基于小波變換的語音去噪優(yōu)化算法研究

1、 基于小波變換的語音去噪優(yōu)化算法研究 王子瑋 吳義青 王文斌摘 要：本文主要研究了基于小波變換去噪的理論和方法，首先概述了小波語音去噪在當(dāng)前的應(yīng)用與發(fā)展，其次簡述了幾種常用的小波變換去噪的原理和方法;對小波閾值去噪進(jìn)行了重點的討論，提出一種改進(jìn)的閾值函數(shù)進(jìn)行去噪，通過實驗數(shù)據(jù)比較分析，列出實驗結(jié)果，總結(jié)優(yōu)缺點。Key：語音去噪;小波變換;閾值去噪引言語音在人們?nèi)粘Ｉ钪凶鳛橐环N傳遞信息的手段占有很重要的地位。在實際生活中，語音不可避免地會受到外界各式的噪聲干擾，會對語音設(shè)備的功能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，對被干擾的語音信號進(jìn)行去噪處理，改善語音質(zhì)量，去除和降低含噪語音信號中的噪聲分量顯得十分必要。

2、語音去噪的作用就是增加語音的清晰度，降低含噪語音信號中的噪聲。一、小波語音去噪的應(yīng)用與發(fā)展小波變換是一種可以在時域和頻域內(nèi)進(jìn)行局部分析的方法。小波變換具有良好的時頻局部化特性，同時擁有一個隨著頻率改變而改變的時間頻率窗口。小波分析方法是一種窗口大小 （即窗口面積） 固定、但窗口的形狀可變、時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法。在目前小波分析是信號信息采集與處理領(lǐng)域的一項高新技術(shù)，在國際上得到了廣泛的認(rèn)可。二、基于小波變換的語音去噪的原理及方法（一）模極大值去噪信號的奇異點就是指信號中的突變點， 往往包含了信號的重要特征信息。數(shù)學(xué)上用Lipshchitz指數(shù) （簡稱Lip指數(shù)） 描述函數(shù)在

3、某點的奇異性大小。設(shè)有正整數(shù)n， n0和k0及n次多項式pn（x）：小波變換模極大值定義為：若對屬于x0的某一鄰域內(nèi)的任意點， 有|Wf （s0， x） |Wf （s0， x0） |， 則稱x0為小波變換在尺度s下的局部模極大值點， 尺度空間所有極大值點的連線稱為模極大值線。小波變換模極大值與Lip函數(shù)之間關(guān)系如下：因此， 可根據(jù)上面的理論， 采用合適的算法， 從信號的所有小波變換極大值去除噪聲的模極大值， 將剩下的模極大值用來重構(gòu)信號， 可以達(dá)到去噪的目的。（二）相關(guān)性去噪噪聲部分的小波變換系數(shù)所含的相關(guān)性很差，所以為了增強(qiáng)語音中有用的信息，可把相鄰尺度的小波系數(shù)做乘積運(yùn)算，以此減少信號中的

4、噪聲。該方法需要估計噪聲方差，計算量較大，但其在分析信號的邊緣方面有優(yōu)勢。三、小波閾值去噪根據(jù)語音和噪聲在各尺度上的小波變換后，它們的小波系數(shù)呈現(xiàn)不同特性。計算出一個預(yù)定的閾值，一般噪聲的小波系數(shù)都小于該閾值，因此可以把噪聲的小波系數(shù)全置零。（一）硬閾值法硬閾值法在閾值點不連續(xù)，會使信號產(chǎn)生附加振蕩，使其不具有原始信號的平滑性。（二）軟閾值法軟閾值法去噪可使去噪信號是原始信號的近似最優(yōu)估計且估計信號至少和原始信號同樣光滑且不會產(chǎn)生附加振蕩。但是它的缺點是過度光滑，容易使信號失真。（三）改進(jìn)的閾值函數(shù)對閾值函數(shù)的改進(jìn)算法：該函數(shù)是對軟閾值和硬閾值函數(shù)的改進(jìn)，軟閾值函數(shù)估算的結(jié)果其絕對值總比小波系

5、數(shù)小，因為Wj， k是由信號小波系數(shù)和噪聲小波系數(shù)組成的，加上因子后，可在0和1內(nèi)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整的值來得到更好的去噪效果。我們在實驗中取=0.45。該算法改善了軟閾值法過度光滑易使信號失真和硬閾值法不連續(xù)的缺點。四、實例及結(jié)果本實驗中截取一段音樂作為原始信號如圖1，通過Matlab編程產(chǎn)生正態(tài)隨機(jī)噪聲，含噪信號如圖2，選用小波基sym8小波，對含噪信號進(jìn)行3層分解，將信號高頻部分置0，進(jìn)行強(qiáng)制消噪，然后重構(gòu)此信號如圖3所示。用ddencmp函數(shù)得到信號的默認(rèn)閾值，用默認(rèn)閾值進(jìn)行消噪，然后用waverec重構(gòu)該信號，如圖4所示。用改進(jìn)函數(shù)計算出高頻部分的軟閾值，然后通過軟閾值進(jìn)行消噪，最后用wave

6、rec重構(gòu)此信號，如圖5所示。五、結(jié)束語小波分析屬于時頻分析的一種類型，它是從傅里葉變換分析中演變過來的，本身比傅里葉分析優(yōu)秀。小波閾值去噪法由于其在計算上的簡單而被普遍地運(yùn)用。它在分析和解決實際問題的快速算法帶來巨大方便，在聲音、圖像、圖形、通訊、地震、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械振動、電腦和其他領(lǐng)域的應(yīng)用都非常的出色。本文的工作是研究基于小波變換的圖像去燥方法?？偨Y(jié)全文，主要完成了以下幾個方面的工作。1）對Matlab有關(guān)小波變換部分的功能進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)，對小波變換進(jìn)行了系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，掌握了部分小波變換的理論知識，對所學(xué)到的知識進(jìn)行了總結(jié)與應(yīng)用，深入學(xué)習(xí)了小波變換在語音去噪領(lǐng)域中的應(yīng)用。2）通過查閱和

7、學(xué)習(xí)資料總結(jié)了部分去噪的方法，通過Matlab對改進(jìn)的閾值去噪法進(jìn)行實驗得到了不錯的效果。以下是還需要進(jìn)一步探討的問題：在實際生活中語音環(huán)境復(fù)雜多變，本文只對加性噪聲進(jìn)行了研究討論，該方法是否能適應(yīng)各種環(huán)境還需要進(jìn)一步討論。對清音和濁音的不同特性的去噪效果還需進(jìn)一步探究。Reference：1 葛哲學(xué)等.小波分析理論與MATLAB7實現(xiàn)M.北京：電子工業(yè)出版社2張小飛， 徐大專， 齊澤鋒.基于模極大值小波域的去噪方法研究J.數(shù)據(jù)采集與處理， 2003， （9） ：3l53l83 DONOHO D L. De-noising by soft-thresholdingJ. IEEE transac

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