CN101903942B - 具有基于噪声水平的增益控制的噪声消除系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种噪声消除系统，其用于生成待被添加至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号。该系统包括：输入端，其用于接收代表环境噪声的输入信号；检测器，其用于检测所述输入信号的量值；以及语音活动探测器，其用于确定无语音期——所述输入信号不包含代表语音的信号的时期。该检测器适于检测所述输入信号在所述无语音期内的量值；该系统适于，当所述输入信号处于一阈值以上时在第一模式下运行，当所述输入信号处于该阈值以下时在第二模式下运行。该第一模式包括：生成具有第一量值的噪声消除信号，以用于至少部分地消除该环境噪声。该第二模式包括：生成具有第二量值的噪声消除信号，该第二量值小于该第一量值。

Description

具有基于噪声水平的增益控制的噪声消除系统
本发明涉及噪声消除系统，具体而言涉及一种以检测到的环境噪声为基础来控制噪声消除的方法。
背景技术
噪声消除系统是已知的，在其中，代表环境噪声的电子噪声信号被施加到信号处理电路，然后所得到的经处理的噪声信号被施加到扬声器，以生成声音信号。为了实现噪声消除，所生成的声音就其振幅和其相位而言，应尽可能近似于环境噪声的反转物(inverse)。
特别地，用于头戴式受话器(headphone)或耳机(earphone)的前馈噪声消除系统是已知的，在其中，安装在头戴式受话器或耳机上的一个或多个扩音器(microphone)对佩带者耳朵区域的环境噪声信号进行检测。为了实现噪声消除，在环境噪声自身被头戴式受话器或耳机修正之后，所生成的声音需要尽可能近似于该环境噪声的反转物。头戴式受话器或耳机进行的修正的一个例子是由围绕头戴式受话器或耳机的边缘行进的噪声到达佩带者耳朵所必经的不同声学路径引起的。
然而，噪声消除系统通常用于亟待减少功耗的应用。例如，便携式音乐播放器和移动电话具有有限的电池资源，因此应致力于减少对这些资源的消耗。噪声消除正是这样一种消耗，因此希望设计一种尽可能高效的噪声消除系统。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种噪声消除系统，其用于生成待被添加至期望信号(wanted signal)以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号。该噪声消除系统包括：输入端(input)，其用于接收代表环境噪声的输入信号；检测器(detector)，其用于检测所述输入信号的量值(magnitude)；以及语音活动探测器(voice activitydetector)，其用于确定无语音期(voiceless periods)——所述输入信号不包含代表语音的信号的时期。该检测器适于检测所述输入信号在所述无语音期内的量值。该系统适于，当所述输入信号处于一阈值以上时在第一模式下运行，并且当所述输入信号处于该阈值以下时在第二模式下运行。该第一模式包括：生成具有第一量值的噪声消除信号，以用于至少部分地消除该环境噪声。该第二模式包括：生成具有第二量值的噪声消除信号，该第二量值小于该第一量值。
根据本发明的第二方面，提供了一种噪声消除系统，其用于生成待被添加至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号。该系统包括：输入端，其用于接收代表环境噪声的信号；检测器，其用于检测所述环境噪声信号的量值；以及语音活动探测器，其用于确定无语音期——所述输入信号不包含代表语音的信号的时期。该检测器适于检测所述输入信号在所述无语音期内的量值。该系统适于当所述环境噪声信号处于一阈值以上时在正常模式下运行，并适于当该环境噪声信号处于该阈值以下时关掉(switch off)。该正常模式包括：生成噪声消除信号，以用于至少部分地消除该环境噪声。
本发明也提供了对应于上述每个噪声消除系统的方法。
根据本发明的替代方面，提供了一种噪声消除系统，其用于生成待被添加至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号。该系统包括：输入端，其用于接收代表环境噪声的输入信号；以及检测器，其用于检测所述输入信号的量值。该系统适于，当所述输入信号处于一阈值以上时在第一模式下运行，当所述输入信号处于该阈值以下时在第二模式下运行。该第一模式包括：生成具有第一量值的噪声消除信号，以用于至少部分地消除该环境噪声。该第二模式包括：生成具有第二量值的噪声消除信号，该第二量值小于第一量值。该系统适于当该输入信号的量值下降到第一阈值以下时从该第一模式转到该第二模式，并且该系统适于当该输入信号的量值上升到第二阈值以上时从该第二模式转到该第一模式，其中该第二阈值大于该第一阈值。
还提供了一种噪声消除系统，其用于生成待被添加至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号。该系统包括：输入端，其用于接收代表环境噪声的信号；以及检测器，其用于检测所述环境噪声信号的量值。该系统适于当所述环境噪声信号处于一阈值以上时在正常模式下运行，并适于当该环境噪声信号处于该阈值以下时关掉。该正常模式包括：生成噪声消除信号，其用于至少部分地消除该环境噪声。该系统适于当该输入信号的量值下降到第一阈值以下时从该正常模式转到关掉状态，并且该系统适于当该输入信号的量值上升到第二阈值以上时从关掉状态转到该正常模式，其中该第二阈值大于该第一阈值。
附图说明
为更好地理解本发明，并为了更清楚地显示可以如何实现本发明，现在将以示例的方式参考以下附图，其中：
图1图解了根据本发明一个方面的噪声消除系统；
图2图解了图1的噪声消除系统中的、根据本发明一个方面的信号处理电路；
图3是示出了所施加的增益随检测到的噪声包络而发生的变化的一个实施方案的示意图；以及
图4是示出了所施加的增益随检测到的噪声包络而发生的变化的另一实施方案的示意图。
具体实施方式
图1一般地图解了根据本发明的噪声消除系统的形式和使用。
具体地，图1示出了耳机10，其戴在使用者14的外耳12上。因而，图1示出了戴在耳朵上的贴耳式耳机(supra-aural earphone)，不过应意识到，完全相同的原理适用于环绕耳朵佩戴的罩耳式受话器(circumaural headphone)，以及戴在耳朵中的耳机诸如所谓的耳塞(ear-bud phone)。本发明同样适用于其它旨在佩戴或保持在使用者耳朵附近的设备，诸如移动电话和其它通信设备。
环境噪声被扩音器20、22检测，这两个扩音器在图1中示出，不过也可设有多于或少于两个的任何数量的扩音器。由扩音器20、22生成的环境噪声信号被组合，并被施加到信号处理电路24，其将在下文中被更详细地描述。在扩音器20、22是模拟扩音器的一个实施方案中，这些环境噪声信号可以通过相加而组合。在扩音器20、22是数字扩音器的情况下，即在它们生成代表环境噪声的数字信号的情况下，这些环境噪声信号可以以别种方法组合，如本领域普通技术人员熟悉的。进一步，在这些环境噪声被组合之前，该扩音器可被施加不同的增益，例如为了补偿因制造公差而导致的灵敏度差异。
所示的本发明的实施方案也包含期望信号的源26。例如，在该噪声消除系统在耳机——诸如旨在能够以相对高的质量再生音乐的耳机10——中处于使用中的情况下，源26可以是来自外部源——诸如声音再生设备——的期望信号的入口连接(inlet connection)。在另外的应用中，例如在该噪声消除系统在移动电话或其它通信设备中处于使用中的情况下，源26可以包括用于接收射频信号并将其解码的无线接收机电路。
来自源26的期望信号通过信号处理电路24被施加到扬声器28，扬声器28在使用者的耳朵12近旁生成声音信号。另外，信号处理电路24生成噪声消除信号，该噪声消除信号也被施加到扬声器28。
信号处理电路24的一个目的是生成噪声消除信号，该噪声消除信号在被施加到扬声器28时，使扬声器28在使用者的耳朵12中生成声音信号，该声音信号是到达耳朵12的环境噪声信号的反转物。
为了实现这一点，信号处理电路24需要从由扩音器20、22生成的环境噪声信号来生成噪声消除信号，该噪声消除信号考虑到扩音器20、22的性能和扬声器28的性能，并且也考虑到因耳机10的存在而导致的环境噪声变更。
根据本发明，信号处理器24包括这样的装置，其用于测量环境噪声水平以及用于基于环境噪声水平来控制噪声消除信号向源信号的添加。例如，在环境噪声低或可忽略的环境中，该噪声消除可能不会改善使用者听到的声音质量。也就是说，噪声消除甚至可能会将赝象(artefacts)添加至声流(sound stream)以纠正不存在的环境噪声。进一步，该噪声消除系统在这样的时期内的活动浪费了功率。因此，当噪声信号低时，可以减小甚至完全关闭(turn off)噪声消除信号。这节省了功率，并防止了噪声信号将不期望的噪声添加至语音信号。
然而，当该噪声消除系统存在于例如移动电话或头戴式送受话器(headset)中时，环境噪声会被孤立于使用者自已的语音而检测。也就是说，使用者可能正在别无他物的房间中对着移动电话或头戴式送受话器说话，但该噪声消除系统因使用者的语音而仍然不会检测到噪声是低的。
图2更详细地示出了信号处理电路24的一个实施方案。输入端40被连接以接收——例如直接从扩音器20、22接收——代表环境噪声的噪声信号。该噪声信号被输入到模数转换器(ADC)42，并被转换成数字噪声信号。该数字噪声信号被输入到噪声消除模块44，噪声消除模块44输出噪声消除信号。噪声消除模块44可以例如包括用于从检测到的环境噪声信号生成噪声消除信号的滤波器，即，噪声消除模块44基本生成检测到的环境噪声的反转信号。该滤波器可以是自适应的或非自适应的，如对本领域普通技术人员明显的。
噪声消除信号被输出到可变增益模块46。可变增益模块46的控制将在稍后进行说明。按常规，增益模块可以向噪声消除信号施加增益，以生成更准确地消除检测到的环境噪声的噪声消除信号。因而，噪声消除模块44一般会包括被设计为以此方式运作的增益模块(未示出)。然而，根据本发明的一个实施方案，所施加的增益根据检测到的环境噪声的振幅或包络而改变。因此，可变增益模块46可以连同常规增益模块一起存在于噪声消除模块44中，或者，适于实现本发明的可变增益模块46本身可以代表噪声消除模块44中的增益模块。
信号处理器24还包括用于接收语音或其它期望信号的输入端48，如上文所述。因而，在移动电话的情况下，期望信号是已被传输到该电话、且待借助于扬声器28而转换成可听声音(audible sound)的信号。通常，该期望信号会是数字的(例如，音乐、接收到的语音等)，在此情况下，该期望信号在加法元件(adding element)52中被添加至从可变增益模块46输出的噪声消除信号。然而，在期望信号是模拟的情况下，期望信号被输入到ADC(未示出)，在这里被转换成数字信号，然后在加法元件52中被添加。然后，组合信号被从信号处理器24输出到扬声器28。
进一步，根据本发明，数字噪声信号被输入到包络检测器54，包络检测器54检测环境噪声的包络，并将控制信号输出到可变增益模块46。图3示出了一个实施方案，其中包络检测器54将噪声信号的包络与阈值N1比较，并基于该比较输出控制信号。例如，如果噪声信号的包络在阈值N1以下，则包络检测器54可以输出使得零增益被施加的控制信号，从而有效地关闭系统10的噪声消除功能。类似地，包络检测器54可以输出控制信号以实际上关闭系统10的噪声消除功能。在所示的实施方案中，如果噪声信号的包络在第一阈值N1以下，则包络检测器54输出使得增益随着渐减的噪声而逐渐减小的控制信号，使得当达到第二、较低的阈值N2时零增益被施加。在阈值N1和N2之间，增益被线性地改变；然而，本领域普通技术人员将意识到，该增益可以被例如阶梯式地或指数地改变。
图4示出了又一实施方案的示意图，其中包络检测器54以这样的方式运用第一阈值N1和第二阈值N2：使得滞后(hysteresis)被建立到该系统中。该图的实线代表当该系统从“全”噪声消除信号转变至零噪声消除信号时所施加的增益；点划线(chain line)代表当该系统从零噪声消除信号转变至全噪声消除信号时所施加的增益。在所示的实施方案中，当该系统初始生成全噪声消除信号，但之后环境噪声下降到第一阈值N1以下时，所施加的增益被减小，直至在环境噪声值N1′处施加零增益。当该系统初始是关掉状态或生成“零”噪声消除信号，且环境噪声的包络上升到第二阈值N2以上时，所施加的增益被增大，直至在环境噪声值N2′处生成全噪声消除信号。该第二阈值可以被设置得高于值N1′——在该值处噪声消除先前被关掉，使得滞后被建立到该系统中。该滞后防止当噪声信号的包络接近该第一阈值时噪声消除在“开”和“关”状态之间快速波动。
本领域普通技术人员将意识到，可以在环境噪声分别跨越第一和第二阈值时关掉或打开噪声消除，而非逐渐减小或增大所施加的增益。然而，在该实施方案中，信号处理器24的包络检测器54可以包括斜坡滤波器(ramping filter)以使不同增益水平之间的转变变得平滑。急剧(harsh)转变对使用者而言会听起来奇怪，而通过为斜坡滤波器选择适当的时间常数可以避免急剧转变。
尽管在上文的描述中使用包络检测器来确定环境噪声水平，但也可以使用噪声信号的振幅来确定环境噪声水平。术语“噪声水平”——其也用在本说明书中——可适用于噪声信号的振幅或包络或者其它量值。
当然，存在许多在这里未明确提及的、对本领域普通技术人员明显的可能的替代方法，以根据检测到的环境噪声来改变噪声消除信号向期望信号的添加。除了在所附权利要求中限定的以外，本发明不限于所描述的方法中的任一种。
根据本发明的又一实施方案，从ADC 42输出的数字噪声信号经由门(gate)56被输入到包络检测器52。门56被语音活动探测器(VAD)58控制，VAD 58也接收从ADC 42输出的数字噪声信号。然后，VAD 58对门56进行操作，使得噪声信号仅在无语音期内被允许通达包络检测器52。门56和VAD 58的运行将在下文更详细地描述。当噪声消除系统10被实现在移动电话或头戴式送受话器——即使用者倾向于在使用时说话的任何系统——中时，VAD 58和门56尤其有益。
使用语音活动探测器是有利的，因为该系统包括一个或多个扩音器20、22，这些扩音器检测环境噪声，但也足够接近以检测使用者自己的讲话。在确定了应以环境噪声为基础来控制该噪声消除系统的增益时，能够在使用者不说话的时期内检测环境噪声水平是有利的。
在所示的本发明的实施方案中，将较长时期之中的最安静时期内的噪声水平取作环境噪声水平。因而，在一个实施方案中——其中来自扩音器20、22的信号被以8kHz的采样率转换成数字信号，这些数字样本被划分成一些帧，每个帧包括256个样本，并且为每个帧确定平均信号量值。然后，任何时刻的环境噪声水平被确定为最近32个帧之中具有最低平均信号量值的帧。
因而，假设在每段32×256个样本的时期(＝约1秒)内有一个帧是用户不制造任何声音的，则在这个帧期间检测到的信号水平将准确地代表环境噪声。
然后，基于以这种方式确定的环境噪声水平来控制施加到噪声消除信号的增益。不过当然，已知许多用于检测语音活动的方法，从而，除了本说明书所附权利要求中限定的以外，本发明不限于任何特定方法。
在不偏离本说明书所附权利要求的范围的前提下，可以对上文描述的实施方案进行各种修改。例如，可以将数字噪声信号直接输入到信号处理器28，在这种情况下，信号处理器28将不包括ADC 42。进一步，VAD 58可以接收模拟形式的噪声信号，而非数字信号。
本发明可以被运用在前馈噪声消除系统中，如上文所述，或运用在所谓的反馈噪声消除系统中。对于这两种系统，根据检测到的环境噪声水平来将噪声消除信号添加到期望信号的一般原则均适用。
根据本发明的噪声消除系统可以被运用在许多设备中，如本领域技术人员将意识到的。例如，它们可以被运用在移动电话、头戴式受话器、耳机、头戴式送受话器等中。
普通技术人员将认识到，上述装置和方法可以体现为处理器控制代码，例如在载体介质——诸如光盘、CD-ROM或DVD-ROM、编程存储器诸如只读存储器(固件)——上，或在数据载体——诸如光或电信号载体——上。对于许多应用，本发明的实施方案将被实现在DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)上。因而，该代码可以包括常规程序代码或微码(microcode)，或者例如，用于设立或控制ASIC或FPGA的代码。该代码也可以包括用于动态地配置可重配置装置——诸如可重编程逻辑门阵列——的代码。类似地，该代码可以包括用于硬件描述语言——诸如Verilog TM或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)的代码。如本领域技术人员将意识到的，该代码可以分布在相互通信的多个耦合部件之间。在适当时，这些实施方案也可以用在运行于现场可(重)编程模拟阵列或类似设备上以配置模拟/数字硬件的代码来实现。
应注意，上述实施方案是在说明而非限制本发明，并且，在不偏离所附权利要求的范围的前提下，本领域普通技术人员将能够设计许多替代实施方案。词语“包括”不排除权利要求中所列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一”(″a″or″an″)不排除多个，并且单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所述的若干单元的功能。权利要求中的任何参考标号不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (28)

1.噪声消除系统，用于生成待被添加至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号，所述系统包括：
输入端，其用于接收代表环境噪声的输入信号；
检测器，其用于检测所述输入信号的量值；以及
语音活动探测器，其用于检测无语音期——所述输入信号不包含代表语音的信号的时期，
其中所述检测器适于检测所述输入信号在所述无语音期内的量值，并且
其中该系统适于，当所述输入信号的所述检测到的量值处于一阈值以上时在第一模式下运行，并且当所述输入信号的所述检测到的量值处于该阈值以下时在第二模式下运行，该第一模式包括：
生成具有第一量值的噪声消除信号，以用于至少部分地消除该环境噪声；
该第二模式包括：
生成具有第二量值的噪声消除信号，该第二量值小于该第一量值，
其中所述噪声消除信号在被施加到扬声器时，使该扬声器在使用者的耳朵中生成声音信号，该声音信号是到达该耳朵的环境噪声信号的反转物。
2.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中该语音活动探测器适于生成所述输入信号的多个样本。
3.如权利要求2所述的噪声消除系统，其中所述多个样本被划分成多个帧，每个帧包括所述多个样本中的一个或多个。
4.如权利要求3所述的噪声消除系统，其中该环境噪声被取作该输入信号在所述多个帧中具有最低平均量值的帧期间的量值。
5.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中所述系统适于当该输入信号的量值下降到第一阈值以下时从该第一模式转到该第二模式，并且其中所述系统适于当该输入信号的量值上升到第二阈值以上时从该第二模式转到该第一模式，所述第二阈值大于所述第一阈值。
6.如权利要求1所述的噪声消除系统，还包括：
自适应增益元件，其用于施加第一增益值以生成具有所述第一量值的所述噪声消除信号，并用于施加第二增益值以生成具有所述第二量值的所述噪声消除信号。
7.如权利要求6所述的噪声消除系统，其中所述第二增益值随该输入信号的量值的减小而线性地减小。
8.如权利要求1－6中任一项所述的噪声消除系统，其中所述第二量值是零。
9.如权利要求2-4中任一项所述的噪声消除系统，其中所述系统适于当该输入信号的量值下降到第一阈值以下时从该第一模式转到该第二模式，并且其中所述系统适于当该输入信号的量值上升到第二阈值以上时从该第二模式转到该第一模式，所述第二阈值大于所述第一阈值。
10.如权利要求2-5中任一项所述的噪声消除系统，还包括：
自适应增益元件，其用于施加第一增益值以生成具有所述第一量值的所述噪声消除信号，并用于施加第二增益值以生成具有所述第二量值的所述噪声消除信号。
11.如权利要求10所述的噪声消除系统，其中所述第二增益值随该输入信号的量值的减小而线性地减小。
12.如权利要求9所述的噪声消除系统，其中还包括：
自适应增益元件，其用于施加第一增益值以生成具有所述第一量值的所述噪声消除信号，并用于施加第二增益值以生成具有所述第二量值的所述噪声消除信号;
所述第二增益值随该输入信号的量值的减小而线性地减小。
13.如权利要求10所述的噪声消除系统，其中所述第二量值是零。
14.集成电路，包括：
如权利要求1－13中任一项所述的噪声消除系统。
15.移动电话，包括：
如权利要求14所述的集成电路。
16.一对头戴式受话器，包括：
如权利要求14所述的集成电路。
17.一对耳机，包括：
如权利要求14所述的集成电路。
18.头戴式送受话器，包括：
如权利要求14所述的集成电路。
19.控制噪声消除系统的方法，所述噪声消除系统用于生成待被添加至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号，所述系统包括：输入端，其用于接收代表环境噪声的输入信号；检测器，其用于检测所述输入信号的量值；以及语音活动探测器，其用于检测无语音期——所述输入信号不包含代表语音的信号的时期，其中所述检测器适于检测所述输入信号在所述无语音期内的量值，该方法包括：
当所述输入信号的所述检测到的量值处于一阈值以上时，使该噪声消除系统在第一模式下运行，生成具有第一量值的噪声消除信号，以用于至少部分地消除该环境噪声；以及
当所述输入信号的所述检测到的量值处于该阈值以下时，使该噪声消除系统在第二模式下运行，生成具有第二量值的噪声消除信号，该第二量值小于该第一量值，
其中所述噪声消除信号在被施加到扬声器时，使该扬声器在使用者的耳朵中生成声音信号，该声音信号是到达该耳朵的环境噪声信号的反转物。
20.如权利要求19所述的方法，其中该语音活动探测器生成所述输入信号的多个样本。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述多个样本被划分成多个帧，每个帧包括所述多个样本中的一个或多个。
22.如权利要求21所述的方法，其中该环境噪声被取作该输入信号在所述多个帧中具有最低平均量值的帧期间的量值。
23.如权利要求19－22中任一项所述的方法，还包括：
当该输入信号的量值下降到第一阈值以下时，从该第一模式转到该第二模式，以及
当该输入信号的量值上升到第二阈值以上时，从该第二模式转到该第一模式，
其中所述第二阈值大于所述第一阈值。
24.控制噪声消除系统的方法，所述噪声消除系统用于生成待被添至期望信号以减轻环境噪声的影响的噪声消除信号，所述系统包括：输入端，其用于接收代表环境噪声的输入信号；检测器，其用于检测所述输入信号的量值；以及语音活动探测器，其用于检测无语音期——所述输入信号不包含代表语音的信号的时期，其中所述检测器适于检测所述输入信号在所述无语音期内的量值，该方法包括：
在正常模式下，当所述输入信号的所述检测到的量值处于一阈值以上时，生成噪声消除信号，以用于至少部分地消除环境噪声；以及
当所述输入信号的所述检测到的量值处于该阈值以下时，关掉该噪声消除系统，
其中所述噪声消除信号在被施加到扬声器时，使该扬声器在使用者的耳朵中生成声音信号，该声音信号是到达该耳朵的环境噪声信号的反转物。
25.如权利要求24所述的方法，其中该语音活动探测器生成所述输入信号的多个样本。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述多个样本被划分成多个帧，每个帧包括所述多个样本中的一个或多个。
27.如权利要求26所述的方法，其中该环境噪声被取作该输入信号在所述多个帧中具有最低平均量值的帧期间的量值。
28.如权利要求24－27中任一项所述的方法，还包括：
当该输入信号的量值下降到第一阈值以下时，从该正常模式转到关掉状态，以及
当该输入信号的量值上升到第二阈值以上时，从关掉状态转到该正常模式，
其中所述第二阈值大于所述第一阈值。
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