一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法技术

本发明专利技术属于通讯耳罩技术领域，具体地涉及一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法。包括：步骤1：建立基于增强型耳罩的语音信号增强结构模型，通过自适应算法调整语音信号增强结构模型中滤波器权值，实现语音信号增强结构模型中噪声信号x(n)最小均方误差要求；步骤2：在步骤1的语音信号增强结构模型基础上增加一级语音增强，建立联级型语音增强结构模型，通过连级增强算法获得纯净语音信号。本发明专利技术的算法能有效降低麦克风语音通讯时强环境噪声干扰，提升语音通讯信噪比可达30dB，显著消除粉色噪声和线谱噪声不利影响，降低人员移动时参考信号不稳定性对控制效果影响。号不稳定性对控制效果影响。号不稳定性对控制效果影响。

【技术实现步骤摘要】
一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法


[0001]本专利技术属于通讯耳罩
，具体地涉及一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法。

技术介绍

[0002]随着经济不断发展，船舶货运已成为远洋货源主要运输方式，这些大型船舶动力装置多为汽轮机或者柴油机，其工作噪声较大，严重影响船舶舱室通讯系统通信效率。有学者测试85％和100％工况下海洋工程船舱室噪声，实际噪声高达105dB
‑
110dB，严重影响船员生活和沟通质量。按规定轮机员噪声暴露等级不应超过80dB来看，100dB噪声将直接影响船员正常沟通交流。为分析舱室噪声对船员沟通影响，也有学者定量分析人体生理与心理安全行为和环境噪声关系，发现高频噪声更易影响通讯效果，以及船员疲劳度、注意力和反应速度。此外，在飞机、舰艇等领域，噪声对人员语音沟通效果等方面也有严重影响。
[0003]针对上述强环境噪声条件下语音通讯问题，诸多学者开展语音增强研究。例如，谱减法语音增强、维纳滤波等，前者原理简单、容易实现和运算量小，但有易失真、清晰度不够等问题；后者语音增强效果较佳，但在强背景噪声、低信噪比条件下效果不够理想。对此，有学者提出一种麦克风阵列语音增强方法，仿真表明该方法在混响条件下具有更优去噪效果。也有采用学者用RLS算法实现双麦克风噪声对消，能够有效还原原始语音信号。还有提出一种经验模态分解与麦克风阵列自适应波束形成的语音增强方法，有效解决高信噪比条件下信号失真问题，增强麦克风阵列抗干扰能力。这些研究在理论层面实现了噪声环境下语音增强技术，为其实际应用奠定了良好的基础，但这些方法软件运算量大、硬件结构复杂，实际应用往往受到影响。
[0004]而且，现有专利《一种头戴式语音增强降噪耳机》“202011185840.1”，公开了一种语音增强耳机，但是该耳机只是在结构上做了改进，并没有对语音信号的接收以及语音信号本身做增强，会导致增强的效果大打折扣，在增强正常语音的同时，同样也会增强噪音的信号，影响正常的语音通讯质量。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的在问题，本专利技术提出一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法，以某船语音通讯系统为例，针对其在动力设备舱室工作条件下，耳罩麦克风语音通信或传送指令受到强环境噪声干扰的实际问题，构建语音通讯系统物理架构和通讯耳罩模型，并结合实际提出一种联级型语音增强算法，分析步长因子和滤波阶数等参数对系统影响，最终搭建试验平台并对所提算法进行实验验证。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法，包括：
[0008]步骤1：建立基于增强型耳罩的语音信号增强结构模型，通过自适应算法调整语音信号增强结构模型中滤波器权值，实现语音信号增强结构模型中噪声信号x(n)最小均方误
差要求；
[0009]步骤2：在步骤1的语音信号增强结构模型基础上增加一级语音增强，建立联级型语音增强结构模型，通过连级增强算法获得纯净语音信号。
[0010]优选的，所述步骤1包括：
[0011]步骤1.1：建立基于增强型耳罩的语音信号增强结构模型；
[0012]步骤1.2：滤波器长度为L，则n时刻的滤波器输出y(n)为：
[0013][0014]步骤1.3：定义参考信号矢量X(n)和滤波器权值W分别为：
[0015]W＝[w1,w2,...,w
L
]T (2)
[0016]X(n)＝[x(n),x(n
‑
1),...,x(n
‑
L+1)]T (3)
[0017]步骤1.4：将步骤1.3的式(2)、(3)与式(1)结合，则步骤1.2的式(1)可以表示为：
[0018]y(n)＝X
T
(n)W＝W
T
X(n) (4)
[0019]步骤1.5：第n时刻的误差信号为：
[0020]e(n)＝d(n)
‑
y(n)＝d(n)
‑
W
T
X(n) (5)
[0021]步骤1.6：参考信号和期望信号均为平稳各态遍历，则误差信号的均方误差为：
[0022]J(n)＝E(e2(n))＝E(d2(n))
‑
2P
T
W+W
T
RW (6)
[0023]式(6)中：
[0024]P＝E(d(n)X(n)) (7)
[0025]R＝E(X(n)X
T
(n)) (8)
[0026]P和R分别为互相关矩阵和自相关矩阵，对均方误差求导得到梯度矢量为：
[0027][0028]令
▽
(n)＝0获得最佳权矢量，则滤波器最优权值系数W0表示为：
[0029]W0＝R
‑1P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0030]最优权值系数W0是基于梯度算法的最优解，此时，误差信号最小均方误差为：
[0031]J
min
＝E(d2(n))
‑
W
0H
P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)。
[0032]优选的，所述步骤1.6的最优权值系数W0通过最陡下降法求解：
[0033]步骤1.6.1：依据最陡下降法设权值迭代形式为：
[0034][0035]式中，μ为迭代步长，W(n)为n时刻滤波器抽头系数，为第n次迭代梯度矢量，W(0)为给定初始抽头系数；表达式为：
[0036][0037]步骤1.6.2：取瞬时值|e(n)|2作为均方误差E{|e(n)|2}的瞬态估计值，用瞬时值|e(n)|2替换式(13)中期望项E[e2(n)]得瞬时梯度
[0038][0039]步骤1.6.3：瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，将式(14)代入式(12)得自适应最小均方算法迭代规则：
[0040]W(n+1)＝W(n)+μe(n)X(n) (15)。
[0041]优选的，所述步骤1.6.3最小均方算法流程为：
[0042]步骤1.6.3.1：初始滤波器权值系数：W＝[00
…
0]T
；
[0043]步骤1.6.3.2：更新时间序列：n＝1,2,
…
迭代计算滤波器权值系数；
[0044]步骤1.6.3.3：更新滤波器输出y(n)，计算输出误差信号e(n)。
[0045]优选的，所述步骤2具体为：
[0046]在步骤1的语音信号增强结构模型基础上增加一级语音增强，建立联级型语音增强结构模型，联级型语音增强结构模型包括两个横向滤波器和自适应最小均方算法，和步骤1算法原理相同，最终通过联级型语音增强结构模型获得纯净语音信号。
[0047]优选的，步骤1所述的增强型耳罩包括通过耳弓连接的麦克风和耳罩，耳罩左右设置有两个，耳罩内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法，其特征在于：包括：步骤1：建立基于增强型耳罩的语音信号增强结构模型，通过自适应算法调整语音信号增强结构模型中滤波器权值，实现语音信号增强结构模型中噪声信号x(n)最小均方误差要求；步骤2：在步骤1的语音信号增强结构模型基础上增加一级语音增强，建立联级型语音增强结构模型，通过连级增强算法获得纯净语音信号。2.根据权利要求1所述的一种强环境噪声下船用耳罩语音增强方法，其特征在于：所述步骤1包括：步骤1.1：建立基于增强型耳罩的语音信号增强结构模型；步骤1.2：滤波器长度为L，则n时刻的滤波器输出y(n)为：步骤1.3：定义参考信号矢量X(n)和滤波器权值W分别为：W＝[w1,w2,...,w
L
]
T (2)X(n)＝[x(n),x(n
‑
1),...,x(n
‑
L+1)]
T (3)步骤1.4：将步骤1.3的式(2)、(3)与式(1)结合，则步骤1.2的式(1)可以表示为：y(n)＝X
T
(n)W＝W
T
X(n) (4)步骤1.5：第n时刻的误差信号为：e(n)＝d(n)
‑
y(n)＝d(n)
‑
W
T
X(n) (5)步骤1.6：参考信号和期望信号均为平稳各态遍历，则误差信号的均方误差为：J(n)＝E(e2(n))＝E(d2(n))
‑
2P
T
W+W
T
RW
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式(6)中：P＝E(d(n)X(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)R＝E(X(n)X
T
(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)P和R分别为互相关矩阵和自相关矩阵，对均方误差求导得到梯度矢量为：令获得最佳权矢量，则滤波器最优权值系数W0表示为：W0＝R
‑1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨理华，张鑫，艾夏禹，张骁，刘丽滨，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军潜艇学院，
类型：发明
国别省市：