CN102306496A - 一种多麦克风阵列噪声消除方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种多麦克风阵列噪声消除方法、装置及系统，以解决现有技术中存在的多麦克风阵列不能很好的抑制宽带噪声，无法适用于越来越普遍的宽带通信的问题。本发明实施例的方法包括：根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带；将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低；对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号；对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。本发明的实施例可以应用在免提视频通话的场景中。

Description

一种多麦克风阵列噪声消除方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及语音增强技术领域，具体涉及一种利用多麦克风阵列技术进行噪声消除的方法、装置及系统。

背景技术

目前最常用的多麦克风阵列技术是fixed beamforming(固定的波束成形)技术，即将多个麦克风的信号进行加权求和，利用声音的方向特性，保留特定方向的声音信号，抑制其它方向的噪声信号。但是这种技术只对窄带的噪声有明显的降噪效果，而且不同的麦克风间距有效降噪的频带不同，小间距对高频的窄带降噪效果优于低频，大间距对低频的窄带降噪效果优于高频。而在目前网络通信中由于通信带宽较宽，因此只对窄带噪声有效的技术已不能满足要求。

为了解决宽带噪声的抑制问题，又提出constant beamwidth beamforming(波束宽度恒定的波束成形)技术，利用数量很多的麦克风组成有各种麦克风间距的麦克风阵列，每种麦克风间距对某个窄带成分有良好的降噪效果，把这些在各个窄带成分的降噪效果综合起来得到较好的宽带降噪效果。但是这种技术要求麦克风的数目很多，而且为了在低频带能达到好的降噪效果需要麦克风的间距很大，导致整个麦克风阵列的尺度很大，因此很不符合目前网络和TV摄像头小巧的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的多麦克风阵列不能很好的抑制宽带噪声，无法适用于越来越普遍的宽带通信的问题，本发明的实施例提供了一种多麦克风阵列噪声消除方法、装置及系统，可以在宽带通信中有效地抑制全频带的噪声。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，公开了一种多麦克风阵列噪声消除方法，包括：

根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带；

将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低；

对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号；

对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。

并且优选地，本发明实施例的方法还可以包括：

根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的自适应滤波器输入所述控制参数。

另一方面，公开了一种多麦克风阵列噪声消除装置，包括：

子带分解单元，用于根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带；将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低；

自适应滤波器，用于对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号；

子带合成单元，用于对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。

并且优选地，本发明实施例的装置还可以包括：

降噪控制单元，用于根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的所述自适应滤波器输入所述控制参数。

再一方面，还公开了一种多麦克风阵列噪声消除系统，包括：

多麦克风阵列，所述多麦克风阵列由三个或三个以上的等间距或不等间距的麦克风组成；和，

上述的多麦克风阵列噪声消除装置，用于对所述多麦克风阵列采集到的信号进行降噪处理。

由此可知，本发明的实施例的上述技术方案利用了多麦克风阵列组成的不同的麦克风间距，把全频带分解成与不同间距数量相同数量的子带，通过将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，然后对不同间距的每对麦克风的信号在相应的子带内进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号，最后对各个子带降噪后的信号进行合成得到全频带降噪后的信号，从而在宽带通信中有效地抑制了全频带的噪声，解决了现有技术中多麦克风阵列不能很好的进行宽带噪声抑制，无法适用于越来越普遍的宽带通信的问题，达到了可以利用较少的麦克风和较小尺度的麦克风阵列即可对宽频带内的噪声进行有效抑制的目的。

并且进一步地，通过根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的自适应滤波器输入该控制参数用于控制其更新速度，能够对宽频带内的噪声进行有效抑制的同时并很好的保证语音质量，提高全频带的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多麦克风阵列噪声消除方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种等间距四麦克风阵列的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种等间距四麦克风阵列的应用场景示意图；

图4为本发明实施例提供的一种非等间距三麦克风阵列的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一个非等间距四麦克风阵列的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种等间距四麦克风阵列噪声消除原理示例图；

图7为本发明实施例提供的一种根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数的方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的一种等间距四麦克风阵列获取自适应滤波器控制参数一种实施方式的原理示意图；

图9为本发明实施例提供的一种等间距四麦克风阵列获取自适应滤波器控制参数另一种实施方式的原理示意图；

图10为本发明实施例提供的一种多麦克风阵列噪声消除装置的功能单元示意图；

图11为本发明实施例提供的降噪控制单元的一种结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种多麦克风阵列噪声消除系统组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种多麦克风阵列噪声消除方法，包括：

S11，根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带。

以如图2所示的等间距四麦克风阵列为例，其应用场景见图3，四个麦克风组成一个等间距麦克风阵列，用于抑制来自侧向的噪声信号，保留来自正前方的用户语音。四个麦克风MIC1，MIC2，MIC3和MIC4之间有三种不同的间距：MIC1和MIC4的间距D14；MIC1和MIC3的间距D13；MIC1和MIC2的间距D12。利用这三种不同的麦克风间距可以将全频带划分成对应从低到高的三个子带：低频、中频和高频。

以图4所示的非等间距三麦克风阵列为例，三个麦克风MIC1，MIC2和MIC3之间也有三种不同的间距：MIC1和MIC3的间距D13；MIC1和MIC2的间距D12；MIC2和MIC3的间距D23。利用这三种不同的麦克风间距可以将全频带划分成对应从低到高的三个子带：低频、中频和高频。

再以图5所示的非等间距四麦克风阵列为例，四个麦克风MIC1，MIC2，MIC3和MIC4之间最多有六种不同的间距：MIC1和MIC4的间距D14；MIC1和MIC3的间距D13；MIC1和MIC2的间距D12；MIC2和MIC4的间距D24；MIC3和MIC4的间距D34；MIC2和MIC3的间距D23。利用这六种不同的麦克风间距可以将全频带划分成对应从低到高的六个子带：低频、中频1、中频2、中频3、中频4和高频。

S12，将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低。

仅以图2所示的等间距四麦克风阵列为例，参见图6所示的噪声消除原理：四个麦克风MIC1，MIC2，MIC3和MIC4采集到的信号分别是s₁，s₂，s₃，s₄。其中间距最小的MIC1和MIC2的信号s₁和s₂经过子带分解单元被分解到高频的子带内，得到其中的高频成分信号s₁₁，s₂₁；间距居中的MIC1和MIC3的信号s₁和s₃经过子带分解单元被分解到中频的子带内，得到其中的中频成分信号s₁₂，s₃₂；间距最大的MIC1和MIC4的信号s₁和s₄经过子带分解单元被分解到低频的子带内，得到其中的低频成分信号s₁₃，s₄₃。

其中，为将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，一种简单的子带分解方法是分别选择合适的低通、带通和高通的滤波器分别对信号进行滤波得到低频、中频和高频信号；另一种更复杂和精确的子带分解方法是利用分析滤波器组把信号分解到低、中、高三个频带。

S13，对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号。

仍以图2所示的等间距四麦克风阵列为例，参见图6所示的噪声消除原理：间距最小的MIC1和MIC2的信号s₁和s₂在高频子带的分解信号s₁₁，s₂₁，这两个信号经过一个自适应滤波器H₁滤除s₁₁信号中来自侧向的高频噪声信子同时保留了来自正前方的高频用户语音，得到高频子带的输出信号y1；间距居中的MIC1和MIC3的信号s₁和s₃在中频子带的分解信号s₁₂，s₃₂，这两个信号经过一个自适应滤波器H₂滤除s₁₂信号中来自侧向的中频噪声信号，同时保留了来自正前方的中频用户语音，得到中频子带的输出信号y2；间距最大的MIC1和MIC4的信号s₁和s₄在低频子带的分解信号s₁₃，s₄₃，这两个信号经过一个自适应滤波器H₃滤除s₁₃信号中来自侧向的低频噪声信号，同时保留了来自正前方的低频用户语音，得到低频子带的输出信号y3。

具体地，以自适应滤波器H1为例，s21信号作为参考信号输入到自适应滤波器H1进行滤波，输出信号与期望信号s11相减得到信号y1，同时y1反馈回自适应滤波器更新滤波器权值，以使得滤波器的输出信号逼近s11，使得y1的能量最小。当麦克风阵列接收到噪声信号时，自适应滤波器不停地自适应更新使得y1能量最小也就是噪声能量最小，从而达到在高频的降噪效果。同样的原理，自适应滤波器H2，H3分别在中频和低频进行降噪。

S14，对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。

根据采用的子带分解的方法选择子带合成方法：对于选择合适的低通、带通和高通的滤波器分别对信号进行滤波得到相应的子带内的分解信号的子带分解方法，则采用把各个子带降噪后的信号直接相加的子带合成方法得到全频带降噪后的信号；对于利用分析滤波器组得到相应的子带内的分解信号的子带分解方法，则采用相对应的综合滤波器组对各个子带降噪后的信号进行合成的子带合成方法得到全频带降噪后的信号。

在图6所示的等间距四麦克风阵列噪声消除原理示例图中，例如子带合成单元可以把三个频带得到的降噪后信号相加得到全频带信号：y＝y1+y2+y3。

由此可知，本发明实施例的多麦克风阵列噪声消除方法，利用了多麦克风阵列组成的不同的麦克风间距，把全频带分解成与不同间距数量相同数量的子带，通过将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，然后对不同间距的每对麦克风的信号在相应的子带内进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号，最后对各个子带降噪后的信号进行合成得到全频带降噪后的信号，从而在宽带通信中有效抑制了全频带的噪声，解决了现有技术中多麦克风阵列不能很好的进行宽带噪声抑制，无法适用于越来越普遍的宽带通信的问题，达到了可以利用较少的麦克风和较小尺度的麦克风阵列即可对宽频带内的噪声进行有效抑制的目的。

优选地，本发明实施例的多麦克风阵列噪声消除方法，还包括：

根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的自适应滤波器输入所述控制参数。

在上述步骤S13对不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪过程中，对麦克风阵列接收到用户语音，若自适应滤波器仍然自由更新就会也把语音当作噪声消除。因此需要对自适应滤波器的更新进行控制，在只存在噪声时让自适应滤波器自由更新有效抑制噪声，当存在语音时停止自适应滤波器的更新，保证语音不会被抑制。其中自适应滤波器可以选用时域滤波器、频域滤波器和子带滤波器。对于频率自适应滤波或子带自适应滤波，需要把全频带的信号分别变换到频域或子带后进行自适应滤波，然后再变换回时域信号。

如图7所示，本发明实施例给出了一种根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数的方法，包括：

S71，对多麦克风阵列的每个麦克风的信号做离散傅立叶变换转换到频域；

S72，在频域上计算不同间距的每对麦克风的信号的相对延时；

S73，根据所述每对麦克风的相对延时和不同间距计算每对麦克风的信号入射角；

S74，统计所述每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出自适应滤波器的控制参数。

以等间距四麦克风阵列为例，首先把4个MIC信号s₁，s₂，s₃，s₄进行离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)变换到频域；接着计算出MIC1和MIC2，MIC1和MIC3，MIC1和MIC4三对麦克风信号的相位差，并由相位差计算出每对麦克风信号的相对延时；然后根据每对麦克风信号的相对延时和麦克风的间距可以计算出每对麦克风的信号入射角，三对麦克风求出三个信号入射角；最后统计这三个信号入射角在保护角内的成分多少，从而获取自适应滤波器的控制参数。

由信号入射角可以控制自适应滤波器的更新，信号入射角在保护角内则认为是正向用户语音，自适应滤波器应停止更新，在保护角外则认为是侧向噪声，自适应滤波器可自由更新。在不同子带内进行自适应降噪的自适应滤波器的控制参数可以相同也可以不同。

例如，参见图8，可以对全频带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少进行统计，根据统计结果换算出全频带统一的自适应滤波器的控制参数α(0≤α≤1)，在保护角内的目标信号成分越多，α越小，自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的目标信号成分时α＝0，自适应滤波器不更新，保护目标语音信号；反之保护角外的噪声成分越多α越大，自适应滤波器更新越快，全是保护角外的噪声成分时α＝1，自适应滤波器最快更新，抑制噪声信号。

例如，参见图9，也可分别统计各个子带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出各个子带各自的自适应滤波器的控制参数α_i(0≤α_i≤1，i表示子带)，在保护角外的目标信号成分越多入射角度越大α_i越大，该子带上的更新速度越快。第i个子带的信号成分全是保护角内的目标语音时α_i＝0，该子带的自适应滤波器系数不更新，保护该子带的目标语音成分；第i个子带的信号成分全在保护角外时α_i＝1，该子带上的自适应滤波器系数最快更新，抑制该子带的噪声成分。

本发明的优选实施例通过根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的自适应滤波器输入该控制参数用于控制其更新速度，能够对宽频带内的噪声进行有效抑制的同时并很好的保证语音质量，提高全频带的信噪比。

如图10所示，本发明实施例提供的一种多麦克风阵列噪声消除装置，包括：

子带分解单元101，用于根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带；将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低；

自适应滤波器102，用于对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号；

子带合成单元103，用于对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。

具体地，所述子带分解单元101可以选择合适的低通、带通和高通的滤波器对不同间距的每对麦克风的信号分别进行滤波得到相应的子带内的信号；或者，利用分析滤波器组将构成不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内。

相应地，所述子带合成单元103在所述子带分解单元101选择合适的低通、带通和高通的滤波器分别对信号进行滤波得到相应的子带内的分解信号时，则采用把各个子带降噪后的信号直接相加的子带合成方法得到全频带降噪后的信号；所述子带合成单元103在所述子带分解单元101利用分析滤波器组得到相应的子带内的分解信号时，则采用相对应的综合滤波器组对各个子带降噪后的信号进行合成的子带合成方法得到全频带降噪后的信号。

并且优选地，仍参见图10，本发明实施例的多麦克风阵列噪声消除装置还包括：

降噪控制单元104，用于根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的所述自适应滤波器102输入所述控制参数。

进一步地，参见图11本发明实施例提供的降噪控制单元的一种结构示意图，所述降噪控制单元104可以包括：

DFT模块1041，用于对所述多麦克风阵列的每个麦克风的信号做离散傅立叶变换转换到频域；

时延计算模块1042，用于在频域上计算不同间距的每对麦克风信号的相对延时；

方向计算模块1043，用于根据所述相对延时和不同间距计算每对麦克风的信号入射角；以及，

控制参数获取模块1044，用于统计所述每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出自适应滤波器的控制参数。

一种实施例方式，所述控制参数获取模块1044可以为全频带控制参数获取模块，用于统计全频带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出全频带统一的自适应滤波器的控制参数α，其中0≤α≤1，并且在保护角内的成分越多α越小，自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的成分时α＝0，自适应滤波器不更新；反之保护角外的成分越多α越大，自适应滤波器更新越快，全是保护角外的成分时α＝1，自适应滤波器最快更新。

另一种实施例方式，所述控制参数获取模块1044可以为子带控制参数获取模块，用于分别统计各个子带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出各个子带各自的自适应滤波器的控制参数α_i，其中0≤α_i≤1，i表示子带，并且在保护角内的成分越多α_i越小，该子带的自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的成分时α_i＝0，该子带的自适应滤波器不更新，反之保护角外的成分越多α_i越大，该子带的自适应滤波器更新越快，全是保护角外的成分时α_i＝1，该子带的自适应滤波器最快更新。

本发明的上述装置实施例中的各功能单元或模块的具体工作方法可参见本发明的方法实施例。可以理解，本发明实施例提供的多麦克风阵列噪声消除装置可以由硬件逻辑或软件实现，装置中的各个功能单元或模块可以集成于一体，也可以分离部署；多个功能单元或模块可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元。

由此可知，本发明实施例提供的多麦克风阵列噪声消除装置，利用了多麦克风阵列组成的不同的麦克风间距，把全频带分解成与不同间距数量相同数量的子带，通过子带分解单元101将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，然后由自适应滤波器102将不同间距的每对麦克风的信号在相应的子带内进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号，最后由子带合成单元103通过对各个子带降噪后的信号进行合成得到全频带降噪后的信号，从而能够在宽带通信中有效地抑制全频带的噪声，解决了现有技术中多麦克风阵列不能很好的进行宽带噪声抑制，无法适用于越来越普遍的宽带通信的问题，达到了可以利用较少的麦克风和较小尺度的麦克风阵列即可对宽频带内的噪声进行有效抑制的目的。

并且优选地，通过降噪控制单元104根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的自适应滤波器输入该控制参数用于控制其更新速度，能够对宽频带内的噪声进行有效抑制的同时并很好的保证语音质量，提高全频带的信噪比。

如图12所示，本发明实施例还提供一种多麦克风阵列噪声消除系统，包括：

多麦克风阵列，所述多麦克风阵列由三个或三个以上的等间距或不等间距的麦克风组成；和，

上述的本发明实施例的多麦克风阵列噪声消除装置，用于对所述多麦克风阵列采集到的信号进行降噪处理。

可以理解，本发明上述实施例的技术方案适用于三个或三个以上的麦克风组成的等间距或不等间距的多麦克风阵列，其中麦克风不限指向，可以为单指向麦克风也可以为全指向麦克风。并且多麦克风阵列构成的不同麦克风间距的数量越多，全频带划分的子带越多越窄，从而利用本发明提供的技术方案获得的降噪效果越好。

下面采用一个具体实施例对本发明的上述技术方案做进一步说明。

参见图2，四个麦克风MIC1、MIC2、MIC3、MIC4组成一个等间距的麦克风阵列，相邻麦克风的间距D＝2cm，使用者在图3所示的应用场景中的-45度与45度间的范围内说话。四个麦克风以f_s＝16kHz的采样频率分别接收到信号s₁、s₂、s₃、s₄。本发明的处理过程参见图6：

步骤1：这四路信号首先经过降噪控制单元在频域中估计出信号的入射角从而计算出控制参数α以控制自适应滤波器更新。

具体实施：对信号s₁、s₂、s₃、s₄做离散傅立叶变换：首先对s_i进行分帧处理(i＝1～4)，每帧N个采样点，或帧长10ms～32ms，设第m帧信号是d_i(m，n)，其中0≤n＜N，0≤m。相邻两帧有M个采样点的混叠，即当前帧的前M个采样点是前一帧的最后M个采样点，每帧只有L＝N-M个采样点的新数据。因此第m帧数据为d_i(m，n)＝s_i(m*L+n)。本实施方案取帧长N＝512，即32ms，混叠M＝256，即50％的混叠。分帧处理后对每帧信号用窗函数win(n)进行加窗处理，加窗后的数据为g_i(m，n)＝win(n)*d_i(m，n)。窗函数可选择汉明窗，汉宁窗等窗函数，本实施方案选取汉宁窗

$\mathrm{win}\left(n\right)=0.5(1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N-1}\right)),$

加窗后的数据最后进行DFT转换到频域

$G_i(m,k)e^{-j{\mathrm{\φ}}_i(m,k)}=\frac{2}{N}*\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i(m,n)e^{-j2\mathrm{\πnk}/N},$

其中

是频率子带，G_i(m，k)是幅度，φ_i(m，k)是相位。

计算相对延时：计算信号s_i和s_j的相对延时

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ij}}(m,k)=\frac{{\mathrm{\φ}}_i(m,k)-{\mathrm{\φ}}_j(m,k)}{{2\mathrm{\πf}}_s},$ 其中ij＝12，13，14。

计算信号入射角：根据s_i和s_j的相对延时计算信号入射角

θ_ij(m，k)＝arcsin(ΔT_ij(m，k))。

获取控制参数：根据全频带内的每对麦克风(ij＝12，13，14)的信号入射角统计在保护角内[-45°45°]的成分得到自适应滤波器更新的控制参数α，α是0～1之间的数，由频率成分在保护角内的多少决定。频率成分在保护角内的个数是0时，α＝1；频率成分在保护角外的个数为0时，α＝0。

步骤2：s₁、s₂、s₃、s₄通过子带分解单元分解到高频信号s₁₁和s₂₁，中频信号s₁₂和s₃₂，低频信号s₁₃和s₄₃。

具体实施：s₁、s₂通过截止频率为3kHz的高通滤波器得到高频信号s₁₁和s₂₁；s₁、s₃通过截止频率为1kHz和3kHz的带通通滤波器得到中频信号s₁₂和s₃₂；s₁、s₄通过截止频率为1kHz的低通滤波器得到低频信号s₁₃和s₄₃。

步骤3：s₁₁和s₂₁经过由控制参数α控制更新的时域自适应滤波器H₁，得到降噪后的高频成分y₁；s₁₂和s₃₂经过由控制参数α控制更新的时域自适应滤波器H₂，得到降噪后的中频成分y₂；s₁₃和s₄₃经过由控制参数α控制更新的时域自适应滤波器H₃，得到降噪后的低频成分y₃。

具体实施：自适应滤波器是一个阶长为P(P≥1)的FIR滤波器，滤波器H_j的权值是

本实施方案P＝64。H_j滤波的滤波结果是

y_j(n)＝s_1j(n)-(w_j(0)*s_(j+1)j(n)+w_j(1)*s_(j+1)j(n-1)+...+w_j(P-1)*s_(j+1)j(n-P+1))，

其中j＝1，2，3，

y_j(n)反馈回自适应滤波器H_j进行滤波器权值

的更新：

${\stackrel{\→}{w}}_j\left(n\right)=\stackrel{\→}{w_j}\left(n\right)+\mathrm{\μ}*y_j\left(n\right)*\stackrel{\→}{s_{(j+1)j}}\left(n\right),$

其中 $\stackrel{\→}{s_{(j+1)j}}\left(n\right)=[s_{(j+1)j}\left(n\right),s_{(j+1)j}(n-1),...,s_{(j+1)j}(n-P+1)],$

其更新速度μ受参数α的控制，本实施方案μ＝0.3*α。当α＝1，即信号中全是噪声成分，μ＝0.3，自适应滤波器快速收敛到y_j(n)能量最小，从而消除噪声。当α＝0，即信号中全是目标语音成分，μ＝0，自适应滤波器停止更新，从而语音成分不会被抵消，输出y_j(n)中保留了语音成分。当0＜α＜1时，即麦克风采集到的信号中同时有语音成分和噪声成分，这时自适应滤波器更新速度由语音成分和噪声成分的多少来控制，以保证消除噪声的同时保留语音成分。

步骤4：高频信号y1，中频信号y2和低频信号y3经过子带合成单元得到全频带降噪后的信号y。本实施方案中把三个频带得到的降噪后信号相加得到全频带信号：y(n)＝y₁(n)+y₂(n)+y₃(n)。

需要说明的是，本实施方案选取的保护范围是-45°～45°，但在实际中可根据用户的实际位置与需求做调整。麦克风的数量也不限于四个，只要麦克风数量≥3都适用，并且相邻的麦克风间距也不需要相等。更多的麦克风和更多的麦克风的间距可以把信号分解到更多更窄的子带内进行更精细的自适应降噪处理，从而获得更好的降噪效果。

另外可以理解，本发明各实施例在各个子带进行自适应降噪处理中，可以利用时域自适应滤波器降噪，但不限于时域自适应滤波器，也可利用频域或子带自适应滤波器降噪。另外，本发明可以使用低通，带通和高通滤波器来进行子带分解和各子带成分相加来进行子带合成，也可使用更精确的子带分解和合成方法，例如利用分析滤波器组和综合滤波器组的方式来减小子带分解和合成带来的信号失真。

最后需要说明是，本发明实施例提供的多麦克风阵列噪声消除方法、装置及系统，可以应用在免提视频通话的场景中，通过消除免提视频通话中存在的噪声，回声和混响，增强远场语音，从而达到全频带提高信噪比的效果，使得免提通话更清晰流畅。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种多麦克风阵列噪声消除方法，其特征在于，包括：

根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带；

将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低；

对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号；

对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的自适应滤波器输入所述控制参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数包括：

对多麦克风阵列的每个麦克风的信号做离散傅立叶变换转换到频域；

在频域上计算不同间距的每对麦克风信号的相对延时；

根据所述相对延时和不同间距计算每对麦克风的信号入射角；以及，

统计所述每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出自适应滤波器的控制参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述统计每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出自适应滤波器的控制参数包括：

统计全频带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出全频带统一的自适应滤波器的控制参数α，

其中0≤α≤1，并且在保护角内的成分越多α越小，自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的成分时α＝0，自适应滤波器不更新；反之保护角外的成分越多α越大，自适应滤波器更新越快，全是保护角外的成分时α＝1，自适应滤波器最快更新。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述统计每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出自适应滤波器的控制参数包括：

分别统计各个子带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出各个子带各自的自适应滤波器的控制参数α_i，

其中0≤α_i≤1，i表示子带，并且在保护角内的成分越多αi越小，该子带的自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的成分时α_i＝0，该子带的自适应滤波器不更新，反之保护角外的成分越多α_i越大，该子带的自适应滤波器更新越快，全是保护角外的成分时α_i＝1，该子带的自适应滤波器最快更新。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内包括：

选择合适的低通、带通和高通的滤波器对不同间距的每对麦克风的信号分别进行滤波得到相应的子带内的分解信号；

或者，利用分析滤波器组将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号包括：

对于选择合适的低通、带通和高通的滤波器分别对信号进行滤波得到相应的子带内的分解信号的子带分解方法，则采用把各个子带降噪后的信号直接相加的子带合成方法得到全频带降噪后的信号；

对于利用分析滤波器组得到相应的子带内的分解信号的子带分解方法，则采用相对应的综合滤波器组对各个子带降噪后的信号进行合成的子带合成方法得到全频带降噪后的信号。

8.根据权利要求2-5任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪包括：

获取不同间距的每对麦克风在其相应的子带的两路信号，以其中一路信号作为期望信号，另一路作为参考信号；

将所述参考信号输入到自适应滤波器进行滤波，将滤波后信号与所述期望信号相减得到输出信号，同时将所述输出信号反馈回所述自适应滤波器更新所述自适应滤波器的权值；并且，

通过所述控制参数控制所述自适应滤波器的更新速度。

9.一种多麦克风阵列噪声消除装置，其特征在于，包括：

子带分解单元，用于根据所述多麦克风阵列的每对麦克风构成的不同间距的数量，把全频带划分成相同数量的子带；将不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内，其中，间距越大的每对麦克风的信号其被分解到的子带的频率越低；

自适应滤波器，用于对所述不同间距的每对麦克风在其相应的子带内的分解信号进行自适应降噪，得到各个子带降噪后的信号；

子带合成单元，用于对所述各个子带降噪后的信号进行合成得到所述多麦克风阵列在全频带降噪后的信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

降噪控制单元，用于根据保护角内目标信号成分的多少获取自适应滤波器的控制参数，并向在相应的子带内进行自适应降噪的所述自适应滤波器输入所述控制参数。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述降噪控制单元包括：

DFT模块，用于对所述多麦克风阵列的每个麦克风的信号做离散傅立叶变换转换到频域；

时延计算模块，用于在频域上计算不同间距的每对麦克风信号的相对延时；

方向计算模块，用于根据所述相对延时和不同间距计算每对麦克风的信号入射角；以及，

控制参数获取模块，用于统计所述每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出自适应滤波器的控制参数。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制参数获取模块为：

全频带控制参数获取模块，用于统计全频带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出全频带统一的自适应滤波器的控制参数α，其中0≤α≤1，并且在保护角内的成分越多α越小，自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的成分时α＝0，自适应滤波器不更新；反之保护角外的成分越多α越大，自适应滤波器更新越快，全是保护角外的成分时α＝1，自适应滤波器最快更新。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制参数获取模块为：

子带控制参数获取模块，用于分别统计各个子带内的每对麦克风的信号入射角在保护角内的成分多少，根据统计结果换算出各个子带各自的自适应滤波器的控制参数α_i，其中0≤α_i≤1，i表示子带，并且在保护角内的成分越多α_i越小，该子带的自适应滤波器更新越慢，全是保护角内的成分时α_i＝0，该子带的自适应滤波器不更新，反之保护角外的成分越多α_i越大，该子带的自适应滤波器更新越快，全是保护角外的成分时α_i＝1，该子带的自适应滤波器最快更新。

14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述子带分解单元具体用于选择合适的低通、带通和高通的滤波器对不同间距的每对麦克风的信号分别进行滤波得到相应的子带内的信号；或者，利用分析滤波器组将构成不同间距的每对麦克风的信号分解到相应的子带内。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述子带合成单元具体用于，对于所述子带分解单元选择合适的低通、带通和高通的滤波器分别对信号进行滤波得到相应的子带内的分解信号的子带分解方法时，则采用把各个子带降噪后的信号直接相加的子带合成方法得到全频带降噪后的信号；对于所述子带分解单元利用分析滤波器组得到相应的子带内的分解信号的子带分解方法时，则采用相对应的综合滤波器组对各个子带降噪后的信号进行合成的子带合成方法得到全频带降噪后的信号。

16.一种多麦克风阵列噪声消除系统，其特征在于，包括：

多麦克风阵列，所述多麦克风阵列由三个或三个以上的等间距或不等间距的麦克风组成；和，

权利要求9-15任一项所述的多麦克风阵列噪声消除装置，用于对所述多麦克风阵列采集到的信号进行降噪处理。

Images