CN105376677A - 移动声场下的实时声学反馈抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动声场下的实时声学反馈抑制方法及系统，该实时声学反馈抑制方法包括如下步骤：A.低通滤波步骤，首先对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响；B.高通滤波步骤，对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响；C.初步搜索步骤，采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；D.精确搜索步骤，啸叫点自适应精确定位与滤波；E.处理步骤，啸叫相关点移相处理；F.输出步骤，输出信号。本发明的有益效果是：本方法解决在低功耗处理器上实现移动声场反馈抑制，从而实现各种不同型号的高低档次手机、助听设备、移动录播设备、智能对讲设备无需专用的语音处理芯片，而解决语音在移动场景下的啸叫问题。

Description

移动声场下的实时声学反馈抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及移动声场下的实时声学反馈抑制方法及系统。

背景技术

传统的声学反馈抑制采用移相、移频方法，通常首先对声场进行分析，找到反馈点，然后采用移频和移相位方式去除啸叫，算法运行在DSP上，对于声场稳定的情况，效果不错。随着移动互联网应用越来越多，传统的反馈抑制算法无法处理声场和干扰都是时变的，并且难以运行在主频不高的ARM上。

发明内容

本发明提供了一种移动声场下的实时声学反馈抑制方法，包括如下步骤：

A.低通滤波步骤，首先对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响；

B.高通滤波步骤，对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响；

C.初步搜索步骤，采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；

D.精确搜索步骤，啸叫点自适应精确定位与滤波；

E.处理步骤，啸叫相关点移相处理；

F.输出步骤，输出信号。

作为本发明的进一步改进，在所述低通滤波步骤中，Z域传递函数设计为：H1(z)＝3975+7949z-1+3975z-2/4096+7946z-1+3857z-2，H1(Z)输出信号为x1(n)；

在所述高通滤波步骤中，Z域传递函数设计为：H2(z)＝3896-7791z-1+3895z-2/4096-7781z-1+3705z-2，H2(Z)输入信号为x1(n)输出信号为x2(n)。

作为本发明的进一步改进，在所述初步搜索步骤中包括：

(1).对输入信号x2(n)进行320点快速傅里叶变换，得到频域复信号X(n)；

(2).计算X(n)的能量谱P(n/2),计算公式：

P(i)＝X(2*i－1)*X(2*i-1)+X(2*i)*X(2*i)，计算平滑能量P(i)＝0.8P(i)+0.2P(I-1)；

(3).计算X(n)的相位谱PH(I)＝atan(X(2i)/X(2*i－1)),并将PH入队QPH保持队列QPH长度为5；

(4).查找满足啸叫的点集合Q使得Q[i]为P(i)的极值，并且对于QPH均方差小于0.1。

作为本发明的进一步改进，在所述精确搜索步骤中包括：

(1)取出啸叫点集合Q的元素Q(n)，以Q(n)为中心设计陷波滤波器，Z域传输函数为：H3(Z)＝(1–2cos(Q(n))z+z2)/(1-2bcos(Q(n)+b2)(b＝0.95b2指b平方))；

(2)将信号x2(n)通过滤波器H3，得到信号x4(n)，计算信号x4(n)方差D；

(3)将Q(n)分别向左、向右移频2HZ，重复(1)、(2)分别计算方差DL、DR，

若D<min(DL,DR)，Q(n)即为最优啸叫点，输出信号x4(n)，采用Q(n+1)，x4(n)作为输入，同时将Q(N)存入最优啸叫点队列V(N)，重复步骤(1)、(2)、(3)，直到QJ队列处理完，

若DL>DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)+2/B*PI重复步骤(3)直到Q(n)–QP>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽，

若DL<DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)-2/B*PI重复步骤(3)直到QP-Q(n)>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽。

作为本发明的进一步改进，在所述处理步骤中包括：

(1).更新最优啸叫统计，求解移相截止频率，移相截止频率fc＝min(V(fmax),avg(ft))；

(2).相关点移相，将输入信号x4(n),通过移相滤波器，输出信号y(n)，Z域传递函数为H4(Z)＝4096+a*z/a+4096*z，其中a＝4096*((tan(fc/fs)-1)/(tan(fc/fs)+1)，fc为上一步计算的移相截止频率，fs为信号采样频率，tan为正切函数。

本发明还提供了一种移动声场下的实时声学反馈抑制系统，包括：

低通滤波模块，用于对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响；

高通滤波模块，用于对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响；

初步搜索模块，用于采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；

精确搜索模块，用于啸叫点自适应精确定位与滤波；

处理模块，用于啸叫相关点移相处理；

输出模块，用于输出信号。

作为本发明的进一步改进，在所述低通滤波模块中，Z域传递函数设计为：H1(z)＝3975+7949z-1+3975z-2/4096+7946z-1+3857z-2，H1(Z)输出信号为x1(n)；

在所述高通滤波模块中，Z域传递函数设计为：H2(z)＝3896-7791z-1+3895z-2/4096-7781z-1+3705z-2，H2(Z)输入信号为x1(n)输出信号为x2(n)。

作为本发明的进一步改进，在所述初步搜索模块中包括：

对输入信号x2(n)进行320点快速傅里叶变换，得到频域复信号X(n)；

计算X(n)的能量谱P(n/2),计算公式：P(i)＝X(2*i－1)*X(2*i-1)+X(2*i)*X(2*i)，计算平滑能量P(i)＝0.8P(i)+0.2P(I-1)；

计算X(n)的相位谱PH(I)＝atan(X(2i)/X(2*i－1)),并将PH入队QPH保持队列QPH长度为5；

查找满足啸叫的点集合Q使得Q[i]为P(i)的极值，并且对于QPH均方差小于0.1。

作为本发明的进一步改进，在所述精确搜索模块中包括：

模块一，取出啸叫点集合Q的元素Q(n)，以Q(n)为中心设计陷波滤波器，Z域传输函数为：H3(Z)＝(1–2cos(Q(n))z+z2)/(1-2bcos(Q(n)+b2)(b＝0.95b2指b平方))；

模块二，将信号x2(n)通过滤波器H3，得到信号x4(n)，计算信号x4(n)方差D；

模块三，将Q(n)分别向左、向右移频2HZ，重复(1)、(2)分别计算方差DL、DR，

若D<min(DL,DR)，Q(n)即为最优啸叫点，输出信号x4(n)，采用Q(n+1)，x4(n)作为输入，同时将Q(N)存入最优啸叫点队列V(N)，重复模块一、二、三，直到QJ队列处理完，

若DL>DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)+2/B*PI重复模块三直到Q(n)–QP>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽，

若DL<DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)-2/B*PI重复模块三直到QP-Q(n)>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽。

作为本发明的进一步改进，在所述处理模块中包括：

更新最优啸叫统计，求解移相截止频率，移相截止频率fc＝min(V(fmax),avg(ft))；

相关点移相，将输入信号x4(n),通过移相滤波器，输出信号y(n)，Z域传递函数为H4(Z)＝4096+a*z/a+4096*z，其中a＝4096*((tan(fc/fs)-1)/(tan(fc/fs)+1)，fc为上一步计算的移相截止频率，fs为信号采样频率，tan为正切函数。

本发明的有益效果是：本方法提出一种适用于移动声场环境的低复杂度的方法，解决在低功耗处理器上实现移动声场反馈抑制，从而实现各种不同型号的高低档次手机、助听设备、移动录播设备、智能对讲设备无需专用的语音处理芯片，而解决语音在移动场景下的啸叫问题。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种移动声场下的实时声学反馈抑制方法，包括如下步骤：

在步骤S1中，低通滤波步骤，首先对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响，Z域传递函数设计为：H1(z)＝3975+7949z-1+3975z-2/4096+7946z-1+3857z-2，H1(Z)输出信号为x1(n)。

在步骤S2中，高通滤波步骤，对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响，Z域传递函数设计为：H2(z)＝3896-7791z-1+3895z-2/4096-7781z-1+3705z-2，H2(Z)输入信号为x1(n)输出信号为x2(n)。

在步骤S3中，初步搜索步骤，采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；

在步骤S3中具体包括：

(1).对输入信号x2(n)进行320点快速傅里叶变换，得到频域复信号X(n)；

(2).计算X(n)的能量谱P(n/2),计算公式：

P(i)＝X(2*i－1)*X(2*i-1)+X(2*i)*X(2*i)

计算平滑能量P(i)＝0.8P(i)+0.2P(I-1)；

(3).计算X(n)的相位谱PH(I)＝atan(X(2i)/X(2*i－1)),并将PH入队QPH保持队列QPH长度为5；

(4).查找满足啸叫的点集合Q使得Q[i]为P(i)的极值，并且对于QPH均方差小于0.1。

在步骤S4中，精确搜索步骤，啸叫点自适应精确定位与滤波；

在步骤S4中具体包括：

(1)取出啸叫点集合Q的元素Q(n)，以Q(n)为中心设计陷波滤波器，Z域传输函数为：

H3(Z)＝(1–2cos(Q(n))z+z2)/(1-2bcos(Q(n)+b2)(b＝0.95b2指b平方))；

(2)将信号x2(n)通过滤波器H3，得到信号x4(n)，计算信号x4(n)方差D；

(3)将Q(n)分别向左、向右移频2HZ，重复(1)、(2)分别计算方差DL、DR，

若D<min(DL,DR)，Q(n)即为最优啸叫点，输出信号x4(n)，采用Q(n+1)，x4(n)作为输入，同时将Q(N)存入最优啸叫点队列V(N)，重复步骤(1)、(2)、(3)，直到QJ队列处理完；

若DL>DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)+2/B*PI重复步骤(3)直到Q(n)–QP>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽；

若DL<DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)-2/B*PI重复步骤(3)直到QP-Q(n)>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽。

在步骤S5中，处理步骤，啸叫相关点移相处理；

在步骤S5中具体包括：

1.更新最优啸叫统计，求解移相截止频率：

1)求历史最优啸叫点V分布概率对于队列V当k＝V(n)时F(k)＝F(k)+1；

2)最大概率啸叫点fmax满足F(fmax)＝max(F(n))；

3)求本次V的均值avgV和方差Dv，计算本次移相期望截止频率ftt＝avgV–Dv，采用公式ft＝0.1ft+0.9ftt计算ft；

移相截止频率fc＝min(V(fmax),avg(ft))；

2.相关点移相：

将输入信号x4(n),通过移相滤波器，输出信号y(n)，Z域传递函数为：

H4(Z)＝4096+a*z/a+4096*z；其中，a＝4096*((tan(fc/fs)-1)/(tan(fc/fs)+1)；其中：fc为上一步计算的移相截止频率，fs为信号采样频率，tan为正切函数。

本发明还公开了一种移动声场下的实时声学反馈抑制系统，包括：

低通滤波模块，用于对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响；

高通滤波模块，用于对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响；

初步搜索模块，用于采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；

精确搜索模块，用于啸叫点自适应精确定位与滤波；

处理模块，用于啸叫相关点移相处理；

输出模块，用于输出信号。

本方法提出一种适用于移动声场环境的低复杂度的方法，解决在低功耗处理器上实现移动声场反馈抑制，从而实现各种不同型号的高低档次手机、助听设备、移动录播设备、智能对讲设备无需专用的语音处理芯片，而解决语音在移动场景下的啸叫问题。

本方法解决在低功耗处理器上实现移动声场反馈抑制，可以应用于各种不同型号手机、助听器，便携录播设备，由于扬声器、麦克风同时打开，由于声场反馈引起的啸叫，本发明的优点如下：

(1)本方法实时跟踪啸叫点，可以随着位置变化引起的声场变化，本方法提出两步搜索法，首先通过声音能量和相位变化情况可以判断啸叫发生的可能频段，然后再这些可能的频段里面精确的搜索啸叫点，这样就保证的对于啸叫点的跟踪是实时的，反馈抑制自适应能力强。

(2)本方法采用两步啸叫搜索法，基于最小方差搜索啸叫点进行抑制，只需要320点傅立叶变换，频率精度可以达到2赫兹，大大提高语言处理质量，而传统的啸叫搜索达到2HZ，对于16KHZ采样的音频需要8000点的傅立叶变换，而算法时间复杂度至少是O(n平方)这种方法在低端移动设备上是不可能实现的，本方法法效率提高400倍以上。

(3)本方法采用啸叫点历史统计数据，自动调整移相处理，使得易发生啸叫的频率采用大的相位偏移，预防啸叫的发生，提高语言质量同时减少啸叫发生处理的计算量，提高性能。

(4)算法实现简单，基于纯软件计算，可以在ARM7或以上芯片运行，大大提高各种智能手机VOIP语音质量，以及其他助听设备、便携录播设备、便携智能对讲设备无需专用语音芯片，大大降低生产成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动声场下的实时声学反馈抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.低通滤波步骤，首先对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响；

B.高通滤波步骤，对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响；

C.初步搜索步骤，采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；

D.精确搜索步骤，啸叫点自适应精确定位与滤波；

E.处理步骤，啸叫相关点移相处理；

F.输出步骤，输出信号。

2.根据权利要求1所述的实时声学反馈抑制方法，其特征在于，

在所述低通滤波步骤中，Z域传递函数设计为：H1(z)＝3975+7949z-1+3975z-2/4096+7946z-1+3857z-2，H1(Z)输出信号为x1(n)；

在所述高通滤波步骤中，Z域传递函数设计为：H2(z)＝3896-7791z-1+3895z-2/4096-7781z-1+3705z-2，H2(Z)输入信号为x1(n)输出信号为x2(n)。

3.根据权利要求2所述的实时声学反馈抑制方法，其特征在于，在所述初步搜索步骤中包括：

(1).对输入信号x2(n)进行320点快速傅里叶变换，得到频域复信号X(n)；

(2).计算X(n)的能量谱P(n/2),计算公式：

P(i)＝X(2*i－1)*X(2*i-1)+X(2*i)*X(2*i)

计算平滑能量P(i)＝0.8P(i)+0.2P(I-1)；

(3).计算X(n)的相位谱PH(I)＝atan(X(2i)/X(2*i－1)),并将PH入队QPH保持队列QPH长度为5；

(4).查找满足啸叫的点集合Q使得Q[i]为P(i)的极值，并且对于QPH均方差小于0.1。

4.根据权利要求3所述的实时声学反馈抑制方法，其特征在于，在所述精确搜索步骤中包括：

(1)取出啸叫点集合Q的元素Q(n)，以Q(n)为中心设计陷波滤波器，Z域传输函数为：

H3(Z)＝(1–2cos(Q(n))z+z2)/(1-2bcos(Q(n)+b2)(b＝0.95b2指b平方))；

(2)将信号x2(n)通过滤波器H3，得到信号x4(n)，计算信号x4(n)方差D；

(3)将Q(n)分别向左、向右移频2HZ，重复(1)、(2)分别计算方差DL、DR，

若D<min(DL,DR)，Q(n)即为最优啸叫点，输出信号x4(n)，采用Q(n+1)，x4(n)作为输入，同时将Q(N)存入最优啸叫点队列V(N)，重复步骤(1)、(2)、(3)，直到QJ队列处理完，

若DL>DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)+2/B*PI重复步骤(3)直到Q(n)–QP>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽，

若DL<DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)-2/B*PI重复步骤(3)直到QP-Q(n)>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽。

5.根据权利要求4所述的实时声学反馈抑制方法，其特征在于，在所述处理步骤中包括：

(1).更新最优啸叫统计，求解移相截止频率，移相截止频率fc＝min(V(fmax),avg(ft))；

(2).相关点移相，将输入信号x4(n),通过移相滤波器，输出信号y(n)，Z域传递函数为H4(Z)＝4096+a*z/a+4096*z，其中a＝4096*((tan(fc/fs)-1)/(tan(fc/fs)+1)，fc为上一步计算的移相截止频率，fs为信号采样频率，tan为正切函数。

6.一种移动声场下的实时声学反馈抑制系统，其特征在于，包括：

低通滤波模块，用于对输入信号x(n)进行低通滤波，去除超低频的影响；

高通滤波模块，用于对输入信号x(n)进行高通滤波，去除超高频的影响；

初步搜索模块，用于采用能相位法初步搜索到低精度啸叫点；

精确搜索模块，用于啸叫点自适应精确定位与滤波；

处理模块，用于啸叫相关点移相处理；

输出模块，用于输出信号。

7.根据权利要求6所述的实时声学反馈抑制系统，其特征在于，

在所述低通滤波模块中，Z域传递函数设计为：H1(z)＝3975+7949z-1+3975z-2/4096+7946z-1+3857z-2，H1(Z)输出信号为x1(n)；

在所述高通滤波模块中，Z域传递函数设计为：H2(z)＝3896-7791z-1+3895z-2/4096-7781z-1+3705z-2，H2(Z)输入信号为x1(n)输出信号为x2(n)。

8.根据权利要求7所述的实时声学反馈抑制系统，其特征在于，在所述初步搜索模块中包括：

对输入信号x2(n)进行320点快速傅里叶变换，得到频域复信号X(n)；

计算X(n)的能量谱P(n/2),计算公式：P(i)＝X(2*i－1)*X(2*i-1)+X(2*i)*X(2*i)，计算平滑能量P(i)＝0.8P(i)+0.2P(I-1)；

计算X(n)的相位谱PH(I)＝atan(X(2i)/X(2*i－1)),并将PH入队QPH保持队列QPH长度为5；

查找满足啸叫的点集合Q使得Q[i]为P(i)的极值，并且对于QPH均方差小于0.1。

9.根据权利要求8所述的实时声学反馈抑制系统，其特征在于，在所述精确搜索模块中包括：

模块一，取出啸叫点集合Q的元素Q(n)，以Q(n)为中心设计陷波滤波器，Z域传输函数为：H3(Z)＝(1–2cos(Q(n))z+z2)/(1-2bcos(Q(n)+b2)(b＝0.95b2指b平方))；

模块二，将信号x2(n)通过滤波器H3，得到信号x4(n)，计算信号x4(n)方差D；

模块三，将Q(n)分别向左、向右移频2HZ，重复(1)、(2)分别计算方差DL、DR，

若D<min(DL,DR)，Q(n)即为最优啸叫点，输出信号x4(n)，采用Q(n+1)，x4(n)作为输入，同时将Q(N)存入最优啸叫点队列V(N)，重复模块一、二、三，直到QJ队列处理完，

若DL>DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)+2/B*PI重复模块三直到Q(n)–QP>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽，

若DL<DR时，领QP＝Q(n),Q(n)＝Q(n)-2/B*PI重复模块三直到QP-Q(n)>n*PI/(10*B)，其中B为信号带宽。

10.根据权利要求9所述的实时声学反馈抑制系统，其特征在于，在所述处理模块中包括：

更新最优啸叫统计，求解移相截止频率，移相截止频率fc＝min(V(fmax),avg(ft))；

相关点移相，将输入信号x4(n),通过移相滤波器，输出信号y(n)，Z域传递函数为H4(Z)＝4096+a*z/a+4096*z，其中a＝4096*((tan(fc/fs)-1)/(tan(fc/fs)+1)，fc为上一步计算的移相截止频率，fs为信号采样频率，tan为正切函数。