一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及语音信号处理技术领域，更具体地，涉及一种基于分段扩展的宽带激 励信号合成方法。
【背景技术】
[0002] 传统的电话网络由于受到其传输带宽的限制，只能窄带语音通信，虽然窄带语音 能满足基本通信要求，但是通信质量却大大降低。由于经济原因，旧的电话网络不可能在短 时间内实现真正的宽带传输。人工语音带宽扩展技术的出现，解决了这一难题，该技术在电 话网络的接收端作一些处理，对接收的窄带语音信号人工地加入一些缺失频带成分，使得 接受端输出听觉质量较高的宽带语音信号，语音的线性预测模型提出后，现在大多数的人 工语音带宽扩展技术都是基于该模型（也称为源-滤波器模型）设计实现，如图1所示，该 模型将语音的带宽扩展分为独立的两步进行：谱包络扩展和激励信号扩展。
[0003] 扩展后的宽带激励信号最终通过合成滤波器（滤波器系数为谱包络扩展过程中 计算所得的参数）合成输出宽带语音信号。因此，激励信号扩展是带宽扩展技术中必不可 少的一个步骤。目前，主要的激励信号扩展算法主要有三种：窄带激励谱折叠/谱平移、白 噪声激励和谐波激励。目前这三种方法虽然都比较成熟，但是它们的缺点在于：在合成的激 励信号中既要保留适当的谐波结构，又不能引入过多的人造谐波，因为过多的人造谐波会 对原有谐波结构造成破坏；算法的运算复杂度不能太高，否则该算法将难以实现。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，该方法运算复杂度不高 且易于实现。
[0005] 为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
[0006] -种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，包括以下步骤：
[0007] Sl :将窄带语音信号先后经过上采样、分帧预处理后通过分析滤波器，获得窄带激 励信号un;
[0008] S2 :将窄带激励信号1!"通过截止频率为a 1的低通滤波器，输出第一频带激励信 号U1，对第一频带激励信号U1进行谱平移操作，将谱平移后的信号再通过一个截止频率为 α 1的高通滤波器，得到第二频带激励信号Uni;
[0009] S3 :设置一个单位白噪声发生器产生白噪声信号uf，计算第一频带激励信号％的 方差得到增益因子％"，调整白噪声信号Uf的能量并乘以增益因子K,,，然后通过一个截止 频率为α 2的高通滤波器，得到第三频带激励信号uh;
[0010] S4 :将第一频带激励信号U1、第二频带激励信号Uni和第三频带激励信号u h合并得 到宽带激励信号u。
[0011] 进一步地，所述步骤S3中能量调整后白噪声信号Uf的频带是无限宽的，通过 一个截止频率为α 2的高通滤波器来滤除白噪声α 2以下的频谱成分，得到频带范围为 6500Hz-8000Hz的第三频带激励信号uh。
[0012] 优选地，截止频率为α 1的取值范围为：3000-3500HZ。
[0013] 优选地，截止频率为α 2的取值范围为：6000-6500HZ。
[0014] 进一步地，所述步骤S4中第一频带激励信号U1、第二频带激励信号Uni和第三频带 激励信号4都是频带有限且各自频带成分互不重叠的激励信号，将三个激励信号在时域进 行相加运算，得到一个频带完整的宽带激励信号u。
[0015] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0016] 本发明将窄带激励谱平移和白噪声激励两种方法结合起来，将窄带激励信号通过 低通滤波器，输出第一频带激励信号，将第一频带激励信号谱平移和高通滤波后获得第二 频带激励信号，通过将能量调整的白噪声并乘以增益因子后作为第三频带激励信号，最后 将第一频带激励信号、第二频带激励信号和第三频带激励信号合成为完整的宽带激励信 号，该方法能较好地保留激励信号的谐波结构而且不引入过多的人造谐波，算法本身的运 算复杂度不高且易于实现，改善了现有带宽扩展技术的性能，提高了窄带语音的通信质量。
【附图说明】
[0017] 图1为基于源滤波器模型的带宽扩展方法示意图；
[0018] 图2为基于分段扩展的激励信号合成方法示意图；
[0019] 图3为谱平移方法的结构示意图；
[0020] 图4为宽带语音、窄带语音、本发明合成的语音的波形图、语谱图的对比图。
【具体实施方式】
[0021] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0022] 为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品 的尺寸；
[0023] 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解 的。
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0025] 实施例1
[0026] 如图2所示，一种基于分段扩展的宽带激励信号合成方法，包括以下步骤：
[0027] Sl :将窄带语音信号先后经过上采样、分帧预处理后通过分析滤波器，获得窄带激 励信号un;
[0028] S2 :将窄带激励信号1!"通过截止频率为α 1的低通滤波器，输出第一频带激励 信号U1，对第一频带激励信号^进行谱平移操作，将谱平移后的信号再通过一个截止频 率为α 1的高通滤波器，得到第二频带激励信号Uni;其中，截止频率为α 1的取值范围为： 3000-3500ΗΖ ；
[0029] S3:设置一个单位白噪声发生器产生白噪声信号uf，计算第一频带激励信号％的 方差得到增益因子％，调整白噪声信号Uf的能量并乘以增益因子八，然后通过一个截止 频率为α 2的高通滤波器，得到第三频带激励信号uh; α 2的取值范围为：6000-6500HZ ;
[0030] S4 :将第一频带激励信号U1、第二频带激励信号Uni和第三频带激励信号u h合并得 到宽带激励信号U。
[0031 ] 本实施例中，首先窄带语音信号进行上采样（采样率为8000Hz)、分帧等预处理， 对窄带信号作上采样处理是为了将增加其信号的频带范围，用于后续的频带成分扩展，预 处理后的窄带信号通过分析滤波器后得到窄带激励信号，该滤波器系数由语音线性预测分 析计算所得的参数决定，窄带激励信号作为激励信号扩展的输入信号，是实现激励信号扩 展的先决条件，窄带激励信号经过上采样后，采样频率由原来的8000Hz变为16000Hz，该信 号通过低通滤波器后得到低频带激励信号，相应的低通滤波器的参数如下：
[0032] 采样频率：16000Hz
[0033] 通带截止频率：3400Hz通带衰减：IdB
[0034] 阻带截止频率：3450Hz阻带衰减：60dB
[0035] 得到的第一频带激励信号U1是低频带激励信号，其频带范围为0-3400HZ。
[0036] 由于在获取窄带激励信号之前，窄带信号经过上采样预处理，所以窄带激励信号 的频谱中会出现多余的频带成分，所以必须通过一个截止频率为3400Hz的低通滤波器来 滤除窄带激励