CN103380456A - 噪声抑制方法和应用噪声抑制方法的噪声抑制器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于抑制经由主麦克风所捕捉的第一信号的噪声的方法，其中，主麦克风和参考麦克风被布置在通信设备上，使得它们能够捕捉噪声和间歇性语音。该方法基于以下步骤：确定第一信号包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声；在确定该第一信号包括非平稳信号分量的情况下，确定该第一信号是否实质上包括远场噪声；如果认定该第一信号实质上包括平稳噪声，则利用平稳噪声功率谱估计，更新该第一信号的噪声功率谱估计；或者，如果认定该第一信号实质上包括远场噪声，则利用远场噪声功率谱估计，更新该第一信号的噪声功率谱估计；基于所估计的噪声功率谱，计算频率响应，并通过对该第一信号应用该频率响应，抑制该第一信号中的噪声。还提供了噪声抑制器，该噪声抑制器能够执行噪声抑制方法。

Description

噪声抑制方法和应用噪声抑制方法的噪声抑制器

技术领域

本申请涉及用于抑制噪声的方法和适于执行所提出的噪声抑制方法的噪声抑制器。

背景技术

概括地可以说，语音通信涉及向远端或遥远用户发送近端语音信号，其中，语音增强问题在于从所捕捉的有噪信号中估计相对纯净的语音信号。当考虑噪声抑制时，存在允许改进的若干单麦克风配置。

使用两个不同麦克风来同时捕捉声场允许对声源的空间信息和特征的可能使用，麦克风所捕捉的声场是从所述声源发起的。这些特征可以与移动通信设备上麦克风的相对布设以及通信设备的设计和使用有关。噪声特征的合理估计形成噪声抑制算法(例如，基于在此特定技术领域中常用的谱相减的算法)的有效使用的基础。

已经基于麦克风所接收的信号对由通信设备的用户所产生的近端信号具有相对近似功率电平的假设，提出了用于执行双麦克风噪声抑制的不同方法。

在WO2007/059255中，通过执行以下步骤来执行噪声抑制：产生两个麦克风所捕捉的输入信号的功率差与总和信号之比，然后，处理输入信号以便抑制来自两个输入信号之一的估计噪声。WO2007/059255(依赖于麦克风对所捕捉的信号之间小或甚至没有增益差的假设)的缺点是：在实际中，一同安装在移动设备上的双麦克风将呈现出任意增益差。此差异源于所制造的麦克风增益的大的变化，以及源于当以手持模式使用设备时，伴随着移动设备相对于说话人嘴巴的位置的微小改变，近场信号接收电平的变化。

其他方法(例如，在US2007/0154031中示出的方法)利用所接收的麦克风信号之间的电平差，来在时-频域中区分语音和噪声，并相应地抑制噪声。

然而，尽管使用用于捕捉噪声的麦克风(一般被称为是参考麦克风)连同用于主要捕捉语音的麦克风(一般被称为是主麦克风)以及利用两个麦克风处的结果信号电平差可以允许时-频域中语音和噪声信号的相当好的检测，基于掩蔽方法的噪声抑制(例如，在US2007/0154031中所描述的方法)通常导致所提取的语音信号的高失真，并通常还引入音乐噪声。

在WO2000/062579中已经提出了可应用于双麦克风噪声抑制的基于谱相减的方法，其中，谱处理器用于产生分离的噪声减小信号和噪声估计信号。

通常已经证明谱相减技术(例如，WO2000/062579中所描述的谱相减技术)对用于语音消除和提供相对好的平稳噪声抑制是相对鲁棒的。通常与谱相减相关联使用的滤波处理常取决于噪声谱和有噪语音谱的估计。优选地，在语音暂停期间并仅基于平稳噪声部分的估计，对噪声谱进行估计。然而，很多背景噪声环境(例如，餐馆、机场、街道或其他公共场所)不以高电平非平稳噪声的存在为特征，在基于谱相减技术的已知实现中未考虑高电平非平稳噪声的存在，因此，当应用这些技术时，在向通信链路的远端用户发送的信号中仍未滤波非平稳噪声分量。

发明内容

本发明的目的是解决至少一些上述问题。特别地，本发明的目的是提供：用于抑制由两个或更多个麦克风所捕捉的噪声的方法，以及用于执行所提出的方法的噪声抑制器。

根据一个方案，提供了用于抑制经由通信设备中的主麦克风所捕捉的第一信号的噪声的方法，其中，所述主麦克风被布置在所述通信设备上，使得其能够捕捉噪声和间歇性语音，通过处理第一信号和经由参考麦克风所捕捉的第二信号来执行所述噪声抑制，所述参考麦克风被布置在所述通信设备上，使得其能够以实质上与主麦克风相同的信号电平捕捉噪声，并以比主麦克风低的信号电平捕捉语音。

所述方法包括以下步骤：确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声。在确定所述第一信号包括非平稳信号分量的情况下，确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声。

如果在先前步骤中确定所述第一信号被认定为实质上包括平稳噪声，利用平稳噪声功率谱估计更新所述第一信号的噪声功率谱估计，而如果认定所述第一信号实质上包括远场噪声，利用远场噪声功率谱估计更新所述第一信号。

然后，基于所估计的噪声功率谱计算频率响应，并且通过对所述第一信号应用所述频率响应，来抑制所述第一信号中的噪声。所提出的方法是改进的噪声抑制方法，该方法特别适配用于抑制包括平稳噪声以及非平稳噪声在内的噪声。

一般基于时间帧重复所述步骤，使得总是可以基于噪声的当前性质执行频率抑制。

可以通过估计针对特定时间帧所确定的第一信号的功率谱和所述第一信号的平均功率谱之间的差，并通过在所估计的差超过预定义阈值的情况下来实现以下步骤：确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声。

一般地，所述方法包括更新过程，所述更新过程涉及：信号功率谱比率(被定义为针对所述第一信号所估计的第一功率谱和针对所述第二信号所估计的第二功率谱之比)的计算；以及在当认定所述第一信号实质上包括平稳噪声时确定计算了功率谱比率的情况下，基于所述所计算的功率谱比率，更新麦克风间增益偏移；或者确定在当认定所述第一信号包括非平稳噪声信号分量时计算了所述功率谱比率的情况下，通过将所计算的功率谱比率与先前更新的麦克风间增益偏移作比较，来确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声。

通过在检测到所述第一信号中不存在非平稳信号分量时更新所述麦克风间增益偏移，可以补偿所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的固有增益差，而不需要任何麦克风校准。根据所提出的方法，在确定所述所更新的麦克风间增益偏移超过所述功率谱比率预定义余量的情况下，可以认定所述第一信号实质上包括远场噪声。

可以基于最近所计算的功率谱比率，递进地执行麦克风间增益偏移的更新(即，通过以预定义值递进地增加或减少最近所计算的麦克风间增益偏移)，使得获得更平滑的自适应。

根据备选实施例，所述方法可以应用在通信设备上，该通信设备具有两个或更多个主麦克风和/或两个或更多个参考麦克风。

在后种情况中，针对麦克风的主麦克风和参考麦克风的至少一个或更多个组合，重复上述方法步骤。此外，选择主麦克风之一作为主导主麦克风，并且然后从所选择的主导主麦克风所捕捉的信号中抑制噪声。

通过针对每个麦克风组合重复功率谱比率的计算和麦克风间增益偏移的更新，可以进一步提高所提出的抑制方法的精度。

噪声抑制一般包括以下步骤：基于谱相减滤波器，计算滤波器传递函数。

根据一个实施例，可以对滤波器应用最小增益，而根据另一实施例，可以取而代之地对滤波器应用不同的最小增益，其中，取决于所述第一信号被认定为实质上包括远场噪声还是实质上包括平稳噪声，可以分别应用不同增益。

噪声抑制一般包括以下步骤：基于最小相位法或线性相位法中任意一个，计算滤波器的滤波系数。

根据另一方案，提供了噪声抑制器，所述噪声抑制器用于通过处理所述第一信号和经由参考麦克风所捕捉的第二信号来抑制经由主麦克风所捕捉的第一信号的噪声，其中，如针对上述方法提出的，布置所述两个麦克风。

所述噪声抑制器包括信号平稳性估计单元和远场信号估计器，所述信号平稳性估计单元被配置为：确定所述第一信号包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声，所述远场信号估计器被配置为：在信号平稳性估计单元已经确定所述第一信号包括非平稳信号分量的情况下，确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声。

所述噪声抑制器还包括噪声功率谱估计器，所述噪声功率谱估计器被配置为：在信号平稳性估计单元认定所述第一信号实质上包括平稳噪声的情况下，利用平稳噪声功率谱估计，更新所述第一信号的噪声功率谱估计；或者，在认定所述第一信号实质上包括远场噪声的情况下，利用远场噪声功率谱估计，更新所述第一信号的噪声功率谱估计。

此外，所述噪声抑制器包括滤波单元，所述滤波单元被配置：基于所估计的噪声功率谱计算频率响应，并且通过对所述第一信号应用所述频率响应，来抑制所述第一信号中的噪声。

所述信号平稳性估计器、远场信号估计器、噪声功率谱估计器和滤波器一般被配置为：基于时间帧，重复地执行信号处理。

所述信号平稳性估计器被配置为：通过估计针对特定时间帧所确定的第一信号的功率谱和所述第一信号的平均功率谱之间的差，并通过在所述差超过预定义阈值的情况下，确定所述第一信号是非平稳信号，来确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声。

所述噪声抑制器还包括：功率谱计算单元，被配置为计算信号功率谱比率；以及麦克风间增益偏移计算器，被配置为：在信号平稳性估计器确定当认定所述第一信号实质上包括平稳噪声时计算了所述功率谱比率的情况下，基于所计算的功率谱比率，更新麦克风间增益偏移；以及远场估计单元，被配置为：在信号平稳性估计器确定当认定所述第一信号包括非平稳信号分量时计算了所述功率谱比率的情况下，通过将所计算的功率谱与所更新的麦克风间增益偏移作比较，确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声。

远场估计单元可以被配置为：在麦克风间增益偏移计算单元指示麦克风间增益偏移超过从功率比计算单元提供的功率谱比率预定义余量的情况下，认定所述第一信号实质上包括远场噪声。

麦克风间增益偏移计算器可以被配置为：基于最近所计算的功率谱比率，递进地更新麦克风间增益偏移(即，通过以预定值递进地增加或减少最近所计算的麦克风间增益偏移)。

备选地，所述噪声抑制器可以具有两个或更多个主麦克风和/或两个或更多个参考麦克风，其中，所述功率比计算单元和所述麦克风间增益偏移计算器被配置为：针对麦克风的主麦克风和参考麦克风的至少一个附加组合，重复相应的计算。

此外，所述噪声抑制器可以包括选择单元，所述选择单元被配置为：选择主麦克风之一作为主导主麦克风，并向所述滤波单元提供所选择的主导麦克风的信号，用于噪声抑制。

滤波单元可以被配置为：基于谱相减滤波器，计算滤波器传递函数。

此外，所述滤波单元可以被配置为对滤波器应用最小增益。备选地，所述滤波单元可以被配置为：取决于平稳性估计单元和远场估计单元认定所述第一信号实质上包括远场噪声还是实质上包括平稳噪声，对滤波器应用不同的最小增益。

现在在下文中将更详细地描述与上述实施例相关的进一步细节和示例。

附图说明

将下文中的本发明示例性实施例的详细描述结合附图一起阅读将会更容易地理解本发明的目的、优点、效果以及特征。

图1是用户正在使用通信设备的场景的简化描述，其中，通信设备被配置为经由两个麦克风捕捉语音和噪声。

图2是示出了用于抑制经由至少两个麦克风所捕捉的噪声的方法的简化流程图。

图3是噪声抑制器的简化框图，该噪声抑制器被配置为抑制经由两个麦克风所捕捉的噪声。

图4是另一简化方框图，该方框图示出了对图3的方框图的一部分的修改，用于能够经由多于两个麦克风来捕捉语音和噪声。

图5是示出了与图3的噪声抑制器相对应的噪声抑制器的基于软件的配置的简化图。

具体实施方式

尽管本发明覆盖各种修改和备选结构，在附图中示出了本发明的某些实施例，并将在下文中进行更详细地描述。然而，应当理解，说明书和附图不意在将本发明限制于本文所公开的特定形式。相反，所述发明的范围意在包括落入所附权利要求中所述的本发明的精神和范围中的其所有修改和备选结构。

应当注意，词语“包括”不排除所列出的要素和步骤之外的要素和步骤的存在，并且在要素之前的“一”或“一个”不排除多个这种要素的存在。还应当注意，任何附图标记都不限制权利要求的范围，可以至少部分使用硬件和软件实现本发明，并且可以由相同的硬件项目代表若干“单元”或“设备”。

本申请提出了用于抑制包括间歇性近场语音的信号中的噪声的方法，其中，由特别适用于抑制远场噪声的噪声抑制器捕捉信号。近场这一表述在声学领域中可以被定义为：在远离声源几分之一波长(通常被认为是大约一米)内伸展的声源周围的空间区域。此外，从聆听着的角度看，近场区域是距离聆听者头部或捕捉声场的麦克风的中央一米内的空间区域。相应地，远场被定义为此余量之外的区域。

本申请还描述了可以被称为是双(或多)麦克风远场噪声抑制器的噪声抑制器，该噪声抑制器适用于在任意类型的通信设备上实现，该通信设备被配置为从用户捕捉语音并可以用于执行噪声抑制方法(例如，上述噪声抑制方法)。

由主麦克风捕捉的麦克风输入信号(这里被称为是x(t))可以被定义为由语音s(t)分量和噪声n(t)分量构成的信号，使得：

x(t)＝s(t)+n(t)    (1)

其中，噪声分量进而可以被认为是由平稳分量n^stat(t)和非平稳分量n^nonstat(t)构成，使得：

n(t)＝n^stat(t)+n^nonstat(t)    (2)

使用谱相减技术的噪声抑制滤波器的频率响应H(f)可以被定义为：

$H\left(f\right)=1-\mathrm{\δ}\frac{{\mathrm{\Φ}}_n\left(f\right)}{{\mathrm{\Φ}}_x\left(f\right)}---\left(3\right)$

其中，Φ_n(f)是噪声功率谱估计，而Φ_x(f)是主信号的有噪语音功率谱估计。参数δ是过相减因子，其允许噪声功率谱估计的加重或去加重。δ的典型值可以是例如1、2。

可以使用快速傅里叶逆变换(IFFT)将频率响应转换为时域FIR滤波器，其遵循：

$H\left(f\right)\stackrel{\mathrm{IFFT}}{\→}h\left(z\right)---\left(4\right)$

如果所获得的时域滤波器h(z)应用到有噪语音信号x(t)，则可以获得已经抑制噪声的输出信号y(t)，使得：

$y\left(t\right)=h\left(z\right)\mathrm{\Θx}\left(t\right)---\left(5\right)$

其中

是卷积运算符。

尽管可以基于可用输入信号x(t)计算频率响应的有噪语音功率谱Φ_x(f)，通常在语音暂停期间估计噪声功率谱Φ_n(f)。为了此目的，语音活动性的检测可以基于所接收信号的平稳性的连续测量<！！>。因此，噪声谱估计仅取决于噪声的平稳部分的估计。

当x(t)被认定是平稳信号时，可以使用x(t)的快速傅里叶变换(FFT)获得平稳噪声功率谱

其可以表示为：

$x\left(t\right)\stackrel{\mathrm{FFT}}{\&RightArrow;}X\left(f\right)\&ap;N\left(f\right)\&RightArrow;{\mathrm{\&Phi;}}_n^{\mathrm{stat}}\left(f\right)---\left(6\right)$

为了提高谱相减技术的性能，需要不是简单取决于平稳噪声检测的更好噪声谱估计。因此，目的是：当确认了对主麦克风起作用的信号的非平稳性时，区分远场噪声和近场语音。

所提出的噪声抑制方法基于使用用于捕捉近场语音及其周围远场噪声的至少一个麦克风对。在本文上下文中，麦克风对看作由第一麦克风(在下文中被称为是主麦克风)和第二麦克风(在下文中被称为是参考麦克风)组成，第一麦克风被布置在通信设备上，使得当以普通通话位置握住通信设备时，第一麦克风相对接近说话者的嘴，并且能够捕捉噪声和间歇性语音，第二麦克风被布置在当以普通通话位置握住或放置通信设备时位于通信设备上远离用户嘴巴的位置，使得其能够捕捉比主麦克风低的信号电平的间歇性语音和噪声。因此，各个麦克风相对于用户嘴巴的位置确定了它们将能够如何好地捕捉可区分信号。

一般地，所提出的抑制方法可被适配用在便携式手持通信设备(例如，移动电话)上，但是将可应用允许在通信设备上放置至少两个麦克风使得可以满足上述条件的任意类型的通信设备(包括平稳通信设备)。

通过对如上所述的构成麦克风对的两个麦克风进行布置，与两个麦克风连接的处理装置(将在下文中进一步详细描述)可以用于基于所接收的输入信号在不存在近场语音的情况下对远场噪声进行估计。

如果使用了多于一个主麦克风和/或参考麦克风，每个主麦克风可以通过将主麦克风与每个参考麦克风进行组合来形成各个麦克风对，或每个参考麦克风可以通过将参考麦克风与每个主麦克风进行合并来形成各个麦克风对，即，只要各个组合指代可操作为主麦克风的第一麦克风和可操作为参考麦克风的第二麦克风，则可以应用任意组合，并且为了执行更好的噪声抑制，可以针对每个已定义的麦克风对执行所提出的处理。

在已经确定主信号包括非平稳信号分量之后，通过比较麦克风间功率比和频域中麦克风对的增益偏移，根据所提出的方法完成远场信号(实质上被看作是由远场噪声代表)和近场信号之间的区分。然后，将已经被适配为考虑平稳以及非平稳噪声的谱相减算法用于：能够实现基于在时-频域中标识的声源类型(即，平稳噪声、近场语音或远场噪声)，动态抑制来麦克风信号中的远场噪声。

谱相减基本上取决于噪声抑制滤波器的期望频率响应的设计，其一般基于对所捕捉信号的噪声和有噪语音的谱估计。尽管可以从主麦克风的输入数据获得有噪语音谱，在语音期间估计噪声谱，并且噪声谱仅由噪声的平稳部分的估计组成。

一种提高谱抑制算法的性能的途径是包括：通过改进对被发现为在时-频域中活动的声源类型的标识，还检测和抑制除平稳噪声之外的非平稳远域噪声。

因此，目的是：当确认了对主麦克风起作用的信号的非平稳时的情况下，区分所捕捉的远场噪声和近场语音。将在下文中更详细描述的用于做出这种区分的处理，该处理在频域中不存在近场语音的情况下检测远场噪声的存在，并向噪声抑制器提供此信息用于处理。

图1是通信设备的简化描述，在当前情况下，通信设备是移动电话100，包括一个参考麦克风101，该参考麦克风101被布置在距离主麦克风102较远的位置，而主麦克风102靠近用户嘴巴103。通过在移动电话100上相互分离地并且与用户嘴巴103不同距离地布置参考麦克风101和主麦克风102，通过根据上述方法处理由两个麦克风所捕捉的信号，将可区别源自周围的离用户近的信号(本文中被称为是近场信号105)以及远离移动电话100的信号(本文中被称为是远场信号104)。

由于其位置，参考麦克风101将挑选明显比“靠近嘴巴的”主麦克风102低的电平的近场语音105，而由于移动电话以及其他通信设备相对小的尺寸，并因此在相应麦克风对之间小的距离，主要地以相似功率电平在两个麦克风接收远场信号104。

因为语音的性质是间歇性的(即，语音周期中穿插有无声周期)，而同时周围噪声的性质变化，适应于这些改变的能力将影响噪声抑制可以如何有效。所提出的方法特别适用于有效地适应于这种改变。

获得噪声抑制方法中改进精度的另一途径是向移动电话100提供在移动电话100上不同位置布置的三个或更多个麦克风，以此方式，信号处理可以基于来自多于一个麦克风对的输入。

现在将参考图2更详细地描述特别适用于抑制由通信设备捕捉的远场噪声的抑制噪声方法。所提出的方法可以作为迭代处理执行，一般针对要抑制噪声的信号的每个时间帧，重复此迭代处理。

在第一步骤200中，位于通信设备上靠近用户嘴巴的主麦克风捕捉第一信号(在下文中将被称为是主信号)，使得所捕捉的主信号将包括间歇性语音和噪声。此外，位于通信设备上的参考麦克风捕捉第二信号(在下文中将被称为是参考信号)，使得参考信号包括比主信号低的信号电平的语音，而两个麦克风所捕捉的噪声将具有可比较的信号电平。

一般地，参考麦克风还被布置在与主麦克风方向不同的方向上，使得当主麦克风被布置在被选择为其可以有效地捕捉通信设备近场说话者语音的方向上时，参考麦克风被布置在使得其可以有效地捕捉源自位于设备远场中其他声源的声场的方向上。

如第二步骤210所示，然后，处理两个所捕捉的信号，以便估计两个所捕捉信号的相应信号功率谱P_prim(f)和P_ref(f)。在随后步骤220中，计算并存储两个信号的功率谱比率R_p(f)，使得：

$R_p\left(f\right)=\frac{P_{\mathrm{prim}}\left(f\right)}{P_{\mathrm{ref}}\left(f\right)}---\left(7\right)$

其中，P_prim(f)是主麦克风的功率谱而P_ref(f)是参考麦克风的功率谱。

如果使用多于一个主麦克风或多于一个参考麦克风来提供输入信号，则在步骤220中，针对每个已定义的麦克风对计算信号功率谱比率。此外，在使用多于一个主麦克风的情况下，在可选步骤230中选择这些主麦克风之一作为要从噪声中滤波信号的麦克风。从下文中，所选择的主麦克风被称为是主导主麦克风。可以通过选择在已经减去麦克风间增益偏移的效果之后提供与参考麦克风信号最大相对信号差的麦克风，来选择主导主麦克风。

在进一步步骤240中，确定主信号是否可以被看作是包括非平稳信号分量，或者信号是否实质上包括平稳噪声。一般可以通过估计针对各个时间帧k的主信号的信号功率谱Φ_x，k(f)与其长期均值有多大差异，来确定噪声的类型。这可以通过将信号功率谱Φ_x，k(f)与其长期均值的比和预定阈值作比较来确定。如果该比率超过阈值，则该信号被看作是非平稳。

如果在步骤240中确定主信号实质上包括平稳噪声，则如步骤250a指示的，将在步骤220中所计算的信号功率谱比率用于更新麦克风间增益偏移G(f)。G(f)可以定义为：

$G\left(f\right)=\frac{P_{\mathrm{prim}}^{\mathrm{stat}}\left(f\right)}{P_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{stat}}\left(f\right)}---\left(8\right)$

在本文中，

是主麦克风信号的功率谱而

是参考麦克风信号的功率谱。持续更新麦克风接收信号之间的增益差，使得计入由于单个麦克风特征所导致的麦克风增益的变化，以及由于在以手持模式使用期间，通信设备相对于说话者嘴巴的移动所导致的接收信号电平的变化。

显然，在发现主信号是平稳信号的情况下，使用最近计算的功率谱比率来获得功率偏移。取代如一般在已知噪声抑制处理中所做的考虑静态增益偏移，增益偏移被动态地适配于由麦克风对所捕捉的声场。在典型场景中，为了获得更平滑的改变，递进地更新麦克风间增益偏移，其中基于最近所计算的功率谱比率，以预定值递进地增加或减少先前所更新的麦克风间增益偏移。通过将在步骤220中所计算的功率谱比率与先前所估计的增益偏移作比较，来完成对应当减少或增加增益偏移的频带的检测。

如果使用多于两个麦克风，针对每个麦克风对更新麦克风间增益偏移。

此外，如果在步骤240中确定主信号实质上包括平稳噪声，则如步骤260a所示，估计主麦克风的(如果使用多于一个主麦克风，则估计主导主麦克风的)平稳噪声功率谱

如果在步骤240中认定主信号包括非平稳信号分量，则如在随后步骤250b中所示，在随后步骤中确定非平稳信号是否实质上包括远场噪声。如果在步骤250b中确定第一信号实质上包括远场噪声，则如随后步骤260b所示，针对各个时间帧估计远场噪声功率谱。

可以通过执行麦克风间功率比和针对相应已估计时间帧的频域中增益偏移的比较，完成频域中(即，针对以频率f为中心的每个频带)远场信号和近场信号之间的差异(即，步骤250b的执行)，使得如果

R_p(f)＜βG(f)    (9)

则，主信号被认定是远场信号(即，远场噪声只出现在主信号中)。这里，β是提供计算误差的余量的因子(可以例如选为β＝2，β＝2与3dB余量对应)。

在使用多于一个麦克风对的情况下，通过合并基于不同的所应用的麦克风对在步骤250b中作出的决定，来改进与远场噪声的存在相关的决定。执行这种合并决定的一种方式是对针对每个频带针对所有麦克风对的决定进行平均。

如上所述，仅在特定条件下将对远场噪声功率谱或平稳噪声功率谱进行更新(即，取决于在相应时间帧期间所确定的噪声类型，针对此时间帧对相应噪声功率谱进行更新)。

这意味着，为了与当前的噪声类型相适应，针对每个新时间帧，更新要导出的频率响应的功率谱。然而，如果在步骤250b确定在第一信号中基本上不存在远场噪声(即，认为主信号包括近场语音)，则基于先前更新的平稳噪声功率谱执行在步骤270中的噪声功率谱更新处理。

针对时间帧k的主麦克风(或主导主麦克风)的噪声功率谱的估计可以定义为：

Φ_n，k(f)＝λΦ_n，k-1(f)+(1-λ)((1-D^nonstat)Φ_n ^stat(f)+D^nonstatΦ_n ^nonstat(f))(10)

这里，在时间帧k的更新噪声功率谱是在先前时间帧(k-1)所计算的噪声谱以及针对时间帧k的所估计的平稳噪声功率谱和远场噪声功率谱的函数。参数λ是比单位一小的正衰减因子(可以被设为0.9)。

参数D^nonstat基于在图2步骤240中作出的对主信号中存在近场非平稳信号的决定。针对各个时间帧，如果认定在主麦克风中实质上存在远场噪声，则将D^nonstat设为一，或者如果认定在主麦克风中存在近场语音，则将D^nonstat设为零。

在步骤280中，基于如上所述已经更新的噪声功率谱，计算频率响应。

在另一步骤290中，主信号馈入滤波单元，其中，对主信号应用频率响应，使得从主信号中高效地抑制噪声。

如上所述，作为使用一个麦克风对的备选，方法可以基于来自多个麦克风的输入。通过使用多个输入信号，并通过在每个时刻选择最有代表性的信号，可以获得更高效的噪声抑制。然后，使用被指定为是最主导麦克风所捕捉的主信号，作为要在步骤290滤波的信号。

可以通过计算基于谱相减滤波器的滤波器传递函数来实现滤波。

噪声功率谱用于计算针对每个时间帧k的谱相减的频率响应H_k ^spect(f)，并于是对输入信号进行滤波：

${H_k}^{\mathrm{spect}}\left(f\right)=1-\mathrm{\&delta;}\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{n,k}\left(f\right)}{{\mathrm{\&Phi;}}_{x,k}\left(f\right)}---\left(11\right)$

实际上，由于噪声的随机特性及其非精确估计，等式(11)的频率响应可能不总是正值。因此，谱相减技术通常应用要么设置为绝对基底电平要么设置为有噪语音信号功率谱的一小部分的阈值。从而，将噪声抑制器的频率响应调整为期望最大衰减电平H_min(f)，使得针对时间帧k的所得频率响应H_k(f)可以表示为：

这里，期望最大衰减电平可以设计为分别在步骤240和250b中确定的与平稳噪声的实质存在有关的决定D^stat或与远场噪声的实质存在有关的决定D^nonstat的函数，即：

根据步骤280的频率响应计算一般包括针对频率响应的最大衰减率的确定。如上所述，可以通过应用最小增益来实现这种最大衰减率，这限制了要在滤波器上考虑的频带。

根据一个实施例，不管发现噪声具有平稳还是远场特性，可以选择同一个最小增益。

根据另一实施例，取决于所确定的主信号的平稳性，可以应用不同最小增益。可以根据下式计算最小增益来给出一个这种实现：

$H_{\min }\left(f\right)=\max \left[\min \right[1-\mathrm{\&delta;}\frac{{{\mathrm{\&Phi;}}_{n,k}}^{\mathrm{stat}}\left(f\right)}{{\mathrm{\&Phi;}}_{x,k}\left(f\right)},{H_{\min }}^{\mathrm{nonstat}}\left(f\right)],{H_{\min }}^{\mathrm{stat}}\left(f\right)]---\left(14\right)$

其中H_min ^stat(f)是应用于平稳噪声抑制的最小增益，而H_min ^nonstat(f)是当考虑远场噪声包括非平稳噪声时，应用于远场噪声抑制的最小增益。

一般可以基于最小相位方法和线性相位方法中任意一个，计算由滤波处理应用的滤波系数。

上述方法适用于应用在任意类型的通信设备上，该通信设备可以被配置为经由至少一个主麦克风捕捉语音，并且可以在设备上远离主麦克风的位置实现至少一个第二参考麦克风。这种通信设备一般可以是蜂窝电话，其中构成麦克风对的麦克风优选地(但不一定)位于通信设备上的相对端。

现在将参考图3更详细地描述噪声衰减器，当在通信设备上实现噪声衰减器时，噪声衰减器适用于执行噪声衰减方法(例如，上文参考图2所描述的噪声衰减方法)。

图3的噪声抑制器300包括功率谱估计单元310，被配置用于特定数目的麦克风。因此，针对适用于一个麦克风对的配置(如图3所示)，功率谱估计单元310包括第一功率谱估计器311a和第二功率谱估计器311b，其中，第一功率谱估计器311a被配置为估计由主麦克风301a所捕捉的主信号的功率谱，而第二功率谱估计器311b被配置为估计由参考麦克风301b所捕捉的参考信号的功率谱。

与第一功率谱估计器311a相连的平稳性估计单元320被配置为：确定主信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声。远场估计单元360被配置为：在平稳性估计单元320确定主信号包括非平稳信号分量的情况下，确定该主信号是否实质上包括远场噪声。随后，通过主信号中非平稳信号分量的存在，平稳性估计单元320触发远场估计单元360。如上所述，平稳性估计单元320一般被配置为：将可以从第一功率谱估计器311a访问的功率谱与其长期均值作比较。

图3的噪声衰减器300还包括噪声功率谱估计单元330，被配置为：基于相应功率谱估计，即，如果从平稳噪声功率谱估计单元340(被配置为估计主信号的平稳噪声功率谱)或远场噪声功率谱估计单元350(被配置为估计主信号的远场噪声功率谱)中任意一个提供了输入信号，更新主信号的噪声功率谱。由平稳性估计单元320和远场估计单元360确定噪声功率谱估计单元330要使用哪个输入，所述平稳性估计单元320和远场估计单元360基于主信号(更具体地是基于主信号的功率谱估计)，被配置为：针对确定主信号实质上不包括近场语音的每个时间帧，触发平稳噪声功率谱估计单元340或远场噪声功率谱估计单元350中的任意一个。

在平稳性估计单元320确定主信号实质上包括平稳噪声的情况下，平稳性估计单元320触发平稳噪声功率谱估计单元340向噪声功率谱更新单元330提供平稳噪声功率谱估计，噪声功率谱更新单元330被配置为：基于此输入数据，更新噪声功率谱。相反，如果平稳性估计单元320确定主信号包括非平稳信号分量，则被配置为：触发附加功能单元确定由主麦克风所捕捉的信号是否实质上包括远场噪声或近场语音。

噪声衰减器300还包括：功能单元(这里被称为是功率比计算单元380)，被配置为计算第一功率谱(由第一功率谱估计器310a所估计)和计算第二功率谱(由第二功率谱估计器310b所估计)之间的信号功率谱比率。功率比计算单元380与另一功能单元(这里被称为是麦克风间增益偏移计算器390)相连，所述另一功能单元被配置为：当由平稳性估计单元320触发时(即，当平稳性估计单元320确定主信号被认定为实质上包括平稳噪声时)，基于功率比计算单元380的信号功率谱比率，更新麦克风间增益偏移。

上述远场估计单元360被配置为确定主信号是否实质上包括远场噪声。为了能够作出这种确定，远场估计单元360被配置为：在由平稳性估计单元320触发这种处理的情况下(即，在平稳性估计单元320确定主信号包括非平稳信号分量的情况下)，根据等式(9)，将由功率比计算单元380提供的所计算的功率谱比率和由麦克风间增益偏移计算器390提供的更新后的麦克风间增益偏移作比较。

麦克风间增益偏移计算单元390可以被配置为：基于最近所计算的功率谱比率，通过以预定值递进地增加或减少最近所计算的麦克风间增益偏移，来适配麦克风间增益偏移。

噪声功率谱估计器330与滤波单元370相连，滤波单元370被配置为：基于从噪声功率谱估计器330提供的所估计的噪声功率谱，计算频率响应，并通过对第一信号应用频率响应，从第一信号中滤波噪声。对于每个时间帧，噪声功率谱估计器被配置为：向滤波单元370提供噪声功率谱估计。

噪声衰减器300被配置使得：可以基于时间帧(即，针对主信号的每个时间帧)自适应地执行滤波，信号平稳性估计器320确定平稳性，并且基于该结果，由来自噪声功率谱估计单元330的输入更新滤波单元370，使得其可以提供向滤波单元370所提供的主信号噪声的高效衰减，如图3所示。滤波单元370可以被配置为：基于谱相减滤波器，计算滤波器传递函数。

图4是示出了根据图3的噪声衰减器的一部分的方框图，其中，已经用适配后的功率谱估计单元410替代了图3的功率谱估计器310，使得衰减器可以管理两个或更多个麦克风，而图3的剩余功能可以保持不变。

图4包括三个主麦克风401a、401b、401c，其中，每个主麦克风与单独的功率谱估计器411a、411b、411相连，而三个参考麦克风402a、402b、402c与相应的专用功率估计单元412a、412b、412c相连。此外，功率谱比率计算单元380和麦克风间增益偏移计算器390(未示出)被配置为：针对每个所选择的麦克风对，重复相应的计算。在本示例中，可以定义并使用多达9个不同的麦克风对，用于向噪声抑制器提供输入数据。如果例如定义了三个麦克风对，主麦克风410a可以例如与参考麦克风402a形成麦克风对，而麦克风401b和402b形成第二对，并且麦克风401c和402c形成第三麦克风对，但是可以应用涉及主麦克风和参考麦克风的任意可能组合。

此外，功率谱估计单元410具有选择单元420，所述选择单元420被配置为：选择主麦克风401a、401b、401c之一作为主导主麦克风，而向滤波单元370提供所选择的主导麦克风的信号，用于滤波。

应当理解，图3和4中所描述的功能单元具有传统存储功能，使得可以基于先前估计和计算以及平均测量(例如，如上文所述的估计、计算和测量)，执行合适的更新过程。

此外，本领域技术人员将理解，可以使用连同单独地或与专用集成电路(ASIC)结合的可编程专用微处理器或通用计算机的软件功能，实现本申请中所提出的单元和功能。应当理解，尽管主要以方法和设备的形式描述了本发明，还可以以计算机程序以及包括在与处理器相连的存储器上存储的计算机程序的系统来实现发明，其中存储器可以是以下任意一项：闪存、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)或EEPROM(电可擦写可编程ROM)。

图5示出了适于在通信设备上实现的根据一个实施例的基于软件的噪声抑制器，其中，噪声抑制器500包括被配置为执行噪声抑制器方法(例如，如上文所述的噪声抑制器方法)的处理器510。图5的噪声抑制器500包括一个麦克风对501a、502b，尽管未在简化图5中示出，麦克风对501a、502b一般可以经由某种信号处理功能与处理器500相连。处理器被适配为运行噪声抑制计算机程序，包括计算机可读代码装置，当在通信设备上运行该计算机可读代码装置时，使设备执行与上文中参考图2所描述的方法相对应的方法。处理器510还被配置为：执行多个功能，根据图5的实施例，该多个功能被称为是功率谱估计功能520、功率比计算功能530、平稳性估计功能540、远场估计功能550、噪声功率谱更新功能560、麦克风间增益偏移计算功能570、平稳噪声功率谱估计功能580、远场噪声功率谱估计功能590和滤波功能600，当在通信设备上运行时，与由功率谱估计器310、功率比计算单元380、平稳计算单元320、远场估计单元350、噪声功率谱更新单元330、麦克风间增益偏移计算单元390、平稳噪声功率谱估计单元340、远场噪声功率谱估计单元350和滤波单元370所获得的功能分别相对应。噪声抑制器500包括还包括存储单元610和连接单元620，被配置为将所滤波的主信号与已经实现噪声抑制器500的通信单元的传统信号处理功能(未示出)连接。

应当理解，与相应实施例相关联的上述单元和功能表示使所提出的方法可以执行的一种方式，并且可以备选地应用只要因此可以执行上述通用处理的单元和功能的其他组合。

尽管已经参考具体示例性实施例描述了本发明，描述通常仅意在示出发明性概念，并且不应当作为限制本发明的范围。由所附权利要求限定本发明。

Claims (24)

1.一种通信设备中的方法，所述方法用于抑制经由主麦克风所捕捉的第一信号的噪声，所述主麦克风被布置在所述通信设备上，使得所述主麦克风能够捕捉噪声和间歇性语音，通过处理所述第一信号和经由参考麦克风所捕捉的第二信号来执行噪声抑制，所述参考麦克风被布置在所述通信设备上，使得所述参考麦克风能够以实质上与所述主麦克风相同的信号电平捕捉噪声，并以比所述主麦克风低的信号电平捕捉语音，所述方法包括：

-确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声；

-在确定所述第一信号包括非平稳信号分量的情况下，确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声；

-如果认定所述第一信号实质上包括平稳噪声，则利用平稳噪声功率谱估计来更新所述第一信号的噪声功率谱估计；或者，如果认定所述第一信号实质上包括远场噪声，则利用远场噪声功率谱估计来更新所述第一信号的噪声功率谱估计；

-基于所估计的噪声功率谱，计算频率响应，以及

-通过对所述第一信号应用所述频率响应，来抑制所述第一信号中的噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

-基于时间帧，重复所述步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声的步骤包括：

-估计针对特定时间帧所确定的所述第一信号的功率谱和所述第一信号的平均功率谱之间的差，以及

-在所述差超过预定义阈值的情况下，确定所述第一信号是非平稳信号。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，包括：

-计算信号功率谱比率，所述信号功率谱比率是针对所述第一信号所估计的第一功率谱与针对所述第二信号所估计的第二功率谱之比，以及

-在当认定所述第一信号实质上包括平稳噪声时计算了功率谱比率的情况下，基于所计算的功率谱比率，更新麦克风间增益偏移，或者

-在当认定所述第一信号包括非平稳信号分量时计算了所述功率谱比率的情况下，通过将所计算的功率谱比率与所更新的麦克风间增益偏移作比较，来确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述所更新的麦克风间增益偏移超过所述功率谱比率预定义余量的情况下，认定所述第一信号实质上包括远场噪声。

6.根据权利要求3、4或5中任意一项所述的方法，其中，所述噪声功率谱比率的更新包括：

-基于最近所计算的功率谱比率，通过以预定义值递进地增加或减少最近所计算的麦克风间增益偏移，来适配所述麦克风间增益偏移。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述通信设备包括两个或更多个主麦克风和/或两个或更多个参考麦克风，所述方法包括：

-针对所述麦克风中的主麦克风和参考麦克风的至少一个或更多个组合，重复所述步骤；

-选择所述主麦克风之一作为主导主麦克风，以及

-抑制由所述主导麦克风所捕捉的信号中的噪声。

8.根据权利要求7所述的方法，包括：

-针对每个麦克风组合，重复所述功率谱比率的计算以及麦克风间增益偏移的更新。

9.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述噪声抑制包括：

-基于谱相减滤波器，计算滤波器传递函数。

10.根据权利要求9所述的方法，包括：

-对所述滤波器应用最小增益。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，取决于所述第一信号被认定为实质上包括远场噪声还是实质上包括平稳噪声，能够对所述滤波器分别应用不同的最小增益。

12.根据权利要求9-11中任意一项所述的方法，其中，所述噪声抑制包括：

-基于最小相位法或线性相位法中的任意一个，计算所述滤波器的滤波系数。

13.一种噪声抑制器，用于抑制经由主麦克风所捕捉的第一信号的噪声，所述主麦克风被布置在通信设备上，使得所述主麦克风能够捕捉噪声和间歇性语音，所述噪声抑制器被配置为：通过处理所述第一信号和经由参考麦克风所捕捉的第二信号来抑制噪声，所述参考麦克风被布置在所述通信设备上，使得所述参考麦克风能够以实质上与所述主麦克风相同的信号电平捕捉噪声，并以比所述主麦克风低的信号电平捕捉语音，所述噪声抑制器包括：

-信号平稳性估计单元，被配置为：确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声；

-远场信号估计器，被配置为：在确定所述第一信号包括非平稳信号分量的情况下，确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声；

-噪声功率谱估计器，被配置为：在已经认定所述第一信号实质上包括平稳噪声的情况下，利用平稳噪声功率谱估计来更新所述第一信号的噪声功率谱估计；或者，在已经认定所述第一信号实质上包括远场噪声的情况下，利用远场噪声功率谱估计来更新所述第一信号的噪声功率谱估计，以及

-滤波单元，被配置为：基于所估计的噪声功率谱，计算频率响应，并且通过对所述第一信号应用所述频率响应，来抑制所述第一信号中的噪声。

14.根据权利要求13所述的噪声抑制器，其中，所述信号平稳性估计器、远场信号估计器、噪声功率谱估计器和滤波器被配置为：基于时间帧，重复地执行所述信号处理。

15.根据权利要求13或14所述的噪声抑制器，其中，所述信号平稳性估计器被配置为：通过估计针对特定时间帧所确定的所述第一信号的功率谱和所述第一信号的平均功率谱之间的差，并通过在所述差超过预定义阈值的情况下确定所述第一信号是非平稳信号，来确定所述第一信号是包括非平稳信号分量还是实质上包括平稳噪声。

16.根据权利要求13、14或15所述的噪声抑制器，还包括：

-功率谱计算单元，被配置为计算信号功率谱比率，所述信号功率谱比率是针对所述第一信号所估计的第一功率谱与针对所述第二信号所估计的第二功率谱之比；

-麦克风间增益偏移计算器，被配置为：在当认定所述第一信号实质上包括平稳噪声时计算了功率谱比率的情况下，基于所计算的功率谱比率，更新麦克风间增益偏移，以及

-远场估计单元，被配置为：在当认定所述第一信号包括非平稳信号分量时计算了所述功率谱比率的情况下，通过将所计算的功率谱与先前所更新的麦克风间增益偏移作比较，来确定所述第一信号是否实质上包括远场噪声。

17.根据权利要求16所述的噪声抑制器，其中，远场估计单元被配置为：在麦克风间增益偏移计算单元指示所述麦克风间增益偏移超过从所述功率比计算单元提供的功率谱比率预定义余量的情况下，认定所述第一信号实质上包括远场噪声。

18.根据权利要求16或17中任意一项所述的噪声抑制器，其中，所述麦克风间增益偏移计算器被配置为：基于最近所计算的功率谱比率，通过以预定义值递进地增加或减少最近所计算的麦克风间增益偏移，更新所述麦克风间增益偏移。

19.根据权利要求13-18中任意一项所述的噪声抑制器，包括两个或更多个主麦克风和/或两个或更多个参考麦克风，其中，所述功率比计算单元和所述麦克风间增益偏移计算器被配置为：针对所述麦克风中的主麦克风和参考麦克风的至少一个附加组合，重复相应的计算。

20.根据权利要求19所述的噪声抑制器，还包括选择单元，所述选择单元被配置为：选择所述主麦克风之一作为主导主麦克风，并向所述滤波单元提供所选择的主导麦克风的信号，用于噪声抑制。

21.根据权利要求13-20中任意一项所述的噪声抑制器，其中，所述滤波单元被配置为：基于谱相减滤波器，计算滤波器传递函数。

22.根据权利要求21所述的噪声抑制器，其中，所述滤波单元被配置为：对所述滤波器应用最小增益。

23.根据权利要求22所述的噪声抑制器，其中，所述滤波单元被配置为：取决于所述远场估计单元认定所述第一信号实质上包括远场噪声还是实质上包括平稳噪声，对所述滤波器应用不同的最小增益。

24.一种通信设备，包括根据权利要求13-23中任意一项所述的噪声抑制器。

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