CN109769060A - 一种手机主动降噪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手机主动降噪装置，包括：信号获取模块，其设置在手机底部，包括麦克风，能够采集手机近端用户所经历的环境噪声信号；信号传输转化单元，其连接所述麦克风，并能够将所述麦克风接收到的环境噪声信号、控制过程中的噪声误差信号和信号处理与控制模块生成的次级声源信号进行高信噪比的转换得到境噪声参考信号、噪声误差信号和次级声通道传函数；自适应控制单元，其连接所述信号传输转化单元，包括处理器和系统控制逻辑，声音播放模块，其包括扬声器，能够将所述次级声源信号播放出去，进而抵消手机近端用户所经历的环境噪声，还公开了一种手机主动降噪方法。
Description
技术领域
本发明涉及降噪技术领域，具体的说是一种手机主动降噪装置及方法。
背景技术
主动噪声控制方法现已成为一种切实可行的技术，成功应用于飞机、车辆、船舶和建筑物内的低频噪声控制领域，在这些应用中，使用被动噪声控制措施难以达到良好的控制效果。主动降噪技术是指，产生一个与被控噪声信号幅值相等、相位相反的抵消信号，使其与被控噪声信号相互抵消，达到降噪目的。
手机有时会在具有高水平背景噪声的声学环境中通话使用，各种环境噪声可能会干扰通话质量。随着手机用户对通话质量、功能的要求越来越高，为了克服这个问题，可以使用主动噪声控制技术来降低近端用户通话中的环境噪声干扰。而且，随着云端服务技术的发展，可以利用手机的无线网络传输功能实现手机近端测控数据与云端计算分析数据之间的快速交换。
目前，存在关于手机降噪的专利。如专利公告号为CNIO6941549A，公告日为2017年7月11日，名称为“一种双麦克风降噪的手机通话装置及其处理方法”以及专利公告号为CN207234901U，公告日为2018年4月13日，名称为“一种智能手机麦克风降噪结构”的专利，均是从改进通话传递质量以及远端用户接受的音频质量的角度分析，而并未考虑降低近端用户所经历的噪声。如专利公告号为CNIO6303839A，公告日为2017年1月4日，名称为“基于手机APP的ANC降噪控制方法”的专利，需要用户设置并修改蓝牙降噪耳机设备的降噪参数，操作繁琐且不具有自适应控制的功能。
发明内容
本发明设计开发了一种手机主动降噪装置，通过麦克风对用户手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号进行采集，并采用信号传输转化单元和自适应控制单元进行滤噪，从而有效的解决了环境噪声对手机近端用户通话时带来的干扰。
本发明还提供一种手机主动降噪方法，依据云端服务器上主动降噪自适应算法分析得到次级声源信号，然后再生成与所述次级声源信号相匹配的控制信号，然后再生成与所述次级声源信号相匹配的控制信号，有效抵消环境噪声的基础上，避免对语音产生干扰，提高通话中的语音清晰度。
本发明提供的技术方案为：
一种手机主动降噪装置，包括：
信号获取模块，其设置在手机底部，包括麦克风，能够采集手机近端用户所经历的环境噪声信号；
信号传输转化单元，其连接所述麦克风，并能够将所述麦克风接收到的环境噪声信号、控制过程中的噪声误差信号和信号处理与控制模块生成的次级声源信号进行高信噪比的转换得到境噪声参考信号、噪声误差信号和次级声通道传函数；
自适应控制单元，其连接所述信号传输转化单元，包括处理器和系统控制逻辑，能够将接收到的所述环境噪声参考信号、所述噪声误差信号和所次级声通道传函数经运算生成输出的次级声源信号；
声音播放模块，其包括扬声器，能够将所述次级声源信号播放出去，进而抵消手机近端用户所经历的环境噪声。
优选的是，还包括云端服务器，所述云端服务器上具有多个信号传输转化单元和多个自适应控制单元。
优选的是，所述云端服务器和手机近端之间利用手机的无线网络传输功能实现数据交换。
一种手机主动降噪方法，包括：
步骤一：测试手机麦克风和扬声器之间的次级声通道传递函数，并计算得到手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号；
步骤二：将麦克风测得的手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号转化为数字信号传输给云端服务器上的信号处理与控制模块；
步骤三：信号处理与控制模块利用存储在云端服务器上主动降噪自适应算法分析得到次级声源信号，并将所述次级声源信号转化为电信号发送到手机近端；
步骤四：利用手机近端的声音播放模块播放次级声源信号，以抵消手机用户所经历的环境噪声；
步骤五：抵消效果经过麦克风测试后通过无线网络反馈到云端服务器，利用噪声主动控制自适应算法来调整次级声源信号的幅值和相位，再发送到手机上的声音播放模块实施噪声主动控制，实现降噪。
优选的是，所述步骤一中的手机麦克风和扬声器之间的次级声通道传递函数自适应输出信号表示为：
其中，为自适应算法的麦克风输出信号，L为建模长度，hi(n)为n时刻麦克风第i个脉冲响应函数矢量，hi(n)＝hi(n-1)+2μ(n-1)x(n-i-1)；hi(n-1)为n-1时刻麦克风第i个脉冲响应函数矢量，μ(n-1)为自适应系数，x(n-i-1)为第n-i-1时刻麦克风采集到的信号，x(n-i)第n-i时刻的麦克风采集的信号；
系统实际输出与辨识模型的输出差值为
其中，e(n)为系统实际输出与辨识模型的输出差值，y(n)为利用麦克风采集扬声器的输出信号，为自适应算法的输出信号。
优选的是，所述步骤三中主动降噪自适应算法公式为：
u(n)＝d(n)+z(n)；
其中，u(n)为系统的辨识误差，d(n)为初级声信号，z(n)为扬声器发出的输出信号经次级通路后的信号；
其中，hsi(n)为nn时刻次级通路的第i个脉冲响应函数，u(n-i)为n-i时刻的扬声器输出信号。
优选的是，还包括误差信号更新，直到误差信号e(n)≤0.002，将作为麦克风输出信号输出。
优选的是，还包括误差信号更新，直到误差信号u(n)≤0.004，将z(n)作为扬声器输出信号输出。
本发明所述的有益效果
本发明所述的一种手机主动降噪装置及方法，通过麦克风对用户手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号进行采集，依据云端服务器上主动降噪自适应算法分析得到次级声源信号，然后再生成与所述次级声源信号相匹配的控制信号。由于所述环境噪音的波形和所述生成的控制信号幅值相等且相位相反，因此两者会相互抵消，从而有效的解决了环境噪声对手机近端用户通话时带来的干扰。
本发明在实施手机近端噪声主动控制中，通过区分人的语音声音特性和环境噪声差异，在有效抵消环境噪声的基础上，避免对语音产生干扰，提高通话中的语音清晰度。
本发明借助于手机本身的麦克风和扬声器和云端服务器上的信号处理与控制模块，不需要额外附加其他硬件器件，只需要在手机上安装一个APP，利用手机的无线通讯功能即可实现手机噪声主动控制，操作简单易于实现。
附图说明
图1为本发明所述的一种手机主动降噪装置的结构示意图。
图2为本发明所述的一种手机主动降噪装置及方法的自适应主动降噪的步骤流程示意图。
图3为本发明所述的一种手机主动降噪装置及方法的次级声通道辨识框图。
图4为本发明所述的一种手机主动降噪装置及方法的FxLMS算法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的主动降噪装置包括：信号获取模块100、信号处理与控制模块200和声音播放模块300。
其中，信号获取模块100包括设置在手机底部用于采集手机近端用户所经历的环境噪声信号的麦克风，在实施噪声主动控制时用于采集用户耳边降噪区域噪声误差信号。
信号处理与控制模块200用于对手机近端环境噪声信号和控制过程中的噪声误差信号进行分析处理生成次级声源信号以消除手机近端用户所经历的环境噪声，实施手机主动降噪。所述次级声源信号在降噪区域内的幅值大小、频率与环境噪声信号相同，相位与环境噪声信号相反，这样次级声源信号就能够与手机近端用户所经历的环境噪声在需要降噪的区域相互抵消。信号处理与控制模块200包括自适应控制单元210，处理器220和系统控制逻辑230等，根据接收到的环境噪声参考信号和噪声误差信号经运算生成输出的次级声源信号；
信号处理与控制模块200集成安装在位于远端的云服务器上，利用手机的无线传输功能实现近端测控数据与云端计算数据的快速传输与交换。
声音播放模块300利用手机中的扬声器，将信号处理与控制模块中运算得到的次级声源信号播放出去，以抵消手机近端用户所经历的环境噪声，提高通话质量，扬声器的位置与手机上的标准位置一致。
如图2所示，一种手机主动降噪方法，具体包括以下步骤：
步骤一、测试手机麦克风和扬声器之间的次级声通道传递函数；
次级声通道传递函数的辨识，是由于次级通路的存在，使得噪声主动控制系统与传统的自适应信号处理系统在各方面的特性上有了本质性的区别，所以说，要实现噪声主动控制算法，首先要将次级声通道的传递函数辨识出来。
如图3所示，可以采用自适应算法对手机上的麦克风和扬声器之间的次级通路的传递函数进行自适应辨识。HS(z)和分别是实际的次级通道和次级通道的估计，HS(z)即为未知的次级声通路，自适应滤波器的系数在辨识完成后即为次级通路的脉冲响应。经过反复迭代更新，直至辨识误差控制在给定的范围内，得到的次级声通道传递函数便可应用到该款手机噪声主动控制当中。将滤波器权矢量记为H(n)，输出记为将系统的辨识误差记为e(n)，三者可以表示为：
其中，
根据LMS算法可以得到权矢量H(n)的迭代公式：
hi(n)＝hi(n-1)+2μ(n-1)x(n-i-1)；hi(n-1)为n-1时刻麦克风第i个脉冲响应函数矢量，μ(n-1)为自适应系数，x(n-i-1)为第n-i-1时刻麦克风采集到的信号。还包括误差信号更新，直到误差信号e(n)≤0.002，将作为麦克风输出信号输出。
步骤二、将麦克风测得的手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号转化为数字信号传输给云端服务器上的信号处理与控制模块；
步骤三、信号处理与控制模块利用存储在云端服务器上主动降噪自适应算法分析得到次级声源信号，并将得到的次级声源数字信号转化为电信号发送到手机近端；
如图4所示，步骤三中主动降噪自适应算法，可以使用次级通道滤波FxLMS算法，表示FxLMS算法框图，P(z)为初级通路传递函数，即为噪声源到麦克风之间的传递函数，HS(z)为次级通路传递函数，即为扬声器到麦克风之间的距离。次级通道会使次级声信号u(n)的幅值和相位发生改变，因此要想让次级声信号经过次级通道后接收回的状态量z(n)刚好与初级声信号d(n)进行抵消，必须在次级信号u(n)产生过程中进行补偿。其中，
u(n)＝d(n)+z(n)；
其中，u(n)为系统的辨识误差，d(n)为初级声信号，z(n)为扬声器发出的输出信号经次级通路后的信号；
其中，hsi(n)为nn时刻次级通路的第i个脉冲响应函数，u(n-i)为n-i时刻的扬声器输出信号，直到误差信号u(n)≤0.004，将z(n)作为扬声器输出信号输出；
更新扬声器输出信号u(n)，直到误差信号u(n)满足设定的精度要求为止。
u(n)＝d(n)+z(n)。
权矢量H(n)的迭代公式：
W(n+1)＝W(n)-2μe(n)Xf(n)
上式为递推表达式。其中，n表示当前时刻，n+1表示下一时刻。W(n)表示当前时刻的滤波器权系数向量，W(n+1)表示下一时刻的滤波器权系数向量。
利用自适应滤波技术可以实时地对自适应滤波器的权系数向量进行更新，从而，生成了能够精确地抵消手机近端用户背景噪声的次级噪声信号，自适应滤波在实现简单的前提下，有效提高了降噪效果。
步骤四、利用手机近端的声音播模块播放次级声源信号，以抵消手机用户所经历的环境噪声；
步骤五、抵消效果经过麦克风测试后通过无线网络反馈到云端服务器，利用噪声主动控制自适应算法来调整次级声源信号的幅值和相位，再发送到手机上的声音播放模块实施噪声主动控制，直至达到最佳主动降噪效果。
所述的步骤一与步骤五，利用自适应滤波技术可以实时地对自适应滤波器的权系数向量进行更新，从而生成了能够精确地抵消手机近端用户环境噪声的次级声源信号，自适应滤波在实现简单的前提下，有效提高了降噪效果。
实利用自适应滤波技术可以实时地对自适应滤波器的权系数向量进行更新，从而，生成了能够精确地抵消手机近端用户背景噪声的次级噪声信号，自适应滤波在实现简单的前提下，有效提高了降噪效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种手机主动降噪装置，其特征在于，包括：
信号获取模块，其设置在手机底部，包括麦克风，能够采集手机近端用户所经历的环境噪声信号；
信号传输转化单元，其连接所述麦克风，并能够将所述麦克风接收到的环境噪声信号、控制过程中的噪声误差信号和信号处理与控制模块生成的次级声源信号进行高信噪比的转换得到境噪声参考信号、噪声误差信号和次级声通道传函数；
自适应控制单元，其连接所述信号传输转化单元，包括处理器和系统控制逻辑，能够将接收到的所述环境噪声参考信号、所述噪声误差信号和所次级声通道传函数经运算生成输出的次级声源信号；
声音播放模块，其包括扬声器，能够将所述次级声源信号播放出去，进而抵消手机近端用户所经历的环境噪声。
2.根据权利要求1所述的手机主动降噪装置，其特征在于，还包括云端服务器，所述云端服务器上具有多个信号传输转化单元和多个自适应控制单元。
3.根据权利要求2所述的手机主动降噪装置，其特征在于，所述云端服务器和手机近端之间利用手机的无线网络传输功能实现数据交换。
4.一种手机主动降噪方法，其特征在于，包括：
步骤一：测试手机麦克风和扬声器之间的次级声通道传递函数，并计算得到手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号；
步骤二：将麦克风测得的手机近端环境声场信号和控制过程中的噪声误差信号转化为数字信号传输给云端服务器上的信号处理与控制模块；
步骤三：信号处理与控制模块利用存储在云端服务器上主动降噪自适应算法分析得到次级声源信号，并将所述次级声源信号转化为电信号发送到手机近端；
步骤四：利用手机近端的声音播放模块播放次级声源信号，以抵消手机用户所经历的环境噪声；
步骤五：抵消效果经过麦克风测试后通过无线网络反馈到云端服务器，利用噪声主动控制自适应算法来调整次级声源信号的幅值和相位，再发送到手机上的声音播放模块实施噪声主动控制，实现降噪。
5.根据权利要求4所述的手机主动降噪方法，其特征在于，所述步骤一中的手机麦克风和扬声器之间的次级声通道传递函数自适应输出信号表示为：
其中，为自适应算法的麦克风输出信号，L为建模长度，hi(n)为n时刻麦克风第i个脉冲响应函数矢量，hi(n)＝hi(n-1)+2μ(n-1)x(n-i-1)；hi(n-1)为n-1时刻麦克风第i个脉冲响应函数矢量，μ(n-1)为自适应系数，x(n-i-1)为第n-i-1时刻麦克风采集到的信号，x(n-i)第n-i时刻的麦克风采集的信号；
系统实际输出与辨识模型的输出差值为
其中，e(n)为系统实际输出与辨识模型的输出差值，y(n)为利用麦克风采集扬声器的输出信号，为自适应算法的输出信号。
6.根据权利要求4所述的手机主动降噪方法，其特征在于，所述步骤三中主动降噪自适应算法公式为：
u(n)＝d(n)+z(n)；
其中，u(n)为系统的辨识误差，d(n)为初级声信号，z(n)为扬声器发出的输出信号经次级通路后的信号；
其中，hsi(n)为nn时刻次级通路的第i个脉冲响应函数，u(n-i)为n-i时刻的扬声器输出信号。
7.根据权利要求5所述的手机主动降噪方法，其特征在于，还包括误差信号更新，直到误差信号e(n)≤0.002，将作为麦克风输出信号输出。
8.根据权利要求6所述的手机主动降噪方法，其特征在于，还包括误差信号更新，直到误差信号u(n)≤0.004，将z(n)作为扬声器输出信号输出。
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