CN109195042A - 低功耗的高效降噪耳机及降噪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于传感器辅助的低功耗降噪耳机，所述耳机包括耳机壳体，所述耳机壳体内容纳播放喇叭，所述播放喇叭与信号处理芯片连接；所述耳机还包括在所述耳机壳体前端布置的传感器，使所述传感器伸入到佩戴者耳道内，采集内耳处颌骨振动的信号；所述耳机还包括通话麦克，所述传感器采集内耳处颌骨的振动信号进行语音活动检测，判断是否有人在讲话，从而指导上行通话通路对通话麦克采集到的信号做噪声估计，进而对所述通话麦克的语音信号进行噪声抑制。本发明由于利用传感器采集佩戴者说话时内耳处颌骨振动的信号，与传统采用内耳麦克的耳机相比，采集不到扬声器播放的音乐或者通话语音信号，不用进行回声消除，因此具有更低的功耗。

Description

低功耗的高效降噪耳机及降噪系统

技术领域

本发明涉及声音信号处理技术领域，特别涉及低功耗的高效降噪耳机及降噪系统。

背景技术

随着社会进步和人民生活水平的提高，耳机已成为人们生活中必不可少的生活用品。人们常常在大街，公共汽车，地铁接听和拨打电话，这类环境中的噪声，会被耳机的通话麦克风所拾取，和我们说话的内容混到一起，被上行发送到对方电话的听筒中，影响对方接听电话的语音质量，因此上行降噪技术是十分有必要的。另外，内置语音助手的无线智能耳机，可以帮助用户查询天气、接打电话、播报天气、监测心率等，基于深度学习的智能音乐推荐系统，还会根据你的听歌习惯、实时心率、活动场景等，进行精准多元的音乐推荐，具有这种功能的耳机得到越来越多的用户的认可，但是这种耳机要求有较高的佩戴者语音检测准确率，减少系统唤醒次数，但普通降噪耳机很容易被误唤醒，导致功耗较大，待机时间短。

现有的两种通话耳机，一种是基于单麦克的降噪耳机，上行通话只有单麦克降噪功能，降噪能力有限，仅对平稳噪声效果好，滤除环境中其它噪声的效果差，在商场，地铁等环境中打电话，上行通话质量差。另一种是基于波束成形的双麦克降噪耳机，比单麦克降噪效果好，但是只能抑制非主方向上的干扰信号，且如果用户佩戴姿势不正确的话，通话人的语音也会有损失，影响识别成功率。

因此，为了解决上述问题，需要一种降低了耳机功耗，提高了检测准确度，减少了系统误唤醒次数，实现了耳机高效降噪低功耗的高效降噪耳机及降噪系统。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种基于传感器辅助的低功耗降噪耳机，所述耳机包括耳机壳体，所述耳机壳体内容纳播放喇叭，所述播放喇叭与信号处理芯片连接；

所述耳机还包括在所述耳机壳体前端布置的传感器，使所述传感器伸入到佩戴者耳道内，采集内耳处颌骨振动的信号；

所述耳机还包括通话麦克，所述传感器采集内耳处颌骨的振动信号进行语音活动检测，判断是否有人在讲话，从而指导上行通话通路对通话麦克采集到的信号做噪声估计，进而对所述通话麦克的语音信号进行噪声抑制。

优选地，所述传感器为加速度传感器或振动传感器。

本发明的另一个方面在于提供一种基于传感器辅助的低功耗降噪系统，所述系统包括布置于耳机壳体前端传感器、通话麦克和信号处理芯片，其中所述传感器内集成第一特征提取模块和第一语音信号检测模块，所述信号处理芯片包括第二特征提取模块、第二语音信号检测模块、瞬态干扰抑制器和噪声抑制模块，

所述传感器采集内耳处颌骨的振动信号，由所述第一特征提取模块进行振动信号特征提取；

所述第一语音信号检测模块对所述第一特征提取模块提取的振动信号进行检测，若振动信号中具有语音信号，则将振动信号传输至所述信号处理芯片进行信号处理。

所述第二特征提取模块，对对来自传感器的振动信号进行语音信号特征提取；

所述第二语音检测模块，用于对所述第二特征提取模块提取的特征信号进行检测，若特征信号中不具有语音信号，则通知噪声抑制模块，对通话麦克采集到的信号进行噪声估计；

所述通话麦克采集语音信号，用于将语音信号传输至所述噪声抑制模块；

所述噪声抑制模块，通过所述振动信号对所述通话麦克采集语音信号进行噪声估计和噪声抑制。

优选地，信号处理芯片还包括高通滤波电路和低通滤波电路，所述高通滤波电路对噪声抑制模块处理后的语音信号进行高通滤波，所述低通滤波电路对振动信号进行低通滤波。

优选地，经高通滤波后的信号与低通滤波后的信号进行数据均衡。

优选地，所述传感器为加速传感器或振动传感器。

本发明针对普通耳机，除通话麦克外，耳机增加一个传感器，在佩戴耳机时，传感器贴近内耳的地方，采集佩戴者说话时颌骨的振动信号，与通话麦克配合，实现耳机佩戴者的语音活动检测。同时利用通话麦克和骨振动信号进行双麦克降噪，在环境较为恶劣的条件下会进一步进行数据融合，实现上行通话降噪功能，不仅可以有效的抑制平稳噪声，而且可以滤除环境中的非平稳噪声(环境中的人声，音乐等)，特别是在大风噪环境下会大大提高语音可懂度。

本发明利用传感器采集佩戴者说话时内耳处颌骨振动的信号，与外部麦克风配合，用于语音活动检测，可以提高检测准确度；对于普通耳机同时利用通话麦克和传感器采集到的信号进行噪声抑制，实现上行通话降噪功能，在大风噪条件下会进行数据融合提高语音可懂度，可进一步改善上行通话质量，保证了在嘈杂的商场，地铁，汽车等环境中上行通路仍然有非常好的通话质量以及良好的VAD检测准确率，降低系统被误唤醒的概率，进一步降低智能耳机的功耗，延长智能耳机的待机时间。

本发明由于利用传感器采集佩戴者说话时内耳处颌骨振动的信号，与传统采用内耳麦克的耳机相比，采集不到扬声器播放的音乐或者通话语音信号，不用进行回声消除，因此具有更低的功耗。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明基于传感器辅助的低功耗降噪耳机的结构示意图。

图2示出了本发明在大风噪干扰下，传感器采集的语音数据与通话麦克采集的语音数据对照图。

图3示出了本发明基于传感器辅助的低功耗降噪系统的结构示意图。

图4示出了本发明传感器输入数据进行语音活动检测的流程框图。

图5示出了本发明一个实施例中基于传感器辅助降噪的流程框图。

图6示出了本发明噪声抑制过程的示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，根据本发明的实施例，本发明采用在耳机壳体的前端布置一个传感器，使佩戴者使用耳机时传感器伸入到耳道内，采集内耳处颌骨的振动信号。通过传感器采集的内耳处颌骨的振动信号进行语音活动检测(VAD)以及辅助耳机降噪。

如图1所示本发明基于传感器辅助的低功耗降噪系统的结构示意图，一种基于传感器辅助的低功耗降噪耳机包括耳机壳体1，耳机壳体1内容纳播放喇叭40，播放喇叭40与信号处理芯片30连接。

耳机还包括在耳机壳体1前端布置的传感器10，使传感器10伸入到佩戴者耳道内，采集内耳处颌骨的振动信号。根据本发明的实施例针耳机还包括通话麦克20，传感器10采集内耳处颌骨的振动信号进行语音活动检测，判断是否有人在讲话，从而指导上行通话通路对通话麦克采集到的信号做噪声估计，进而对所述通话麦克的语音信号进行噪声抑制。

由于本发明提供的耳机，在使用过程中传感器10伸入到佩戴者耳道内，能够采集佩戴者讲话时耳道内颌骨振动传来的振动信号，振动信号不受外部环境影响，能够提高语音活动检测(VAD)的检测准确度。如图2所示本发明基于传感器辅助的低功耗降噪系统的结构示意图，实施例在大风噪声环境中佩戴者讲话，a为通话麦克20采集的信号数据，图中b为传感器10采集的信号数据，由图2可见，传感器10采集的信号数据完全不会受到环境的影响，故而本发明采用传感器采集振动信号数据进行语音活动检测，以提高检测的精确度，降低系统误唤醒次数，从而降低功耗，延长使用时间。根据本发明的实施例，传感器为加速传感器或振动传感器。

如图3所示本发明基于传感器辅助的低功耗降噪系统的结构示意图，一种基于传感器辅助的低功耗降噪系统包括布置于耳机壳体前端传感器10、通话麦克20和信号处理芯片30，其中传感器10内集成第一特征提取模块101和第一语音信号检测模块102，信号处理芯片30包括第二特征提取模块301、第二语音信号检测模块302和噪声抑制模块303。根据本发明的实施例，信号处理芯片30还包括高通滤波电路和低通滤波电路(图中未示出)。根据本发明，传感器10为加速传感器或振动传感器。

根据本发明，实施例中通过传感器采集的耳道内颌骨的振动信号进行语音活动检测，进而判断是否开启系统进行信号处理。如图4所示本发明传感器输入数据进行语音活动检测的流程框图，传感器10采集佩戴者内耳处颌骨的振动信号，由第一特征提取模块101进行振动信号特征提取。第一语音信号检测模块102对第一特征提取模块101提取的振动信号进行语音活动检测(VAD检测)，若振动信号中具有语音信号，则将振动信号传输至信号处理芯片30进行信号处理。即：信号处理芯片30开始接收传感器10的振动信号。若振动信号中未检测到语音信号，则返回继续进行语音活动检测。需要说明的是，这里所说的语音信号是指佩戴者通话的语音，从内耳处颌骨的振动信号中判断佩戴者是否在讲话。对于语音活动检测(VAD检测)采用本领域技术人员所掌握的现有技术进行语音活动检测，本发明不做具体限定。

如图5所示本发明一个实施例中基于传感器辅助降噪的流程框图，本实施例中，传感器检测到佩戴者内耳处颌骨的振动信号中具有语音信号，将振动信号发送至信号处理芯片30。下面具体说明基于传感器辅助降噪的过程，当第一语音检测模块102检测到语音信号，信号处理芯片开启收音。信号处理芯片接收振动信号，振动信号分为两路，一路经过低通滤波电路对振动信号进行低通滤波。另一路经过对振动信号进行语音活动检测从而指导对通话麦克20采集的信号进行噪声估计和噪声抑制。

具体为，第二特征提取模块301，对来自传感器的振动信号进行语音信号特征提取。

第二语音检测模块302，对第二特征提取模块301提取的特征信号进行语音活动检测，若特征信号中不具有语音信号，则认为麦克采集到的数据是环境噪声，通知噪声抑制模块303进行噪声估计，从而对通话麦克中的数据进行噪声抑制。

通话麦克20采集语音信号输入语音数据，并将语音信号传输至噪声抑制模块303。本实施例中，通话麦克20将语音信号传输至噪声抑制模块303之前通过回声消除模块进行回声消除。

噪声抑制模块303通过振动信号对通话麦克采集语音信号进行噪声抑制。由于检测到的振动信号中不具有语音信号，可以认振动信号中没有采集到佩戴者讲话的信号，那么此时通话麦克中的数据为噪声，从而对通话麦克的语音信号进行噪声抑制。具体地，通过更新噪声抑制参数对语音信号进行噪声抑制。

如图6所示为本发明噪声抑制过程的示意图，本实施例中，噪声抑制过程按照如下方法进行：

所述噪声抑制处理过程包括如下步骤：

将传感器采集的振动信号与通话麦克采集的佩戴者与环境音的叠加信号分别进行分帧、加窗处理。

对分帧、加窗处理后的振动信号和通话麦克信号分别通过快速傅里叶变换转换为频域信号。

通过频域信号计算出噪声功率谱密度，并由所述噪声功率谱密度计算出谱增益。

由谱增益对所述通话麦克的频域信号进行噪声抑制处理，并将处理后的信号进行逆傅里叶变换得到时域信号。

将所述时域信号进行加窗并重叠相加得到降噪后的语音信号。具体地噪声抑制过程如下：

将通话麦克采集的语音信号与传感器采集的振动信号分别进行分帧、加窗处理。本实施例中传感器X₁(k)将采集到的振动信号进行分帧、加窗处理，经过处理后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，转换为频域信号X₁(m，n)：

其中

m为频域下标，n为时域帧数，L为相邻帧之间存在重叠时的帧步长，w是长度为K的窗函数；

通话麦克X₂(k)将采集到的语音信号进行分帧、加窗处理，经过处理后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，转换为频域信号X₂(m，n)：

其中

m为频域下标，n为时域帧数，L为相邻帧之间存在重叠时的帧步长，w是长度为K的汉宁窗函数，g增益失配校正系数。

上述增益失配校正系数g的计算通过通话麦克和传感器在静音状态下接收的底噪信号的标准差比值进行计算，本实施例中增益失配校正系数g通过如下方式计算：

其中Var(X₁)为传感器在静音状态下接收的底噪信号的标准差，Var(X₂)通话麦克在静音状态下接收的底噪信号的标准差。

Var(X)的计算通过如下方式计算：

其中，NN为计算标准差用到的信号帧数，u为信号x(k)的均值。

根据传感器采集到的振动信号能量是否高于阈值来判断语音信号是否存在，如果不存在，则认为当前通话麦克中的信号为噪声信号，通过频域信号计算出噪声功率谱密度，本实施例中噪声功率谱密度P_w(m,n)通过如下迭代算法计算：

P_w(m，n)＝λ_W·P_w(m，n-1)+(1-λ_W)·|X(m，n)|²，其中

λ_W为遗忘因子，X(m，n)为频域信号。

由噪声功率谱密度P_w(m，n)计算出谱增益G(m，n)：

其中

为传感器接收信号的功率密度，为通话麦克接收信号的功率密度。

实施例中，上述传感器接收信号的功率密度通话麦克接收信号的功率密度通过如下方法得到：

其中为遗忘因子，X₁(m，n)，X₂(m，n)为频域信号。

通过谱增益G(m，n)对通话麦克的频域信号X₂(m，n)进行噪声抑制处理，并将处理后的信号进行逆傅里叶变换(IFFT)得到时域信号S(m，n)。

具体地，S(m，n)＝G(m，n)X₂(m，n)，将得到时域信号S(m，n)进行加窗并重叠相加得到降噪后纯净的语音信号y(k)。

通话麦克20采集语音信号经过噪声抑制后成为纯净的语音信号，高通滤波电路对噪声抑制模块处理后的语音信号进行高通滤波。经高通滤波后的信号与低通滤波后的信号进行数据均衡，即：经高通滤波后的信号经过低通滤波电路对瞬态干扰抑制后的振动信号进行低通滤波的另一路振动信号进行数据融合，用于上行链路的通话。

本实施例中振动信号分为两路，一路经过低通滤波电路对振动信号进行低通滤波。另一路振动信号对通话麦克20采集的信号进行噪声抑制。在另一些实施例中，振动信号作为一路直接进行噪声抑制，也就是说，振动信号直接经第二特征提取模块301进行特征提取。再由第二语音检测模块302对第二特征提取模块301提取的振动信号进行语音活动检测，具体噪声抑制过程与上述方法相同，这里不再赘述。

本发明针对普通耳机，除通话麦克外，耳机增加一个传感器，在佩戴耳机时，传感器贴近内耳的地方，采集佩戴者说话时颌骨的振动信号，与通话麦克配合，实现耳机佩戴者的语音活动检测。同时利用通话麦克和骨振动信号进行双麦克降噪，在环境较为恶劣的条件下会进一步进行数据融合，实现上行通话降噪功能，不仅可以有效的抑制平稳噪声，而且可以滤除环境中的非平稳噪声(环境中的人声，音乐等)，特别是在大风噪环境下会大大提高语音可懂度。

本发明利用传感器采集佩戴者说话时内耳处颌骨振动的信号，与外部麦克风配合，用于语音活动检测，可以提高检测准确度；对于普通耳机同时利用通话麦克和传感器采集到的信号进行降噪抑制，实现上行通话降噪功能，在大风噪条件下会进行数据融合提高语音可懂度，可进一步改善上行通话质量，保证了在嘈杂的商场，地铁，汽车等环境中上行通路仍然有非常好的通话质量以及良好的VAD检测准确率，降低系统被误唤醒的概率，进一步降低智能耳机的功耗，延长智能耳机的待机时间。

本发明由于利用传感器采集佩戴者说话时内耳处颌骨振动的信号，与传统采用内耳麦克的耳机相比，采集不到扬声器播放的音乐或者通话语音信号，不用进行回声消除，因此具有更低的功耗。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于传感器辅助的低功耗降噪耳机，其特征在于，所述耳机包括耳机壳体，所述耳机壳体内容纳播放喇叭，所述播放喇叭与信号处理芯片连接；

所述耳机还包括在所述耳机壳体前端布置的传感器，使所述传感器伸入到佩戴者耳道内，采集内耳处颌骨振动的信号；

所述耳机还包括通话麦克，所述传感器采集内耳处颌骨的振动信号进行语音活动检测，判断是否有人在讲话，从而指导上行通话通路对通话麦克采集到的信号做噪声估计，进而对所述通话麦克的语音信号进行噪声抑制。

2.根据权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述传感器为加速度传感器或振动传感器。

3.一种基于传感器辅助的低功耗降噪系统，其特征在于，所述系统包括布置于耳机壳体前端传感器、通话麦克和信号处理芯片，其中所述传感器内集成第一特征提取模块和第一语音信号检测模块，所述信号处理芯片包括第二特征提取模块、第二语音信号检测模块和噪声抑制模块，

所述传感器采集内耳处颌骨的振动信号，由所述第一特征提取模块进行振动信号特征提取；

所述第一语音信号检测模块对所述第一特征提取模块提取的振动信号进行检测，若振动信号中具有语音信号，则将振动信号传输至所述信号处理芯片进行信号处理。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二特征提取模块，对来自传感器的振动信号进行语音信号特征提取；

所述第二语音检测模块，用于对所述第二特征提取模块提取的特征信号进行检测，若特征信号中不具有语音信号，则通知所述噪声抑制模块进行噪声估计；

所述通话麦克采集语音信号，用于将语音信号传输至所述噪声抑制模块；

所述噪声抑制模块，通过对所述振动信号进行语音信号检测来对所述通话麦克采集语音信号进行环境噪声估计并抑制。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，信号处理芯片还包括高通滤波电路和低通滤波电路，所述高通滤波电路对噪声抑制模块处理后的语音信号进行高通滤波，所述低通滤波电路对振动信号进行低通滤波。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，经高通滤波后的信号与低通滤波后的信号进行数据均衡。

7.根据权利要求3所述的耳机，其特征在于，所述传感器为加速度传感器或振动传感器。