CN101453532B - 用于扬声器开关中的声音处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于扬声器开关中的声音处理装置，包括麦克风输入信号包络估计器、麦克风输入信号背景噪声包络估计器、麦克风输入信号有用语音包络估计器、麦克风输入信号衰减机、扬声器接收信号包络估计器、扬声器接收信号背景噪声包络估计器、扬声器接收信号有用语音包络估计器、扬声器接收信号衰减机以及控制上述两种状态转换的状态机。本发明的能够提供更好的噪声包络检测，避免声学回音信号包络盖过原始信号包络的情况，同时也可避免信号包络起伏波动带来的不良影响，适用于扬声器中，尤其是免提扬声器开关中。

Description

用于扬声器开关中的声音处理装置

技术领域

本发明涉及一种声音处理装置，特别涉及一种用于免提扬声器开关中掩蔽背景噪声和声学回音的装置。

背景技术

常见的用于免提扬声器开关中掩蔽背景噪声和声学回音的装置，包括用于检测麦克风输入信号TX中的背景噪声的背景噪声包络检测器TXNEE、用于检测麦克风输入信号包络的麦克风输入信号包络检测器TX SEE、麦克风输入信号包络和麦克风输入信号的背景噪声包络的比较器TX CMP、用于检测扬声器接收信号RX中背景噪声包络的背景噪声包络检测器RXNEE、用于检测扬声器接收信号包络的扬声器接收信号包络检测器RX SEE、扬声器接收信号包络和扬声器接收信号背景噪声包络的比较器RX CMP、麦克风输入信号包络和扬声器接收信号包络的比较器TR CMP、麦克风输入信号衰减器TX ATT、扬声器接收信号衰减器RX ATT以及根据三个比较器输出控制状态转换和RX/TX衰减器的状态机FSM，其连接关系见图1。该装置存在的主要问题是其中背景噪声包络检测器TX NEE和RX NEE采用时间常数比较大的(比如10秒)常激活的IIR(无限冲激响应)滤波器，当噪声在整个滤波期间不是主导或者存在声学回音时，该背景噪声包络估计结果存在较大的误差。上述IIR滤波器在模拟域通常使用一阶的LC低通滤波器，在数字域通常使用一阶数字IIR滤波器。

上述装置中TX/RX状态取决于TX/RX信号包络的比较，这样当背景噪声比有用的语音信号要高时，信号包络并不反映有用语音的包络，这样导致装置对TX/RX状态的判断可能是错误的。还有一个问题是当存在扬声器接收信号RX时，由于存在大的声学回波，麦克风输入信号TX也会非常大，同时由于麦克风输入信号TX相对扬声器接收信号RX存在延迟，在扬声器接收信号RX快结束时，麦克风输入信号TX可能超过扬声器接收信号RX，从而引起状态机误判进入麦克风输入状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于扬声器开关中的声音处理装置，其能更好的掩蔽背景噪声和声学回波。

为解决上述技术问题，本发明的用于扬声器开关中的声音处理装置，包括麦克风输入信号包络估计器，用于计算从麦克风输入的麦克风输入信号包络；麦克风输入信号背景噪声包络估计器，用于计算麦克风输入信号包络中的背景噪声包络；麦克风输入信号有用语音包络估计器，根据麦克风输入信号包络和麦克风输入信号背景噪声包络计算麦克风输入信号中有用语音包络；麦克风输入信号衰减机，对麦克风输入信号包络估计器输出的信号进行衰减后输出；扬声器接收信号包络估计器，用于计算扬声器接收信号包络；扬声器接收信号背景噪声包络估计器，用于计算扬声器接收信号包络中的背景噪声包络；扬声器接收信号有用语音包络估计器，根据扬声器接收信号包络和扬声器接收信号背景噪声包络计算扬声器接收信号中有用语音包络；扬声器接收信号衰减机，对扬声器接收信号包络估计器输出的信号进行衰减后输出；状态机，根据比较麦克风输入信号有用语音包络估计器输出的信号和扬声器接收信号有用语音包络估计器输出的信号控制麦克风输入信号包络估计器、扬声器接收信号包络估计器的状态转换，麦克风输入信号背景噪声包络估计器和扬声器接收信号背景噪声包络估计器的工作状态以及控制麦克风输入信号衰减机和扬声器接收信号衰减机。

本发明的声音处理装置基于信号包络和噪声包络来检测有用语音包络的，避免了状态机对TX/RX判断可能存在的错误；本发明中的麦克风输入信号包络估计器和扬声器接收信号包络估计器这两个模块中的IIR滤波器设有不同时间常数，能够避免声学回音信号包络盖过原始信号包络的情况。同时，本发明的声音处理装置还为麦克风输入状态或者扬声器接收状态的转换提供一个保持时间，以避免包络起伏波动带来的不良影响。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为现有用于免提扬声器开关中的声音处理装置示意图；

图2为本发明的声音处理装置示意图。

具体实施方式

本发明的用于扬声器开关中的声音处理装置，可以处理麦克风输入信号TX和扬声器接收信号RX，主要包括两个信号包络估计器，两个噪声包络估计器，两个有用语音包络估计器，两个衰减器ATT和实现对麦克风输入信号和扬声器接收信号进行处理的两个状态间转换的有限状态机FSM。

如图2所述，本发明的一个具体实施例中，声音处理装置包括处理麦克风输入信号的部分和处理扬声器接收信号的部分以及控制两种状态转换的状态机。处理麦克风输入信号的部分包括麦克风输入信号包络估计器TX SEE，用于计算从麦克风输入的麦克风输入信号包络TX SE；麦克风输入信号背景噪声包络估计器TX NEE，用于计算麦克风输入信号包络中的背景噪声包络TX NE；麦克风输入信号有用语音包络估计器TX USEE，根据麦克风输入信号包络TX SE和麦克风输入信号背景噪声包络TX NE计算麦克风输入信号中有用语音包络TX USE；麦克风输入信号衰减机TX ATT，其对麦克风输入信号包络估计器输出的信号进行衰减后输出。处理扬声器接收信号的部分包括扬声器接收信号包络估计器RX SEE，用于计算扬声器接收信号包络RX SE；扬声器接收信号背景噪声包络估计器RX NEE，用于计算扬声器接收信号包络中的背景噪声包络RX NE；扬声器接收信号有用语音包络估计器RX USEE，根据扬声器接收信号包络RX SE和扬声器接收信号背景噪声包络RX NE计算扬声器接收信号中有用语音包络RX USE；扬声器接收信号衰减机RX ATT，对扬声器接收信号包络估计器输出的信号进行衰减后输出。状态机FSM根据比较麦克风输入信号有用语音包络估计器输出TX USEE的信号TX USE和扬声器接收信号有用语音包络估计器RX USEE输出的信号RX USE控制本装置中的麦克风输入信号包络估计器和扬声器接收信号包络估计器中IIR滤波器的时间常数的转换、麦克风输入信号背景噪声包络估计器TX NEE和扬声器接收信号背景噪声包络估计器RX NEE中的IIR滤波器中选出最小值的时间间隔的转换以及控制麦克风输入信号衰减机TX ATT和扬声器接收信号衰减机RX ATT的工作状态的转换。

上述麦克风输入信号包络估计器、麦克风输入信号背景噪声包络估计器、麦克风输入信号有用语音包络估计器、扬声器接收信号包络估计器、扬声器接收信号背景噪声包络估计器和扬声器接收信号有用语音包络估计器均由包络IIR滤波器实现，其中麦克风输入信号包络估计器TX SEE和扬声器接收信号包络估计器RX SEE为有两个时间常数的包络IIR滤波器，IIR滤波器的时间常数根据状态变化在长短之间切换。例如对麦克风输入状态，麦克风输入信号包络估计器TX SEE中的包络IIR滤波器为在处于空闲(IDLE)/扬声器接收信号RX状态下取短的时间常数，而在麦克风输入信号TX状态取长的时间常数；对扬声器接收状态，扬声器接收信号包络RX SEE，在空闲或麦克风输入(IDLE/TX)状态下取短的时间常数，而在扬声器接收RX状态下取长的时间常数。因从扬声器输出到麦克风输入过程中有声学回音，而上述设置的在不同状态下有不同时间常数的IIR滤波器，用于信号包络检测，能够避免声学回音信号包络盖过原始信号包络。

上述两个背景噪声估计器作为估计背景噪声包络的，它从信号包络中在每个时间间隔内选出一个最小值，然后对该最小值进行IIR滤波器(一般为对信号进行平均)得到背景噪声包络。背景噪声估计器中选择的时间间隔可以设置为不同，在麦克风输入/扬声器接收(TX/RX)状态下可以较长，而在空闲(IDLE)状态下可以较短。较短的时间间隔可以为64～512ms，而较长的可以为256～2048ms。

上述的两个有用语音包络估计器(即为RX USEE和TX USEE)的输出是信号包络(即麦克风输入信号包络TX SE和扬声器接收信号包络RX SE)减去对应的估计出来的背景噪声包络(即麦克风输入信号背景噪声包络TX NE和扬声器接收信号背景噪声包络RX NE)，如果信号包络小于等于背景噪声包络，则有用语音包络估计器将输出0来表示没有有用语音。计算公式表示为：

$\mathrm{USE}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{SE}-\mathrm{NE},& \mathrm{if\; SE}>\mathrm{NE}\\ 0,& \mathrm{else}\end{array}\right.$

状态机FSM基于比较麦克风输入信号有用语音包络估计器输出TXUSEE的有用语音包络TX USE和扬声器接收信号有用语音包络估计器RXUSEE输出的有用语音包络RX USE进行判决，如果其中任何一个大于0，则如果麦克风输入信号有用语音包络TX USE大就进入到麦克风输入TX状态，否则进入扬声器接收RX状态。如果都没有有用语音，状态就转移到空闲状态IDLE。状态机FSM状态转换的有以下几种情况：(1)在空闲状态下，如麦克风输入信号有用语音包络和扬声器接收信号有用语音包络中其中任何一个大于零，并且麦克风输入信号有用语音包络大，状态机就进入到麦克风输入状态，否则进入扬声器接收状态；(2)在空闲状态下，如都没有有用语音，状态机中的状态就保持在空闲状态；(3)在麦克风输入状态下，如麦克风输入信号有用语音包络大于0但是小于扬声器接收信号有用语音包络，并且这种状况持续了预定的时间，就进入到扬声器接收状态，否则保持在麦克风输入状态；(4)在扬声器接收状态，如扬声器接收信号有用语音包络大于0但是小于麦克风输入信号有用语音包络，并且状态持续了预定的时间，就进入麦克风输入状态；(5)在麦克风输入状态或者扬声器接收状态下，如都没有有用语音，状态机中的状态就转移到空闲状态。例如，在扬声器接收RX状态，如果TX USE大于RX USE的时间持续了所需的时间(比如16ms，该时间可具体设定)，状态机就转移到麦克风输入TX状态。同理，在麦克风输入TX状态下，如果RX USE大于TX USE的时间持续了所需的时间，比如16ms，状态就转移到扬声器接收RX状态。在状态转移到麦克风输入TX或者扬声器接收RX后，状态机在该状态至少保持一段时间，比如64ms。

衰减机(即TX ATT和RX ATT)根据状态机FSM的状态转移，以一个可编程的衰减和上升时间来逐渐增加或者减小增益到目的状态所需的衰减值。例如，当存在麦克风输入有用语音包络时，麦克风输入信号衰减机TX ATT的增益为0，否则逐渐增加或者减小增益到目的状态所需的衰减值。衰减机TX ATT和RX ATT的衰减变化由状态机FSM控制，保证任意时刻环路增益小于0dB。

以下为本发明的装置的一个实际声音信号处理过程示意：

1)初始状态下，状态机FSM处于空闲IDLE状态，麦克风衰减机TX ATT和扬声器接收衰减机RX ATT的增益都为-G/2dB(其中G的选值与现有技术中的相同，为根据具体情况设定的常数)。

2)当开始有有效声音信号加到麦克风输入端，麦克风输入信号包络估计器TX SEE开始得到麦克风输入信号包络TX SE，麦克风输入信号背景噪声包络估计器TX NEE从TX SEE包络中每一定的时间间隔取信号包络TX SE的最小值并进行滤波(平均)，得到麦克风输入信号背景噪声包络TX NE；

3)麦克风输入信号有用语音包络估计器TX USEE比较从麦克风输入信号包络估计器TX SEE输出的麦克风输入信号包络TX SE和从麦克风输入信号背景噪声包络估计器TX NEE输出的背景噪声包络TX NE，发现麦克风输入信号包络TX SE比背景噪声包络TX NE高，于是麦克风输入信号中有用语音包络TX USE为TX SE减去TX NE，并输出有用语音包络TX USE到状态机FSM；

4)状态机FSM得到麦克风输入信号中有用语音包络TX USE，而此时扬声器接收RX没有输入信号，所以扬声器接收信号有用语音包络RX USE为0，这样状态机FSM比较TX USE和RX USE后，发现TX USE大于RX USE，状态FSM进入麦克风输入TX状态；

5)状态机FSM在麦克风输入TX状态后，会将麦克风输入信号衰减机TX ATT的增益缓慢增加到0dB，并缓慢减小RX ATT增益到-G dB；

6)之后若扬声器接收端RX开始有有效信号输入，信号处理与上述2)和3)项所述相同，输入有用语音包络RX USE到状态机FSM；

7)当状态机FSM发现扬声器接收信号有用语音包络RX USE比麦克风输入信号有用语音包络TX USE大，并且持续了一预先设定的时间(比如16ms)，状态机FSM就转入扬声器接收信号RX状态；

8)状态机FSM在扬声器接收信号RX状态下，会将扬声器接收信号衰减机TX ATT增益缓慢减小到-GdB，并缓慢增加RX ATT增益到0dB；

9)当扬声器接收有效信号RX和麦克风输入有效信号都开始消失时，状态机FSM会发现RX USE和TX USE都为0，此时状态机FSM就重新回到空闲IDLE状态，即如1)项所述的状态。

Claims (2)

1.一种用于扬声器开关中的声音处理装置，其特征在于：

包括麦克风输入信号包络估计器，用于计算从麦克风输入的麦克风输入信号包络；

麦克风输入信号背景噪声包络估计器，用于计算麦克风输入信号包络中的背景噪声包络；

麦克风输入信号有用语音包络估计器，根据麦克风输入信号包络和麦克风输入信号背景噪声包络计算麦克风输入信号中有用语音包络；

麦克风输入信号衰减机，对麦克风输入信号包络估计器的输出的信号进行衰减后输出；

扬声器接收信号包络估计器，用于计算扬声器接收信号包络；

扬声器接收信号背景噪声包络估计器，用于计算扬声器接收信号包络中的背景噪声包络；

扬声器接收信号有用语音包络估计器，根据扬声器接收信号包络和扬声器接收信号背景噪声包络计算扬声器接收信号中有用语音包络；

扬声器接收信号衰减机，对扬声器接收信号包络估计器输出的信号进行衰减后输出；

控制麦克风输入状态和扬声器接收状态转换的状态机，根据比较麦克风输入信号有用语音包络估计器输出的信号和扬声器接收信号有用语音包络估计器输出的信号控制麦克风输入信号包络估计器和扬声器接收信号包络估计器的工作状态转换，麦克风输入信号背景噪声包络估计器和扬声器接收信号背景噪声包络估计器的工作状态以及控制麦克风输入信号衰减机和扬声器接收信号衰减机的工作状态转换；

所述麦克风输入信号包络估计器、麦克风输入信号背景噪声包络估计器、麦克风输入信号有用语音包络估计器、扬声器接收信号包络估计器、扬声器接收信号背景噪声包络估计器和扬声器接收信号有用语音包络估计器均为包络IIR滤波器，且所述麦克风输入信号包络估计器和扬声器接收信号包络估计器中的IIR滤波器设有两个时间常数；

所述麦克风输入信号中有用语音包络的计算方法为：当麦克风输入信号包络大于麦克风输入信号中的背景噪声包络时，麦克风输入信号中有用语音包络为麦克风输入信号包络减去麦克风输入信号中的背景噪声包络，当麦克风输入信号包络小于等于麦克风输入信号中的背景噪声包络时，所述麦克风输入信号有用语音包络估计器输出为零；所述扬声器接收信号中有用语音包络的计算方法为：当扬声器接收信号包络大于扬声器接收信号中的背景噪声包络时，扬声器接收信号中有用语音包络为扬声器接收信号包络减去扬声器接收信号中的背景噪声包络，当扬声器接收信号包络小于等于扬声器接收信号中的背景噪声包络时，扬声器接收信号有用语音包络估计器输出为零。

2.按照权利要求1所述的声音处理装置，其特征在于，所述状态机状态转换情况有：(1)在空闲状态下，如麦克风输入信号有用语音包络和扬声器接收信号有用语音包络中其中任何一个大于零，并且麦克风输入信号有用语音包络大，状态机就进入到麦克风输入状态，否则进入扬声器接收状态；(2)在空闲状态下，如都没有有用语音，状态机中的状态就保持在空闲状态；(3)在麦克风输入状态下，如麦克风输入信号有用语音包络大于0但是小于扬声器接收信号有用语音包络，并且这种状况持续了预定的时间，就进入到扬声器接收状态，否则保持在麦克风输入状态；(4)在扬声器接收状态，如扬声器接收信号有用语音包络大于0但是小于麦克风输入信号有用语音包络，并且状态持续了预定的时间，就进入麦克风输入状态；(5)在麦克风输入状态或者扬声器接收状态下，如都没有有用语音，状态机中的状态就转移到空闲状态。

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