一频带激励信号ul、第二频带激励信号um和第三频带激励信号uh合并得到宽带激励信号u。进一步地，所述步骤S3中能量调整后白噪声信号uf的频带是无限宽的，通过一个截止频率为α2的高通滤波器来滤除白噪声α2以下的频谱成分，得到频带范围为6500Hz-8000Hz的第三频带激励信号uh。优选地，截止频率为α1的取值范围为：3000-3500HZ。优选地，截止频率为α2的取值范围为：6000-6500HZ。进一步地，所述步骤S4中第一频带激励信号ul、第二频带激励信号um和第三频带激励信号uh都是频带有限且各自频带成分互不重叠的激励信号，将三个激励信号在时域进行相加运算，得到一个频带完整的宽带激励信号u。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术将窄带激励谱平移和白噪声激励两种方法结合起来，将窄带激励信号通过低通滤波器，输出第一频带激励信号，将第一频带激励信号谱平移和高通滤波后获得第二频带激励信号，通过将能量调整的白噪声并乘以增益因子后作为第三频带激励信号，最后将第一频带激励信号、第二频带激励信号和第三频带激励信号合成为完整的宽带激励信号，该方法能较好地保留激励信号的谐波结构而且不引入过多的人造谐波，算法本身的运算复杂度不高且易于实现，改善了现有带宽扩展技术的性能，提高了窄带语音的通信质量。附图说明图1为基于源滤波器模型的带宽扩展方法示意图；图2为基于分段扩展的激励信号合成方法示意图；图3为谱平移方法的结构示意图；图4为宽带语音、窄带语音、本专利技术合成的语音的波形图、语谱图的对比图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。实施例1如图2所示，一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，包括以下步骤：S1：将窄带语音信号先后经过上采样、分帧预处理后通过分析滤波器，获得窄带激励信号un；S2：将窄带激励信号un通过截止频率为α1的低通滤波器，输出第一频带激励信号ul，对第一频带激励信号ul进行谱平移操作，将谱平移后的信号再通过一个截止频率为α1的高通滤波器，得到第二频带激励信号um；其中，截止频率为α1的取值范围为：3000-3500HZ；S3：设置一个单位白噪声发生器产生白噪声信号uf，计算第一频带激励信号ul的方差得到增益因子调整白噪声信号uf的能量并乘以增益因子然后通过一个截止频率为α2的高通滤波器，得到第三频带激励信号uh；α2的取值范围为：6000-6500HZ；S4：将第一频带激励信号ul、第二频带激励信号um和第三频带激励信号uh合并得到宽带激励信号u。本实施例中，首先窄带语音信号进行上采样(采样率为8000Hz)、分帧等预处理，对窄带信号作上采样处理是为了将增加其信号的频带范围，用于后续的频带成分扩展，预处理后的窄带信号通过分析滤波器后得到窄带激励信号，该滤波器系数由语音线性预测分析计算所得的参数决定，窄带激励信号作为激励信号扩展的输入信号，是实现激励信号扩展的先决条件，窄带激励信号经过上采样后，采样频率由原来的8000Hz变为16000Hz，该信号通过低通滤波器后得到低频带激励信号，相应的低通滤波器的参数如下：采样频率：16000Hz通带截止频率：3400Hz通带衰减：1dB阻带截止频率：3450Hz阻带衰减：60dB得到的第一频带激励信号ul是低频带激励信号，其频带范围为0-3400Hz。由于在获取窄带激励信号之前，窄带信号经过上采样预处理，所以窄带激励信号的频谱中会出现多余的频带成分，所以必须通过一个截止频率为3400Hz的低通滤波器来滤除窄带激励信号低频带外多余的成分，得到频带范围为0-3400Hz的低频带激励信号ul；低频带激励信号ul通过谱平移运算模块输出第二频带激励信号um，um是中频带激励信号，谱平移运算模块的具体实现步骤如图3所示：低频带激励ul与一个频率为3100Hz、幅度为2的余弦函数相乘之后再通过一个截止频率为3400Hz的高通滤波器，输出频带范围为3400-6500Hz的中频带激励本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将窄带语音信号先后经过上采样、分帧预处理后通过分析滤波器，获得窄带激励信号un；S2：将窄带激励信号un通过截止频率为α1的低通滤波器，输出第一频带激励信号ul，对第一频带激励信号ul进行谱平移操作，将谱平移后的信号再通过一个截止频率为α1的高通滤波器，得到第二频带激励信号um；S3：设置一个单位白噪声发生器产生白噪声信号uf，计算第一频带激励信号ul的方差得到增益因子调整白噪声信号uf的能量并乘以增益因子然后通过一个截止频率为α2的高通滤波器，得到第三频带激励信号uh；S4：将第一频带激励信号ul、第二频带激励信号um和第三频带激励信号uh合并得到宽带激励信号u。

【技术特征摘要】
1.一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，其特征在于，包括以下步
骤：
S1：将窄带语音信号先后经过上采样、分帧预处理后通过分析滤波器，获得
窄带激励信号un；
S2：将窄带激励信号un通过截止频率为α1的低通滤波器，输出第一频带激
励信号ul，对第一频带激励信号ul进行谱平移操作，将谱平移后的信号再通过一
个截止频率为α1的高通滤波器，得到第二频带激励信号um；
S3：设置一个单位白噪声发生器产生白噪声信号uf，计算第一频带激励信号
ul的方差得到增益因子调整白噪声信号uf的能量并乘以增益因子然后
通过一个截止频率为α2的高通滤波器，得到第三频带激励信号uh；
S4：将第一频带激励信号ul、第二频带激励信号um和第三频带激励信号uh合并得到宽带激励信号u。
2.根据权利要求1所述的基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，其特征

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇，林胜义，谭洪舟，农革，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44