语音增强：基于谱减法的语音降噪算法实现

语音增强：基于谱减法的语音降噪算法实现

本文将介绍如何使用谱减法对带噪语音进行降噪处理，并提供完整的Matlab代码实现。文章还分析了语音增强前后的信噪比，并展示了增强后的语音信号频谱。

1. 读取带噪语音文件，并进行预处理

[y, Fs] = audioread('C:\Users\ASUS\Desktop\20230607_210020.wav'); % 读取音频文件
y = y(:, 1); % 取单声道信号
y = y / max(abs(y)); % 幅值归一化

2. 谱减法增强处理

win = hamming(256, 'periodic'); % 窗函数
nfft = 512; % FFT点数
N = length(y); % 信号长度
n = 0:255; % 帧长
inc = 128; % 帧移
Y = buffer(y, 256, 128, 'nodelay'); % 分帧
Y = Y .* repmat(win, 1, size(Y, 2)); % 加窗
Y = fft(Y, nfft, 1); % FFT
Y_abs = abs(Y); % 取模
Y_phase = angle(Y); % 取相
noise = Y_abs(:, 1:8); % 噪声估计（取前8帧）
noise_mean = mean(noise, 2); % 平均噪声功率谱
alpha = 2; % 平滑系数
for i = 1:size(Y_abs, 2)
    Y_abs(:, i) = max(Y_abs(:, i) - alpha * noise_mean, 0); % 谱减法
end
Y_enhanced = real(ifft(Y_abs .* exp(1j * Y_phase), nfft, 1)); % IFFT
Y_enhanced = Y_enhanced(1:256, :); % 去除重叠部分
y_enhanced = overlap_add(Y_enhanced, win, inc); % 重叠相加
y_enhanced = y_enhanced(1:N); % 去除补零部分

3. 计算语音增强前后的信噪比

snr_before = snr(y, y - y_enhanced); % 增强前的信噪比
snr_after = snr(y, y_enhanced); % 增强后的信噪比

4. 生成增强后的语音文件

audiowrite('enhanced_speech.wav', y_enhanced, Fs); % 保存增强后的语音信号

5. 对语音增强效果进行分析

t = (0:N-1) / Fs; % 时间序列
subplot(2, 2, 1);
plot(t, y);
title('Noisy Speech');
xlabel('Time (s)');
ylabel('Amplitude');
subplot(2, 2, 2);
plot(t, y_enhanced);
title('Enhanced Speech');
xlabel('Time (s)');
ylabel('Amplitude');
Y_before = abs(fft(y, nfft)); % 增强前的频谱
Y_after = abs(fft(y_enhanced, nfft)); % 增强后的频谱
f = (0:nfft-1) / nfft * Fs; % 频率序列
subplot(2, 2, 3);
plot(f, Y_before);
title('Spectrum of Noisy Speech');
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Magnitude');
subplot(2, 2, 4);
plot(f, Y_after);
title('Spectrum of Enhanced Speech');
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Magnitude');

重叠相加函数 overlap_add

function y = overlap_add(Y, win, inc)
% Y: 帧序列
% win: 窗函数
% inc: 帧移
% y: 信号序列
nfft = size(Y, 1); % FFT点数
N = (size(Y, 2) - 1) * inc + nfft; % 信号长度
y = zeros(N, 1); % 初始化信号序列
for i = 1:size(Y, 2)
    y((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+nfft) = y((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+nfft) + ...
        real(ifft(Y(:, i), nfft)) .* win; % IFFT重叠相加
end
end

该代码演示了如何使用谱减法对带噪语音进行降噪处理。谱减法通过估计噪声功率谱并将其从语音信号的功率谱中减去来实现降噪。代码中还包含重叠相加函数 overlap_add，用于将分帧处理后的信号重构为完整的语音信号。最终，代码展示了增强后的语音信号以及增强前后频谱的对比，直观地体现了谱减法的降噪效果。