【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及信号处理，具体涉及一种带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法及呼吸面罩。
技术介绍
1、封闭式面罩呼吸器广泛应用于消防、高空飞行等各种极端恶劣环境，通常在面罩内壁配备送受话器件以及通信器材与外界或者队友交流。面罩内部为密闭环境，通信时呼吸气流会被聚焦在送话器周边，产生明显的呼吸声，严重降低通话质量。呼吸声具有一定的周期性，从声学方面不能将其归类为噪声，但此类声音严重降低通话质量，因而应当进行滤除。
2、目前面罩内去除呼吸声通常采用谱减法、维纳滤波法、子空间分解法等方法，传统语音增强算法将其当作背景噪声及性能处理，传统算法中的滤除呼吸声的方法存在以下两个缺点：
3、（1）此类算法只能滤除高信噪比噪声，而呼吸器中的呼吸声相对较大，话音信号信噪比较低，无法完全滤除，会出现很明显的残留音乐噪音。此时算法失效，起不到语音增强、改善音质的效果，反而因为明显的音乐噪音降低通话质量和语音可懂度。
4、（2）算法假定噪声为稳态噪声，能量不随时间剧烈变化，而面罩内呼吸声并非恒定功率的背景噪声，而是随着呼吸声不断变化，人的运动状态的改变也会引起呼吸声的剧烈变化。
5、因此，传统算法处理此类噪声时，无法及时准确更新呼吸声频谱，处理时容易损伤语音，降低通话质量和语音可懂度。
技术实现思路
1、有鉴于此，有必要提供一种能更有效的滤除呼吸声，同时不会损伤话音的带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法及呼吸面罩。
2、一种
3、获取音频信号并对音频信号进行分帧处理；
4、通过快速傅里叶变换获得每帧带噪信号的功率系数和自相关系数；
5、将短时帧能量作为判断函数来判断信号是否包含语音帧，若为是，则停止更新fir滤波器系数，若为否，则根据误差信号自适应更新fir滤波器系数；
6、使用系数更新后的fir滤波器滤除呼吸声，并引入残差控制函数，利用呼吸声的帧间随机性消除残留噪声，得到滤波后的信号；
7、对滤波后的信号进行逆快速傅里叶变换后得到目标输出信号。
8、优选地，所述每帧带噪信号的功率系数e(x)的计算公式如（1）式所示：
9、（1）；
10、其中，x|(ω)|为信号频率的幅度模；
11、所述每帧带噪信号的自相关系数的计算公式如（2）式所示：
12、（2）；
13、其中，表示信号在时间上的延迟时长；表示信号的长度；表示t时刻的信号值；表示时刻的信号值。
14、优选地，所述将短时帧能量作为判断函数来判断信号是否包含语音帧的步骤具体包括：
15、根据所述每帧带噪信号的功率系数e(x)和自相关系数计算得到判断函数，如（3）式所示：
16、（3）；
17、统计呼吸声样本中的平均能量，根据（4）式所示公式计算设置门限阈值th：
18、（4）；
19、其中，为调整因子，其取值范围为0.1~0.9；是多个呼吸声样本集中统计出的呼吸声平均值，即多种呼吸声的平均能量；
20、当判断函数＞门限阈值时，则认为信号中包含语音帧，否则不包含语音帧，需要自适应更新fir滤波器系数。
21、优选地，所述更新fir滤波器系数的步骤具体包括：
22、确定音频信号经分帧处理后的输入向量、fir滤波器的初始权值向量和控制更新fir滤波器系数的步长因子；
23、计算fir滤波器的实际输出信号，如（5）式所示：
24、（5）；
25、其中，表示权值向量的转置；
26、根据fir滤波器的期望输出信号和实际输出信号计算误差信号，如（6）式所示：
27、（6）；
28、根据误差信号和输入向量，计算并更新权值向量，如（7）式所示：
29、（7）；
30、重复上述步骤，根据误差信号自适应更新所述fir滤波器系数，直到误差信号趋于0时，停止更新所述fir滤波器系数。
31、优选地，所述引入残差控制函数，利用呼吸声的帧间随机性消除残留噪声的步骤具体包括：
32、将输入信号转换为频域信号；
33、其中，为语音信号的频域信号，为呼吸声信号的频域信号；
34、计算残差控制函数和后验估计概率，分别如（8）式和（9）式所示：
35、（8）；
36、（9）；
37、其中，为控制函数；为先验信噪比，是第k个频谱分量的实际信噪比；为后验信噪比，是加入噪声后第k个频谱分量测得的信噪比；表示带呼吸信号的频域分量， l代表信号的长度；
38、通过输入带残留噪声的信号计算所述先验信噪比和所述后验信噪比，分别如（10）式和（11）式所示：
39、（10）；
40、（11）；
41、其中，表示语音信号频谱的第k个频谱分量的方差；表示呼吸声频谱的第k个频谱分量的方差；表示呼吸信号的频域分量；
42、由通过判决引导法推导出，计算公式如（12）式所示：
43、（12）；
44、其中，a是平滑系数；
45、通过输入信号与残差控制函数的差值，滤除残留噪声，得到最终输出信号，如（13）式所示：
46、（13）。
47、优选地，所述对音频信号进行分帧处理的具体步骤包括：
48、步骤11，选择帧长，以确定每一帧包含的样本数；
49、步骤12，确定帧移，为相邻两帧之间的时间间隔；
50、步骤13，加载窗口函数，为了避免帧边界处的不连续性，通常在每一帧的样本上加载一个窗函数；
51、步骤14，重叠、添加，如果帧移值不是帧长的整数倍，则需要进行重叠和添加操作，以确保信号的连续性；
52、步骤15，重复处理，对整个音频信号重复步骤11至步骤14，直到处理完所有样本。
53、优选地，所述对滤波后的信号进行逆快速傅里叶变换后得到目标输出信号的具体步骤包括：
54、重建信号谱，对滤波后的信号进行逆快速傅里叶变换，将频域信号转换为时域信号并输出。
55、以及，一种呼吸面罩，其特征在于，包括fir滤波器，用于采用如上所述的带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法滤除面罩内的呼吸声。
56、上述带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法及呼吸面罩中，对每一帧音频信号进行处理，在自适应滤波的基础上又引入判决机制和残差控制函数，在呼吸声信号中自适应更新fir滤波器系数，在语音信号段则算法停止更新系数，能够有效滤除面罩内的呼吸声和残留噪声，极大地提高了通信质量，同时不会损伤语音信号。本专利技术成本可控，具有广阔的市场前景。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
2.如权利要求1所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述每帧带噪信号的功率系数E(X)的计算公式如（1）式所示：
3.如权利要求2所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述将短时帧能量作为判断函数来判断信号是否包含语音帧的步骤具体包括：
4.如权利要求3所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述更新FIR滤波器系数的步骤具体包括：
5.如权利要求4所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述引入残差控制函数，利用呼吸声的帧间随机性消除残留噪声的步骤具体包括：
6.如权利要求1所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述对音频信号进行分帧处理的具体步骤包括：
7.如权利要求1所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述对滤波后的信号进行逆快速傅里叶变
8.一种呼吸面罩，其特征在于，包括FIR滤波器，用于采用如权利要求1-7任一项所述的带残差控制器的自适应FIR滤除面罩内呼吸声的方法滤除面罩内的呼吸声。
...【技术特征摘要】
1.一种带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
2.如权利要求1所述的带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述每帧带噪信号的功率系数e(x)的计算公式如（1）式所示：
3.如权利要求2所述的带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述将短时帧能量作为判断函数来判断信号是否包含语音帧的步骤具体包括：
4.如权利要求3所述的带残差控制器的自适应fir滤除面罩内呼吸声的方法，其特征在于，所述更新fir滤波器系数的步骤具体包括：
5.如权利要求4所述的带残差控制器...
【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，朱福伟，张凯榕，郭星，李斌，
申请(专利权)人：深圳市烽火宏声科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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