数字助听器中语音增强方法的研究

摘要

受人口结构老龄化、环境噪声污染等因素的影响，越来越多的人听觉系统受到了损伤。在听力损失患者的听力矫正治疗中，佩戴助听器是最安全、最有效的方式，但噪声污染问题严重影响了助听器的实际使用效果，且较之听力正常人而言，听损患者在噪声环境中的语音理解能力本身就更低。语音增强技术能有效消除背景噪声，改善语音质量，从而提高患者在噪声环境中的语音理解度。在国家自然科学基金(61301219)和江苏省自然科学基金(BK20130241)的资助下，本文在深入理解和研究已有算法的基础上，重点研究了适用于数字助听器的语音增强技术，主要研究工作包括以下几个部分:
　　(1)介绍了维纳滤波语音增强技术，重点研究了基于先验信噪比(Priori SNR)估计的维纳滤波法。针对基于Priori SNR估计的维纳滤波未能有效提高语音可懂度的缺点进行了研究与改进:首先，引入了以MMSE为准则的两步先验信噪比估计取代原“直接判决”法;其次，针对信噪比为负的区域，增益函数的过高估计会严重降低语音可懂度的问题对增益函数进行了改进，放大了负信噪比区域的噪声谱，从而降低增益函数被过高估计的可能性。与原方法的对比实验验证了改进的方法能够有效的提高语音可懂度。
　　(2)针对基于Priori SNR估计的维纳滤波算法计算复杂度较高的缺点，提出了一种计算复杂度低的数字助听器子带语音增强算法，详细介绍了该算法的原理及具体实现。该方法利用计算各子带信号功率取代传统方法中的功率谱的计算，省去了信号时频域的转换，极大程度的降低了算法的计算复杂度，满足了数字助听器对实时性和低功耗的要求。并通过仿真实验将该算法与改进谱减法和基于Priori SNR估计的维纳滤波法进行了对比分析，验证了算法的有效性。
　　(3)研究了基于方向性麦克风的语音增强技术，介绍了方向性麦克风用于语音增强的原理及实现方式，重点对一阶自适应方向性麦克风的原理结构进行了研究。方向性麦克风只能进行初步的噪声过滤，而子带语音增强算法对信噪比过低的信号进行增强处理时会造成较大的语音失真，针对上述问题，提出了一种方向性麦克风与子带语音增强相结合的两步语音增强算法，首先由方向性麦克风初步提升信噪比，再由子带语音增强方法作进一步处理，两者的结合有效的弥补了彼此的不足，使得最终增强的语音信号质量更好。仿真实验的结果验证了提出算法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 助听器基本原理

1．4 论文组织结构

第二章 语音增强研究基础

2．1 语音和噪声特性

2．1．1 语音的特性

2．1．2 噪声的特性

2．1．3 人耳感知特性

2．2 常见的语音增强方法及其原理

2．2．1 单麦克风语音增强算法

2．2．2 多麦克风语音增强方法

2．3 语音增强算法性能评估

2．3．1 主观评价方法

2．3．2 客观评价方法

2．4 本章小结

第三章 基于维纳滤波的数字助听器语音增强算法

3．1 基于先验信噪比估计的维纳滤波语音增强

3．1．1 算法原理

3．1．2 噪声功率谱估计

3．2 改进的维纳滤波语音增强

3．3 实验仿真与分析

3．4 本章小结

第四章 改进的数字助听器子带语音增强算法

4．1 子带语音增强算法

4．1．1 信号的子带分解

4．1．2 子带语音增强的算法原理

4．1．3 子带噪声功率估计

4．2 实验仿真与分析

4．2．1 分析滤波器设计

4．2．2 语音增强时频图

4．2．3 语音增强性能分析

4．3 本章小结

第五章 基于方向性麦克风的两步语音增强算法

5．1 方向性麦克风基础知识

5．1．1 声场模型

5．1．2 方向性麦克风

5．1．3 波束形成

5．2 基于一阶自适应方向性麦克风的两步语音增强算法

5．2．1 一阶自适应方向性麦克风

5．2．2 两步语音增强算法原理

5．3 仿真与分析

5．3．1 实验条件

5．3．2 语音增强时频图

5．3．3 语音增强性能分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文