CN104252863A - 车载收音机的音频降噪处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种车载收音机的音频降噪处理系统，包括：模数转换器，用于接收来自所述车载收音机的模拟输出并将所述模拟输出转换成第一数字信号，所述第一数字信号处于时域中；数字信号处理器，用于将处于时域的所述第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，从所述第二数字信号中去除噪声分量，以及将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号，所述第三数字信号处于时域中；数模转换器，用于将所述第三数字信号转换为模拟音频输出；以及音频功放，用于接收所述模拟音频输出并驱动扬声器工作。本发明还提供了一种车载收音机的音频降噪处理方法。

Description

车载收音机的音频降噪处理系统及方法

技术领域

本发明涉及数字信号处理，特别地，涉及车载收音机的音频降噪处理系统及方法。

背景技术

随着现代汽车电子技术的迅猛发展，使得车内电子模块形成了完整的体系。对于汽车电子零部件级的开发而言已经进入了一个全新的时代，越来越多的电子模块应用于车内，为驾乘人员提供了前所未有的舒适与安全。FM(调频)多径干扰是FM广播特有的一种缺陷，普通家用FM收音机不会有这个问题，但在车载收音机上，尤其是在城市中，FM多径干扰十分明显。

多径干扰噪音是移动用户收听FM广播时最常见的噪音，表现为城市道路中短暂但强烈的嚓嚓声。由于反射，一个信号的多个拷贝以不同的相位到达，如果相位破坏性地叠加，则相对噪声来说信号的强度就会下降(信噪比减小)，导致接收端检测困难。通过增加信号强度并不能改善多径干扰噪音，有时甚至会增加噪音强度。多径干扰噪音在音频高频率段更加突出，因此一般选择衰减高频音频来降低多径干扰的影响。但衰减高频音频会造成声音信息损失，清晰度变差，声音显得沉闷，所以不是一个完美的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种设计合理、性能稳定可靠的车内音频降噪处理系统和方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种车载收音机的音频降噪处理系统，包括：模数转换器，用于接收来自所述车载收音机的模拟输出并将所述模拟输出转换成第一数字信号，所述第一数字信号处于时域中；数字信号处理器，用于将处于时域的所述第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，从所述第二数字信号中去除噪声分量，以及将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号，所述第三数字信号处于时域中；数模转换器，用于将所述第三数字信号转换为模拟音频输出；以及音频功放，用于接收所述模拟音频输出并驱动扬声器工作。

在上述音频降噪处理系统中，所述数字信号处理器配置成通过如下步骤来从所述第二数字信号中去除噪声分量：根据所述第二数字信号来计算输入全频功率谱以及高频噪音功率谱；通过所计算的高频噪音功率谱来预测全频噪音功率谱；以及将所述输入全频功率谱减去所预测的全频噪声功率谱。

在上述音频降噪处理系统中，所述数字信号处理器配置成借助所述第二数字信号的相位谱来将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种车载收音机的音频降噪处理方法，包括：接收来自所述车载收音机的模拟输出并将所述模拟输出转换成第一数字信号，所述第一数字信号处于时域中；将处于时域的所述第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，从所述第二数字信号中去除噪声分量，将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号，所述第三数字信号处于时域中；将所述第三数字信号转换为模拟音频输出；以及接收所述模拟音频输出并驱动扬声器工作。

在上述音频降噪处理方法中，所述从所述第二数字信号中去除噪声分量包括：根据所述第二数字信号来计算输入全频功率谱以及高频噪音功率谱；通过所计算的高频噪音功率谱来预测全频噪音功率谱；以及将所述输入全频功率谱减去所预测的全频噪声功率谱。

在上述音频降噪处理方法中，所述将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号借助于所述第二数字信号的相位谱来实现。

通过前述音频降噪处理系统和方法，噪音强度能够量化，并和原始声音能够有效地剥离开，从而消除多径干扰，提升用户听感。

附图说明

在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，本领域技术人员将会更清楚地了解本发明的各个方面。本领域技术人员应当理解的是：这些附图仅仅用于配合具体实施方式说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。

图1是根据本发明的一个实施例的音频降噪处理系统的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的音频降噪处理系统的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的音频降噪处理方法的示意图；

图4和图5是带有多径干扰噪音的FM音频信号的时域频谱图；

图6是降噪后音频信号的时域频谱图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其它实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

音频信号最主要的特点之一就是，音频信号的能量是连续地分布在整个频率范围内，通常是以周期性信号的形式出现的，有时也有事件触发的信号，即非周期性信号。不同的音频信号的模式和强度不尽相同，但某个音频信号总是可以通过傅立叶变换，将信号的表达形式在时域和频域之间进行转换。

傅立叶变换是从一个函数空间(集合)到另一个函数空间(集合)的映射。对于周期性函数，其傅立叶变换公式如下所示：

$\frac{1}{2}{a}_0+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\∞}(a_n\cos \mathrm{nx}+b_n\sin \mathrm{nx})$

其中，

$a_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}f\left(x\right)\cos \mathrm{nxdx},$ $b_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}f\left(x\right)\sin \mathrm{nxdx}$

由周期性函数的傅立叶变换可知，任何周期信号都可用正弦函数的级数表示。其理论意义在于，任何复杂的周期函数都可以用简单的三角级数表示，其实际意义就是用三角函数之和近似表示复杂的周期函数。

针对某个周期性音频信号的具体分析，总是可以通过傅立叶变换将该音频信号(即某个复杂的周期函数)用若干正(余)弦音频信号、即三角函数之和近似地表示。再通过分析三角函数，很容易找到噪音的基频和n次谐波，从而找到干扰源。

对于非周期的音频信号，需要使用非周期函数的傅立叶变换，即

$f\left(x\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=-\∞}^{\∞}{c}_n\exp \left(i\frac{\mathrm{n\πx}}{L}\right)$

其中，

$c_n=\frac{1}{2L}{\∫}_{-L}^L\exp (-i\frac{\mathrm{n\πx}}{L})f\left(x\right)\mathrm{dx}$

由非周期函数的傅立叶变换可知，任何非周期信号都可用正弦函数的积分表示。

在本发明中，不是对FM音频信号的整个时域进行分析，而是对信号逐段进行。也就是说，对信号加一个有限支撑的窗函数，而且让这个窗函数在时间轴上平移。这时的傅里叶变换就变成了短时傅里叶变换，就有能力对信号的局部频率进行分析和处理。

参考图1，根据本发明的一个方面，为了抑制多径干扰并且不破坏音频质量，提供了一种车载收音机的音频降噪处理系统。该音频降噪处理系统包括模数转换器110、数字信号处理器120、数模转换器130以及音频功放140。其中，模数转换器110用于接收来自车载收音机的模拟输出并将该模拟输出转换成时域的第一数字信号。数字信号处理器120用于将处于时域的第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，从该第二数字信号中去除噪声分量，以及将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为时域的第三数字信号。数模转换器130用于将第三数字信号转换为模拟音频输出。音频功放140用于接收模拟音频输出并驱动扬声器工作。

在一个具体的实施例中，数字信号处理器选用支持用户自编C语音算法的DSP芯片。该DSP芯片同时自带模数转换和数模转换功能，因此无需额外的模数数模转换芯片。模拟信号从车载主机输出，经接插件输入到DSP芯片，芯片自动完成从模拟信号到数字信号的转换，信号以数字的形式存在，并由DSP芯片进行处理。处理之后的数字信号再由DSP芯片完成数字信号到模拟信号的转换，再输出到功放芯片，驱动扬声器工作，如图2所示。

DSP芯片提供了对于数字信号的处理功能，具体的处理算法(即噪音消除算法)需要按照本发明所述的方法进行开发。DSP芯片供应商提供PC上C语音的开发环境，降噪算法在C语音开发环境下撰写和编译。降噪算法在PC上的开发环境中编译成功后，以工程文件的形式存在于PC中。DSP芯片供应商提供与PC联接的接口板，通过DSP芯片接口板上的mini USB接口，可以将PC联接到DSP芯片，并将降噪算法工程文件装载到DSP芯片。工厂批量生产时，降噪算法在工厂生产线直接装载到模块中，不需要接口板装载算法工程文件。

当然，本领域技术人员容易理解，除了采用对DSP芯片编程来实现本发明所述的数字信号处理器外，还可以通过硬件电路的方式来实现数字信号处理器。

例如，数字信号处理器可包括三个部件——傅立叶变换部件、降噪部件以及反傅立叶变换部件。傅立叶变换部件将处于时域的第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，降噪部件从该第二数字信号中去除噪声分量，而反傅立叶变换部件将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为时域的第三数字信号。

在本发明中，噪音消除算法的基本思想是假定加性噪声与短时平稳的FM音频信号相互独立的条件下，从带噪语音的功率谱中减去噪声功率谱，从而得到纯净的音频信号。其基本原理如图3。音频处理过程主要处理功率谱的变换，最后傅里叶反变换中借助减谱前信号的相位谱来恢复降噪后的音频时域信号。噪音谱的获取是通过考察高音频段平均功率推测。由于多径干扰噪音在频域上功率分布的斜率与音量基本无关，因此可以获得一个较为简单的函数关系，使用高音频段的平均功率推测整个频率段上的噪音功率。选择高音频段是由于这个频率上的广播内容已经很少，广播内容本身基本不会影响噪音的判别。

由此，所实现的车内音频降噪处理系统具有以下特点：

1)实时性，所有噪音处理实时完成，声音信号没有间断；

2)自适应性，由于噪音强度是不固定的，噪音消除处理过程中防止了由于算法所导致的声音信号受损或者噪音没有完全消除。

根据本发明的另一方面，还提供了一种车载收音机的音频降噪处理方法，包括：接收来自所述车载收音机的模拟输出并将所述模拟输出转换成第一数字信号，所述第一数字信号处于时域中；将处于时域的所述第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，从所述第二数字信号中去除噪声分量，将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号，所述第三数字信号处于时域中；将所述第三数字信号转换为模拟音频输出；以及接收所述模拟音频输出并驱动扬声器工作。

在一个具体的实施例中，从所述第二数字信号中去除噪声分量包括：根据所述第二数字信号来计算输入全频功率谱以及高频噪音功率谱；通过所计算的高频噪音功率谱来预测全频噪音功率谱；以及将所述输入全频功率谱减去所预测的全频噪声功率谱。

在一个具体的实施例中，将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号借助于所述第二数字信号的相位谱来实现。

图4为带有多径干扰噪音的FM音频信号的时域频谱图，其中深色竖线是FM多径干扰出现时的噪音。颜色越深表示干扰声越严重，竖线越宽表示干扰持续的时间越长。用户此时听到短促但强烈的嚓嚓声，听感较差。

图5是对这段音频进行分析，将音频在时域上分段，然后进行短时傅里叶变换，获得量化的高音频段处的信号强度，也就是多径干扰强度。高音频段处的信号平均功率用于推测全频段功率谱。

图6为根据推测的全频段功率谱，使用谱减后获得的消除噪音后的声音信号。从图6中可见，原声音信号中的高频分量得到保留，多径干扰噪音被消除，用户听感明显提升。

综上所述，本发明的车载收音机的音频降噪处理系统和方法能够高效、迅速地消除FM音频信号中的多径干扰噪音，为用户提供理想的听觉效果。本发明设计合理、性能稳定可靠并且易于维护和使用，因此在汽车行业领域具备良好的推广、应用前景。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种车载收音机的音频降噪处理系统，包括：

模数转换器，用于接收来自所述车载收音机的模拟输出并将所述模拟输出转换成第一数字信号，所述第一数字信号处于时域中；

数字信号处理器，用于将处于时域的所述第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，从所述第二数字信号中去除噪声分量，以及将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号，所述第三数字信号处于时域中；

数模转换器，用于将所述第三数字信号转换为模拟音频输出；以及

音频功放，用于接收所述模拟音频输出并驱动扬声器工作。

2.如权利要求1所述的音频降噪处理系统，其中，所述数字信号处理器配置成通过如下步骤来从所述第二数字信号中去除噪声分量：

根据所述第二数字信号来计算输入全频功率谱以及高频噪音功率谱；

通过所计算的高频噪音功率谱来预测全频噪音功率谱；以及

将所述输入全频功率谱减去所预测的全频噪声功率谱。

3.如权利要求1或2所述的音频降噪处理系统，其中，所述数字信号处理器配置成借助所述第二数字信号的相位谱来将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号。

4.一种车载收音机的音频降噪处理方法，包括：

接收来自所述车载收音机的模拟输出并将所述模拟输出转换成第一数字信号，所述第一数字信号处于时域中；

将处于时域的所述第一数字信号进行傅立叶变换而转换为处于频域的第二数字信号，

从所述第二数字信号中去除噪声分量，

将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号，所述第三数字信号处于时域中；

将所述第三数字信号转换为模拟音频输出；以及

接收所述模拟音频输出并驱动扬声器工作。

5.如权利要求4所述的音频降噪处理方法，其中，所述从所述第二数字信号中去除噪声分量包括：

根据所述第二数字信号来计算输入全频功率谱以及高频噪音功率谱；

通过所计算的高频噪音功率谱来预测全频噪音功率谱；以及

将所述输入全频功率谱减去所预测的全频噪声功率谱。

6.如权利要求4或5所述的音频降噪处理方法，其中，所述将降噪后的第二数字信号傅立叶反变换为第三数字信号借助于所述第二数字信号的相位谱来实现。