嵌入式設(shè)備語(yǔ)音前端處理：基于CMSIS-DSP的噪聲抑制與VAD算法優(yōu)化
引言
在嵌入式語(yǔ)音交互設(shè)備中，如智能音箱、語(yǔ)音遙控器等，語(yǔ)音前端處理至關(guān)重要。它直接影響語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確性和用戶體驗(yàn)。噪聲抑制用于降低環(huán)境噪聲對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的干擾，而語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)（VAD）則用于判斷語(yǔ)音信號(hào)中是否存在有效語(yǔ)音，避免將噪聲誤判為語(yǔ)音進(jìn)行處理，從而節(jié)省計(jì)算資源。CMSIS-DSP（Cortex Microcontroller Software Interface Standard - Digital Signal Processing）庫(kù)為嵌入式設(shè)備上的數(shù)字信號(hào)處理提供了高效的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，基于它優(yōu)化噪聲抑制與VAD算法，能有效提升嵌入式設(shè)備的語(yǔ)音處理性能。
CMSIS-DSP庫(kù)簡(jiǎn)介
CMSIS-DSP是ARM公司為Cortex系列微控制器提供的數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)，包含各種常用的信號(hào)處理函數(shù)，如FFT、濾波器、矩陣運(yùn)算等。這些函數(shù)經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化，能夠充分利用Cortex處理器的硬件特性，在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理。
噪聲抑制算法優(yōu)化
譜減法原理
譜減法是一種常用的噪聲抑制算法，其基本思想是在頻域上從帶噪語(yǔ)音的功率譜中減去噪聲的功率譜，得到估計(jì)的純凈語(yǔ)音功率譜，再通過(guò)逆傅里葉變換得到時(shí)域的純凈語(yǔ)音信號(hào)。
基于CMSIS-DSP的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化
c
#include "arm_math.h"
#define FRAME_SIZE 256
#define FFT_SIZE 512
void noise_suppression_spectral_subtraction(float32_t *noisy_frame, float32_t *noise_estimate, float32_t *output_frame) {
float32_t noisy_spectrum[FFT_SIZE];
float32_t noise_spectrum[FFT_SIZE];
float32_t output_spectrum[FFT_SIZE];
float32_t magnitude_noisy[FFT_SIZE / 2];
float32_t magnitude_noise[FFT_SIZE / 2];
float32_t magnitude_output[FFT_SIZE / 2];
float32_t phase_noisy[FFT_SIZE / 2];
// 加窗處理（漢明窗）
float32_t window[FRAME_SIZE];
arm_hamm_window_f32(window, FRAME_SIZE);
arm_mult_f32(noisy_frame, window, noisy_frame, FRAME_SIZE);
// 補(bǔ)零到FFT長(zhǎng)度
arm_fill_f32(0.0f, &noisy_frame[FRAME_SIZE], FFT_SIZE - FRAME_SIZE);
// 計(jì)算帶噪語(yǔ)音的FFT
arm_rfft_fast_instance_f32 fft_instance;
arm_rfft_fast_init_f32(&fft_instance, FFT_SIZE);
arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, noisy_frame, noisy_spectrum, 0);
// 計(jì)算帶噪語(yǔ)音的幅度譜和相位譜
arm_cmplx_mag_f32(noisy_spectrum, magnitude_noisy, FFT_SIZE / 2);
arm_cmplx_mag_squared_f32(noisy_spectrum, noisy_spectrum, FFT_SIZE / 2); // 計(jì)算功率譜（此處簡(jiǎn)化，實(shí)際譜減法常用功率譜）
arm_cmplx_to_real_f32(noisy_spectrum, noisy_spectrum, phase_noisy, FFT_SIZE / 2); // 僅用于示例，實(shí)際相位處理更復(fù)雜
// 同樣處理噪聲估計(jì)（假設(shè)已有噪聲估計(jì)）
arm_mult_f32(noise_estimate, window, noise_estimate, FRAME_SIZE);
arm_fill_f32(0.0f, &noise_estimate[FRAME_SIZE], FFT_SIZE - FRAME_SIZE);
arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, noise_estimate, noise_spectrum, 0);
arm_cmplx_mag_f32(noise_spectrum, magnitude_noise, FFT_SIZE / 2);
arm_cmplx_mag_squared_f32(noise_spectrum, noise_spectrum, FFT_SIZE / 2);
// 譜減法計(jì)算輸出幅度譜（這里簡(jiǎn)單相減，實(shí)際應(yīng)用中可加入過(guò)減因子等）
for (int i = 0; i < FFT_SIZE / 2; i++) {
if (magnitude_noisy[i] * magnitude_noisy[i] > magnitude_noise[i] * magnitude_noise[i]) {
magnitude_output[i] = sqrtf(magnitude_noisy[i] * magnitude_noisy[i] - magnitude_noise[i] * magnitude_noise[i]);
} else {
magnitude_output[i] = 0.1f * magnitude_noisy[i]; // 避免負(fù)值，加入殘留噪聲
}
}
// 構(gòu)造輸出頻譜（這里簡(jiǎn)化處理，實(shí)際應(yīng)結(jié)合相位）
for (int i = 0; i < FFT_SIZE / 2; i++) {
noisy_spectrum[2 * i] = magnitude_output[i] * cosf(phase_noisy[i]); // 實(shí)際相位處理應(yīng)更精確
noisy_spectrum[2 * i + 1] = magnitude_output[i] * sinf(phase_noisy[i]);
}
// 計(jì)算IFFT
arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, noisy_spectrum, output_frame, 1);
// 加窗和重疊相加等后續(xù)處理（簡(jiǎn)化示例中省略）
}
VAD算法優(yōu)化
基于能量和過(guò)零率的VAD算法
通過(guò)計(jì)算語(yǔ)音幀的能量和過(guò)零率來(lái)判斷是否存在語(yǔ)音。能量和過(guò)零率超過(guò)一定閾值時(shí)，判定為語(yǔ)音幀。
基于CMSIS-DSP的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化
c
#define ENERGY_THRESHOLD 1000.0f
#define ZCR_THRESHOLD 20.0f
int vad_decision(float32_t *frame, int frame_size) {
float32_t energy = 0.0f;
float32_t zcr = 0.0f;
// 計(jì)算能量
for (int i = 0; i < frame_size; i++) {
energy += frame[i] * frame[i];
}
// 計(jì)算過(guò)零率
for (int i = 0; i < frame_size - 1; i++) {
if (frame[i] * frame[i + 1] < 0) {
zcr++;
}
}
zcr /= frame_size;
// 判斷是否為語(yǔ)音幀
if (energy > ENERGY_THRESHOLD && zcr > ZCR_THRESHOLD) {
return 1; // 語(yǔ)音幀
} else {
return 0; // 非語(yǔ)音幀
}
}
結(jié)論
基于CMSIS-DSP庫(kù)優(yōu)化噪聲抑制與VAD算法，能夠充分利用嵌入式設(shè)備的硬件資源，提高語(yǔ)音前端處理的效率和準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的嵌入式設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)算法參數(shù)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的語(yǔ)音處理效果。
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