基于谱减法的语音去噪系统设计与实现

资 源 简 介

本项目旨在利用经典的谱减法理论，实现对受到加性噪声污染的语音信号的增强处理。系统具备便捷的语音读入功能，可以从本地磁盘加载多种采样率的音频文件。程序逻辑首先对带噪语音进行预处理，包含分帧、加窗以及零极点补偿。随后，通过计算每一帧信号的短时功率谱，并结合静默段的噪声统计特性，在频域内执行减法操作以移除背景噪音。为了克服传统谱减法容易产生的音乐噪声问题，本系统引入了动态过减因子调整机制，能根据每帧的信号强度自适应调整减除系数，有效改善了语音的听感质量。去噪后的频谱将与原始相位信息结合，通过逆傅里叶变换（IFF

详 情 说 明

基于谱减法的语音去噪系统设计与实现

项目介绍

本项目实现了一个基于经典谱减法（Spectral Subtraction）理论的语音增强系统。该系统专门用于处理受到平稳加性噪声（如白噪声、分扇声、电流声等）污染的语音信号。通过在频域内从带噪语音的功率谱中减去估计出的噪声功率谱，系统能够有效地从干扰中恢复原始语音内容。该程序不仅包含核心的降噪算法，还集成了完整的预处理、后处理以及性能指标评估模块，能够显著提升语音的信噪比和听感清晰度。

功能特性

1. 灵活的信号输入：支持本地语音文件读取或模拟信号生成。
2. 完整的信号预处理：包含预加重滤波、分帧以及海明窗（Hamming Window）加窗处理。
3. 统计学噪声评估：利用语音起始部分的静默段（前5帧）自动估算背景噪声的功率谱特性。
4. 改进型谱减算法：引入过减因子（Alpha）和谱下界参数（Beta），有效平衡噪声抑制能力与语音失真度，缓解“音乐噪声”现象。
5. 稳健的信号重建：采用重叠相加法（Overlap-Add）重建连续时域语音，并配有去重增益补偿。
6. 多维度评估与可视化：自动计算处理前后的信噪比（SNR），并生成时域波形对比图与频率域语谱图。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装MATLAB开发环境。
2. 运行程序：启动MATLAB，打开主脚本文件并点击运行。
3. 参数调整：根据噪声强度的不同，可在代码参数设置区修改过减因子Alpha（默认值为4）和谱下界Beta（默认值为0.002）。
4. 结果获取：程序运行完成后，会自动在工作目录下生成名为“enhanced_output.wav”的去噪后音频文件，并弹出分析图表。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 硬件要求：具备基本音频输出能力的个人电脑。
3. 依赖项：系统内置基本的信号处理函数库（Signal Processing Toolbox）。

系统实现逻辑

1. 信号初始化：程序首先定义采样率（16000Hz）并生成由正弦波组成的模拟语音信号，随后注入指定强度的加性高斯白噪声。
2. 预处理阶段：系统对带噪信号进行高通滤波（预加重），以补偿语音信号高频部分的能量损失。之后按照512采样点的帧长和50%的重叠率进行分帧并加海明窗。
3. 背景噪声建模：选取信号的前5帧作为纯噪声样本，计算其平均功率谱密度。
4. 频域处理循环：

- 对每一帧信号进行快速傅里叶变换（FFT）。 - 提取当前帧的幅度谱和相位谱。 - 在功率谱维度执行减法操作，减去经过过减因子加权的噪声功率谱。 - 应用谱下界限幅：若减法后的能量低于预设阈值，则使用较小的噪声缩放值进行填充，防止产生过多的负值脉冲（即音乐噪声）。

1. 信号还原：结合原始相位信息，通过逆快速傅里叶变换（IFFT）将增强后的频谱转回时域。
2. 重建与后处理：执行重叠相加法消除分帧带来的间断感，并应用去加重滤波器还原语音的原始频率分布。
3. 评估输出：对比并显示处理前后的SNR数值，绘制可视化图表。

技术细节与关键算法分析

1. 分帧函数（enframe）：这是时频转换的基础。通过滑窗技术将连续语音切分为短时平稳的片段。每个片段长度为32ms，这符合人耳对语音段的感知特性。
2. 谱减核心算法：核心计算公式基于功率谱。通过调整Alpha值，可以控制减除噪声的强度。较大的Alpha能去得更干净，但可能损伤语音细节；Beta（谱下界）的引入是关键，它保证了频谱通道不会被完全置零，保留了一定的背景底噪，从而使残留噪声听起来更加自然。
3. 相位保留技术：由于人耳对短时相位的变化并不敏感，本系统采用“带噪相位还原法”，即提取带噪信号的相位信息并直接作用于去噪后的幅度谱，这极大简化了计算开销且保证了语音的可懂度。
4. 重叠相加（Overlap-Add）：该子函数解决了由于加窗和分帧导致的时域包络畸变。通过对各帧能量的累加平滑，消除了帧与帧之间的跳变冲突，确保了输出音频的平滑性。
5. 指标评估（SNR）：系统使用对数能量比公式量化降噪效果。通过计算“原始干净信号能量”与“误差信号能量”的比值，直观反映了算法对噪声的压制程度。