CN102185992A - 一种用于手机的双向有源降噪装置 - Google Patents

Abstract

一种用于手机的双向有源降噪装置，包括第一、第二降噪处理装置，第一降噪处理装置包括噪音输入端、降噪后声音采集端、对方话音接收端、输出端及第一前馈消声模块和有源自适应降噪模块；通过第一降噪处理装置获得清晰对方话音；第二降噪处理装置包括两个分别与第二、第三前馈消声模块连接的两个话音输入端、一个发送端；第二、第三前馈消声模块分别与第四前馈消声模块连接，第四前馈消声模块与反向模块连接，第三前馈消声模块的输出端与反向模块的输出端叠加后与发送端连接，获得用户清晰话音。本发明可获得清晰的手机双向通话。

Description

一种用于手机的双向有源降噪装置

技术领域

本发明涉及通讯领域的降噪装置，尤其是涉及用于手机的降噪装置。

背景技术

在地铁、商场和繁华的马路等嘈杂环境接听手机时，由于较高的环境噪声水平，往往使通话难以进行或者通话体验降低。基于有源降噪技术的耳机和耳塞可以大大降低嘈杂环境下接听者听到的噪声。但是，由于大多数用户并不习惯在手机上使用耳机、耳塞等装置，使用有源降噪耳机、耳塞在手机上降噪并不被大多数用户接受。所以，要在手机上使用有源降噪技术，必须把有源降噪装置安装在手机上，在不使用耳机和耳塞的情况下仍然达到降噪的效果。但是，由于手机扬声器到耳朵之间是半开放的声环境，又混杂了对方话音，所以用于耳机、耳塞的有源降噪技术应用在手机上效果并不好。

另外，通话是双向过程，嘈杂环境的噪声不仅会对接听者造成影响，其噪声还会通过麦克风传递发送出去，干扰对方。有源降噪耳机和耳塞只能降低接听者听到的噪声，而不能降低麦克风采集到的噪声，使另一方通话者听到清晰的声音。

发明内容

针对上述手机通讯音质存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种降噪装置，其可以直接安装在手机上、可以降低通话双方收听到的噪声水平，提高通话双方的通话质量，最大程度降低噪声所带来的不良影响。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种用于手机的双向有源降噪装置，其包括第一降噪处理装置、第二降噪处理装置，其中：

所述第一降噪处理装置包括三个输入端和一个输出端；其中，第一输入端用于接收对方话音信号，其分别与所述输出端和第一前馈消声模块电连接；第二输入端用于采集环境噪音信号，其与一有源自适应降噪模块电连接；第三输入端位于所述输出端旁侧，用于采集降噪后声音数据，其通过所述第一前馈消声模块与所述有源自适应降噪模块电连接；所述有源自适应降噪模块与所述输出端电连接；所述第一前馈消声模块通过降噪处理获得背景噪声经所述有源自适应降噪之后的残余声音信号；所述有源自适应降噪装置将所述残余声音信号与所述环境噪音信号进行反馈式有源降噪处理，获得清晰的对方话音信号；

所述第二降噪处理装置包括两个输入端和一个发送端；其中两个输入端分别为第四输入端、第五输入端，所述第四输入端和第五输入端分别采集用户话音信号；所述第四输入端与第二前馈消声装置电连接，所述第二前馈消声装置与第四前馈消声装置电连接；所述第五输入端与第三前馈消声装置电连接，所述第三前馈消声装置分别与所述第四前馈消声装置和所述发送端电连接；所述第四前馈消声装置通过一反向模块与所述发送端电连接；所述的第二输入端分别与所述第二前馈消声装置和第三前馈消声装置电连接；

所述的第一、第二、第三、第四前馈消声装置是把第二个输入声音数据从第一个输入声音数据中消去；

所述反向模块获得噪音信号相位相反、幅度匹配的噪音反相信号并输出与经过第一次降噪的用户话音信号叠加获得清晰的用户话音。

所述第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端均为麦克风；所述输出端为扬声器。

本发明的有源双向降噪装置，其优点包括：

1、双向噪声消减：用户收听到的声音和发送出去的声音中的噪声均被消减，可获得清晰的对方话音和用户话音。

2、一个噪声麦克风采集的数据可以被接收和发送同时使用，降低设备成本。

3、多次使用相同的前馈消声模块，在使用高速硬件的情况下，可以用单个模块分时复用，降低设备成本。

4、发送话音经两步降噪处理，比单步降噪效果更好，能得到更清晰的用户话音。

本发明把有源降噪技术和前馈消声技术结合起来，在收听通道上利用手机扬声器进行有源降噪，在发送通道上利用前馈消声技术通过比对多个麦克风采集的不同数据进行多次降噪提取出清晰话音，保证收听和发送通道均可降低噪声的干扰，提高通话质量。

附图说明

图1本发明双向有源降噪装置的结构示意图

图2有源自适应降噪原理图

图3麦克风在手机上布局结构示意图

具体实施方式

针对本发明，现举一较佳实施例并结合图式进行具体说明。参考图1、图2、图3，本发明双向有源降噪装置包括第一降噪处理装置及第二降噪处理装置；详细说明如下：

第一降噪处理装置，参看图1，包括三个输入端和一个输出端；其中，第一输入端为手机接收端R1，用于接收对方话音信号，手机接收端R1分别与输出端Y1和第一前馈消声模块S1电连接；输出端Y1为扬声器；第二输入端为噪音麦克风M1，其安装在手机背面B与输出端扬声器Y1相对的地方，专门采集噪声数据，其与有源自适应降噪模块S2电连接；第三输入端为反馈麦克风M2，其位于所述输出端扬声器Y1的旁侧，用于采集降噪后声音数据，用于估计主动降噪时对噪声所需参数，反馈麦克风M2安置于扬声器Y1很近的位置保证所采集数据和用户听到的声音尽可能接近，反馈麦克风M2与第一前馈消声模块S1电连接，第一前馈消声模块S1与有源自适应降噪模块S2电连接；有源自适应降噪模块S2与输出端扬声器Y1电连接；第一前馈消声模块S1的作用是把第二个输入声音数据从第一个输入声音数据中消去。参看图2，反馈麦克风M2的声音经前馈消声模块S1消去对方话音之后，剩下的即为背景噪声经有源自适应降噪处理之后的残余声音信号e(t)。有源自适应降噪模块S2将所述残余声音信号与噪音信号进行反馈式有源降噪处理播放消音信号，获得清晰的对方话音信号；

第二降噪处理装置包括两个输入端和一个发送端；该两个输入端分别为第四输入端、第五输入端，输出端为手机发送端R2；其中，第四输入端为话音麦克风M3，第五输入端为话音麦克风M4，麦克风M3和麦克风M4分别采集用户的话音信号；麦克风M3和麦克风M4分置于手机正面F的底部两角，尽量互相远离，保证采集到用户话音的同时，对环境噪声的响应具有显著差异，以提高消噪效果。

麦克风M3与第二前馈消声模块S3电连接，第二前馈消声模块S3与第四消声模块S5电连接；麦克风M4与第三前馈消声模块S4电连接，第三前馈消声模块S4与第四消声模块S5电连接，其还通过一叠加电路模块S7与手机发送端R2电连接；第四前馈消声模块S5与反向模块S6电连接，反向模块S6通过该叠加电路模块S7与手机发送端R2电连接；噪音麦克风M1分别与第二前馈消声模块S3和第三前馈消声模块S4电连接。

第一、第二、第三、第四前馈消声模块是把第二个输入声音数据从第一个输入声音数据中消去。

反向模块S6通过发送和剩余声音信号相位相反、幅度匹配的消音信号至叠加电路模块S7与经第三前馈消声模块S4降噪处理的第一步降噪的话音叠加，消去残余噪音，得到清晰的用户话音，并将其通过手机发送端发送出去，使对方也能够得到清晰的用户话音。

上述装置中主要涉及到有源自适应降噪与前馈消声技术。上述的有源自适应降噪的原理如图2。系统通过噪声麦克风M1采集噪声信号n(t)，经有源自适应模块S2延迟、反向后获得消音信号y(t)通过扬声器Y1播放，如果所播放的声音正好和原噪声反向，则噪声信号在声音通道中的强度被抵消，噪声被消减。要获得正好抵消的效果，消音信号y(t)必须正好和传播到扬声器Y1处的噪音信号n(t)相位相反、幅度相同。为精确达到这个目的，使用另一个反馈麦克风M2采集消声后的剩余声音信号e(t)，利用剩余声音信号e(t)来反馈控制降噪装置的参数。反馈的算法可以使用Filter-X(参见Elliott S J，Nelson P A.Active Noise Control.IEEE Signal Process Mag，1993，10(4)：12～35)、Filter-U和Filter-V(参见David H C，Robert W S.Adaptive IIR Filterted-V Algorithms for ANC.J Acoust Soc Am，1997，101(4)：2097～2103)等算法。

但是，在手机应用中，由于扬声器不仅要播放消声信号y(t)，还要播放接收到的来自手机接收端R1的对方话音信号r(t)，所以反馈麦克风M2无法直接采集到剩余声音信号e(t)，而只能采集到x(t)＝A×r(t+τ)+e(t)，即对方话音和降噪后的环境噪声的混合声音x(t)。其中，τ是对方话音信号r(t)的延迟，A是对方话音信号r(t)的幅度衰减值。所以，本发明通过使用一个前馈消声装置S1将对方话音r(t)从采集到的x(t)中消去，则剩下的声音信号即为剩余声音信号e(t)，该剩余声音信号e(t)可用于有源自适应降噪模块S2作为其反馈输入信号。通过有源自适应降噪模块S2对剩余声音信号e(t)和通过麦克风M1采集到的噪音信号n(t)的分析计算，计算出e(t)对n(t)的延迟和衰减，然后把计算结果反向提供给扬声器Y1，即正好和传播到扬声器Y1处的噪音信号相位相反、幅度相同，从而与环境噪声互相抵消，让用户最终只听到清晰的对方话音。

前馈消声模块的目的是计算一个声音信号消除了一个非常相似的声音信号之后的剩余声音信号e(t)。在第一降噪处理装置中，即是计算从对方话音和降噪后的环境噪声的混合声音x(t)消除对方话音信号r(t)之后的剩余声音信号e(t)。即当各信号满足关系x(t)＝A×r(t+τ)+e(t)时，在幅度衰减值A和信号延迟τ未知的情况下，通过x(t)和r(t)估计e(t)。计算延迟τ和衰减A可通过互相关函数的极值：

$R_{\mathrm{xr}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{n}\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t\right)r(t+\mathrm{\τ})$

式中，n是信号的长度，R_xr(τ)是x(t)和r(t)的互相关函数。R_xr(τ)取得极大值时的τ：

$\widehat{\mathrm{\τ}}=\arg \underset{\mathrm{\τ}}{\max }{R}_{\mathrm{xr}}\left(\mathrm{\τ}\right)$

即对应于r(t)分量的延迟。r(t)的衰减幅度则可在求得延迟后通过对各时间点的信号幅度差别求平均获得：

$\hat{A}=\frac{1}{n}\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{x\left(t\right)}{r(t+\widehat{\mathrm{\τ}})}$

于是，e(t)即可通过x(t)和r(t)计算：

$e\left(t\right)\≈x\left(t\right)-\hat{A}r(t+\widehat{\mathrm{\τ}})$

通过第一降噪处理装置中的第一前馈消声模块S1和有源自适应降噪模块S2的上述计算和处理，即可得到对方清晰的话音。

在手机发送通道，也即第二降噪处理装置中，麦克风(M3、M4)采集的声音信号s₁(t)和s₂(t)，即包含用户的话音s(t)，又包含环境噪音信号n(t)：

s₁(t)＝s(t)+A₁n(t+τ₁)+e₁(t)

s₂(t)＝s(t)+A₂n(t+τ₂)+e₂(t)

式中e₁(t)和e₂(t)是因为麦克风处(M3、M4)处于不同位置而采集到的噪声中略有差异的分量。可见，s₁(t)和s₂(t)之间也满足上面所述的前馈消声条件，即前馈消声模块的目的是计算一个声音信号消除了一个非常相似的声音信号之后的剩余声音信号e(t)。所以同样可以利用前馈消声技术首先把环境噪音信号n(t)从s₁(t)和s₂(t)中消除，也即通过第二前馈消声模块S3和第三前馈消声模块S4分别进行第一步降噪处理，得到第一次降噪后的声音信号s′₁(t)和s′₂(t)：

$s_1^{\′}\left(t\right)=s_1\left(t\right)-{\hat{A}}_{1}n(t+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_1)\≈s\left(t\right)+e_1\left(t\right)$

$s_2^{\′}\left(t\right)=s_2\left(t\right)-{\hat{A}}_{2}n(t+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_2)\≈s\left(t\right)+e_2\left(t\right)$

消除n(t)后，e₁(t)和e₂(t)将主要是非相关的残余噪声，也即e₁(t)+e₂(t)≈0。所以，如果把s′₁(t)和s′₂(t)对齐后平均，则噪声将被进一步消除。而s′₁(t)和s′₂(t)同样满足上面所述前馈消声条件。于是，通过再次利用前馈消声技术，也即通过第四前馈消声模块S5，通过s′₁(t)和s′₂(t)估计e₂(t)并计算用户话音s(t)：

${\hat{e}}_2\left(t\right)=s_2^{\′}\left(t\right)-{\hat{A}}_3{s}_1^{\′}(t+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_3)$

$s\left(t\right)\≈s_2^{\′}\left(t\right)-{\hat{e}}_2\left(t\right)$

依据上述公式原理，将通过第四前馈消声模块S5得到估计的剩余声音信号e₂(t)经反向模块S6向叠加电路模块S7施加一与e₂(t)相位相反、幅度相同的

获得从s′₂(t)中消去估计的剩余声音信号后得到的清晰用户话音。发送出去的话音经过两步降噪处理，将极大地降低其中的噪声信号，得到清晰的用户话音。

当然，上述的双向有源降噪装置通过两步降噪处理得到更清晰的话音，其也可以只进行一步降噪处理得到比较清晰的话音。

Claims (2)

1.一种用于手机的双向有源降噪装置，其特征在于，包括第一降噪处理装置、第二降噪处理装置，其中：

所述第一降噪处理装置包括三个输入端和一个输出端；其中，第一输入端用于接收对方话音信号，其分别与所述输出端和第一前馈消声模块电连接；第二输入端用于采集环境噪音信号，其与一有源自适应降噪模块电连接；第三输入端位于所述输出端旁侧，用于采集降噪后声音数据，其通过所述第一前馈消声模块与所述有源自适应降噪模块电连接；所述有源自适应降噪模块与所述输出端电连接；所述第一前馈消声模块通过降噪处理获得背景噪声经所述有源自适应降噪之后的残余声音信号；所述有源自适应降噪装置将所述残余声音信号与所述环境噪音信号进行反馈式有源降噪处理，获得清晰的对方话音信号；

所述第二降噪处理装置包括两个输入端和一个发送端；其中两个输入端分别为第四输入端、第五输入端，所述第四输入端和第五输入端分别采集用户话音信号；所述第四输入端与第二前馈消声装置电连接，所述第二前馈消声装置与第四前馈消声装置电连接；所述第五输入端与第三前馈消声装置电连接，所述第三前馈消声装置分别与所述第四前馈消声装置和所述发送端电连接；所述第四前馈消声装置通过一反向模块与所述发送端电连接；所述的第二输入端分别与所述第二前馈消声装置和第三前馈消声装置电连接；

所述的第一、第二、第三、第四前馈消声装置是把第二个输入声音数据从第一个输入声音数据中消去；

所述反向模块获得噪音信号相位相反、幅度匹配的噪音反相信号并输出与经过第一次降噪的用户话音信号叠加获得清晰的用户话音。

2.根据权利要求1所述的用于手机的双向有源降噪装置，其特征在于所述第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端均为麦克风；所述输出端为扬声器。

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