АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 2, с. 307-314
ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 621
СЛЕПАЯ ДЕРЕВЕРБЕРАЦИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА
© 2008 г. В. А. Зверев
Институт прикладной физики РАН 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: zverev@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 11.01.07 г.
Исследованы возможности устранения реверберации в речевом сигнале с помощью метода, основанного на определении параметров частотной характеристики реверберации по спектру логарифма модуля (кепстру) сигнала с реверберацией. Величины задержек реверберирующих сигналов, а для слабой реверберации и их амплитуды определяются по кепструму сигнала с реверберацией. Уровни реверберирующих сигналов для средней и сильной реверберации уточняются путем подбора множителя. При подборе множителя используется критерий, основанный на форме распределения амплитуд речевого сигнала. С помощью численного моделирования показано, что уровень реверберации удается снизить на 30 дБ.
PACS: 43.60.Dh, 43.60.Hj, 43.58.Ta
Реверберация представляет собой отраженный или рассеянный звук. Под это общее определение реверберации подходит и сигнал эхолокатора. Там реверберацией называется отражение или рассеяние звука неровностями дна (донная реверберация), поверхностью моря (поверхностная реверберация) или неоднородностями среды. Такой же характер в гидролокации имеет и искомое отражение от цели, которое не считается реверберацией и не должно подавляться методами, подавляющими реверберацию. В последнее время появились работы, в которых предлагались и осуществлялись методы подавления донной реверберации в мелком море [1-3]. В этих работах для подавления донной реверберации использовалось временное обращение волн (ВОВ) [4, 5]. Метод ВОВ состоит в том, что излученный пробным источником (ПИ) сигнал принимается через сложную среду (мелкое море) и запоминается в каждом элементе антенной решетки. Затем в этих сигналах изменяется направление времени на обратное и они снова излучаются в ту же среду той же антенной. В результате, излучение антенны фокусируется в ту точку, в которой находился ПИ [4].
С помощью ВОВ успешно осуществлялись два метода уменьшения донной реверберации. Фокусируя излучения в точку нахождения ПИ, удаленную от дна, мы получаем излучение, которое распространяется, в основном, в толще воды, меньше задевая дно. В результате в конкретном опыте [1] было получено уменьшение уровня донной реверберации на 5 дБ. Вместо специально устанавливаемого ПИ было предложено использовать саму донную реверберацию. Оказалось, что до-
статочно узкий временной участок реверберации может играть роль ПИ. Это было показано как в численном опыте [2], так и в натурном эксперименте [3]. Получилась возможность фокусировать излучение антенны в определенную точку дна. Это можно использовать для подавления донной реверберации путем привлечения методов адаптивных антенн, которые способны формировать нули в направлении наиболее сильных сигналов [6]. Таким образом, формируя нули в направления максимумов излучения от дна, удалось добиться уменьшения донной реверберации на 3 дБ.
В работе [7] идет речь о подавлении реверберации, состоящей в том, что первоначальный сигнал в точности повторяется с уменьшенной амплитудой через дискретные промежутки времени. Это дискретные отражения. Они возникают при многолучевом распространении сигналов в море и в помещении, в которых волны отражаются от границ помещения и от предметов, находящихся внутри него. Реверберация вносит в сигнал искажения, затрудняющие извлечение из сигнала нужной информации. Это, в частности, относится и к речевому сигналу. Сигнал с реверберацией обладает низкой разборчивостью. Поэтому устранение реверберации в речевом сигнале является актуальной задачей.
В [1-3] описаны методы борьбы с реверберацией, требующие особых условий опыта, уменьшающих реверберацию. В [7, 8] и в настоящей работе описываются методы, позволяющие уменьшить реверберацию непосредственно в том опыте, в котором она была зарегистрирована, не повторяя этого опыта и не изменяя условия его постановки и проведения, не осуществляя допол-
Амплитуда 1
3.5 4.0 Время в сек
Рис. 1. Осциллограмма чистого речевого сигнала.
нительных измерений параметров трассы распространения сигнала, а ограничиваясь математической обработкой сигнала с реверберационными искажениями. Это так называемая слепая дере-верберация.
В [7, 8] описан метод, позволяющий устранить реверберацию путем определения необходимых параметров частотной характеристики реверберации по сигналу, искаженному реверберацией. Этот метод был успешно использован в [7] для устранения реверберации, возникшей при распространении сигнала от шумового источника в глубоком море. Однако в [7, 8] не было возможности получить чистый сигнал, свободный от реверберации. В силу этого возможности использованного метода нельзя было точно оценить количественно. В [7, 8] приведены только приблизительные оценки. В настоящей работе сигнал с реверберацией смоделирован математически, что позволило количественно оценить эффективность устранения реверберации, методом, использованным в [7, 8].
Кроме этого, в этой работе внесены существенные усовершенствования в метод, позволяющие не только отказаться от детального исследования параметров реверберации (определения величин задержек сигналов и их модулей и фаз), а существенно ослабить на величину более 30 дБ не только слабую реверберацию, как в [7, 8], как показано в [7], а и среднюю и даже сильную реверберацию, уровень которой сравним с уровнем исходного сиг-
Таблица
Задержка
Амплитуда реверберации
в мсек слабая средняя сильная
0 1 1 1
55 0.25 0.5 0.75
123 0.2 0.4 0.6
314 0.15 0.3 0.45
425 0.18 0.36 0.54
526 0.12 0.24 0.36
617 0.2 0.4 0.6
нала. Существенно расширить возможности метода удалось благодаря использованию иного, чем в [7, 8], критерия для определения уровня реверберации. Этот критерий основан на статистических свойствах речевого сигнала и их изменении под влиянием реверберации.
В качестве исходного чистого сигнала использован речевой сигнал, записанный с частотой квантования 11024 Гц. Осциллограмма использованного речевого сигнала приведена на рис. 1. Речевой сигнал целесообразно использовать для математического моделирования реверберации не только потому, что устранение реверберации особенно актуально именно для речевого сигнала, а и из-за характерных особенностей статистики уровней в его осциллограмме. Осциллограмма речи содержит пики, чередующиеся с паузами. По этой особенности легко отличить осциллограмму чистого сигнала от осциллограммы сигнала с реверберацией. Изменение формы распределения уровней сигнала использовано в настоящей работе в качестве критерия при определении уровней отраженных сигналов.
Частотная характеристика реверберации, как известно [7, 8] описывается следующей формулой:
Z(ш) = ^ ап ехр (г штл)
(1)
где ап - амплитуды задержанных сигналов; тп - величины задержек; ш - частота.
Параметры частотной характеристики приведены в таблице.
В таблице приведены параметры трех уровней реверберации, использованные при моделировании. Средняя и сильная реверберации получены путем умножения амплитуд слабой реверберации на 2 и на 3 соответственно.
Спектр сигнала с реверберацией 5(ш) получается путем умножения спектра чистого сигнала в(ш) на частотную характеристику реверберации:
5 (ш) = в (ш) Z (ш)
п
Амплитуда
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Время в сек
Рис. 2. Осциллограмма речевого сигнала, искаженного реверберацией. Начальная слабая реверберация (а). Удвоенная начальная реверберация (б). Утроенная начальная реверберация (в).
Сигнал с реверберацией находится по (2) путем обратного преобразования Фурье.
Осциллограммы сигналов с реверберацией, полученные вышеописанным способом, показаны на рис. 2. На этом рисунке отчетливо видна особенность реверберации, состоящая в том, что заполняются паузы в речевом сигнале.
Теперь предстоит задача, пользуясь только осциллограммами сигналов, показанных на рис. 2, получить чистый сигнал, показанный на рис. 1. Для этого надо найти частотную характеристику реверберации 2(ш). Это можно сделать на основании (2). Найдем кепстр сигнала с реверберацией, пользуясь (2). Для того, чтобы найти кепстр, представляющий собой спектр логарифма модуля сигнала, найдем сначала логарифм модуля спектра:
1п (| 5 (ш)|) = 1п (| С (ш)|) + 1п (| г (ш)|) (3)
Частотная характеристика реверберации 2(ш), определяемая (1) представляет собой, как функция частоты ш, сумму гармонических сигналов (экспонент) с частотами (сачтотами), равными величинам задержек реверберирующих сигналов. Существенно, что амплитуда сигнала при нулевой задержке (прямой сигнал) равна единице. С уче-
том этого обстоятельства квадрат модуля Z(w) можно записать в виде:
(| Z (ю)|)2 = 1+ ^ а2 + ^ aj cos (ют,- + ф-) + MN (4)
j j
где j - номер отраженного сигнала, исключая прямой сигнал; MN - члены, содержащие комбинационные частоты (сачтоты). При слабой реверберации члены с комбинационными сачтотами MN невелики. Поэтому при достаточно большой длине реализации сигнала с реверберацией в квадрате модуля частотной характеристики будут преобладать сачтоты реальных задержек, равные самим задержкам. Теперь о логарифме. Опять-таки при достаточно слабой реверберации натуральный логарифм (4) хорошо аппроксимируется первым членом степенного ряда, представляющего собой сумму гармонических сигналов. Отсюда можно заключить, что в кепстре (спектре логарифма модуля) сигнала с реверберацией будут преобладать сачтоты задержанных сигналов, равные задержкам сигналов. Кепстр сигнала с реверберацией определится следующей формулой
K (т) = J ln (| S (ю)|) exp (i ют) dw (5)
ю
Амплитуда 40 г (а)
20
60 40 20 60 40 20 0
Ж
(б)
■ III. 1Г|Ь
(в)
fc.Ji.uli-.ili. , !!■■ ¡1.1. н.111|1.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Время в сек
Рис. 3. Кепстры сигналов с реверберацией. С начальной реверберацией (а). С удвоенной реверберацией (б). С утроенной реверберацией (в). Горизонтальная линия на графиках показывает уровень
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.