CN103503477B - 使用成对传声器抑制噪声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于组合信号的系统，包括生成具有第一语音分量和第一噪声分量的第一输入信号的第一传声器、生成具有第二语音分量和第二噪声分量的第二输入信号的第二传声器、混合电路以及自适应滤波器。混合电路将具有值α的第一增益应用到第一输入信号以产生第一比例信号，将具有值1‑α的第二增益应用到第二输入信号以产生第二比例信号，并且对第一比例信号和第二比例信号求和以产生总和信号。自适应滤波器基于总和信号、第一输入信号和第二输入信号来计算用于最小化总和信号的能量的α的更新值，并且提供α的更新值到混合电路。

Description

使用成对传声器抑制噪声的方法和装置

技术领域

本公开内容涉及使用成对传声器来抑制噪声。

背景技术

用于通过电信系统（无论有线还是无线）进行通信的耳机通常将包括用于检测佩戴者的声音的传声器，这样的传声器暴露于若干种类型的噪声中，包括诸如其他人的谈话之类的来自环境的环境噪声，以及由移经传声器的空气所导致的风噪声。

图1示出了马萨诸塞州弗雷明汉的Bose公司市售的一种入耳式耳机10。耳机10包括电子模块12、声驱动器模块14以及耳接口16，该耳接口适合佩戴者的耳朵以保持耳机并且将驱动器模块14的声输出耦合到用户的耳道。在图1的示例耳机中，耳接口16包括延伸部18，该延伸部适合佩戴者的耳朵的上部以帮助保持耳机。耳机可以是无线的，也就是，可能没有将听筒机械耦合或电耦合到任何其他设备的电线或电缆。示出该耳机仅供参考。下文所公开的理念适用于具有在可能嘈杂的环境中使用的传声器的任何设备。

发明内容

一般地，在一个方面，一种用于组合信号的系统，包括生成具有第一语音分量和第一噪声分量的第一输入信号的第一传声器、生成具有第二语音分量和第二噪声分量的第二输入信号的第二传声器、混合电路以及自适应滤波器。混合电路将具有值α的第一增益应用到第一输入信号以产生第一比例信号（scaled signal），将具有值1-α的第二增益应用到第二输入信号以产生第二比例信号，并且对第一比例信号和第二比例信号求和以产生总和信号（summed signal）。自适应滤波器基于总和信号、第一输入信号和第二输入信号来计算用于最小化总 和信号的能量的α的更新值，并且将α的更新值提供到混合电路。

实施方式可以包括下面的一个或多个。第一噪声分量可以具有比来自风噪声更大的来自环境噪声的贡献。第一传声器可以包括压力传声器。第二噪声分量可以具有比来自环境噪声更大的来自风噪声的贡献。第一传声器可以对环境噪声比对风噪声更灵敏。第二传声器可以包括梯度传声器。第一传声器可以包括压力传声器，第二传声器可以包括梯度传声器，以及第一传声器和第二传声器可以位于该系统内的共同位置。

自适应滤波器可以被配置为应用最小均方算法来计算α的更新值。自适应滤波器可以在数字信号处理器中实施，该数字信号处理器被编程为计算第一信号和第二信号之间的差，将总和信号乘以该差并且乘以预先确定的步长值，以及从α的当前值减去该乘积以产生α的更新值。自适应滤波器可以在数字信号处理器中实施，该数字信号处理器被编程为将总和信号与第一输入信号和第二输入信号分解成多个频带，并且最小化第一能带中的总和信号的能量。混合电路可以通过在不同频带中分别应用α和1-α的不同值来应用第一增益和第二增益。

均衡器可以接收第一输入信号或第二输入信号中的至少一个输入信号，并且根据预定义的均衡曲线来均衡所接收的信号，以将第一语音分量匹配到第二语音分量。均衡器可以包括用于将第一均衡曲线应用到第一输入信号以产生第一均衡信号的第一均衡器，以及用于将第二均衡曲线应用到第二输入信号以产生第二均衡信号的第二均衡器，第一均衡信号和第二均衡信号具有匹配的语音分量。均衡器可以包括被配置为将均衡曲线应用到第一输入信号以产生第一均衡信号的单个均衡器。该第一均衡信号具有匹配来自第二输入信号的第二语音分量的均衡语音分量。低通滤波器可以在第二输入信号被提供到自适应滤波器之前对第二输入信号进行滤波。第二均衡器可以被耦合到混合电路的输出以优化在通信系统中使用的总和信号的语音响应。

混合电路可以进一步被配置为在将第一输入信号和第二输入信 号提供到自适应滤波器之前，将增益应用到第一输入信号或第二输入信号中的至少一个输入信号。混合电路和自适应滤波器两者之一或两者可以在数字信号处理器中实施。混合电路可以包括被配置为应用第一增益的第一压控放大器以及被配置为应用第二增益的第二压控放大器，第一压控放大器和第二压控放大器的输出被耦合以产生总和信号。

一般地，在一个方面，一种设备包括：第一表面中的风挡；梯度传声器，被封装在具有第一出口和第二出口的舱（capsule）内，第一出口和第二出口被耦合到从第一表面移位的第二表面中的开口；压力传声器，被安装在第一表面和第二表面之间；以及电路，被耦合到梯度传声器和压力传声器，并且可操作用于组合传声器的信号且提供组合的传声器信号。

实施方式可以包括下面的一个或多个。第一表面和第二表面可以彼此移开非零的距离。第一表面、第二表面以及第一表面和第二表面之间的至少一个壁围成体积，并且第二表面中的开口和压力传声器的感测元件可以均被耦合到该体积。压力传声器可以被安装在第一表面和第二表面之间的壁中。

优点包括在各种环境里抑制噪声、无缝地组合来自不同传声器的信号，每个传声器最适合在不同的环境中发现的噪声。

根据说明书和权利要求书，其它特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1示出了无线耳机。

图2示出了传声器信号混合电路的方框图。

图3示出了无线耳机中的传声器壳体的剖视图。

具体实施方式

图1中所示的蓝牙耳机的商业实施例使用封装在屏后的两端口物理结构中的单个传声器，以减少远端语音通信中的噪声，如在共同待 决的申请13/075,732中所描述的，其通过引用合并于此。该物理结构减少由传声器检测到的噪声量，降低由远端通信方听到的声音中的噪声。如图2中所示，添加第二传声器以及混合来自两个传声器的电信号，进一步提供在噪声抑制方面的改善。特别地，被封装的传声器102提供环境噪声（例如，附近的其他人的谈话、交通、机械）的良好抑制，但其旨在从风中拾取噪声（即移经耳机的空气的噪声）。第二传声器104被选择以提供对风噪声的良好抑制，即使那意味着更可能拾取环境噪声。混合电路106组合来自两个传声器的信号108、110，以产生具有强语音分量和少量噪声的输出信号112。

将来自第一传声器102的传声器信号108表示为具有值W＝V_w+N_w，其中V_w是语音分量，并且N_w是噪声分量，其受风噪声影响比其受环境噪声影响更大。同样地，将来自第二传声器104的传声器信号110表示为具有值D＝V_d+N_d，其中V_d是语音分量，N_d是噪声分量，其对于该传声器而言受环境噪声的影响比其受风噪声的影响大。在该特定示例中，噪声分量N_w受风噪声的影响比受环境噪声的影响大，而噪声分量N_d受环境噪声的影响比受风噪声的影响大，但是混合电路106一般适用于任何用于组合具有对噪声的不同响应的两个输入的系统。混合电路106首先均衡传声器信号中的一个或两者。均衡器114和116将均衡曲线应用到各自的传声器信号108和110，以产生均衡信号118、120，将其表示为W_e＝V_we+N_we和D_e＝V_de+N_de。由均衡器114和116所应用的均衡曲线被设计为匹配传声器的语音响应，该语音响应独立于它们可能的噪声响应，以使得V_we＝V_de。在一些示例中，仅使用一个均衡器，将对应的传声器信号与其他传声器信号的非均衡语音响应相匹配，例如，V_we＝V_d或V_de＝V_w。该均衡可以在数字信号处理器（DSP）、微处理器中或者通过模拟部件（诸如R-L-C网络）来执行。

然后依比例决定均衡信号，在比例方框124和126中，一个通过比例因子α，而另一个通过1-α，以产生具有值(1-α)(V_we+N_we)和α(V_de+N_de)的比例信号128和130。比例信号128和130然后通过加法器132相加。具有值Y＝(1-α)(V_we+N_we)+α(V_de+N_de)的总和信号134被 传递到均衡总和信号的语音均衡器136，以产生供随后的通信电路138使用的合适的语音响应。将信号的比例和求和称作“混合”。与均衡相同，该混合可以在DSP或微处理器中执行，该DSP或微处理器被编程为将信号乘以比例因子并且将结果相加。备选地，该混合可以在模拟部件（诸如一对压控放大器，其输出被耦合以产生总和信号）中完成。

传声器信号与总和信号还被提供到自适应滤波器122，该滤波器输出比例因子α。滤波器122可以使用非均衡信号108和110或者均衡信号118和120。在一些示例中，使用均衡信号以便语音分量已经被匹配是有利的。计算比例因子α，以提供如下情况：无论传声器信号中的哪个具有较低噪声，都将对总和信号134提供较大贡献。在一些示例中，α在0到1之间变化。还可以使用其他值，包括较窄的范围（例如，以保证来自每个传声器的至少某个信号被使用）、较宽的范围（例如，以允许一个信号过驱动总和信号）、或者一组离散值而不是连续可变值。

总和信号134将具有αV_de-αV_we+V_we的语音分量和αN_de-αN_we+N_we的噪声分量。因为早前的均衡假设V_we＝V_de，所以总语音分量等于V_we，其独立于α的值。因为只有噪声分量受比例因子α的影响，所以α的值可以被选择以最小化该噪声（不论其来源如何），而不影响语音信号。在DSP实施方式中，自适应滤波器的输出α作为数据被提供以控制比例阶段的增益；在模拟实施方式中，滤波器的输出可以是用于控制压控放大器的电压。其他实施方式也是可能的。

在一些示例中，自适应滤波器122应用一种算法，该算法通过将总和信号134当作错误输入并且设置输出α以最小化总和“错误”信号的总能量来选择α。由于总和信号具有恒定的语音分量，所以最小化总能量将导致滤波器减少对总信号贡献更多噪声的无论哪个传声器信号的贡献。当同时存在很少的环境噪声或风噪声时，自适应算法可能导致α连续变化，因为传声器都未向总信号贡献显著的噪声。这可能是不期望的。为了解决该问题，滤波器可以偏置支持在具有高信 噪比的情况下具有更好的总体品质的无论哪个传声器。额外的噪声去除算法可以被应用于后续电路138中。

用于确定混合系数α的自适应滤波器122可以以许多不同的方式实施。在一个示例中，最小均方自适应滤波器被用来最小化混合信号中的总能量。这具有实施相对简单和划算的优点。建立在上述信号表示的基础上，在给定时间t的总混合信号Y为

Y_t＝αD_t+(1-α)W_t＝α(D_t-W_t)+W_t （1）其中，W_t和D_t是在时间t的总均衡传声器信号118和120。LMS滤波器工作以最小化总混合“错误”信号Y的能量，

min_αE{|Y|²}＝min_αE{(α(D_t-W_t)+W_t)²} （2）

（2）中的成本函数是α的二次方程式，并且具有随变化的噪声环境而改变的单一最优解。使用小步长参数μ的最速下降算法（steepest-descent algorithm）可以在自适应滤波器中使用，并且更新的α被发现是：

${\mathrm{\α}}_{t+1}={\mathrm{\α}}_t-\frac{1}{2}\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{dE}\left\{{\left|Y\right|}^2\right\}}{\mathrm{d\α}}---\left(3\right)$

根据（1）和（2），（3）中的导数被发现是和输出Y以及输入传声器信号D和W之间的差的函数：

对于短时自适应解，导数的瞬时估计被用于代替期望来提供LMS滤波器的输出：

α_t+1＝α_t-μY_t(D_t-W_t) （4）其可以被归一化为：

${\mathrm{\α}}_{t+1}={\mathrm{\α}}_t-{\mathrm{\μY}}_t\frac{(D_t-W_t)}{{|D_t-W_t|}^2}---\left(5\right)$

在另一示例中，多抽头自适应滤波器可以被用于提供信号的频率相关混合。同样地，可以再次使用针对不同频带产生的α的不同值执 行频域分析。使用频率相关混合可以允许使用对语音频带之外的噪声的改进滤波来优化语音分量，或者更一般地，允许对具有不同响应特性的输入进行最佳混合。正如其它部件，滤波器可以使用模拟电路或者DSP或者诸如可编程微处理器之类的其它合适的电路来实施。在一些示例中，可能完全由传声器偏置电源对使用低功率模拟电子设备实施的系统供电。步骤的顺序也可能改变，例如，整个语音响应均衡可以作为传声器匹配均衡的一部分来执行，优化传声器以用于之后彼此独立的语音处理。

在一些示例中，当风敏传声器信号118被输入到自适应滤波器122时，附加的低通滤波器被应用到风敏传声器信号118以将该信号带限到风噪声占主导的频率。当没有风时，这具有偏置支持风敏传声器的滤波器的效果，其在风敏传声器具有关于语音的较好的总信噪比的情况下是优选的。

在一些示例中，可以增加比例因子以偏置一个或另一个传声器信号几个dB，来补偿传声器响应中的预期漂移。此外，一个或两个传声器信号可以具有增益，该增益被用于针对其传声器的特定灵敏度来调整给定的单元，其倾向于具有显著的部分之间的可变性。这是有利的，因为它有助于保证两个传声器的语音响应是匹配的。

在图2中，两个传声器102和104被表示为梯度传声器和压力传声器以区分它们，但是由电路106执行的混合一般适用于组合来自任意两个系统的信号，这些系统提供对噪声的不同响应。对于具有对环境噪声较小的灵敏度的传声器102，示例可以包括速度传声器或者较高阶差分传声器阵列。对于具有对风噪声较小的灵敏度的传声器104，其他示例可以包括延迟与求和波束形成器，其可以具有比仅压力传声器更多的环境噪声抑制，同时仍然比梯度传声器对风更不灵敏。以下描述了用于图1中所示的耳机中的一个特定实施例。

在一个示例中，第一传声器102是位于两端口舱内的梯度传声器。梯度传声器的意思是响应于两点之间的压力梯度的电声换能器。梯度传声器往往具有双向传声器模式，其在提供无线耳机中良好的语音响 应方面是有用的，其中传声器可以被指向用户的嘴巴的大体方向。这样的传声器在环境噪声中提供良好的响应，但是易受风噪声的影响。第二传声器104是压力传声器，其往往具有全向传声器模式。压力传声器的意思是响应于其所暴露的空气中的压力的电声换能器，并且其产生表示该压力的电信号。单个压力传声器可以在风噪声中提供良好的响应（特别是在使用适当的风挡的情况下），但是将几乎不提供对环境噪声的抑制。在一些示例中，一对压力传声器一起被用作用于第一传声器信号的梯度传声器（来自压力传声器的信号之间的差代表它们之间的梯度），并且在此情况下，相同压力传声器之一可以单独用作用于第二传声器信号的压力传声器，或者可以使用第三传声器。

图3中示出了使用梯度传声器和压力传声器的一个实施例。在该示例中，无线耳机200在前部具有用于容纳两个传声器的嵌入式搁板202。搁板202被耳机的外壳中的屏风204所覆盖，被局部剖开以显示搁板那样被示出。因为美观的原因，屏风可能超出搁板的限制。梯度传声器206位于嵌入式搁板的表面210下的舱208内。两个端口212和214将梯度传声器206的两侧连接到搁板内空气的体积。压力传声器216位于嵌入式搁板202的侧壁218上。两个传声器被连接到耳机中其他地方的电路（未示出）。

将传声器放置在风挡下有利地消除了来自两个传声器的一些风噪声。在一个示例中，相对于完全没有风挡的情况，风挡由于压力传声器处的风噪声而将信号减小了约8dB，并且由于梯度传声器处的风噪声而将信号减小了约16dB，使得信号混合电路首先要消除较少的噪声。风挡下方的搁板的位置还提供了风挡和传声器之间的空气体积和直线距离，这进一步减少了传声器处的风噪声量。尤其是，为了最有效，风挡应具有比传声器的表面更大的总表面积（在屏风实际上暴露给传声器的区域中，美观部分没有任何影响）。在没有搁板的情况下，只有屏风直接在传声器上方的那部分将有关系，并且将是与传声器实际上相同的区域，降低了其有效性。还可以选择风挡的声阻来控制频率，梯度传声器的响应在该频率处滚降（roll off）。在一个示例 中，15瑞利的声阻导致梯度传声器滚降至大约100赫兹以下。基于所使用的传声器的固有风灵敏度和滚降频率，更高或更低的值可以用于给定的实施例中。

这里描述的传声器布置不限于耳机，而在例如可能用于嘈杂环境中的其他通信设备（诸如便携式扬声器电话或会议系统）中也可能是有用的。一个或多个梯度传声器可以被用于拾取电话附近的人们的语音，而当风损害一个或多个梯度传声器的性能时，具有较好的风噪声抑制的全向传声器被用于捕获相同的语音。

其他实施方式在下面的权利要求和申请人可能享有的其他权利要求的范围之内。

Claims (33)

1.一种用于组合信号的装置，包括：

第一传声器，生成具有第一语音分量和第一噪声分量的第一输入信号；

第二传声器，生成具有第二语音分量和第二噪声分量的第二输入信号；

混合电路，被配置为：

将具有值α的第一增益应用到所述第一输入信号以产生第一比例信号；

将具有值1-α的第二增益应用到所述第二输入信号以产生第二比例信号；以及

对所述第一比例信号和所述第二比例信号求和以产生总和信号；以及

自适应滤波器，被配置为基于所述总和信号、所述第一输入信号和所述第二输入信号来计算用于最小化所述总和信号的能量的α的更新值，并且提供α的所述更新值到所述混合电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一噪声分量具有比来自风噪声更大的来自环境噪声的贡献。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一传声器包括压力传声器。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二噪声分量具有比来自环境噪声更大的来自风噪声的贡献。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二传声器包括梯度传声器。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一传声器包括压力传声器，

所述第二传声器包括梯度传声器，以及

所述第一传声器和所述第二传声器位于所述装置内的共同位置。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述自适应滤波器被配置为应用最小均方算法来计算α的所述更新值。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述自适应滤波器在数字信号处理器中实施，所述数字信号处理器被编程为计算所述第一输入信号和所述第二输入信号之间的差，将所述总和信号乘以所述差并且乘以预先确定的步长值，以及从α的当前值减去乘积以产生α的所述更新值。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述自适应滤波器在数字信号处理器中实施，所述数字信号处理器被编程为将所述总和信号与所述第一输入信号和所述第二输入信号分解成多个频带，并且最小化第一能带中的所述总和信号的能量。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述混合电路通过在不同频带中分别应用α和1-α的不同值来应用所述第一增益和所述第二增益。

11.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

均衡器，接收所述第一输入信号或所述第二输入信号中的至少一个输入信号，并且被配置为根据预定义的均衡曲线来均衡所接收的信号，以将所述第一语音分量匹配到所述第二语音分量。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述均衡器包括：

第一均衡器，被配置为将第一均衡曲线应用到所述第一输入信号以产生第一均衡信号，以及

第二均衡器，被配置为将第二均衡曲线应用到所述第二输入信号以产生第二均衡信号，

所述第一均衡信号和所述第二均衡信号具有匹配的语音分量。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述均衡器包括：

单个均衡器，被配置为将均衡曲线应用到所述第一输入信号以产生第一均衡信号，

所述第一均衡信号具有匹配来自所述第二输入信号的所述第二语音分量的均衡语音分量。

14.根据权利要求1所述的装置，进一步包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为在所述第二输入信号被提供到所述自适应滤波器之前对所述第二输入信号进行滤波。

15.根据权利要求1所述的装置，进一步包括第二均衡器，所述第二均衡器被耦合到所述混合电路的输出并且被配置为优化在通信系统中使用的所述总和信号的语音响应。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所述混合电路进一步被配置为在将所述第一输入信号和所述第二输入信号提供到所述自适应滤波器之前，将增益应用到所述第一输入信号或所述第二输入信号中的至少一个输入信号。

17.根据权利要求1所述的装置，其中至少所述混合电路和所述自适应滤波器在数字信号处理器中实施。

18.根据权利要求1所述的装置，其中所述混合电路包括：

被配置为应用所述第一增益的第一压控放大器，以及

被配置为应用所述第二增益的第二压控放大器，

其中所述第一压控放大器和所述第二压控放大器的输出被耦合以产生所述总和信号。

19.一种组合信号的方法，包括：

接收来自第一传声器的第一输入信号，所述第一输入信号具有表示所述第一传声器对语音的响应的第一语音分量以及表示所述第一传声器对噪声的响应的第一噪声分量；

接收来自第二传声器的第二输入信号，所述第二输入信号具有表示所述第二传声器的语音响应的第二语音分量以及表示所述第二传声器对噪声的响应的第二噪声分量；

将具有值α的第一增益应用到所述第一输入信号以产生第一比例信号；

将具有值1-α的第二增益应用到所述第二输入信号以产生第二比例信号；

对所述第一比例信号和所述第二比例信号求和以产生总和信号；

在自适应滤波器中，基于所述总和信号、所述第一输入信号和所述第二输入信号来计算用于最小化所述总和信号的能量的α的更新值；

基于α的所述更新值更新所述第一增益和所述第二增益的值；以及

基于α的所述更新值输出所述总和信号。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一传声器对环境噪声比对风噪声更灵敏。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一传声器包括压力传声器。

22.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二传声器对风噪声比对环境噪声更灵敏。

23.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二传声器包括梯度传声器。

24.根据权利要求19所述的方法，其中计算α的所述更新值包括应用最小均方算法。

25.根据权利要求24所述的方法，其中应用所述最小均方算法包括，在数字信号处理器中：

计算所述第一输入信号和所述第二输入信号之间的差，

将所述总和信号乘以所述差并且乘以预先确定的步长值，以及

从α的当前值减去乘积以产生α的所述更新值。

26.根据权利要求19所述的方法，其中计算α的所述更新值包括将所述总和信号与所述第一输入信号和所述第二输入信号分解成多个频带，并且最小化第一能带中的所述总和信号的能量。

27.根据权利要求19所述的方法，其中应用所述第一增益和所述第二增益包括在不同频带中分别应用α和1-α的不同值。

28.根据权利要求19所述的方法，进一步包括根据预定义的均衡曲线来均衡所述第一输入信号或所述第二输入信号中的至少一个输入信号，以将所述第一语音分量匹配到所述第二语音分量。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述均衡包括将第一均衡曲线应用到所述第一输入信号以产生第一均衡信号，以及将第二均衡曲线应用到所述第二输入信号以产生第二均衡信号，所述第一均衡信号和所述第二均衡信号具有匹配的语音分量。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述均衡包括将第一均衡曲线应用到所述第一输入信号以产生第一均衡信号，所述第一均衡信号具有匹配来自所述第二输入信号的所述第二语音分量的均衡语音分量。

31.根据权利要求19所述的方法，进一步包括均衡所述总和信号以优化在通信系统中使用的所述总和信号的语音响应。

32.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在将所述第二输入信号提供到所述自适应滤波器之前对所述第二输入信号进行低通滤波。

33.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在将所述第一输入信号和所述第二输入信号提供到所述自适应滤波器之前，将增益应用到所述第一输入信号或所述第二输入信号中的至少一个输入信号。