CN102461132B - 噪声抑制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制通信设备内噪声的方法。构思在于：将无线电活动和/或无线电传输功率方面的与无线电传输有关的一些信息转达给噪声抑制模块。然后该模块优选地使用此信息以抑制无线电通道噪声。

Description

噪声抑制

技术领域

本发明涉及一种噪声抑制的方法。更具体地，提出的方法能够抑制包括音频通道上的突发噪声的总噪声。本发明还涉及一种对应的用于抑制噪声的模块，包括该模块的移动设备以及计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于执行所述方法的步骤的指令。

背景技术

在音频通道开放时存在无线电信号突发的系统中，会出现常见的音频噪声问题，称为“突发噪声”或“时分复用访问(TDMA)噪声”。此问题尤其存在于麦克风作为音频的电源的上行链路中。实际上，麦克风信号非常低，约mV，且任何大于μV的噪声能够被听到。突发噪声确实令人讨厌，且优选地必须去除。

由于在无线电传输中使用的两个常见的耦合机制，在音频通道中存在此突发噪声：

-当传输时，无线电功率放大器消耗大量电流，而当不进行传输时，电流消耗非常低。由于电池阻抗，此电流消耗变化对用于整个产品的电池供电产生电压变化。系统的音频部分由相同的电池电压供电。因此，取决于方案的电源抑制比，此信号部分地注入音频通道。

-在无线电传输期间，由于天线，在产品上会产生大的电磁场。此无线电信号的相对较大的部分将注入音频部分。由于音频系统的组成是基于几乎非线性的晶体管，因此无线电信号会被整流。由于整流，无线电信号将直流分量注入音频通道中。由于无线电活动包括信号突发，存在的DC分量是不连续的。这导致无线电功率放大器活动伴随着音频噪声。

因此，包括信号突发的无线电活动其本身在音频通道上产生噪声。此噪声电平在时间上不恒定：

-GSM/GPRS/EDGE电话能够在非连续的传输模式中工作，该非连续的传输模式也被称为DTX，以便减少电话消耗的电流。这会在本地语音未活动时发生。在这样的条件下，突发噪声也是不连续的。

-GSM/GPRS/EDGE电话能够改变无线电传输的功率。因此，突发噪声电平将跟随无线电的功率变化。

-无线电部分和音频通道之间的不同的耦合增益不是静态的。实际上，电话的本地环境影响天线以及传输模式和/或接收模式。因此，无线电功率放大器会消耗不同量的电流，且无线电信号注入音频通道的部分会变化。这导致非固定的耦合增益，该非固定的耦合增益意味着突发噪声的非固定电平。

已知的有多种用于减少突发噪声的方案。首先，一方案是基于减少耦合增益。无线电活动与音频通道的耦合会产生突发噪声。如果此耦合增益足够低，产生的突发噪声能够低到被听见。

减少耦合增益包括使用用于音频的有效供电通道，以获得高的电源抑制比。电池阻抗也必须为低。需要保护在印刷电路板(PCB)上路由的音频信号，例如通过一对被安置在屏蔽件之后的印刷电路板路由。必须在不同位置插入一些无源线性组件，以自音频线中排除无线电信号。

此方法具有这样的缺点：无源组件和有效供电通道的添加需要成分。PCB板上的音频线路的布线可能非常麻烦。在一些产品上，由于它们的尺寸和机械设置，甚至不可能完全去除突发噪声。

第二，减少突发噪声的另一方法是基于突发噪声滤波器。突发噪声本身跟随信号突发。在GSM/GPRS/EDGE电话中，标准规定，在连续传输中每4.615ms期间产生一次突发的传输，且大多数时间在相同位置，即相同时隙。因此，突发噪声将是由216.7Hz的基波(1/4.615ms)以及其谐波组成的信号。因此，能够形成仅将这些频率阻止的滤波器，以消除突发噪声。

然而，此方法还具有缺点，即由于滤波器插入，语音信号本身在阻止频率上会衰减。因此，会显著损坏语音质量。

第三，还有一方法是基于噪声抑制器。为不同原因，电话嵌入噪声抑制器。在噪声抑制器中使用的算法可基于谱减法技术。它的功能原理是在没有语音活动的情况下估计噪声频谱，且在频域内减去此估计的噪声。与语音活动相比，因噪声形状比较恒定，该减法甚至在语音期间仍然有效。这样，即使存在语音信号也能够消除噪声。在连续的传输中，突发噪声也具有相当恒定的形状以及频谱。因此，一般的噪声抑制器对其会有消除的能力，从而减少突发噪声。

然而，如上所述，突发噪声仅在连续传输阶段具有恒定的形状。当电话工作在非连续传输模式下，噪声的频谱不再恒定，且噪声抑制器不能够正确地估计它，导致无效的消除。此外，GSM/GPRS/EDGE电话能够适应它们的无线电传输的功率突变，导致突发噪声的新的频谱的构成。这还驱使噪声抑制器对噪声的估计较差，导致非最理想的噪声消除。所以，噪声抑制器不能够考虑突然的频谱变化。因此，在基于GPRS的系统(由于在一帧中能够使用几个时隙用于传输)或一些3G系统(由于太复杂以及非恒定频谱)中，噪声抑制器无法正常工作。

因此，本发明的目的是通过提出一种用于噪声消除的改进方案，以克服上述困难以及缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种如权利要求1所述的噪声抑制的方法。

因此，本发明提供一种非常有效的用于噪声抑制而保留语音质量的方法。此外，突发噪声抑制是连续的。当无线电状态改变时，即使在活动语音期间(在此时间中，噪声估计通常停止)，所提出的方法也能够正确地消除突发噪声。由于有效的突发噪声消除，装置的PCB布线更简单且某些组件也能够被去除。

根据本发明的第二方面，提供一种由指令组成的计算机程序产品，当这些指令加载并运行在通信设备的计算装置上时可以实现根据本发明第一方面的方法。

根据本发明的第三方面，提供一种如权利要求14所述的用于噪声抑制的模块。

根据本发明的第四方面，提供移动设备，诸如移动电话，该移动设备包括用于噪声抑制的模块。

本发明的其他方面，在本文所附的从属权利要求中引述。

附图说明

通过如下参照附图的非限制性的示例性实施方式的描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

-图1示出通信装置的简化的框图；

-图2示出噪声分解为常规音频噪声和突发噪声的图表；

-图3示出自总噪声中获得突发噪声的另一图表；

-图4是示出根据本发明的用于抑制噪声的第一实施方式的流程图；和

-图5是示出根据本发明的用于抑制噪声的第二实施方式的流程图。

具体实施方式

接着，将参照附图更详细地描述本发明的一些实施方式。

图1示出通信装置100的简化的框图，该通信装置100被布置成实施根据本发明的噪声抑制方法。天线101被布置成接收无线电信号，且然后无线电信号被输入到收发单元103。信号处理器105处理接收的信号。诸如解调和解码的运行已经为本领域技术人员所熟知。处理的信号然后被传送到噪声模块107，该噪声模块107的运行在后文中将更详细地说明。中央处理单元(CPU)109控制装置的全面运行，且还被布置成改变无线电传输特性。在一实施中，信号处理和噪声抑制在CPU上进行。

在第一实施方式中，构想是基于噪声抑制器，该噪声抑制器的运行在上文已被简要说明。实际上，提出的噪声抑制方法本质上是自适应的，因此，将跟踪与电话本地环境变化相关的突发噪声或频谱的变化。

构想在于：将无线电活动方面与无线电传输有关的一些信息(通知连续/非连续的传输)以及无线电传输功率方面的与无线电传输有关的一些信息转发给噪声模块107，在此，称为噪声抑制器。然后，此信息由噪声抑制器107处理，以对所述估计的噪声预测校正。由于在本发明中估计的噪声将跟踪无线电传输的变化，对突发噪声本身的噪声抑制将是连续的。

GSM/GPRS/EDGE电话协议栈，尤其是第一层协议层，能够很好地分辨，在接下来的4.615ms中，无线电传输活动会是什么。协议栈也能分辨无线电功率放大器将运行在哪个功率电平。无线电传输活动以及无线电功率的信息被转发给噪声抑制器107。

当无线电活动恒定时，噪声抑制器107以其通常的方式运行。然后，它将估计常规音频噪声或常规音频噪声+突发噪声，且将其从音频信号中减去。这里，常规音频噪声被理解为例如麦克风/前置放大器的电噪声以及室内的声学噪声。

当无线电活动变化时，噪声抑制器107将必须重新计算估计的噪声，以跟踪突发噪声上具有的变化。当噪声抑制器107能够从其估计的总噪声中区分常规音频噪声和突发噪声时，此重新计算是可能的。那么，重新计算将在于，通过对估计的常规音频噪声频谱和校正的突发噪声频谱进行窗口到窗口的合并来计算新的总估计噪声频谱：

-如果无线电功率变化，通过相同因子校正估计的突发噪声频谱。例如，如果无线电功率自33dBm变化到31dBm，则估计的突发噪声频谱将减少2dB。

-如果无线电活动停止(当无线电中止时的非连续传输模式)，校正的突发噪声频谱为零。那么，噪声抑制器将只抑制常规音频噪声。

-如果无线电活动开始(当无线电重新开始传输时的非连续传输模式)，在之前的无线电活动阶段估计的突发噪声频谱被添加到常规音频噪声频谱。

运行的关键是噪声抑制器107能够在无线电状态变化时在其总噪声估计中区分常规音频噪声频谱和突发噪声频谱的能力。如上所述，在此示例中，突发噪声信号具体位于216.7Hz以及随之而来的谐波。因此，对常规音频噪声以及突发噪声的区分将仅考虑与216.7Hz以及其谐波相关的频谱的窗口。

图2示出将总噪声(黑体曲线)分解为常规音频噪声(细曲线)和突发噪声(虚线曲线)。这里，频谱在4kHz频带内被分解为64个窗口。

有几种可能的方法可用于区分常规音频噪声和突发噪声。接下来，描述一简单的方法。

在多数情况下，常规音频噪声是展开的，即此噪声具有自频谱窗口到相邻窗口的连续性。考虑存在突发噪声的窗口，由于连续性，此窗口内的常规音频噪声电平与相邻的窗口相连。由于突发噪声的特殊性，相邻窗口仅包含常规音频噪声，因此，可能通过任何使用相邻窗口内噪声电平的近似法(线性回归、平均等)来提取当前窗口内的常规音频噪声。这如图3所示，其中两个填充的方块表示与存在突发噪声的窗口相邻的窗口。这两个窗口电平的平均值给出图3中的非填充的方块，该非填充的方块与此窗口中的常规音频噪声电平匹配良好。

使用频谱相减噪声抑制器的构思参照图4的流程图，其处理过程如下，其中：tn[x]是窗口x的总噪声电平，gn[x]是窗口x内的常规音频噪声电平，bn[x]是窗口x的突发噪声电平：

1)在无线电活动没有变化时，在步骤401噪声抑制器以传统运行模式工作。它估计音频通道的噪声频谱，且减去它，而不管噪声的内容是什么。此估计的噪声频谱是常规音频噪声和突发噪声混合的总噪声频谱。

2)在无线电状态变化时：在步骤402，噪声抑制器107接收关于无线电传输条件变化的信息。在步骤403中，估计总噪声电平。在步骤404，使用以上描述的技术将总噪声频谱分解为常规音频噪声和突发噪声。然而，如果无线电重新开始传输，则由于它仅包含常规音频噪声，没有突发噪声，而不必分解。因此，只有当音频通道上可能存在突发噪声时，必须进行分解。对没有落入突发噪声位置的各窗口，在此窗口中的常规音频噪声电平等于同一窗口中的总噪声电平，且此窗口中的突发噪声为零(gn[i]＝tn[i]，bn[i]＝0)。对落入突发噪声位置的窗口，在该窗口中的常规音频噪声电平等于相邻窗口的总噪声电平的平均值(gn[j]＝0.5×tn[j-1]+0.5×tn[j+1])。在无线电条件变化之前，此窗口中的突发噪声电平正好等于该窗口的总噪声电平减去计算的此窗口内的常规音频噪声电平(bn[j]＝tn[j]-gn[j])。

a.无线电功率变化的情况

i.在步骤405中，采用与无线电功率变化相同的因子校正突发噪声频谱，以获得无线电功率变化之后的突发噪声(bn[j]＝bn[j]×因子)。

ii.在步骤407中，通过将常规音频噪声和校正的突发噪声重新组合产生功率变化后的新的总噪声(tn[j]＝bn[j]+gn[j])。

b.无线电传输停止的情况

i.如步骤403中所述，总噪声频谱被分解为常规音频噪声和突发噪声。

ii.在步骤409中，存储突发噪声频谱，当无线电信号再次开始传输时使用。

iii.在步骤411中，由于突发噪声消失，通过仅包含常规音频噪声(tn[i]＝gn[i])产生无线电传输停止后的新的总噪声。

c.无线电传输重新开始的情况

i.在步骤413中，产生新的总噪声，使得当前总噪声等于常规音频噪声+在步骤409中存储的突发噪声或在步骤403中获得的突发噪声。

3)在噪声抑制器107内更新为新的总噪声，且在步骤415中新更新的噪声能够被抑制。然后，此流程继续步骤401并以标准模式运行。

由于此方案将要求更少地关注无线电与音频耦合增益，而仍可获得突发噪声的较好的减少，因此噪声抑制器107的输入能够接受高电平的突发噪声。一些噪声抑制器使用声音活动检测器，以控制它们的运行，尤其是控制噪声估计的执行与否。如果突发噪声足够高，噪声抑制器107的控制逻辑可能错误地推断语音是活动的，且将噪声估计停止。这将导致较差的突发噪声抑制。在这样的情况下，在语音活动检测器之前使用217Hz和谐波阻止滤波器是有益的。

接着，将参照图5的流程图描述本发明的第二实施方式。构思是基于自适应滤波器，即噪声模块107，该噪声模块107被训练为与无线电活动与音频通道之间的耦合传递函数匹配。关键是将用于即时表示无线电活动的合成的或探测到的信号输入此滤波器。自音频通道中减去滤波器的输出。

假定RF是即时的无线电输出电平，F是无线电到音频的耦合传递函数，能够将作为无线电耦合音频噪声的B写成：B＝F(RF)。音频通道本身包含此噪声以及称为S的有用音频信号，因此音频通道信号A为A＝S+B＝S+F(RF)，表示有用信号与无线电耦合音频噪声。

在步骤501中，滤波器接收关于新的无线电环境的信息。在步骤502中，获得合成信号RF′，该合成信号RF′在时间上尽可能近地跟随无线电输出电平。假定G是自适应滤波器的传递函数，在步骤503获得无线电耦合音频噪声的图像B′：B′＝G(RF′)。这里，合成信号被理解为表示类似于RF的信号，但在音频频带内。

通过自音频通道信号中减去B′，在步骤505中获得A′，A′＝A-B′＝S+B-B′。这里，A′表示使用此实施方式的训练后，在上行链路上待传输的信号。

通过在上述公式中替换B以及B′，获得A′＝S+F(RF)-G(RF′)。在步骤507的任意训练机制之后G接近F且RF′接近RF的情况下，F(RF)-G(RF′)部分将趋向0。这还意味着A′＝S，即在步骤509中无线电耦合音频噪声从有用无线电信号活动的路径上被消除。

系统运行的关键是获得使音频噪声的电平波动和时机匹配良好的RF′信号，该音频噪声与无线电活动耦合。此信号不需要匹配耦合的噪声的延时或频谱，这部分将由自适应滤波器处理。

能够由任何适当的方法获得此RF′：

-使用无线电功率发射的模数转换器直接在无线电功率放大器上采样；

-如果功率放大器的电流消耗与在音频通道耦合的无线电信号的量间接匹配，使用功率放大器的电流消耗的模数转换器采样；

-使用用于控制无线电放大器功率的数模转换器的任何装置进行采样；

-将来自协议栈的信息合成信号。

能够在现有系统中实施合成方法，而无需硬件改变。由来自协议栈的信息实现这合成，该协议栈控制导致音频噪声的无线电部分。实际上，协议栈精确能分辨无线电活动的时间以及它运行时使用的功率电平。然后，对所有已知的下一个无线电活动，产生对应的音频模式。此音频模式是一组采样，每一个表示在给定时间的无线电传输电平。各采样的相等的时间间距相当于音频子系统的采样率。

主要利用有限冲击响应(FIR)滤波构成自适应滤波器。因此，其中N是滤波器长度，G[i]是指数i的G滤波器系数，且RF′[i]是指数i的RF′信号采样。使用诸如归一化最小均方(NLMS)或快速仿射投影(FAP)的任意类型的算法训练此滤波器。在不存在语音信号且存在无线电活动时，A′被表达为A′＝F(RF)-G(RF′)。如果G未接近F，则A′包含自适应的误差E。

对滤波器的各抽头i进行NLMS：其中Energy是RF′矢量的能量，该RF′矢量的能量能够通过RF′采样的平方的和来计算，且α是收敛速度。

根据任意类型选定的系统，可以选择收敛速度为固定或动态变化。速度越慢，自适应越稳定，但消除噪声的初始时间将更长。速度越高，消除噪声的初始时间越快，但系统可能不稳定。

仅当音频通道包含无线电活动的因果效应时，即音频通道与RF以及RF′相关时，自适应滤波器的训练是可行的。因此，必须插入检测系统以有效检测音频通道主要包含无线电耦合音频噪声。

假设无线电耦合噪声显著低于声音信号，在方案之前安置的简单的电平检测器就能够满足检测。如果电平低于给定的阈值，系统认为仅无线电耦合音频噪声存在于音频通道，且将启用自适应滤波器训练。

能够增加更有效的检测器。一种是在电平检测器之前增加滤波器，以阻止无线电耦合音频噪声(仅当噪声是已知的且具有固定的频谱时可行)。在此情况下，电平检测器变得对噪声的大小不敏感。

检测器还可能匹配在方案的输出端，以获得声音活动的有效信息。实际上，当滤波器收敛时，由于无线电耦合音频噪声被消除，因此无线电耦合音频噪声的电平为零，且仅保留能够容易地检测到电平的有用音频信号。

能够进行检测器的组合，且通过它们可代替对自适应滤波器的训练的简单的启用或不启用，根据使得音频路径完全与无线活动关联的可能性，可使得收敛速度变化。从而，能够优化自适应速度，而减轻偏离的风险。

如果无线电耦合噪声的专用频谱固定且已知，可能在应用所述方案之前将音频通道输入分解，且之后重组。例如，如果噪声总是低于1kHz，能够在音频通道输入端插入完全重构滤波器，以将音频通道输入分解为表示0到1kHz频带的信号和另一个具有大于1kHz的频率的信号。通过所述方案处理0到1kHz的频带，该方案去除无线电耦合音频噪声。最终，直接采用“大于1kHz”的信号和对于0到1kHz的频带的该方案的输出重组全带宽信号。此选择有助于在1kHz以上的方案中不增加任何产品，且带来更好的声音质量。

已描述了本发明的上述两种实施方式。第二实施方式还能够应用于3G以及GPRS，尽管3G采用频率功率控制。另一方面，第一方法可能不以最佳方式工作在这些系统中，因为这些系统中的频谱是非恒定的。

本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品当被加载且在通信设备的计算装置上运行时，能够进行如上所述的任何方法步骤。计算机程序不仅可以存储/分布在与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的适当的媒介上，而且还可以以其他形式分布，诸如通过因特网或其它有线或无线电信系统。

本发明还涉及集成电路，该集成电路被设置成进行根据本发明的实施方式的任何方法步骤。

在附图以及前述描述中已经详细示出和描述了本发明，这样的示出和说明被认为是示意性的或示例性的而非限制性的，本发明不限于公开的实施方式。本领域技术人员在本发明的实践中自附图、说明书和所附权利要求能够理解且实现公开的实施方式的其它变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它部件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个的处理器或其它单元可以实现权利要求中引述的几项功能。在多个不同从属权利要求中引述相互不同特征的事实并不表示不能优选地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标记不应该用于限制本发明的范围。

Claims (14)

1.一种噪声抑制的方法，所述噪声抑制的方法用于通信设备的噪声抑制模块(107)，所述噪声抑制模块(107)连接到收发单元(103)，所述方法包括：

-所述噪声抑制模块(107)接收信息，所述信息与如下的至少一种相关：无线电传输活动和无线电传输功率；

-所述噪声抑制模块(107)基于接收到的信息抑制音频通道噪声；且

-在无线电传输活动和/或无线电传输功率变化之前，将所述噪声分解为常规音频噪声和突发噪声，

其中，所述分解包括：考虑存在突发噪声的频率窗口，并采用两个相邻的没有突发噪声的频率窗口，在这两个窗口内确定常规音频噪声的电平，然后对这两个窗口的常规音频噪声值应用线性回归、插值和/或平均值，以估计存在突发噪声的频率窗口内的常规音频噪声，然后采用对存在突发噪声的窗口的总噪声的先前的测量结果，且通过自总噪声中减去所述常规音频噪声获得无线电传输活动和/或无线电传输功率变化之前的突发噪声。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：在无线电传输活动和/或无线电传输功率变化之前，估计所述音频通道噪声。

3.如权利要求1所述的方法，其中，将无线电传输功率变化之前的突发噪声以与无线电传输功率变化相同的量来校正而获得无线电传输功率变化之后的突发噪声。

4.如权利要求3所述的方法，其中，通过将校正的突发噪声和所述常规音频噪声相加获得所述音频通道噪声。

5.如权利要求1所述的方法，其中，如果无线电传输停止，则无线电传输停止之后的音频通道噪声等于所述常规音频噪声电平。

6.如权利要求1所述的方法，其中如果无线电传输重新开始，通过利用无线电传输时测量的音频通道噪声获得所述音频通道噪声。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所接收的信息表示合成的或探测到的信号，所述合成的或探测到的信号适时表示无线电传输活动和/或无线电传输功率。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述合成的信号是基于自所述通信设备的协议栈接收的信息，其中，所述协议栈控制所述收发单元(103)的运行。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，一旦获得合成的信号，则获得估计的音频通道噪声，所述估计的音频通道噪声是根据所述合成信号的所述噪声抑制模块的滤波器传递函数。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述噪声抑制包括：训练滤波器系数，使得从根据即时的无线电信号输出电平的无线电通道耦合函数中减去所述估计的噪声后趋于0。

11.一种用于通信设备的噪声抑制模块(107)，所述噪声抑制模块(107)连接到收发单元(103)，所述噪声抑制模块(107)包括：

-用于接收信息的第一模块，所述信息与如下的至少一种相关：无线电传输活动和无线电传输功率；

-用于基于接收的信息抑制音频通道噪声的第二模块；以及

-用于在无线电传输活动和/或无线电传输功率变化之前将所述噪声分解为常规音频噪声和突发噪声的第三模块，

其中，所述分解包括：考虑存在突发噪声的频率窗口，并采用两个相邻的没有突发噪声的频率窗口，在这两个窗口内确定常规音频噪声的电平，然后对这两个窗口的常规音频噪声值应用线性回归、插值和/或平均值，以估计存在突发噪声的频率窗口内的常规音频噪声，然后采用对存在突发噪声的窗口的总噪声的先前的测量结果，且通过自总噪声中减去所述常规音频噪声获得无线电传输活动和/或无线电传输功率变化之前的突发噪声。

12.如权利要求11所述的噪声抑制模块(107)，其中，所述噪声抑制模块(107)还连接到滤波器，所述滤波器使噪声抑制仅适用于特定频带且在噪声抑制之后实现期望频带的重构。

13.如权利要求11或12所述的噪声抑制模块(107)，其中，接收的信息表示合成的信号或探测到的信号，所述合成的信号或探测到的信号即时地表示无线电传输活动和/或无线电传输功率，且所述噪声抑制模块(107)还连接到用于获得合成的或探测到的信号的模数转换器和数模转换器中的至少一个。

14.移动设备，其包括如权利要求11至13中任一项所述的噪声抑制模块。