CN101859567B - 一种语音背景噪声的消除方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于语音通讯领域，提供了一种语音背景噪声的消除方法和装置，所述方法对接收的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号；将所述占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号；根据所述音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。本发明实施例提供的语音背景噪声消除方法不仅消除了语音信号中混杂的噪声信号，同时以可变的增益增强了语音信号的效果。

Description

一种语音背景噪声的消除方法和装置

技术领域

本发明属于语音通讯领域，尤其涉及一种语音背景噪声的消除方法和装置。

背景技术

随着通信技术的飞速发展和日益普及，通信已经成为人们日常联络交流的一种重要手段，因此，人们对通话的语音质量也提出了更高的要求，在实际通信中，通信用户双方常常在一个嘈杂的背景环境下进行通话。这时麦克风接收的音频信号中不仅包括通话者发出的语音信号，还包括通话者周围其它声源发出的声音信号，如他人语音信号、脚步声、物品碰撞声、音乐、交通工具发出的声音等噪声信号，这些噪声信号严重影响了通话者之间的通话，因此，如何在保持高效去噪的同时使用较少的期间消除语音信号中混杂的噪声信号成为了许多公司关注的焦点。

现有技术一般是采用模拟滤波器来消除语音背景噪声，或者采用数字信号处理器(DSP)来消除语音背景噪声。但由于模拟滤波器仅仅过滤掉语音信号中不关注的高频段部分或者低频段部分，从而其应用范围窄，难以消除与语音信号处在近似频率段的噪声信号。而采用数字信号处理器消除语音背景噪声，其实现复杂、硬件成本高、功耗大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种语音背景噪声的消除方法，旨在消除语音背景噪声的同时，以可变的增益增强语音信号的效果的问题。

本发明是这样实现的，一种语音背景噪声的消除方法，所述方法包括下述步骤：

A、对接收的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号；

B、将所述占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号；

C、根据所述音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。

本发明的另一目的在于提供一种语音背景噪声的消除装置，所述装置还包括：

脉冲宽度调制单元，用于对接收的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号；

可变增益产生单元，用于将所述脉冲宽度调制单元输出的占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号；

消噪放大处理单元，用于根据所述可变增益产生单元产生的音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。

在本发明实施例中，通过采用PWM调制技术将含有语音信号和噪声信号的音频信号的幅度变化转化为脉冲信号的占空比变化，通过将占空比变化的脉冲信号与具有固定占空比的脉冲信号进行比较，产生可变增益信号，根据该可变增益信号对音频信号进行消噪处理，以消除语音信号中混杂的噪声信号，同时以可变的增益增强语音信号的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的语音背景噪声的消除方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的对音频信号及性能幅值处理的示意图；

图3是本发明实施例提供的语音背景噪声的消除装置的结构框图；

图4是本发明实施例提供的比较单元的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，通过采用PWM调制技术将含有语音信号和噪声信号的音频信号的幅度变化转化为脉冲信号的占空比变化，通过将占空比变化的脉冲信号与具有固定占空比的脉冲信号进行比较，产生可变增益信号，根据该可变增益信号对音频信号进行消噪处理，以消除语音信号中混杂的噪声信号，从而实现语音背景噪声的消除。

图1示出了本发明实施例提供的语音背景噪声的消除方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，对接收的音频信号进行脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)，将音频信号调制为占空比变化的脉冲信号。

在本发明实施例中，接收的音频信号可以为采集的音频信号，也可以为从其他设备传输过来的音频信号。由于说话者所处的环境一般较为复杂，存在除说话者以外的多种发声源，如周围其他说话者的声音、周围交通工具的声音等，因此，接收的音频信号中不仅包括说话者发出的语音信号，也包括说话者周围环境其他声源发出的噪声信号。其中接收的音频信号一般为交流音频信号，且音频信号中语音信号与噪声信号的幅度一般不相同，经PWM调制后，占空比变化的脉冲信号反映了音频信号中语音信号与噪声信号的幅度变化。

由于接收的音频信号一般为交流音频信号，为了使调制得到的占空比变化的脉冲信号可以准确的反映音频信号中语音信号与噪声信号的幅度变化，在本发明实施例中，在对接收的音频信号进行PWM调制之前，在方法还包括下述步骤：对接收的音频信号进行全波整流，将该音频信号整流为幅值非负的音频信号。其中全波整流的具体实现步骤属于现有技术，在此不再赘述。

在本发明实施例中，采用具有固定频率、恒定峰峰值的调制三角波信号对全波整流后的音频信号进行PWM调制，将全波整流后的音频信号调制为与该调制三角波信号周期一致的占空比变化的脉冲信号。

在本发明实施例中，在噪声环境下，一般通话者的语音声压级明显大于噪声声压级，从而使语音信号的幅度一般大于噪声信号的幅度，由于对包含语音信号和噪声信号的音频信号进行全波整流是将交流音频信号整流为直流音频信号，不会改变语音信号与噪声信号的幅值，因此，采用调制三角波信号对直流音频信号进行PWM调制后，即可将音频信号中语音信号和噪声信号的幅度变化转化为脉冲信号的占空比变化，即调制得到的脉冲信号的占空比的大小反映了直流音频信号的幅度的大小。

在步骤S102中，将产生的占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号。

在本发明实施例中，预先产生一个与调制三角波信号频率一致且同步的占空比固定的脉冲信号，将占空比变化的脉冲信号与该占空比固定的脉冲信号进行比较，即可产生该音频信号的可变增益信号。其中产生的占空比固定的脉冲信号的占空比由调制三角波信号的幅值决定。

在本发明实施例中，可以通过计数器分别检测出占空比变化的脉冲信号的占空比和占空比固定的脉冲信号的占空比，通过将计数器检测到的两路脉冲信号的占空比输入除法器，得到两路脉冲信号占空比的比值，该比值即为产生的该音频信号的可变增益信号。

在步骤S103中，根据音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。

在本发明实施例中，由于计数器是按照每个脉冲信号的周期清零的，因而计数器每经历一个周期输出一个值，两路脉冲信号的两个计数器就输出两个值，两个值同时送入除法器，得到一个唯一的值，该唯一的值是对应一个周期的，因而得到离散的该音频信号的可变增益信号，由于音频信号是连续的，为了达到较好的消噪效果，在本发明另一实施例中，在步骤S103之前，该方法还包括下述步骤：

对音频信号的可变增益信号进行积分平均处理，将离散的可变增益信号处理成光滑连续的可变增益信号。

在本发明实施例中，通过对音频信号的可变增益信号进行积分平均处理，即可发现语音信号的小幅值与噪声段的小幅值所产生的脉冲信号的区别，即根据积分平均处理得到的光滑连续的可变增益信号可以合理的判断出语音信号与噪声信号。

根据光滑连续的可变增益信号，对音频信号进行消噪处理。其中对音频信号进行消噪处理的具体过程是，根据光滑连续的可变增益信号对音频信号中的语音信号进行放大处理，对噪声信号进行消除处理，从而使音频信号中的语音信号被放大，使音频信号中的噪声信号被衰减甚至消除。

为了防止过大的信号引起听者的不适，同时保护元器件，在本发明另一实施例中，在根据光滑连续的可变增益信号对音频信号进行消噪处理之前，该方法还包括下述步骤：

对接收的音频信号的峰值进行实时检测，并在音频信号的峰值超过预设电平门限时，对音频信号的幅值进行衰减。其具体过程如下：

对接收的音频信号的峰值进行实时检测，当音频信号的峰值超过预设的电平门限时，立即对音频信号的幅值进行衰减，直到音频信号的峰值低于预设的电平门限，同时对音频信号的峰值的下限不做控制。

请参阅图2，为本发明实施例提供的对音频信号及性能幅值处理的示意图，预先设置电平门限，实时检测接收的音频信号的峰值，当音频信号的峰值超过该预设的电平门限时，立即对音频信号的幅值进行衰减。

为了提高听者的舒适度，在本发明另一实施例中，该方法还包括下述步骤：

在步骤S104中，对消噪处理后的音频信号进行滤波处理。

由于人体发声器官发出的声音的频率段大概为80Hz-3.4KHz，为了保留语音的高次谐波和语音的清晰度，在本发明实施例中，在对消噪处理后的音频信号进行滤波处理时，对频率段80Hz-3.4KHz内的音频信号保持全通，在高频处的截止频率为8KHz，在低频处的截止频率为80Hz。

为了更好的增强语音信号的清晰度，使语音信号具有直通能力，在本发明另一实施例中，该方法还包括下述步骤：

在步骤S105中，对滤波处理后的音频信号进行音效处理。其中音效处理包括但不限于均衡、混响处理。

为了向用户呈现音效处理后的音频信号，在本发明另一实施例中，该方法还包括下述步骤：

在步骤S106中，输出音效处理后的音频信号。

图3示出了本发明实施例提供的语音背景噪声的消除装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该语音背景噪声的消除装置可连接于以麦克风或传感器接受语音信号的移动通讯终端，如手机的话筒与听筒、对讲机的接收端与发射端、录音笔等设备，以消除这些设备接收的语音信号中混杂的背景噪声。其中：

脉冲宽度调制单元13对接收的音频信号进行脉冲宽度调制，将音频信号调制为占空比变化的脉冲信号。其中脉冲宽度调制单元13包括第一信号产生电路131和PWM调制电路132。其中：

第一信号产生电路131产生具有固定频率、恒定峰峰值的调制三角波信号。该调制三角波信号作为PWM调制电路132的调制信号。调制三角波信号的产生过程属于现有技术，在此不再赘述。

PWM调制电路132的其中一个输入端与第一信号产生电路131连接，另一输入端与用于接收音频信号的装置连接，其采用第一信号产生电路131产生的调制三角波对接收的音频信号进行PWM调制，将音频信号调制为与调制三角波信号周期一致的占空比变化的脉冲信号。其中PWM调制的具体过程属于现有技术，在此不再赘述。

在本发明实施例中，接收的音频信号可以为采集的音频信号，也可以为从其他设备传输过来的音频信号。由于说话者所处的环境一般较为复杂，存在除说话者以外的多种发声源，如周围其他说话者的声音、周围交通工具的声音等，因此，接收的音频信号中不仅包括说话者发出的语音信号，也包括说话者周围环境其他声源发出的噪声信号。当接收的音频信号为采集的音频信号时，该装置还包括音频采集单元11。该音频采集单元11采集音频信号，该音频信号中包括语音信号和噪声信号。在本发明实施例中，可以采用全指向驻极体式麦克风作为音频采集单元11，该全指向驻极体式麦克风具有-42dBV/Pa的灵敏度。该音频采集单元11的输出端与脉冲宽度调制单元13的输入端连接。

当接收的音频信号为交流音频信号，为了使调制得到的占空比变化的脉冲信号可以准确的反映音频信号中语音信号与噪声信号的幅度变化，在本发明另一实施例中，该装置还包括全波整流单元12。该全波整流单元12对接收的音频信号进行全波整流，将音频信号整流成幅值非负的音频信号。当该装置包括音频采集单元11时，该全波整流单元12的输入端与音频采集单元11的输出端连接，其输出端与PWM调制电路132连接。

可变增益产生单元14将脉冲宽度调制单元13输出的占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号。该可变增益产生单元14包括第二信号产生电路141、比较电路142。其中：第二信号产生电路141产生一个与调制三角波信号频率一致且同步的占空比固定的脉冲信号。该占空比固定的脉冲信号的占空比由调制三角波信号的幅值决定。

比较电路142将脉冲宽度调制单元13产生的占空比变化的脉冲信号与第二信号产生电路141产生占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号。该比较单元16包括将脉冲信号占空比转化为电压值的转化模块，电压除法器等，并共同将调制得到的占空比变化的脉冲信号与固定占空比脉冲信号进行比较，其输出信号与麦克风装置的输入音频信号幅值成正比，且输出信号改变间隔一个调制三角波的周期。

请参阅图4，为本发明实施例提供的电压除法器的电路原理。由于电压除法器的结构和工作原理属于现有技术，在此不再赘述。

在本发明实施例中，可以通过计数器作为转化模块，分别检测出占空比变化的脉冲信号的占空比和占空比固定的脉冲信号的占空比，通过将计数器检测到的两路脉冲信号的占空比输入除法器，得到两路脉冲信号占空比的比值，该比值即为产生的该音频信号的可变增益信号。

由于计数器是按照每个脉冲信号的周期清零的，因而计数器每经历一个周期输出一个值，两路脉冲信号的两个计数器就输出两个值，两个值同时送入除法器，得到一个唯一的值，该唯一的值是对应一个周期的，因而得到离散的该音频信号的可变增益信号，由于音频信号是连续的，为了达到较好的消噪效果，在本发明另一实施例中，该可变增益产生单元14还包括可变增益积分电路143。该可变增益积分电路143对比较电路142产生的音频信号的可变增益信号进行积分平均处理，将离散的可变增益信号处理成光滑连续的可变增益信号。

在本发明实施例中，通过对音频信号的可变增益信号进行积分平均处理，即可发现语音信号的小幅值与噪声段的小幅值所产生的脉冲信号的区别，即根据积分平均处理得到的光滑连续的可变增益信号可以合理的判断出语音信号与噪声信号。

消噪放大处理单元15根据可变增益产生单元14产生的音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。其中对音频信号进行消噪处理的具体过程是，根据光滑连续的可变增益信号对音频信号中的语音信号进行放大处理，对噪声信号进行消除处理，从而使音频信号中的语音信号被放大，使音频信号中的噪声信号被衰减甚至消除。

为了防止过大的信号引起听者的不适，同时保护元器件，在本发明另一实施例中，该装置还包括

幅值处理单元16对接收的音频信号的峰值进行实时检测，并在音频信号的峰值超过预设电平门限时，对音频信号的幅值进行衰减。其具体过程如下：

对接收的音频信号的峰值进行实时检测，当音频信号的峰值超过预设的电平门限时，立即对音频信号的幅值进行衰减，直到音频信号的峰值低于预设的电平门限，同时对音频信号的峰值的下限不做控制。

在本发明实施例中，当该装置包括音频采集单元11时，该幅值处理单元的输入端与音频采集单元连接，其输出端与消噪放大处理单元15连接。

为了提高听者的舒适度，在本发明另一实施例中，该装置还包括滤波处理单元17。该滤波处理单元17的输入端与消噪放大处理单元15连接，对消噪放大处理单元15处理后的音频信号进行滤波处理。

由于人体发声器官发出的声音的频率段大概为80Hz-3.4KHz，为了保留语音的高次谐波和语音的清晰度，在本发明实施例中，滤波处理单元17在对消噪放大处理单元15处理后的音频信号进行滤波处理时，对频率段80Hz-3.4KHz内的音频信号保持全通，在高频处的截止频率为8KHz，在低频处的截止频率为80Hz。

为了更好的增强语音信号的清晰度，使语音信号具有直通能力，在本发明另一实施例中，该装置还包括音效处理单元18。该音效处理单元18对滤波处理单元17处理后的音频信号进行音效处理。其中音效处理包括但不限于均衡、混响处理。

为了向用户呈现音效处理后的音频信号，在本发明另一实施例中，该装置还包括音频信号输出单元19。该音频信号输出单元19输出音效处理单元18处理后的音频信号。

在本发明实施例中，通过采用PWM调制技术将含有语音信号和噪声信号的音频信号的幅度变化转化为脉冲信号的占空比变化，通过将占空比变化的脉冲信号与具有固定占空比的脉冲信号进行比较，产生可变增益信息，根据该可变增益信号对音频信号进行消噪处理，从而消除语音信号中混杂的噪声信号，同时以可变的增益提高语音信号的效果。通过对接收的音频信号进行幅值处理后，再根据可变增益信号对音频信号进行消噪处理，从而提高了听者的舒适度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种语音背景噪声的消除方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

A、对接收的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号；

B、将所述占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号；

C、根据所述音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤A之前，所述方法还包括下述步骤：

对接收的音频信号进行全波整流，将所述音频信号整流为幅值非负的音频信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1、产生一个具有固定频率、恒定峰峰值的调制三角波信号；

A2、采用所述调制三角波信号对全波整流后的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、产生一个与所述调制三角波信号频率一致且同步的占空比固定的脉冲信号；

B2、将所述占空比变化的脉冲信号与所述占空比固定的脉冲信号进行比较，产生离散的可变增益信号；

B3、对所述离散的可变增益信号进行积分平均处理，将离散的可变增益信号处理成光滑连续的可变增益信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤C之前，所述方法还包括下述步骤：

对接收的音频信号的峰值进行实时检测，并在音频信号的峰值超过预设电平门限时，对音频信号的幅值进行衰减处理。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤C之后，所述方法还包括下述步骤：

对消噪处理后的音频信号进行滤波处理；

对滤波处理后的音频信号进行音效处理；和/或

输出音效处理后的音频信号。

7.一种语音背景噪声的消除装置，其特征在于，所述装置包括：

脉冲宽度调制单元，用于对接收的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号；

可变增益产生单元，用于将所述脉冲宽度调制单元输出的占空比变化的脉冲信号与预设的占空比固定的脉冲信号进行比较，产生音频信号的可变增益信号；

消噪放大处理单元，用于根据所述可变增益产生单元产生的音频信号的可变增益信号，对接收的音频信号进行消噪处理。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

全波整流单元，其输出端与所述脉冲宽度调制单元连接，用于对接收的音频信号进行全波整流，将所述音频信号整流为幅值非负的音频信号。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制单元包括：

第一信号产生电路，用于产生一个具有固定频率、恒定峰峰值的调制三角波信号；

PWM调制电路，用于采用所述第一信号产生电路产生的调制三角波信号对所述全波整流单元输出的音频信号进行脉冲宽度调制，将所述音频信号调制为占空比变化的脉冲信号。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述可变增益产生单元包括：

第二信号产生电路，用于产生一个与所述调制三角波信号频率一致且同步的占空比固定的脉冲信号；

比较电路，用于将所述第二信号产生电路产生的占空比固定的脉冲信号与所述脉冲宽度调制单元输出的占空比变化的脉冲信号进行比较，产生离散的可变增益信号；

可变增益积分电路，用于对所述比较电路产生的离散的可变增益信号进行积分平均处理，将离散的可变增益信号处理成光滑连续的可变增益信号。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

幅值处理单元，其输出端与所述消噪放大处理单元连接，用于对接收的音频信号的峰值进行实时检测，并在音频信号的峰值超过预设电平门限时，对音频信号的幅值进行衰减处理。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

滤波处理单元，用于对所述消噪放大处理单元处理后的音频信号进行滤波处理；

音效处理单元，用于对所述滤波处理单元处理后的音频信号进行音效处理；和/或

音频信号输出单元，用于输出所述音效处理单元处理后的音频信号。

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