引言

语音信号在传输和采集过程中常受环境噪声、设备失真等因素干扰，导致清晰度下降。语音降噪与增强技术通过算法模型抑制噪声、提升语音质量，是智能语音交互、通信系统、助听器等领域的核心技术。本文将从传统算法到深度学习方法，系统梳理主流技术方案，并分析其实现要点与适用场景。

一、传统语音降噪算法

1.1 谱减法（Spectral Subtraction）

原理：基于噪声与语音在频域的能量差异，通过估计噪声谱并从带噪语音谱中减去噪声成分实现降噪。
实现步骤：

1. 分帧与加窗：将语音信号分割为短时帧（通常20-30ms），使用汉明窗减少频谱泄漏。
2. 噪声估计：在无语音段（如静音段）计算噪声的平均功率谱。
3. 谱减操作：对每一帧语音谱减去噪声谱，并保留非负部分：

   def spectral_subtraction(magnitude_spectrum, noise_spectrum, alpha=2.0, beta=0.002):
       """
       magnitude_spectrum: 带噪语音的幅度谱
       noise_spectrum: 估计的噪声幅度谱
       alpha: 过减因子（控制降噪强度）
       beta: 谱底参数（避免负值）
       """
       enhanced_spectrum = np.maximum(magnitude_spectrum - alpha * noise_spectrum, beta * noise_spectrum)
       return enhanced_spectrum

4. 重构语音：将处理后的频谱通过逆傅里叶变换还原时域信号。
   优缺点：

• 优点：计算复杂度低，实时性强。
• 缺点：易引入“音乐噪声”（残留噪声的频谱波动），对非稳态噪声（如突发噪声）适应性差。

1.2 维纳滤波（Wiener Filtering）

原理：在最小均方误差（MMSE）准则下，设计频域滤波器，使输出信号尽可能接近纯净语音。
数学表达：
滤波器系数 ( H(f) = \frac{P_s(f)}{P_s(f) + P_n(f)} )，其中 ( P_s(f) ) 和 ( P_n(f) ) 分别为语音和噪声的功率谱。
实现要点：

• 需准确估计语音和噪声的功率谱，可通过递归平均或语音活动检测（VAD）实现。
• 适用于稳态噪声场景，能保留语音的频谱细节。
  局限性：对噪声估计误差敏感，非稳态噪声下性能下降。

1.3 最小控制递归平均（IMCRA）

原理：结合语音存在概率（SPP）和递归平均，动态调整噪声估计的平滑系数，提升对非稳态噪声的适应性。
关键步骤：

1. 计算初始噪声估计。
2. 根据SPP调整平滑时间常数（语音存在时减少平滑，噪声存在时增强平滑）。
3. 迭代更新噪声谱。
   优势：在突发噪声（如键盘声、车门关闭声）下仍能保持稳定降噪效果。

二、深度学习语音增强算法

2.1 循环神经网络（RNN）与LSTM

原理：利用RNN的时序建模能力捕捉语音的上下文信息，LSTM通过门控机制解决长时依赖问题。
典型结构：

• 输入：带噪语音的频谱特征（如对数功率谱）。
• 输出：语音与噪声的掩码（Mask）或直接预测纯净语音谱。
  代码示例（PyTorch实现）：
  ```python
  import torch
  import torch.nn as nn

class LSTMEnhancer(nn.Module):
def init(self, inputdim=257, hidden_dim=512, num_layers=3):
super().__init()
self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, num_layers, batch_first=True)
self.fc = nn.Linear(hidden_dim, input_dim)

def forward(self, x):  # x shape: (batch, seq_len, freq_bins)
    lstm_out, _ = self.lstm(x)
    enhanced_spec = torch.sigmoid(self.fc(lstm_out))  # 输出0-1的掩码
    return enhanced_spec

```
适用场景：低信噪比（SNR<0dB）环境，能有效抑制非稳态噪声。

2.2 卷积循环网络（CRN）

原理：结合CNN的局部特征提取能力和RNN的全局时序建模，通过编码器-解码器结构实现端到端增强。
结构亮点：

• 编码器：多层卷积下采样，提取多尺度频域特征。
• 解码器：反卷积上采样，逐步恢复时频分辨率。
• LSTM层：串联在编码器与解码器之间，捕捉长时依赖。
  性能优势：相比纯RNN模型，参数量更少，训练收敛更快。

2.3 时域生成模型（如Demucs）

原理：直接在时域对波形进行建模，避免频域变换的信息损失。
代表工作：Facebook的Demucs模型采用U-Net结构，通过1D卷积和转置卷积实现波形到波形的映射。
优势：

• 无需显式频域分解，适合处理相位失真问题。
• 在音乐降噪任务中表现突出（如分离人声与背景乐）。
  挑战：计算复杂度高，需大量GPU资源训练。

三、多模态融合增强算法

3.1 视觉辅助语音增强（AVSE）

原理：利用唇部运动、面部表情等视觉信息辅助噪声抑制。
典型方法：

• 深度学习模型（如AV-CRN）同步处理音频和视频特征，通过注意力机制融合多模态信息。
• 适用于视频会议、远程教育等场景，可显著提升低信噪比下的语音可懂度。
  实现要点：需对齐音视频时间戳，并处理遮挡、光照变化等视觉干扰。

3.2 骨传导传感器融合

原理：结合空气传导麦克风和骨传导传感器的信号，利用两者对噪声的不同敏感性实现互补增强。
应用场景：助听器、军事通信等高噪声环境，可有效抑制风噪、机械噪声。

四、算法选型建议

1. 实时性要求高：选择谱减法或轻量级CRN模型（如MobileCRN）。
2. 非稳态噪声为主：优先IMCRA或LSTM-based模型。
3. 资源充足且追求极致效果：采用时域生成模型（如Demucs）或多模态融合方案。
4. 低功耗设备：考虑量化后的轻量级神经网络（如8-bit整数量化）。

五、未来趋势

• 自监督学习：利用Wav2Vec 2.0等预训练模型提取语音表征，减少对标注数据的依赖。
• 神经声码器集成：结合HiFi-GAN等声码器，直接生成高质量波形。
• 硬件协同优化：针对AI加速器（如NPU）设计专用模型结构，提升能效比。

结语

语音降噪与增强技术正从传统信号处理向深度学习驱动演进，开发者需根据场景需求平衡性能、复杂度和实时性。未来，随着多模态感知和边缘计算的发展，语音增强将进一步融入智能终端，为用户提供无感的高质量交互体验。