CN101000769A - 便携式记录器中消除噪声的装置和方法 - Google Patents

便携式记录器中消除噪声的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了当将带有噪声的语音信号输入便携式记录器中时消除噪声和改善语音信号的可用在便携式记录器中的噪声消除装置和方法。该噪声消除方法包括将输入信号划分成高频成分信号和低频成分信号；通过比较划分高频成分信号的幅度和低频成分信号的幅度，调整高频成分信号的幅度；通过用自适应滤波器滤波划分的低频成分信号，提高低频成分信号的清晰度；和相加幅度调整高频成分信号和清晰度提高低频成分信号。

Description

便携式记录器中消除噪声的装置和方法
技术领域
本发明涉及便携式记录器，尤其涉及当将带有噪声的语音信号输入便携式记录器中时能够有效消除噪声的噪声消除装置和方法。
背景技术
一般说来，便携式记录器通过麦克风记录语音信号。但是，在传统便携式记录器中，语音信号与外部环境噪声或接触噪声一起记录下来，其结果是，当再现语音信号时，音质变差了。
于是，需要一种消除环境噪声的噪声消除技术。一般说来，谱噪声消除装置应用谱相减(spectral subtraction)方法来消除背景噪声。
现在参照图1描述谱相减方法。
首先，将输入到麦克风的一个信道的模拟信号转换成数字信号。然后，在时域轴上进行数字信号的成帧(framing)。将帧单位信号加上窗口，以便降低帧与帧之间的信息不连续性和降低失真。快速付里叶变换(FFT)单元110通过付里叶变换将该窗口信号转换成含有谱信息的频谱。
这个谱信息由幅度谱信息和相位谱信息组成。这里，幅度谱信息用于谱相减，和相位谱信息用于逆快速付里叶变换(IFFT)。
噪声检测单元120检测在FFT单元110中经过FFT处理的当前帧的信号是只包括噪声的帧还是包括带有噪声的语音信号的帧。
如果噪声检测单元120确定当前帧是噪声帧，则噪声谱单元130存储噪声帧的谱形。
谱相减单元140对混合了语音和噪声的幅度谱和估计噪声谱进行相减。
当噪声特征正常时估计的噪声谱与实际噪声成分的谱相似。于是，通过谱相减获得的幅度谱近似于消除了噪声的语音信号的幅度。
IFFT单元150对从谱相减单元140输出的音频谱进行IFFT变换，将频域信号还原到时域。
将时域信号转换成频域信号的FFT单元110和将原来信号还原到时域的IFFT单元150都需要大量计算。于是，由于在传统噪声消除系统中FFT和IFFT操作需要相当大一部分进行计算，所以难以将该系统应用于便携式记录器。
发明内容
本发明提供了即使在便携式记录器中进行少量计算，也可以有效地消除由于外部环境噪声和用户引起的非所需接触噪声导致的声音清晰度变差、可用在便携式记录器中的噪声消除装置和方法。
本发明的另外方面部分在如下的描述中给出和部分可从如下的描述中显明看出，或可以通过实施本发明获知。
本发明的前述和/或其它方面通过提供可用在记录器中的噪声消除方法实现，该方法包括将输入信号划分成高频成分信号和低频成分信号；通过比较高频成分信号的幅度和低频成分信号的幅度，调整高频成分信号的幅度；通过用自适应滤波器滤波划分的低频成分信号，提高低频成分信号的清晰度；和相加幅度调整高频成分信号和清晰度提高低频成分信号。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供从音频信号中消除噪声的方法实现，该方法包括将输入音频信号划分成高频成分和低频成分；通过比较高频和低频成分的幅度，检测音频信号的语音区；根据是否检测到语音区，分别调整高频和低频成分的特征；和相加调整的高频和低频成分以生成输出音频信号。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供从音频信号中消除噪声的方法实现，该方法包括接收时域中的输入音频信号，调整时域中的音频信号的高频成分的第一增益，和调整时域中的音频信号的低频成分的第二增益；和组合增益调整高频和低频成分作为输出信号。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供可用在记录器中的噪声消除装置实现，该装置包括滤波单元，用于将输入信号划分成高频成分信号和低频成分信号；增益生成单元，用于通过比较滤波单元划分的高频成分信号的幅度和低频成分信号的幅度，检测语音区，和根据是否检测到语音区，调整高频成分信号的噪声信号的幅度；增益调整单元，用于针对增益生成单元生成的增益值调整高频成分信号；音调改善单元，用于通过用自适应滤波器进行滤波从划分的低频成分信号中提取音调成分；和相加单元，用于相加经过增益调整单元幅度调整的高频成分信号和经过音调改善单元音调改善的低频成分信号。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供噪声消除装置实现，该装置包括滤波单元，用于将输入音频信号划分成高频成分和低频成分；语音区检测单元，用于通过比较高频和低频成分的幅度，检测音频信号的语音区；增益单元，用于根据是否检测到语音区，分别调整高频和低频成分的特征；和相加单元，用于相加调整高频和低频成分以生成输出音频信号。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供便携式记录器实现，该便携式记录器包括麦克风，用于检测模拟音频信号；模拟数字转换器，用于将模拟音频信号转换成数字音频信号；和噪声消除设备，用于将数字音频信号划分成高频成分和低频成分，通过比较高频和低频成分的幅度，检测音频信号的语音区，根据是否检测到语音区，分别调整高频和低频成分的特征，和相加调整的高频和低频成分以生成输出音频信号。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供可用在便携式记录器中和包含执行从音频信号中消除噪声的方法的可执行代码的计算机可读媒体实现，该媒体包括接收时域中的输入音频信号，调整时域中的音频信号的高频成分的第一增益，和调整时域中的音频信号的低频成分的第二增益的可执行代码；和组合增益调整高频和低频成分作为输出信号的可执行代码。
附图说明
通过结合附图对本发明的优选实施例进行如下描述，本发明的这些和/或其它方面将变得显而易见和更容易理解，在附图中：
图1是例示记录器的传统噪声消除装置的方块图；
图2是例示根据本发明一个实施例的便携式记录器的噪声消除装置的方块图；
图3是例示根据本发明一个实施例的图2的噪声消除装置的增益生成单元的操作的详细流程图；
图4是例示根据本发明一个实施例的图2的噪声消除装置的音调改善单元的细节图；和
图5是例示根据本发明一个实施例的便携式记录器的方块图。
具体实施方式
现在详细介绍其例子例示在附图中的本发明实施例，其中，相同的标号自始至终表示相同的部件。下面参照附图描述实施例，以便说明本发明。
图2是例示根据本发明一个实施例的便携式记录器的噪声消除装置的方块图。
图2的噪声消除装置包括高通滤波(HPF)单元210、低通滤波(LPF)单元220、增益生成单元230、增益调整单元240、音调改善单元250、和相加单元260。
首先，模拟数字转换器(ADC)(未示出)将语音(语音信号)与噪声(噪声信号)混合的通过麦克风(未示出)输入的模拟信号转换成数字信号。
然后，利用HPF单元210和LPF单元220将混有噪声的语音信号划分成噪声成分比语音成分强的高频成分、和语音成分比噪声成分强的低频成分。划分高频成分和低频成分的边界可以在2KHz与3KHz之间，以便改善低频成分中的语音信号。
于是，HPF单元210只让输入信号中的预定高频成分通过，和LPF单元220只让输入信号中的预定低频成分通过。
增益生成单元230包括语音区检测单元232和增益确定单元234，和生成调整高频成分信号和低频成分信号的幅度的增益值(G1，G2)。更具体地说，在增益生成单元230中，语音区检测单元232比较HPF单元210和LPF单元220分别划分成高频成分和低频成分的幅度，和检测语音间隔(即，与只含有噪声信号的时间间隔不同的含有语音信号的时间间隔)。由于噪声间隔在高频带中较强和语音间隔在低频带中较强，因而语音区检测单元232可以利用高频成分信号和低频成分信号之间的差异检测低频成分的哪个部分是语音间隔。因此，当高频成分较强时，可以确定信号是无意义的(即，噪声)。如果语音区检测单元232确定一个间隔中噪声较强，增益确定单元234生成降低该间隔中的高频成分信号的幅度的增益值。如果确定在一个间隔中存在语音(即，该时间间隔包括语音信号)，则增益确定单元234生成将信号还原成原来信号(即，输入信号)的增益值。于是，这种还原防止了语音信号的任何高频成分受到损失或变弱。
于是，当低频成分较强时和当高频成分较强时，增益生成单元230不同地更新增益值，以便在信号改变之后的过程中不会出现中断。
增益调整单元240通过将高频成分信号乘以增益生成单元230生成的增益值(G1)，调整高频成分的幅度。
音调改善单元250将移动和均法(running sum average method)应用于从LPF单元220输出的低频成分迅速变化的瞬变信号，以降低瞬变信号。音调改善单元250还通过用自适应滤波器滤波瞬变信号降低了的低频成分信号，提高语音信号的清晰度。
相加单元260相加从音调改善单元250输出的低频成分信号和从增益调整单元240输出的高频成分信号。于是，相加单元260输出高频噪声得到消除和语音清晰度得到提高的语音信号。
图3是例示根据本发明一个实施例的图2的增益生成单元230的操作的详细流程图。
首先，在操作310中，将输入信号划分成高频成分和低频成分，和分别计算低频成分和高频成分的幅度。例如，通过获取低频成分和高频成分的每一个中预定周期的信号的最大电平值的绝对值，可以计算频率成分的信号幅度。
然后，在操作320中，比较高频成分信号(H)和低频成分信号(L)的计算幅度。
如果高频成分信号(H)的幅度大于低频成分信号(L)的幅度，则确定噪声较强，因此，在操作330中，生成降低高频成分信号的幅度的增益值。例如，当高频成分大于低频成分时更新增益值的过程可以表达成如下方程1：
Gnew＝1-α(1-Gold)    (1)
这里，Gnew是当前增益值，Gold是以前增益值，和α是预定系数。
另一方面，如果高频成分信号(H)的幅度小于低频成分信号(L)的幅度，则确定噪声较弱，因此，在操作340中，生成将高频成分信号的幅度还原成原来信号(即，输入信号)的幅度的增益值。例如，当高频成分小于低频成分时更新增益值的过程可以表达成如下方程2：
Gnew＝Gold×β    (2)
这里，Gnew是当前增益值，Gold是以前增益值，和β是预定系数。
然后，在操作350中，将以前增益值更新成当前增益值。
图4是例示根据本发明一个实施例的图2的音调改善单元250的细节图。
首先，瞬变降低单元410降低迅速变化(即，噪声，譬如，接触噪声)。
于是，瞬变降低单元410从以前信号中确定低频成分信号中的变化量超过预定水平的间隔，作为瞬变间隔。瞬变降低单元410区别对待地将移动和均法只应用于定义成瞬变间隔的间隔。也就是说，移动和均法用低频成分信号的预定个以前部分的平均值取代瞬变间隔中低频成分信号的一部分，以便可以降低瞬变间隔。
延迟单元420将从瞬变降低单元410输出的信号延迟预定时间。可以将预定时间设置成语音的一个音程。
自适应滤波单元430滤波从延迟单元420输出的低频成分信号。相减单元440生成与从自适应滤波单元430输出的信号之间的差值有关的误差信号。
自适应滤波单元430使用最小均方(LMS)法，以便更新滤波系数。也就是说，自适应滤波单元430更新与相减单元440提取的误差信号有关的一系列滤波系数，以便最小化误差信号。于是，通过根据更新滤波系数最小化误差信号，自适应滤波单元430从延迟低频成分信号中提取出具有预定周期的音调成分信号，和从中消除非音调成分信号。
增益调整单元450将从自适应滤波单元430输出的低频成分信号乘以作为高频成分的增益值(G1)的倒数生成的增益值(G2)。参照图2和4，然后，由相加单元260将从自适应滤波单元430输出的增益调整低频成分信号加入增益调整单元240输出的增益调整高频成分信号中。
图5例示了根据本发明一个实施例的便携式记录器500。便携式记录器500包括麦克风501，用于检测用双线箭头表示的模拟语音(音频)信号；模拟数字转换器(ADC)502，用于将模拟语音信号转换成数字信号；和噪声降低装置503，用于降低数字信号中的噪声。噪声降低装置503可以与图2的装置类似地工作。
本发明可以具体化成计算机可读记录媒体上的计算机可读代码。计算机可读记录媒体是可以存储计算机系统以后可以读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录媒体的例子包括只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、CD-ROM(只读光盘存储器)、磁带、软盘、光数据存储设备、和载波(譬如，通过因特网的数据传输)。计算机可读记录媒体还可以分布在与网络耦合计算机系统上，以便分布式地存储和执行计算机可读代码。
根据如上所述的本发明实施例，借助于便携式记录器中的少量计算，可以有效地消除由于外部环境噪声和用户引起的非所需接触噪声导致的声音清晰度变差。
虽然已经图示和描述了本发明的几个实施例，但本领域的普通技术人员应该认识到，可以对这些实施例作各种各样的改变，而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范围由所附权利要求书及其等效物限定。
本申请要求2006年1月13日向韩国知识产权局提出的韩国专利申请第10-2006-00003964号的优先权，特此全文引用以供参考。

Claims (23)

1.一种可用在记录器中的噪声消除方法，该方法包含：
将输入信号划分成高频成分信号和低频成分信号；
根据高频成分信号的幅度和低频成分信号的幅度之间的比较，调整高频成分信号的幅度；
通过用自适应滤波器滤波划分的低频成分信号，提高低频成分信号的清晰度；和
相加幅度调整高频成分信号和清晰度提高低频成分信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调整高频成分信号的幅度包含：
计算低频成分信号和高频成分信号每一个的幅度；
比较高频成分信号和低频成分信号的计算幅度；
如果高频成分信号的幅度大于低频成分信号的幅度，则生成降低高频成分信号的幅度的增益值，和如果高频成分信号的幅度小于低频成分信号的幅度，则生成将高频成分信号的幅度还原成输入信号的幅度的增益值；和
通过生成的增益值调整高频成分的幅度。
3.根据权利要求1所述的方法，提高低频成分信号的清晰度包含：
将输入到自适应滤波器的低频成分信号延迟预定时间；
比较划分的低频成分信号和延迟和滤波的低频成分信号以提取差信号；和
通过更新与提取差信号有关的自适应滤波器的滤波系数，从低频成分信号中提取具有预定周期的音调成分的信号。
4.根据权利要求1所述的方法，提高低频成分信号的清晰度包含：
确定低频成分信号中的变化量超过预定水平的间隔作为瞬变间隔；和
用低频成分信号的以前部分的平均值取代瞬变间隔中低频成分信号中的一部分。
5.一种从音频信号中消除噪声的方法，该方法包含：
将输入音频信号划分成高频成分和低频成分；
通过比较高频和低频成分的幅度，检测音频信号的语音区；
根据是否检测到语音区，分别调整高频和低频成分的特征；和
相加调整的高频和低频成分以生成输出音频信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在时域内进行划分、检测、调整、和相加操作。
7.根据权利要求5所述的方法，其中检测语音区包含：
计算高频和低频成分的幅度；
确定高频和低频成分的幅度的哪一个较大；
当低频成分的幅度大于高频成分的幅度时，确定存在语音区，和当低频成分的幅度小于高频成分的幅度时，确定不存在语音区。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，调整特征包含：
当未检测到语音区时，降低高频成分的电平；
当检测到语音区时，改善低频成分的音调。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，改善低频成分的音调包含：
确定低频成分的瞬变间隔；
用低频成分的以前间隔的平均值取代低频成分的瞬变间隔；
将具有取代瞬变间隔的低频成分信号延迟预定时间；
对延迟低频成分进行最小均方滤波；
从LMS滤波低频成分中减去具有取代瞬变间隔的低频成分，以确定误差信号；和
根据误差信号更新最小均方滤波的至少一个滤波系数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，降低高频成分的电平包含根据如下方程更新应用于高频成分的增益值：
当未检测到语音区时，Gnew＝1-α(1-Gold)，和
当检测到语音区时，Gnew＝Gold×β，
其中，Gnew是当前增益值，Gold是以前增益值，α是第一预定系数，和β是第二预定系数。
11.一种从音频信号中消除噪声的方法，该方法包括：
接收时域中的输入音频信号，调整时域中的音频信号的高频成分的第一增益，和调整时域中的音频信号的低频成分的第二增益；和
组合增益调整高频和低频成分作为输出信号。
12.一种可与记录器一起使用的噪声消除装置，该装置包含：
滤波单元，用于将输入信号划分成高频成分信号和低频成分信号；
增益生成单元，用于通过比较滤波单元划分的高频成分信号的幅度和低频成分信号的幅度，检测语音区；
增益调整单元，用于针对增益生成单元生成的增益值调整高频成分信号；
音调改善单元，用于通过用自适应滤波器进行滤波从划分的低频成分信号中提取音调成分；和
相加单元，用于相加经过增益调整单元幅度调整的高频成分信号和经过音调改善单元音调改善的低频成分信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，音调改善单元包含：
延迟单元，将被划分的低频成分信号延迟一预定的时间；
含有自适应滤波器的自适应滤波单元，用于通过更新与提取误差信号有关的自适应滤波系数，从延迟低频成分信号中提取具有预定周期的音调成分信号；和
相减单元，用于通过比较延迟低频成分信号和自适应滤波单元输出的音调成分信号，提取与延迟低频成分信号与音调成分信号之间的差值相对应的误差信号。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，音调改善单元包含瞬变降低单元，用于确定划分低频成分信号中的变化量超过预定水平的间隔作为瞬变间隔，和用以前低频成分信号的平均值取代瞬变间隔中划分低频成分信号。
15.根据权利要求12所述的装置，其中，音调改善单元包含增益调整单元，用于乘以通过比较由滤波单元划分的高频成分信号和低频成分信号的幅度生成的增益值。
16.一种噪声消除装置，包括：
滤波单元，用于将输入音频信号划分成高频成分和低频成分；
语音区检测单元，用于通过比较高频和低频成分的幅度，检测音频信号的语音区；
增益单元，用于根据是否检测到语音区，分别调整高频和低频成分的特征；和
相加单元，用于相加调整高频和低频成分以生成输出音频信号。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，语音区检测单元、增益单元、和相加单元每一个都对时域信号进行操作。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，语音区检测单元计算高频和低频成分的幅度，确定高频和低频成分的幅度的哪一个较大，和当低频成分的幅度大于高频成分的幅度时，确定存在语音区，和当低频成分的幅度小于高频成分的幅度时，确定不存在语音区。
19.根据权利要求16所述的装置，其中，增益单元在未检测到语音区时，降低高频成分的电平，和在检测到语音区时，改善低频成分的音调。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，增益单元包含：
瞬变时间降低单元，用于确定低频成分的瞬变间隔，用低频成分的以前间隔的平均值取代低频成分的瞬变间隔；
延迟单元，用于将从瞬变时间降低单元输出的具有取代瞬变间隔的低频成分延迟预定时间；
自适应滤波器，用于对延迟低频成分进行最小均方滤波；
从最小均方滤波低频成分中减去具有取代瞬变间隔的低频成分，以确定误差信号；和
根据误差信号更新自适应滤波器的至少一个滤波系数。
21.根据权利要求16所述的装置，其中，降低高频成分的电平包含根据如下方程更新应用于高频成分的增益值：
当未检测到语音区时，Gnew＝1-α(1-Gold)，和
当检测到语音区时，Gnew＝Gold×β，
其中，Gnew是当前增益值，Gold是以前增益值，α是第一预定系数，和β是第二预定系数。
22.一种便携式记录器，包括：
麦克风，用于检测模拟音频信号；
模拟数字转换器，用于将模拟音频信号转换成数字音频信号；和
噪声消除设备，用于将数字音频信号划分成高频成分和低频成分，通过比较高频和低频成分的幅度，检测音频信号的语音区，根据是否检测到语音区，分别调整高频和低频成分的特征，和相加调整的高频和低频成分以生成输出音频信号。
23.一种可用在便携式记录器中和包含执行从音频信号中消除噪声的方法的可执行代码的计算机可读媒体，该媒体包含：
接收时域中的输入音频信号，调整时域中的音频信号的高频成分的第一增益，和调整时域中的音频信号的低频成分的第二增益的可执行代码；和
组合增益调整高频和低频成分作为输出信号的可执行代码。
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