CN101345783B - 一种噪声消除的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种噪声消除的系统，包括：模拟装置，信号采集装置，数字装置和数模信号合成装置。本发明还同时公开了一种噪声消除的方法。本发明实施例提供的噪声消除的系统和方法，通过利用数字装置消除背景噪声中的周期性窄带分量，以及利用模拟装置消除背景噪声中的中低频分量，从而能够适应各种复杂环境下的噪声消除，且所述数字装置能够对模拟装置的前向通道增益放大倍数进行自适应控制，使得模拟装置能够在稳定工作和噪声消除当中获得较好的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及噪声消除技术，具体涉及一种噪声消除的系统和方法。
背景技术
随着手机、网络音视频软件的广泛应用，人与人之间可以越来越方便的实现随时随地的通话，人们在进行通话时也就越来越多地处于噪声环境之下，通话环境中的噪声对于通话质量的负面影响日益明显。除了人与人之间进行语音通话之外，当前多媒体数码设备（例如MP3、MP4和各种手持游戏机等各种能够输出音频数据的设备）的使用也越来越广泛，这些设备不需要随时连接有线电源，因此人们在使用这些设备时通常更多的处于相对嘈杂的环境下，从而周围背景噪声对于使用者的使用体验造成的负面影响同样相当严重。比如在喧闹的街道、房间和广场中，又或者在汽车、火车等交通工具中，周围背景噪声对于通话双方的通话质量的影响有时会非常严重，而对于佩带耳机聆听音乐、观赏电影或进行电玩游戏的多媒体数码设备使用者的使用体验的影响有时则会更加让人无法忍受。
在这种情况下，如何有效消除背景环境中的噪声的负面影响从而向使用者提供更好的使用体验，就成为各厂商的一项十分必要且紧迫的技术课题。根据不同时期的技术发展水平，噪声消除技术基本分为两大类：
1、被动噪声消除；
被动噪声消除通过利用隔音性较好的材料来降低噪声，该技术主要用于消除高频噪声，通常采用隔音性较好的材料做成耳机、耳罩等，从而能够有效隔离周围环境的高频噪声。但由于中低频声波的波长较长、穿透力较强，单纯使用被动噪声消除技术对于中低频噪声的效果并不理想，因此该技术通常还要进一步结合下面第二种噪声消除技术同时使用；
2、主动噪声消除（Active Noise Cancellation，ANC）；
ANC的基本原理在于：通过麦克风采集背景噪声，经过信号分析和计算，由扬声装置产生一个与背景噪声等幅且反相的“反”噪声（Anti-Noise）信号，根据波的叠加原理，背景噪声和所述Anti-Noise信号叠加后相互抵消，从而能够使听众在听觉上感觉不到背景噪声，从而降低背景噪声的影响。主动噪声消除设备通常包括前馈式（Feed-forward）和反馈式（Feed-back）两种结构，本文中主要讨论体积较小的耳机等设备中使用的ANC技术，因此对于前馈式不作具体说明，只详细说明反馈式结构。
图1为一种常见的反馈式ANC耳机的组成结构框图，图中左右两侧的工作过程同时进行且相互独立，具体实现可以采用头戴式的耳罩式耳机或者轻便小巧的入耳式耳塞，其中左侧耳机LEP中集成设置有麦克风LM和扬声器LS，右侧耳机REP中则集成设置了麦克风RM和扬声器RS，耳机中还包含ANC控制器（图1中为了便于在图中描绘，将其画在左右两侧的耳机以外，在实际应用中，所述ANC控制器通常集成在其中一侧的耳机当中），在该结构图中：
麦克风LM，用于采集去噪后信号e（t）并送入ANC控制器，所述去噪后信号即为人的左耳实际听到的音频信号；
ANC控制器，用于根据接收的麦克风LM发来的去噪后信号e（t）和由数码设备发送给耳机的待播放音频信号a（t）（后文中简称为远端语音信号），计算出Anti-Noise信号y（t），将所述y（t）与a（t）叠加后输出到扬声器LS进行播放；
扬声器LS输出a（t）和y（t）的叠加信号，该信号在传播过程中与耳机使用环境下的背景噪声n（t）叠加后，由于y（t）和n（t）能够互相抵消，从而能够消除人耳实际听到的噪声。
理论上，y（t）和n（t）是完全相反的一对信号，能够实现完全的互相抵消。但在实际应用中，Anti-Noise信号y（t）与实际背景噪声n（t）无法实现精确的完全抵消，因此扬声器LS输出所述叠加信号后，麦克风LM继续采集得到的e（t）中仍然包含有未被完全消除的残余噪声，所述e（t）输入ANC控制器后，ANC控制器根据此时的e（t）和a（t）计算得到更新的Anti-Noise信号y（t），将其与a（t）叠加后通过扬声器LS进行输出，则可以进一步地减小人耳实际听到的噪声，如此经过不断的重复计算，最终系统中的e（t）将趋向最小，即收敛于远端语音信号a（t），相应地，背景噪声的影响则被降到最低。另外，右侧的麦克风RM、扬声器RS和ANC控制器的工作方式与左侧独立且工作原理相同，此处不再赘述。
可见，上述反馈式ANC耳机通过使用ANC控制器，能够计算和产生Anti-Noise信号，从而能够有效消除背景噪声对使用者的影响。在实际的电路结构中，ANC控制器的实现通常分为两种方式：模拟ANC控制器和数字ANC控制器，下面分别进行介绍：
1、模拟ANC控制器；
模拟ANC控制器的原理如图2所示，其中，M表示麦克风传输特性，G表示输入增益控制，A表示输出增益控制，H表示扬声器传输特性，H由扬声器的物理特性决定，而M则由麦克风的物理特性决定，在实际电路中能够调节的是G和A，由所述原理图可见，所述模拟ANC控制器实际上是一个负反馈放大器，输出增益A与扬声器H组成前向通道，麦克风M与输入增益G组成反馈通路，其中ai表示远端语音信号，扬声器播放的输出信号为Xo，Xo与背景噪声ni组成反馈网络的输入信号，根据控制理论中传输函数的推导过程，得出模拟ANC控制器的输入输出闭环关系式为：
当整个闭环回路的增益较大时（即|MGAH|>>1），公式1可以简化为
可见，提高输出增益A，可以在不影响远端语音信号放大效果（公式2右侧前一项不变）的情况下，起到抑制背景噪声的作用（公式2右侧后一项减小）。同时，由于所述公式1中的M、G、A和H均与频率相关，且它们在中低频率有稳定的增益和较小的附加相移，从而所述模拟ANC控制器稳定的工作频率也在中低频率，因此模拟ANC控制器主要用于消除中低频噪声。
2、数字ANC控制器；
其在电路中的应用如图3所示，包括DSP芯片，必要的模数转换器（A/D）和数模转换器（D/A），其工作过程如下：
远端语音信号a（t）经过必要的预处理（如滤波和模数转换）后，得到数字格式的远端语音信号a（n），输入DSP芯片；
麦克风从声学回路采集到声音信号，经过模数转换后输入DSP芯片；
DSP芯片接收输入的远端语音信号和麦克风采集到的声音信号，计算后得到包含反噪声信号y（n）和远端语音信号的混合信号m（n），将所述混合信号通过扬声器输出到声学回路；
在声学回路中，所述混合信号中包含的反噪声信号能够与背景噪声n（n）相互抵消，从而减小背景噪声的影响。但是，由于DSP芯片计算出的背景噪声反信号只是真实背景噪声的反信号的估计值，因此当所述m（n）与n（n）叠加时，m（n）中的y（n）并不能与n（n）完全相互抵消，从而y（n）与n（n）叠加后会有残余的噪声信号，该残余噪声信号通常被称为残差信号e’（n），且m（n）与n（n）叠加后的信号为包括a（n）与e’（n）的混合信号（为避免混淆，将该混合信号称为去噪后信号）。
图3所示的电路结构中，声学回路是指从扬声器到麦克风的声学路径的数学模型，其传输函数为S，所述声学回路以m（n）为输入信号，m（n）经过S后与背景噪声信号n（n）叠加，得到的即为麦克风采集到的去噪后信号e（n）。由于所述DSP芯片工作过程为循环方式，为了便于说明和避免混淆，本文中取其中一次处理过程作为当前处理过程，由于本次处理过程中扬声器输出的信号实际上用于下一次的背景噪声去除，因此为了避免歧义，本文中将本次处理过程中麦克风采集到的去噪后信号称为当前去噪后信号，在此预先声明，后文中不再每次做具体说明。
为了进一步详细说明所述数字ANC控制器的工作原理，图4进一步示出了所述数字ANC控制器的组成结构图，其中包含：残差计算模块410，反噪声生成模块420，信号输出模块430和信号采集模块440；
残差计算模块410，用于根据远端语音信号和当前去噪后信号，计算出当前残差信号并发送给反噪声生成模块420；
反噪声生成模块420，用于根据当前残差信号计算出当前反噪声信号，并发送给信号输出模块430；
信号输出模块430，用于将当前反噪声信号与远端语音信号合并后输出到声学回路当中；
信号采集模块440，用于采集信号输出模块430的输出信号与背景噪声叠加后的信号，作为当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，将所述去噪后信号发送给残差计算模块410。
其中，残差计算模块410进一步包括：第一滤波器单元411和残差信号计算单元412；
第一滤波器单元411，用于在当前去噪处理流程中，计算远端语音信号经过传输函数为S’的自适应滤波器处理后得到的残差计算参考信号，将该信号发送给残差信号计算单元412；还根据残差信号计算单元412返回的当前残差信号和远端语音信号调节自适应滤波器的传输函数S’，并等待下一次去噪处理流程；所述调节S’的方法为：利用公式Si+1’=Si’-λa(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Si’表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Si+1’表示调节后的传输函数（用于下一次去噪处理流程），λ为更新步长因子，a(n)表示远端语音信号，e’(n)表示当前残差信号；
残差信号计算单元412，用于在当前去噪处理流程中，接收信号采集模块440发送的当前去噪后信号，计算当前去噪后信号与第一滤波器单元411输入的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号，将当前残差信号返回给第一滤波器单元411，并发送给反噪声生成模块420，等待下一次去噪处理流程。
同时，反噪声生成模块420进一步包括：参考信号计算单元421，第二滤波器单元422和反噪声保存单元423；
参考信号计算单元421，用于在当前去噪处理流程中，接收残差信号计算单元412发送的当前残差信号，将其与从反噪声保存单元423调用的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号，将所述反噪声计算参考信号发送给第二滤波器单元422，等待下一次去噪处理流程；
第二滤波器单元422，用于在当前去噪处理流程中，接收参考信号计算单元421发送的反噪声计算参考信号，计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到的当前反噪声信号，将得到的当前反噪声信号发送到反噪声保存单元423；然后，利用与传输函数为S’的自适应滤波器完全相同且同步更新的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和残差信号计算单元412发送的当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W，并等待下一次去噪处理流程；所述调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数（用于下一次去噪处理流程），μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号；
反噪声保存单元423，用于在当前去噪处理流程中，接受参考信号计算单元421的调用请求，将保存的前次反噪声信号发送给参考信号计算单元421，然后接收第二滤波器单元422发送的当前反噪声信号并转发给信号输出模块430，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号，等待下一次去噪处理流程。
在实际应用中，所述残差计算模块和反噪声生成模块通常由数字信号处理（DSP）芯片实现，信号输出模块由扬声器及相应的数模转换电路实现，而信号采集模块则可以通过麦克风或麦克风阵列，以及相应的模数转换电路实现。
通过上述说明可以发现，数字ANC控制器通过在DSP工作过程中利用S’来模拟实际环境下从扬声器到麦克风之间的声学回路的传输函数，同时，通过利用麦克风采集的当前去噪后信号计算出当前残差信号，并根据所述残差信号求出当前反噪声信号后在输出到声学回路中，从而实现了主动噪声消除。
同时容易发现，所述数字ANC控制器在计算当前残差信号、对自适应滤波器的传输函数S’和W进行更新，以及最终计算当前反噪声信号的过程中，使用的均为前一次去噪处理流程中得到的相关数值，也就是所述数字ANC控制器是利用之前获得的反噪声信号预测后续的噪声从而进行主动噪声消除。因此，只有当噪声是周期重复的，才有可能用以前的噪声信号去预测以后的噪声信号。可见，所述数字ANC控制器能够有效消除背景噪声的前提是所述背景噪声为周期性噪声信号。
综合上述对于模拟ANC控制器和数字ANC控制器的说明，可见背景噪声中既有中低频噪声也有周期性噪声时，使用单一的模拟或数字ANC控制器在实际应用中并不能有效地实现主动噪声消除。
发明内容
本发明提供一种噪声消除的系统和方法，能够同时消除中低频噪声和周期性噪声的影响。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种噪声消除的系统，该系统包括：
信号采集装置，用于采集数模信号合成装置的输出信号与背景噪声叠加后的信号，作为当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，将所述当前去噪后信号输入模拟装置和数字装置；
模拟装置，用于接收远端语音信号和信号采集装置发送的当前去噪后信号，根据当前去噪后信号求出反馈信号并发送给数字装置，接收数字装置通知的当前前向通道增益放大倍数，并将所述远端语音信号和反馈信号的差值信号按照所述当前前向通道增益放大倍数进行放大处理后输出给数模信号合成装置；
数字装置，用于根据接收的远端语音信号，以及信号采集装置输入的当前去噪后信号，计算得到当前残差信号；利用所述当前残差信号和模拟装置输入的反馈信号计算当前前向通道增益放大倍数，将计算得到的当前前向通道增益放大倍数通知模拟装置；根据当前残差信号计算当前反噪声信号，将所述当前反噪声信号发送给数模信号合成装置；
数模信号合成装置，用于接收模拟装置和数字装置发送的信号，将所述信号合并后输出到声学回路。
所述数字装置包括：
残差计算模块，用于根据远端语音信号和当前去噪后信号，计算出当前残差信号并发送给反噪声生成模块以及增益调节模块；
反噪声生成模块，用于根据当前残差信号计算出当前反噪声信号，并发送给数模信号合成装置；
增益调节模块，用于根据残差计算模块发送的当前残差信号和模拟装置发送的反馈信号，利用公式Ai+1=Ai+ξe’(n)g(n)计算当前前向通道增益放大倍数并将所述当前前向通道增益放大倍数通知模拟装置，其中i为自然数，ξ为更新步长因子，e’（n）为当前残差信号，g（n）为反馈信号，Ai为上次前向通道增益放大倍数，Ai+1为当前前向通道增益放大倍数，前向通道增益放大倍数初值A1的取值预先设定。
所述模拟装置包括：
差值计算模块，用于根据接收的远端语音信号和反馈放大模块发送的反馈信号，计算得到差值信号后发送给前向通道放大模块；
前向通道放大模块，用于接收差值计算模块发送的差值信号，按照数字装置通知的当前前向通道增益放大倍数进行放大处理，将放大后得到的信号输出给数模信号合成装置；
反馈放大模块，用于接收信号采集装置发送的当前去噪后信号，将所述当前去噪后信号按照所述反馈放大模块自身设定的反馈增益倍数进行放大处理后得到反馈信号后发送给差值计算模块和数字装置。
所述残差计算模块包括：
第一滤波器单元、修正放大单元和残差信号计算单元；
第一滤波器单元，用于计算远端语音信号经过预先离线训练得到的滤波器处理后得到的残差计算参考信号，将所述残差计算参考信号发送给修正放大单元；
修正放大单元，用于接收第一滤波器单元发送的残差计算参考信号，按照前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数对所述残差计算参考信号进行放大，然后发送给残差信号计算单元；
残差信号计算单元，用于接收信号采集装置发送的当前去噪后信号，计算当前去噪后信号与修正放大单元输入的放大后的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号，将当前残差信号发送给增益调节模块和反噪声生成模块。
所述反噪声生成模块包括：参考信号计算单元，第二滤波器单元和反噪声保存单元；
参考信号计算单元，用于接收残差信号计算单元发送的当前残差信号，将其与从反噪声保存单元调用的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号，将所述反噪声计算参考信号发送给第二滤波器单元；
第二滤波器单元，用于接收参考信号计算单元发送的反噪声计算参考信号，计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到的当前反噪声信号，将得到的当前反噪声信号发送到反噪声保存单元；然后，利用与所述预先离线训练得到的滤波器完全相同的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和残差信号计算单元发送的当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W；所述调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数，μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号；
反噪声保存单元，用于接受参考信号计算单元的调用请求，将保存的前次反噪声信号发送给参考信号计算单元，然后接收第二滤波器单元发送的当前反噪声信号并转发给数模信号合成装置，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号。
一种噪声消除的方法，在一次去噪处理流程中，该方法包括：
从声学回路中采集当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，使用模拟装置根据当前去噪后信号得出反馈信号并发送给数字装置；
使用数字装置根据所述当前去噪后信号和远端语音信号计算当前残差信号，并根据所述当前残差信号计算当前反噪声信号；
使用数字装置根据所述当前残差信号和所述模拟装置发送的反馈信号得到当前前向通道增益放大倍数并发送给模拟装置，使用模拟装置将远端语音信号和所述反馈信号的差值信号按照所述数字装置发送的当前前向通道增益放大倍数进行放大处理得到模拟装置的输出信号；
将所述当前反噪声信号作为数字装置的输出信号，再进一步和模拟装置的输出信号合并后输出到声学回路，所述合成后的信号在声学回路中与背景噪声叠加得到新的去噪后信号，返回从声学回路中采集当前去噪后信号的步骤。
所述根据当前去噪后信号得出反馈信号的方法为：将所述当前去噪后信号按照模拟装置的反馈增益倍数进行放大处理后得到反馈信号。
所述根据当前去噪后信号和远端语音信号计算当前残差信号的方法包括：
计算远端语音信号经过预先离线训练得到的滤波器处理后得到的残差计算参考信号，按照前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数对所述残差计算参考信号进行放大，计算当前去噪后信号与所述放大后的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号。
所述预先离线训练得到滤波器的方法包括：
将白噪声信号输出到静音环境下的声学回路中，从声学回路采集到的去噪后信号中，减去白噪声信号输入所述滤波器后的输出信号，得到残差信号；
根据所述白噪声信号和残差信号调节滤波器的传输函数S’，所述调节S’的方法为：利用公式Si+1’=Si’-λWn(n)e’(n)对滤波器的传输函数进行调节，其中，Si’表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Si+1’表示调节后的传输函数，λ为更新步长因子，Wn(n)表示白噪声信号，e’(n)表示残差信号；
根据调节后的传输函数继续执行所述将白噪声信号输出到声学回路中的步骤，直到所述残差信号最小时，所述滤波器的传输函数S’与其模拟的声学回路的传输函数S接近相同，此时所述S’即为S的一个良好估计。
所述根据当前残差信号计算当前反噪声信号的方法包括：
将当前残差信号与预先保存的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号；
利用与所述预先离线训练得到的滤波器完全相同的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W；调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数，μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号；
计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到当前反噪声信号，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号，等待下一次去噪处理流程。
所述根据当前残差信号和所述模拟装置发送的反馈信号得到当前前向通道增益放大倍数的方法包括：
利用公式Ai+1=Ai+ξe’(n)g(n)计算当前前向通道增益放大倍数，其中i为自然数，ξ为更新步长因子，e’（n）为当前残差信号，g（n）为反馈信号，Ai为上次前向通道增益放大倍数，Ai+1为当前前向通道增益放大倍数，前向通道增益放大倍数的初值A1的取值预先设定。
由上述的技术方案可见，本发明实施例的这种噪声消除的系统和方法，通过利用数字装置消除背景噪声中的周期性窄带分量，以及利用模拟装置消除背景噪声中的中低频分量，从而能够适应各种复杂环境下的主动噪声消除，且所述数字装置能够对模拟装置的前向通道增益放大倍数进行自适应控制，使得模拟装置能够在稳定工作和噪声消除当中获得较好的平衡。
附图说明
图1为现有技术中反馈式ANC耳机的组成结构示意图。
图2为现有技术中模拟ANC控制器的控制结构原理示意图。
图3为现有技术中数字ANC控制器的应用方法的示意图。
图4为现有技术中数字ANC控制器的组成结构示意图。
图5为本发明实施例中噪声消除的系统的组成结构示意图。
图6为本发明实施例中离线训练阶段的工作原理图。
图7为本发明实施例中噪声消除的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提出一种噪声消除的系统，其组成结构如图5所示，包括：模拟装置510，数模信号合成装置520，信号采集装置530和数字装置540；
信号采集装置530，用于采集信号合成装置520的输出信号与背景噪声叠加后的信号，作为当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，将所述当前去噪后信号输入模拟装置510和数字装置540，等待下一次去噪处理流程；
模拟装置510，用于在当前去噪处理流程中，接收远端语音信号和信号采集装置530发送的当前去噪后信号，根据当前去噪后信号求出反馈信号并发送给数字装置540，接收数字装置540通知的当前前向通道增益放大倍数，并将所述远端语音信号和反馈信号的差值信号按照所述当前前向通道增益放大倍数进行放大处理后输出给数模信号合成装置520，等待下一次去噪处理流程；
数字装置540，用于在当前去噪处理流程中，根据接收的远端语音信号，以及信号采集装置530输入的当前去噪后信号，计算得到当前残差信号；利用所述当前残差信号和模拟装置510输入的反馈信号计算当前前向通道增益放大倍数，并将计算得到的当前前向通道增益放大倍数通知模拟装置510；还用于根据当前残差信号计算当前反噪声信号，将所述当前反噪声信号发送给数模信号合成装置520，等待下一次去噪处理流程。
数模信号合成装置520，用于在当前去噪处理流程中，接收模拟装置510和数字装置540发送的信号，将所述信号合并后输出到声学回路，等待下一次去噪处理流程。
需要说明的是，在上述系统中，最终由数模信号合成装置520输出到声学回路中的信号既包括数字装置540产生的用于消除周期性窄带噪声的反噪声信号，也包括模拟装置510产生的用于消除中低频噪声的反噪声信号，还包括放大处理后的远端语音信号。为了与现有技术中使用的信号名称保持一致，避免出现混乱，在本发明实施例中所述的反噪声信号，实际上仅指数字装置540计算并输出的用于消除周期性窄带噪声的反噪声信号。对于模拟装置510输出的用于消除中低频噪声的反噪声信号，由于负反馈放大电路的工作原理，本领域技术人员均应理解，所述模拟装置510输出的反噪声信号是包含在所述模拟装置510发送到数模信号合成装置520的输出信号当中的，因此在下文中将不再对反噪声信号的含义进行重复解释。
在实际应用中，所述数字装置540通常由DSP芯片实现，所述信号采集装置530通常通过麦克风或麦克风阵列，以及相应的模数转换电路实现，所述数模信号合成装置520用于合成模拟装置510的模拟音频信号和数字装置540的数字音频信号，因此数模信号合成装置中应当包含有相应的数模转换设备，通常可以采用扬声器进行实现。上述装置的具体实现方式均为现有技术，此处不予赘述。
其中，模拟装置510包括：差值计算模块511，前向通道放大模块512和反馈放大模块513；
差值计算模块511，用于根据接收的远端语音信号和反馈放大模块513发送的反馈信号，计算得到它们的差值信号并将所述差值信号发送给前向通道放大模块512；
前向通道放大模块512，用于接收差值计算模块511发送的差值信号，按照数字装置540通知的当前前向通道增益放大倍数进行放大处理，将放大后得到的信号输出给数模信号合成装置520；
反馈放大模块513，用于接收信号采集装置530发送的当前去噪后信号，将所述当前去噪后信号按照所述反馈放大模块513自身设定的反馈增益倍数进行放大处理后得到反馈信号，并将所述反馈信号发送给差值计算模块511和数字装置540。
数字装置540包括：残差计算模块541，反噪声生成模块542和增益调节模块543；
残差计算模块541，用于根据远端语音信号和当前去噪后信号，计算出当前残差信号并发送给反噪声生成模块542；
反噪声生成模块542，用于根据当前残差信号计算出当前反噪声信号，并发送给数模信号合成装置520；
增益调节模块543，用于根据残差计算模块541发送的当前残差信号和模拟装置510发送的反馈信号，利用公式Ai+1=Ai+ξe’(n)g(n)计算当前前向通道增益放大倍数并将所述当前前向通道增益放大倍数通知模拟装置510，其中i为自然数，ξ为更新步长因子，e’（n）为当前残差信号，g（n）为反馈信号，Ai为上次前向通道增益放大倍数，Ai+1为当前前向通道增益放大倍数，前向通道增益放大倍数初值A1的取值预先设定。
其中，残差计算模块541进一步包括：第一滤波器单元5411、修正放大单元5412和残差信号计算单元5413；
第一滤波器单元5411，用于在当前去噪处理流程中，计算远端语音信号经过预先离线训练得到的滤波器处理后得到的残差计算参考信号，将所述残差计算参考信号发送给修正放大单元5412，并等待下一次去噪处理流程；
修正放大单元5412，用于在当前去噪处理流程中，接收第一滤波器单元5411发送的残差计算参考信号，按照前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数对所述残差计算参考信号进行放大，然后发送给残差信号计算单元5413；
残差信号计算单元5413，用于在当前去噪处理流程中，接收信号采集装置530发送的当前去噪后信号，计算当前去噪后信号与修正放大单元5412输入的放大后的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号，将当前残差信号发送给增益调节模块543和反噪声生成模块542，等待下一次去噪处理流程。
所述第一滤波器单元5411中计算残差计算参考信号时使用的滤波器，是通过预先进行的离线训练得到的，所述离线训练阶段的原理结构图如图6所示，在离线训练阶段，模拟装置不工作，只对数字装置进行训练，通过对自适应滤波器S’进行训练获取声学回路的估计值，具体方法为：
使用白噪声信号Wn（n）作为训练信号，将白噪声信号输出到声学回路中，并将背景噪声n（n）置为0（即训练时使用纯静音环境）。由于背景噪声信号n（n）=0，因此去噪后信号等于白噪声信号Wn（n）；
从声学回路采集到的去噪后信号中，减去白噪声信号输入所述滤波器后的输出信号，得到残差信号，之后，滤波器自身的调节模块（即图中用LMS所示的单元）根据白噪声信号和残差信号调节该滤波器的传输函数，具体调节方法与现有技术下数字ANC控制器中第一滤波器单元调节自身传输函数的方法相同，此处不再详述；
根据调节后的传输函数继续执行所述从采集到的去噪后信号中，减去白噪声信号输入所述滤波器后的输出信号得到残差信号的步骤，直到所述残差信号最小时，所述自适应滤波器的传输函数S’与其模拟的声学回路的传输函数S接近相同，此时所述S’即为S的一个良好估计，至此则离线训练阶段完成。
此外，在本发明实施例提供的噪声消除的系统中，所述模拟装置510为一个负反馈放大电路，根据该负反馈放大电路的输入输出特性计算可得，所述模拟装置在当前去噪处理流程中输出的声音信号为Ai·a（n）/（1+AiG），所述Ai为前一次去噪处理流程中数字装置540计算并通知模拟装置510的前向通道增益放大倍数，可见，Ai/（1+AiG）即为前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数。
因此，在数字装置540的残差计算模块541中，为了得到当前残差信号，需要从当前去噪后信号中减去Ai/（1+AiG）倍的远端语音信号，因此数字装置540的残差计算模块541中，本发明实施例增加了一个修正放大单元5412。由上述说明可见，与现有技术下的数字ANC控制器不同，在本发明实施例的数字装置540中，输入的远端语音信号的作用仅是作为参考信号，目的是使得数字装置能从远端语音信号和残差信号的混合信号中，将残差信号提取出来，从而完成反噪声信号的计算。
同时，反噪声生成单元542进一步包括：参考信号计算单元5421，第二滤波器单元5422和反噪声保存单元5423；
参考信号计算单元5421，用于在当前去噪处理流程中，接收残差信号计算单元5413发送的当前残差信号，将其与从反噪声保存单元5423调用的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号，将所述反噪声计算参考信号发送给第二滤波器单元5422，等待下一次去噪处理流程；
第二滤波器单元5422，用于在当前去噪处理流程中，接收参考信号计算单元5421发送的反噪声计算参考信号，计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到的当前反噪声信号，将得到的当前反噪声信号发送到反噪声保存单元5423；然后，利用与所述预先离线训练得到的滤波器完全相同的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和残差信号计算单元5413发送的当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W，并等待下一次去噪处理流程；所述调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数（用于下一次去噪处理流程），μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号；
反噪声保存单元5423，用于在当前去噪处理流程中，接受参考信号计算单元5421的调用请求，将保存的前次反噪声信号发送给参考信号计算单元5421，然后接收第二滤波器单元5422发送的当前反噪声信号并转发给数模信号合成装置520，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号，等待下一次去噪处理流程。
由上述可见，本发明实施例提供的噪声消除的系统，并非现有技术中数字ANC控制器和模拟ANC控制器功能的简单组合和叠加，本发明实施例中的数字装置可以通过自适应信号处理的方法对模拟装置的输出前向通道增益放大倍数A进行主动控制，通过选择合适的更新步长因子，可以避免A的初始值过大所引起的系统不稳定，以及A的初始值过小导致的噪声消除效果不佳的问题，从而在系统稳定和噪声消除两方面找到合适的平衡点；此外，该系统能够利用数字装置有效消除周期性的窄带噪声，同时模拟装置还能够有效消除中低频噪声，因此能够适应各种复杂环境下的主动噪声消除。
本发明实施例还提供一种噪声消除的方法，流程如图7所示，其中包括：
步骤701：在一次去噪处理流程中，从声学回路中采集当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，根据当前去噪后信号得出反馈信号；
步骤702：根据当前去噪后信号和远端语音信号计算当前残差信号，并根据当前残差信号计算当前反噪声信号；
步骤703：根据当前残差信号和所述反馈信号得到当前前向通道增益放大倍数，将远端语音信号和所述反馈信号的差值信号按照所述当前前向通道增益放大倍数进行放大处理得到模拟装置的输出信号；
步骤704：将远端语音信号和当前反噪声信号叠加后作为数字装置的输出信号，再进一步和模拟装置的输出信号合并后输出到声学回路，所述合成后的信号在声学回路中与背景噪声叠加得到新的去噪后信号，返回步骤701。
其中，步骤701中，所述根据当前去噪后信号得出反馈信号的方法为：将所述当前去噪后信号按照模拟装置的反馈增益倍数进行放大处理后得到反馈信号。
步骤702中，所述根据当前去噪后信号和远端语音信号计算当前残差信号的方法包括：
计算远端语音信号经过预先离线训练得到的滤波器处理后得到的残差计算参考信号，按照前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数对所述残差计算参考信号进行放大，计算当前去噪后信号与所述放大后的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号。所述滤波器进行离线训练的方法，如图7所示，与前文所述相同，此处不再详述。
同时，步骤702中，所述根据当前残差信号计算当前反噪声信号的方法包括：
702a：将当前残差信号与预先保存的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号；
702b：利用与所述预先离线训练得到的滤波器完全相同的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W；
702c：计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到当前反噪声信号，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号，等待下一次去噪处理流程。
上述702b中，所述调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数（用于下一次去噪处理流程），μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号。
步骤703中，所述根据当前残差信号和所述反馈信号得到当前前向通道增益放大倍数的方法为：利用公式Ai+1=Ai+ξe’(n)g(n)计算当前前向通道增益放大倍数，其中i为自然数，ξ为更新步长因子，e’（n）为当前残差信号，g（n）为反馈信号，Ai为上次前向通道增益放大倍数，Ai+1为当前前向通道增益放大倍数，前向通道增益放大倍数的初值A1的取值预先设定。
可见，本发明实施例提供的噪声消除的方法，利用数字装置对模拟装置的前向通道增益放大倍数进行控制，通过选择合适的更新步长因子，避免A的初始值过大所引起的系统不稳定，以及A的初始值过小导致的噪声消除效果不佳的问题，从而在系统稳定和噪声消除两方面找到合适的平衡点；此外，该方法能够在数字装置有效消除周期性的窄带噪声的同时，模拟装置还能够有效消除中低频噪声，因此能够适应各种复杂环境下的主动噪声消除。
容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的精神和保护范围，任何熟悉本领域的技术人员所做出的等同变化或替换，都应视为涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种噪声消除的系统，其特征在于，该系统包括：
信号采集装置，用于采集数模信号合成装置的输出信号与背景噪声叠加后的信号，作为当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，将所述当前去噪后信号输入模拟装置和数字装置；
模拟装置，用于接收远端语音信号和信号采集装置发送的当前去噪后信号，根据当前去噪后信号求出反馈信号并发送给数字装置，接收数字装置通知的当前前向通道增益放大倍数，并将所述远端语音信号和反馈信号的差值信号按照所述当前前向通道增益放大倍数进行放大处理后输出给数模信号合成装置；
数字装置，用于根据接收的远端语音信号，以及信号采集装置输入的当前去噪后信号，计算得到当前残差信号；利用所述当前残差信号和模拟装置输入的反馈信号计算当前前向通道增益放大倍数，将计算得到的当前前向通道增益放大倍数通知模拟装置；根据当前残差信号计算当前反噪声信号，将所述当前反噪声信号发送给数模信号合成装置；
数模信号合成装置，用于接收模拟装置和数字装置发送的信号，将所述信号合并后输出到声学回路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字装置包括：
残差计算模块，用于根据远端语音信号和当前去噪后信号，计算出当前残差信号并发送给反噪声生成模块以及增益调节模块；
反噪声生成模块，用于根据当前残差信号计算出当前反噪声信号，并发送给数模信号合成装置；
增益调节模块，用于根据残差计算模块发送的当前残差信号和模拟装置发送的反馈信号，利用公式Ai+1=Ai+ξe’(n)g(n)计算当前前向通道增益放大倍数并将所述当前前向通道增益放大倍数通知模拟装置，其中i为自然数，ξ为更新步长因子，e’（n）为当前残差信号，g（n）为反馈信号，Ai为上次前向通道增益放大倍数，Ai+1为当前前向通道增益放大倍数，前向通道增益放大倍数初值A1的取值预先设定。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述模拟装置包括：
差值计算模块，用于根据接收的远端语音信号和反馈放大模块发送的反馈信号，计算得到差值信号后发送给前向通道放大模块；
前向通道放大模块，用于接收差值计算模块发送的差值信号，按照数字装置通知的当前前向通道增益放大倍数进行放大处理，将放大后得到的信号输出给数模信号合成装置；
反馈放大模块，用于接收信号采集装置发送的当前去噪后信号，将所述当前去噪后信号按照所述反馈放大模块自身设定的反馈增益倍数进行放大处理后得到反馈信号后发送给差值计算模块和数字装置。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的系统，其特征在于，所述残差计算模块包括：
第一滤波器单元、修正放大单元和残差信号计算单元；
第一滤波器单元，用于计算远端语音信号经过预先离线训练得到的滤波器处理后得到的残差计算参考信号，将所述残差计算参考信号发送给修正放大单元；
修正放大单元，用于接收第一滤波器单元发送的残差计算参考信号，按照前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数对所述残差计算参考信号进行放大，然后发送给残差信号计算单元；
残差信号计算单元，用于接收信号采集装置发送的当前去噪后信号，计算当前去噪后信号与修正放大单元输入的放大后的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号，将当前残差信号发送给增益调节模块和反噪声生成模块。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述反噪声生成模块包括：参考信号计算单元，第二滤波器单元和反噪声保存单元；
参考信号计算单元，用于接收残差信号计算单元发送的当前残差信号，将其与从反噪声保存单元调用的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号，将所述反噪声计算参考信号发送给第二滤波器单元；
第二滤波器单元，用于接收参考信号计算单元发送的反噪声计算参考信号，计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到的当前反噪声信号，将得到的当前反噪声信号发送到反噪声保存单元；然后，利用与所述预先离线训练得到的滤波器完全相同的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和残差信号计算单元发送的当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W；所述调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数，μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号；
反噪声保存单元，用于接受参考信号计算单元的调用请求，将保存的前次反噪声信号发送给参考信号计算单元，然后接收第二滤波器单元发送的当前反噪声信号并转发给数模信号合成装置，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号。
6.一种噪声消除的方法，其特征在于，在一次去噪处理流程中，该方法包括：
从声学回路中采集当前去噪后信号，触发当前去噪处理流程，使用模拟装置根据当前去噪后信号得出反馈信号并发送给数字装置；
使用数字装置根据所述当前去噪后信号和远端语音信号计算当前残差信号，并根据所述当前残差信号计算当前反噪声信号；
使用数字装置根据所述当前残差信号和所述模拟装置发送的反馈信号得到当前前向通道增益放大倍数并发送给模拟装置，使用模拟装置将远端语音信号和所述反馈信号的差值信号按照所述数字装置发送的当前前向通道增益放大倍数进行放大处理得到模拟装置的输出信号；
将所述当前反噪声信号作为数字装置的输出信号，再进一步和模拟装置的输出信号合并后输出到声学回路，所述合成后的信号在声学回路中与背景噪声叠加得到新的去噪后信号，返回从声学回路中采集当前去噪后信号的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据当前去噪后信号得出反馈信号的方法为：将所述当前去噪后信号按照模拟装置的反馈增益倍数进行放大处理后得到反馈信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据当前去噪后信号和远端语音信号计算当前残差信号的方法包括：
计算远端语音信号经过预先离线训练得到的滤波器处理后得到的残差计算参考信号，按照前一次去噪处理流程中模拟装置的闭环增益放大倍数对所述残差计算参考信号进行放大，计算当前去噪后信号与所述放大后的残差计算参考信号的差值，得到当前残差信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预先离线训练得到滤波器的方法包括：
将白噪声信号输出到静音环境下的声学回路中，从声学回路采集到的去噪后信号中，减去白噪声信号输入所述滤波器后的输出信号，得到残差信号；
根据所述白噪声信号和残差信号调节滤波器的传输函数S’，所述调节S’的方法为：利用公式Si+1’=Si’-λWn(n)e’(n)对滤波器的传输函数进行调节，其中，Si’表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Si+1’表示调节后的传输函数，λ为更新步长因子，Wn(n)表示白噪声信号，e’(n)表示残差信号；
根据调节后的传输函数继续执行所述将白噪声信号输出到声学回路中的步骤，直到所述残差信号最小时，所述滤波器的传输函数S’与其模拟的声学回路的传输函数S接近相同，此时所述S’即为S的一个良好估计。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据当前残差信号计算当前反噪声信号的方法包括：
将当前残差信号与预先保存的前次反噪声信号做差后得到反噪声计算参考信号；
利用与所述预先离线训练得到的滤波器完全相同的滤波器，计算反噪声计算参考信号经过该滤波器处理后得到的输出信号x’(n)，根据所述输出信号x’(n)和当前残差信号调节自适应滤波器的传输函数W；调节W的方法为：利用公式Wi+1=Wi-μx’(n)e’(n)对自适应滤波器的传输函数进行调节，其中，Wi表示当前去噪处理流程中使用的传输函数，Wi+1表示调节后的传输函数，μ为更新步长因子，e’(n)表示当前残差信号；
计算反噪声计算参考信号经过传输函数为W的自适应滤波器处理后得到当前反噪声信号，保存当前反噪声信号使之替换所述前次反噪声信号，等待下一次去噪处理流程。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据当前残差信号和所述模拟装置发送的反馈信号得到当前前向通道增益放大倍数的方法包括：
利用公式Ai+1=Ai+ξe’(n)g(n)计算当前前向通道增益放大倍数，其中i为自然数，ξ为更新步长因子，e’（n）为当前残差信号，g（n）为反馈信号，Ai为上次前向通道增益放大倍数，Ai+1为当前前向通道增益放大倍数，前向通道增益放大倍数的初值A1的取值预先设定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130327 Termination date: 20200822 |