基于MATLAB实现传统谱减法以及两种改进的谱减法（增益函数谱减法、多带谱减法）的语音增强

基于MATLAB实现传统谱减法以及两种改进的谱减法（增益函数谱减法、多带谱减法）的语音增强代码示例：

传统谱减法

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function enhanced = traditional_spectral_subtraction(noisy, fs, wlen, inc, NIS, a, b)
    % 参数说明：
    % noisy - 带噪语音信号
    % fs - 采样频率
    % wlen - 帧长
    % inc - 帧移
    % NIS - 前导无话段帧数
    % a - 过减因子
    % b - 增益补偿因子

    % 计算噪声功率谱
    noise_frames = buffer(noisy(1:NIS*inc), wlen, wlen-inc);
    noise_frames = noise_frames(:, 1:NIS);
    noise_power = mean(abs(fft(noise_frames)).^2, 2);

    % 分帧
    frames = buffer(noisy, wlen, wlen-inc);
    num_frames = size(frames, 2);

    % 初始化增强后的语音
    enhanced = zeros(size(noisy));

    % 谱减法处理
    for i = 1:num_frames
        % FFT
        X = fft(frames(:, i));
        X_mag = abs(X);
        X_phase = angle(X);

        % 谱减法
        S_mag = max(X_mag - a * sqrt(noise_power), b * sqrt(noise_power));

        % 逆FFT
        S = S_mag .* exp(1j * X_phase);
        enhanced_frame = real(ifft(S));

        % 重叠相加
        enhanced((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+wlen) = enhanced((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+wlen) + enhanced_frame;
    end
end

增益函数谱减法

matlab 复制代码

function enhanced = gain_function_spectral_subtraction(noisy, fs, wlen, inc, NIS, alpha, beta)
    % 参数说明：
    % noisy - 带噪语音信号
    % fs - 采样频率
    % wlen - 帧长
    % inc - 帧移
    % NIS - 前导无话段帧数
    % alpha - 过减因子
    % beta - 增益补偿因子

    % 计算噪声功率谱
    noise_frames = buffer(noisy(1:NIS*inc), wlen, wlen-inc);
    noise_frames = noise_frames(:, 1:NIS);
    noise_power = mean(abs(fft(noise_frames)).^2, 2);

    % 分帧
    frames = buffer(noisy, wlen, wlen-inc);
    num_frames = size(frames, 2);

    % 初始化增强后的语音
    enhanced = zeros(size(noisy));

    % 谱减法处理
    for i = 1:num_frames
        % FFT
        X = fft(frames(:, i));
        X_mag = abs(X);
        X_phase = angle(X);

        % 增益函数
        G = (X_mag - alpha * sqrt(noise_power)) ./ X_mag;
        G = max(G, beta);

        % 增强后的频谱
        S_mag = G .* X_mag;

        % 逆FFT
        S = S_mag .* exp(1j * X_phase);
        enhanced_frame = real(ifft(S));

        % 重叠相加
        enhanced((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+wlen) = enhanced((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+wlen) + enhanced_frame;
    end
end

多带谱减法

matlab 复制代码

function enhanced = multiband_spectral_subtraction(noisy, fs, wlen, inc, NIS, num_bands)
    % 参数说明：
    % noisy - 带噪语音信号
    % fs - 采样频率
    % wlen - 帧长
    % inc - 帧移
    % NIS - 前导无话段帧数
    % num_bands - 子带数量

    % 计算噪声功率谱
    noise_frames = buffer(noisy(1:NIS*inc), wlen, wlen-inc);
    noise_frames = noise_frames(:, 1:NIS);
    noise_power = mean(abs(fft(noise_frames)).^2, 2);

    % 分帧
    frames = buffer(noisy, wlen, wlen-inc);
    num_frames = size(frames, 2);

    % 初始化增强后的语音
    enhanced = zeros(size(noisy));

    % 子带划分
    band_width = wlen / num_bands;

    % 谱减法处理
    for i = 1:num_frames
        % FFT
        X = fft(frames(:, i));
        X_mag = abs(X);
        X_phase = angle(X);

        % 多带谱减法
        S_mag = zeros(size(X_mag));
        for j = 1:num_bands
            band_start = (j-1) * band_width + 1;
            band_end = j * band_width;
            band_noise_power = noise_power(band_start:band_end);
            S_mag(band_start:band_end) = max(X_mag(band_start:band_end) - band_noise_power, 0);
        end

        % 逆FFT
        S = S_mag .* exp(1j * X_phase);
        enhanced_frame = real(ifft(S));

        % 重叠相加
        enhanced((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+wlen) = enhanced((i-1)*inc+1:(i-1)*inc+wlen) + enhanced_frame;
    end
end

使用示例

matlab 复制代码

% 读取带噪语音信号
[noisy, fs] = audioread('noisy_speech.wav');

% 参数设置
wlen = 256; % 帧长
inc = 128; % 帧移
NIS = 10; % 前导无话段帧数
a = 4; % 过减因子
b = 0.001; % 增益补偿因子
alpha = 4; % 增益函数过减因子
beta = 0.001; % 增益函数增益补偿因子
num_bands = 4; % 多带谱减法子带数量

% 传统谱减法
enhanced_traditional = traditional_spectral_subtraction(noisy, fs, wlen, inc, NIS, a, b);

% 增益函数谱减法
enhanced_gain_function = gain_function_spectral_subtraction(noisy, fs, wlen, inc, NIS, alpha, beta);

% 多带谱减法
enhanced_multiband = multiband_spectral_subtraction(noisy, fs, wlen, inc, NIS, num_bands);

% 保存增强后的语音
audiowrite('enhanced_traditional.wav', enhanced_traditional, fs);
audiowrite('enhanced_gain_function.wav', enhanced_gain_function, fs);
audiowrite('enhanced_multiband.wav', enhanced_multiband, fs);

说明

传统谱减法：直接从带噪语音频谱中减去噪声功率谱，可能会导致"音乐噪声"问题。
增益函数谱减法：通过引入增益函数来平滑频谱，减少"音乐噪声"。
多带谱减法：将语音频谱划分为多个子带进行独立处理，减少"音乐噪声"的影响。

你可以根据实际需求调整参数，以获得更好的语音增强效果。