[发明专利]一种基于小波的无线语音降噪装置及方法

权利要求书

1.一种基于小波的无线语音降噪装置，其特征是：包括：RF-41A10电台、消噪板，RF-41A10电台的音频板末级与消噪板输入端相连，消噪板的输出端与扬声器相连；RF-41A10电台的13V供电直流电源通过稳压块IC7812与消噪板电源端相连；DSP处理芯片的数据端通过数据线与双口RAM存储器相连，TMS 320/VC5409芯片的输入端与Flash芯片相连；

所述消噪板，由输入信号通过抗混叠滤波在经A/D模数转换至DSP处理芯片处理，DSP处理芯片处理后的信号在经D/A数模转换至平滑滤波输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于小波的无线语音降噪装置，其特征是：所述RF-41A10电台的音频板末级与消噪板输入端之间设置有阻抗匹配器和电磁兼容器。

3.根据权利要求1所述的一种基于小波的无线语音降噪装置，其特征是：所述DSP处理芯片为TMS 320/VC5409芯片。

4.一种基于小波的无线语音降噪方法，其特征是：其步骤如下：

1)小波变换，据小波变换具有它对突变点位置确定的“变焦”特性,建立小波变换与刻画信号奇异性的Lipschitz指数之间的密切关系,从而通过小波变换来确定信号的奇异点位置；

设0≤α≤1,则f(x)在区间[a,b]上具有一致Lipschitz指数α,当且仅当存在常数k,使得有：

|f(x₀)-f(x₁)|≤k|x₀-x₁|² (1)

称满足上式的α的上界α₀为函数f(x)的Lipschitz一致正则性阶数；证明瞬变点x的Lipschitz指数α，通过小波变换的模值沿尺度S的来计算得到:

|w_sf(x)|≤As^α

(2)

lb|w_sf(x)|≤lb(A)+αlb(s)

(3)

式中,A是非零常数；由此知,如果函数f(x)的Lipschitz指数α>0,则该函数的小波变换系数将随着尺度的增大而增大；反之,若α<0,则函数f(x)的小波变换系数将随着尺度的减小而减小；

其中信号的Lipschitz指数大于0时其小波变换极大模的幅度将随着尺度而增加；然而噪声的Lipschitz指数是负数,因此噪声所对应的小波变换极大值的模将随尺度的增加而减小；在不同的分解尺度上设置一阈值,将小于该阈值的极大模值点认为是噪声的小波变换引起的,因而将其置为0；大于该阈值的极大模值点则认为是信号小波变换引起的予以保留；然后再通过小波逆变换重构信号,达到去噪的目的；

2)阈值函数改进的小波去噪，设带噪语音信号为:

f(k)＝s(k)+n(k),k＝0,1,…,N-1

式中s(k)为纯净语音信号,n(k)为噪声,N为语音信号长度；首先对带噪语音信号f(k)进行离散序列小波变换,得到含噪声的小波系数；然后用设定的阈值作为门限对小波系数进行处理,仅让超过门限的那些显著的小波系数用于小波变换来重构语音信号；

小波变换后的系数处理包括:

硬阈值方法

软阈值方法

然而硬阈值方法和软阈值方法存在自身的缺陷:如硬阈值方法中,在t处不连续,会给重构信号带来一些振荡；由软阈值方法估计出来的虽然整体连续性好,但是当r|＞t时,与r总存在恒定的偏差；提出改进的阈值函数:

由上式知:当m＝1时,即为软阈值函数；当m＝∞时,即为硬阈值函数,改进阈值函数介于软、硬函数之间；恰当地选择参数m达到小波域阈值去噪的效果；其具有光滑连续性,所以更接近于语音信号和噪声的小波系数的物理本质,其去噪效果要优于软、硬阈值函数；此外,改进的阈值函数不但连续,而且当r|＞t时是高阶可导的,便于进行相关处理；上式中t表示门限阈值,t的选择直接影响去噪效果；

阈值的确定首先设置一个尺度阈值作用于带噪语音f(k)各尺度下的小波系数,仅让超过阈值的小波系数参加反变换,重构出去噪后的

式中σ表示噪声方差,N表示观测语音长度；此处阈值称为固定阈值,因为对不同的尺度采用相同的阈值,故处理效果不太理想；由分析知,随着尺度的增加,噪声的模极大值减小,所以阈值也应随着尺度的增加而减小；因此定义新阈值:

此处阈值称为变阈值,即随着尺度j的增大,t(j)的值逐渐减小,使其与噪声在小波变换各尺度上的传播特性相一致；

此外,在采用阈值法处理语音信号时,即不能破坏清音段语音,这是由于清音段包含了许多类似噪声的高频成分,若去除这些成分则会严重影响重构语音的质量；首先对被噪声污染的语音信号做多层小波分解,计算每个尺度上的平均能量；再进行清浊音判断,如果输入的语音段满足:

(1)最小尺度上的信号能量最高，即高频段信号能量最强；

(2)最大尺度上的信号能量与最小尺度上的信号能量之比小于0.9,则判断为清音；然后对清音段语音和浊音段语音采用不同的阈值处理方法:若为清音,则只对最小尺度上的小波系数进行阈值处理,否则对全部小波系数进行阈值处理，最后重构语音信号。