CN106658323A - 人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统和方法 - Google Patents

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孙晓安
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Abstract

本发明公开了一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统和方法，包括延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，延时相加器的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经延时相加器处理后，信噪比得到提升的混合信号；前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别与所述延时相加器连接，二者的输入均为延时相加器输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；估算模块根据二者估算出前向目标信号；维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。本发明降低运算复杂度，提高降噪效果。

Description

人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统和方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，特别涉及一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统和方法。
背景技术
人工耳蜗是一种可以帮助重度或极重度耳聋患者恢复听力的人造官能。它由体外佩戴的信号处理单元以及体内植入的植入体组成。其中，体外信号处理单元上的麦克风负责收集环境中的声音信号，然后由信号处理器(DSP，digital signal processor)进行处理和编码，再将编码好的信号通过射频的方式发送给体内的植入体，并在电极阵列产生相应的电脉冲信号来刺激听神经，最终帮助植入者恢复听力。
在安静的环境中，康复效果理想的植入者可与人正常交流。然而，在噪声环境中，绝大部分植入者对于语音信号的感知和理解会受到很大的影响，这可能是因为在目前的人工耳蜗编码策略中，缺乏对声音信号频率精细结构的编码而导致的。因此，如何能够在信号处理的过程中最大限度地消除噪声对语音信号的影响，成为了当前人工耳蜗技术发展的重中之重。
目前的人工耳蜗降噪技术一般是基于一个全向麦克风，即单麦克风降噪技术或两个全向麦克风，也就是双麦克风降噪技术。其中，单麦克风降噪技术的效果一般很难得到保证。比如传统的谱减法或维纳滤波，会产生语音信号的畸变以及“音乐噪音”，很难提升耳蜗植入者在噪声环境下的言语识别率。而一些最新的基于单麦克风的降噪技术，往往需要很大的运算资源，这都是人工耳蜗或助听器的DSP所无法承受的。
而传统的双麦克风技术，比如延时相加(DS，delay and sum)方法，是根据正前方的语音信号抵达两个麦克风的时间差而进行处理的。可是，考虑到用户体验，人工耳蜗体外机的发展趋势是越做越轻薄，因此两个麦克风的物理距离往往不超过两厘米，这也导致了语音信号抵达两个麦克风的时间差非常短，甚至不到一个采样点的差别。所以传统的DS方法只能稍微提升语音信号的信噪比，效果微乎其微。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统和方法，具有运算复杂度适中，降噪效果好等特点。
为达到上述目的，本发明提供了一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，包括延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，其中，
所述延时相加器的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经延时相加器处理后，信噪比得到提升的混合信号；
所述前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别与所述延时相加器连接，二者的输入均为延时相加器输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；
所述估算模块与前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别连接，根据二者的输出估算出前向目标信号；
所述维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。
优选地，所述延时相加器的输出由如下公式获得：
其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。
优选地，所述前向差分麦克风阵列输出的前向信号由如下公式获得：
Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；
后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：
Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。
优选地，所述估算模块输出的前向目标信号由如下公式获得：
Xs(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)
其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数、Xs(ω)为前向目标信号。
优选地，所述维纳滤波器输出的目标语音信号由如下公式获得：
其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。
基于上述目的，本发明还提供了一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，包括以下步骤：
前向和后向麦克风的两路频域信号输入延时相加器，进行延时相加及信噪比提升处理，输出混合信号；
混合信号和后向麦克风的频域信号同时输入前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列，而后分别输出前向信号和后向信号；
前向信号和后向信号一同输入估算模块，根据二者的输出估算出前向目标信号；
前向目标信号维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。
优选地，所述前向和后向麦克风的两路频域信号输入延时相加器，进行延时相加及信噪比提升处理，输出混合信号由如下公式获得：
其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。
优选地，所述混合信号和后向麦克风的频域信号同时输入前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列，而后分别输出前向信号和后向信号；
前向信号由如下公式获得：
Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；
后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：
Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。
优选地，所述前向信号和后向信号一同输入估算模块，根据二者的输出估算出前向目标信号由如下公式获得：
XS(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)
其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数、Xs(ω)为前向目标信号。
优选地，所述前向目标信号维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号由如下公式获得：
其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。
本发明的有益效果在于：可以有效提升前向信号(目标语音信号)的信噪比，同时抑制侧向或后向干扰(噪声)信号的强度，使得耳蜗植入者可以在噪声环境中感知和理解语音信号。并且，本发明具有运算量低，资源消耗少的特点，适合在人工耳蜗或助听器等设备中实现。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统结构示意图；
图2为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统中前向与后向差分麦克风阵列的极坐标增益曲线；
图3为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统中估算模块输出的极坐标增益曲线；
图4为采用本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统的输入噪声信号输入输出波形图；
图5为采用本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统的输入语音信号输入输出波形图；
图6为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1，所示为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，包括延时相加器10、前向差分麦克风阵列20、后向差分麦克风阵列30、估算模块40和维纳滤波器50，其中，
所述延时相加器10的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经延时相加器10处理后，信噪比得到提升的混合信号；
所述前向差分麦克风阵列20和后向差分麦克风阵列30分别与所述延时相加器10连接，二者的输入均为延时相加器10输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；
所述估算模块40与前向差分麦克风阵列20和后向差分麦克风阵列30分别连接，根据二者的输出估算出前向目标信号；
所述维纳滤波器50与所述估算模块40连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。
进一步地，延时相加器10的输出由如下公式获得：
其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器10输出的混合信号。
前向差分麦克风阵列20输出的前向信号由如下公式获得：
Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器10输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；
后向差分麦克风阵列30输出的后向信号由如下公式获得：
Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器10输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。
估算模块40输出的前向目标信号由如下公式获得：
Xs(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)
其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数、Xs(ω)为前向目标信号。
维纳滤波器50输出的目标语音信号由如下公式获得：
其中，Xm(ω)为延时相加器10输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。
图2为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统中前向与后向差分麦克风阵列的极坐标增益曲线：曲线1为前向信号Xf(ω)的极坐标增益曲线、曲线2为后向信号Xb(ω)的极坐标增益曲线；
图3为本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统中估算模块的极坐标增益曲线：使用前后向的两路输出信号Xf(ω)和Xb(ω)，估算前向目标信号Xs(ω)，曲线3为C＝0.4时的Xs(ω)的极坐标增益曲线、曲线4为C＝0.1时的Xs(ω)的极坐标增益曲线；
为了说明本发明的有益效果，判定其是否对噪声进行了有效地去除，通过下述两种测试的波形来进行说明及验证。
参见图4，为采用本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统的输入噪声信号输入输出波形图：当噪声信号为来自180°，即正后方的语谱噪声时，降噪前(曲线51)，降噪后(曲线71)的信号与无噪信号(曲线61)对比图，此处截取的为纯噪声片段，因此降噪处理降低了噪声信号的幅度。
参见图5为采用本发明实施例的一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统的输入语音信号输入输出波形图：当噪声信号为来自180°，即正后方的语谱噪声时，降噪前(曲线52)，降噪后(曲线72)的信号与原始语音信号(曲线62)对比图，此处截取的为纯语音片段，因此降噪处理后的信号幅度仍然很接近原始信号的幅度，语音信号并未受到降噪算法的影响。
与上述系统对应的，本发明还提供了一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，其流程图参见图6，包括以下步骤：
S101，前向和后向麦克风的两路频域信号输入延时相加器，进行延时相加及信噪比提升处理，输出混合信号；
S102，混合信号和后向麦克风的频域信号同时输入前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列，而后分别输出前向信号和后向信号；
S103，前向信号和后向信号一同输入估算模块，根据二者的输出估算出前向目标信号；
S104，前向目标信号维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。
进一步地，S101中输出混合信号由如下公式获得：
其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。
S102中前向信号由如下公式获得：
Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；
后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：
Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。
S103中前向目标信号由如下公式获得：
XS(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)
其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数、Xs(ω)为前向目标信号。
S104中输出目标语音信号由如下公式获得：
其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。
具体实施例参照上述系统实施例，在此不赘述。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，其特征在于，包括延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，其中，
所述延时相加器的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经延时相加器处理后，信噪比得到提升的混合信号；
所述前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别与所述延时相加器连接，二者的输入均为延时相加器输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；
所述估算模块与前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别连接，根据二者的输出估算出前向目标信号；
所述维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。
2.根据权利要求1所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述延时相加器的输出由如下公式获得：
X m ( ω ) = 1 2 X 1 ( ω ) + e - j ω τ 2 X 2 ( ω )
其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。
3.根据权利要求1所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述前向差分麦克风阵列输出的前向信号由如下公式获得：
Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；
后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：
Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。
4.根据权利要求1所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述估算模块输出的前向目标信号由如下公式获得：
Xs(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)
其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数、Xs(ω)为前向目标信号。
5.根据权利要求1所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述维纳滤波器输出的目标语音信号由如下公式获得：
S ( ω ) = X m ( ω ) X s ( ω ) X 2 ( ω )
其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。
6.一种采用权利要求1-5之一的系统的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：
前向和后向麦克风的两路频域信号输入延时相加器，进行延时相加及信噪比提升处理，输出混合信号；
混合信号和后向麦克风的频域信号同时输入前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列，而后分别输出前向信号和后向信号；
前向信号和后向信号一同输入估算模块，根据二者的输出估算出前向目标信号；
前向目标信号维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。
7.根据权利要求6所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，其特征在于，所述前向和后向麦克风的两路频域信号输入延时相加器，进行延时相加及信噪比提升处理，输出混合信号由如下公式获得：
X m ( ω ) = 1 2 X 1 ( ω ) + e - j ω τ 2 X 2 ( ω )
其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。
8.根据权利要求6所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，其特征在于，所述混合信号和后向麦克风的频域信号同时输入前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列，而后分别输出前向信号和后向信号；
前向信号由如下公式获得：
Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；
后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：
Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)
其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。
9.根据权利要求6所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，其特征在于，所述前向信号和后向信号一同输入估算模块，根据二者的输出估算出前向目标信号由如下公式获得：
XS(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)
其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数、Xs(ω)为前向目标信号。
10.根据权利要求6所述的人工耳蜗及助听器的双麦克风降噪方法，其特征在于，所述前向目标信号维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号由如下公式获得：
S ( ω ) = X m ( ω ) X s ( ω ) X 2 ( ω )
其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。
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