CN109951762B

CN109951762B - 一种用于听力设备的源信号提取方法、系统和装置

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Publication number: CN109951762B
Application number: CN201711395396.4A
Authority: CN
Inventors: 张健钢
Original assignee: Incus Co ltd
Current assignee: Incus Co ltd
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN109951762A

Abstract

本发明公开一种用于从音频混合信号中提取目标干扰信号的方法、系统和装置。所述方法包括获取一组外部装置的输入信号；将输入信号分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道；同步所述输入信号；将分离出的信号通过有线或无线方式传送给音频重放装置。本申请能消除或减弱异步化影响，提高信号源提取性能，即便在有用信号和干扰信号的运动过程中，也能通过持续去除干扰信号从而改善目标信号的感知。

Description

一种用于听力设备的源信号提取方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种用于从音频混合信号中提取目标干扰信号的方法、系统和装置。

背景技术

在当前信号处理和大数据领域，观察信号的测量经常会受到无用信号的干扰，因此，如何提高所测观察信号的信噪比是一个巨大挑战。同样的问题也出现在录音(如摄影棚录音、助听器、360音频器、语音识别)以及遥感(如雷达信号、回声定位)等领域。消除这类干扰信号最常用的方法是利用模拟或数字形式的滤波器。但是，有用信号和干扰信号经常共用一个频段，滤波器很难将它们分离开来。

所幸的是，多数情况下有用信号和干扰信号来自于不同物理位置的发射源，这意味着有用信号和干扰信号到达观察点之前所经过的路径是不同的，这种传播路径的差异使得信号的衰减呈现出某种固定模式，从而有助于将有用信号和干扰信号分离开来。但实际上，信号的路径差异也会产生不同的时间延迟从而严重破坏衰减模式的稳定性，使得信号分离无法实现。

因此，当前急需一种能克服上述异步化影响从而有效地将有用信号和干扰信号分离出来的技术，随后通过选择性放大从而提高目标信号的感知度。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种从多重信号中去除目标干扰信号的方法，该方法包括：

获取一组外部装置的输入信号；

将输入信号分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道；

同步所述输入信号；

将分离出的信号通过有线或无线方式传送给音频重放装置。

进一步地，每条输入信号均含有目标干扰信号。

进一步地，所述输入信号包括多种彼此并不相同的干扰信号。

进一步地，所述输入信号包括相同的干扰信号。

进一步地，所述输入信号由不同位置的传感器接收。

进一步地，所述输入信号的分离过程由外部装置中的处理器和智能手机或其他设备经由数据交换接口完成。

进一步地，分离过程全部由外部设备或智能手机完成，或由两者随机组合完成，数字数据通过数据交换模块在智能手机和外部设备之间交换。

更进一步地，所述分离过程包括：

提高所述输入信号的独立性；

计算提高所述独立性所产生的系数矩阵；

检测干扰信号片段，或者，先行预计干扰信号的相对方向，或者，选择来自所有相对方向的干扰信号；

同步化处理所述输入信号；

将同步后的输入信号分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道；

智能选择不含目标干扰信号的频道作为输出信号。

更进一步地，在同步化处理所述输入信号，还包括：检测麦克风与音频重放装置的相对位置，以便计算实时的时间延迟。

本发明的另一个目的是提供一种从多重信号中去除目标干扰信号的系统，该系统包括：

一套外部装置的输入设备，其用于输入两路或多路信号；

处理器；以及

存储计算机可读指令的存储器，当所述处理器执行所述指令时，该处理器可进行：

提高所述两路或多路输入信号的独立性并维持该独立性；

提取在输入通道提高所述独立性的系数；

检测杂音段或选定优选方向或选定所有可能的方向；

检测麦克风与音频重放装置的相对位置，以便实时调整方向；

同步所述输入信号；

智能选择合适的、不含目标干扰信号的频道作为信号输出。

另一方面，本发明还提供一种用于从多重信号中去除目标干扰信号的装置，其特征在于，包括麦克风，模拟数字转换器(ADC)，存储器，处理器，通信模块，数据接口模块，物理数据交换接口，以及有线或无线音频重放装置；麦克风用于接收输入信号，处理器设置用于执行程序；模拟数字转换器(ADC)用于将模拟信号转化为数字信号，数字信号存储在存储器中，或直接由数据接口模块输送；通信模块用于将处理后的数据通过有线或无线的方式传送到音频重放装置；数据接口模块用于通过物理数据交换接口将数字数据传送到其他设备；物理数据交换接口与其他装置的接口相连。

进一步地，本装置还包括位置检测传感器，用于检测麦克风与有线或无线音频重放装置的相对位置。

进一步地，所述位置检测传感器是陀螺仪,GPS，相位灵敏探测器(PSD)，或其他能检测位置的传感器。

进一步地，本装置还包括存储器或数字模拟转换器或其二者的组合。

进一步地，所述有线或无线音频重放装置为扬声器，空气传导耳机，骨传导耳机，或其他音频重放设备。

本发明的装置可与智能手机或其他具有数据交换接口、CPU和存储器的设备同时使用，其工作过程可由所述智能手机或设备同外部设备同步共同完成。

本申请能消除或减弱异步化影响，提高信号源提取性能，即便在有用信号和干扰信号的运动过程中，也能通过持续去除干扰信号从而改善目标信号的感知。

附图说明

下面将参照附图对本发明的实施方式进行示例而非限制性的描述。附图是示范性的且不受图中表现出来的比例尺的限制。不同附图中相同的或相似的元件采用相同的符号标记。

图1是本发明实施例的一种从多重信号中去除目标干扰信号的方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种运用智能手机或其他具有接口、CPU和存储器的设备将输入信号分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道的操作流程图；

图3是本发明的外部设备的装置示意图；

图4是本发明的外部设备的装置同智能手机协同工作示意图。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的具体实施例。

图1是本发明实施例的一种从多重输入信号中去除目标干扰信号的方法1000的流程图。

在步骤100中，首先提供一组外部设备的输入信号，该组输入信号(观测信号)中的每条输入信号均含有目标干扰信号。此外，该输入信号还可以包括多种彼此并不相同的干扰信号。可以理解的是，输入信号中的这些干扰信号也可以是相同的，本发明对此并无特殊限制。例如，在电子监听装置的场景中，电子监听装置通常包含至少两个麦克风，每个麦克风都可用于接收由发声源(有用信号)和环境背景音效(干扰信号)构成的混合信号。由于麦克风通常安放在不同的位置，因此有用信号和干扰信号从相互有间隔的位点接收，由不同的麦克风接收到的环境背景音效在时域和/或幅度上彼此是有差异的。再比如，在摄影棚录制和/或360音频录制场景中，用两个或更多的麦克风测量音效，由于麦克风通常安放在不同的位置，因此有用信号和干扰信号从相互有间隔的位点接收，由不同的麦克风接收到的环境背景音在时域和/或幅度上彼此是有差异的。同样的，在水下回波检测场景中，回波接收装置通常包括至少两个传感器，每个传感器都可用于接收来自声源和环境噪音的混合信号。由于传感器通常安放在不同的位置，因此有用信号和干扰信号从相互有间隔的位点接收，由不同的传感器接收到的环境噪音在时域和/或幅度上彼此是有差异的。

在步骤200中，输入信号被分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道，分离过程可同时由外部装置中的处理器和智能手机或其他设备经由数据交换接口完成。该过程可全部由外部设备或智能手机完成，或由两者随机组合完成。数字数据可通过数据交换模块在智能手机和外部设备之间交换。图2具体阐述了步骤200的实现过程。

在步骤201中，通过数学公式计算不同输入信号之间的时域和频域交互信息。在本实施例中，用独立成分分析(ICA)提高所述输入信号的独立性。本领域一般技术人员应当知道，也可以用其他适当的方式提高所述输入信号的独立性，本发明对此并没有特定的限制。

在步骤202中，计算提高所述独立性所产生的系数矩阵，所述系数处于实时持续预估状态中。

步骤203有三种不同的实现方式。第一种方式是检测干扰信号片段。每条输入信号中的干扰片段的检测可通过诸如模式识别的方式实现。本领域一般技术人员应该明白其他合理的方式也是可行的。只要在某一时间段检测到有嗓音从低电平到高电平(即，阶跃函数)的起始变化，余下的步骤就可以随之完成。该方法在很大程度上降低了对复杂的嗓音检测过程的要求由此降低了计算的复杂度及其成本。第二种实现方式是先行预计干扰信号的相对方向。由于传感器通常安放在不同的位置，因此干扰信号从相互有间隔的位点接收。再或者，第三种方式，选择来自所有相对方向的干扰信号。

步骤204检测麦克风与音频重放装置的相对位置，以便计算实时的时间延迟。需要指出的是，该步骤为可选项，只有在产品或者用户需要根据动作变化或者其他变化时，需要实时更新时间延迟。如在助听器实例中，用户希望一直去除左方的噪声，则该发明需要自动探测用户耳朵佩戴的音频重放设备与麦克风之间的相对位置来实时计算来自左方的时间延迟，从而不断更新迭代时间延迟。

在步骤205中，基于获取的时间延迟，或基于由预定方向的杂音段或干扰信号计算得来的时间延迟，或基于所有可能的相对方向计算的一整套的时间延迟，τ₁,τ₂,…,τ_n，同步化处理所述输入信号。例如，如果从第一输入信号f₁(t)中检测到的干扰信号和从第二输入信号f₂(t)中检测到的干扰信号的时间延迟记作δ，则第一输入信号f₁(t)被同步为f₁(t-δ)。在另一实施例中，如果从第一输入信号f₁(t)中检测到的干扰信号和从第二输入信号f₂(t)中检测到的干扰信号的时间延迟记作-δ，则第一输入信号f₁(t)被同步为f₁(t+δ)。

在步骤206中，通过同步化的信号矩阵和步骤202确定的系数矩阵的乘法运算，同步后的输入信号分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道。

在步骤207中，基于步骤202中的系数或相对音量差，在步骤206中得到的含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道中做智能选择，选择出不含目标干扰信号的频道。如若步骤203中选择的是第一种方式，则不含目标干扰信号的频道数为1，将该不含目标干扰信号频道作为输出频道。如若步骤203中选择的是第二种或者第三种方式，则不含目标干扰信号的频道数可能为1或者大于1个，如若有2个及2个以上不含目标干扰信号的频道时，进一步地，基于特征检测或相对音量差，将智能选择其中相对音量最大的或者特征最匹配的频道作为信号输出。

参见图1，步骤300中，处理后的信号通过有线或无线方式发送到音频重放装置给用户收听。

如图3所示，外部设备的装置，其包括两个或多个麦克风3001，优选两个，模拟数字转换器(ADC)3002，存储器3003(可选，只有在该外部设备需处理程序或者存储数据时需要)，处理器3004，位置检测传感器3005(可选，只有在图2-204存在的情况下需要)，通信模块3006，数据接口模块3007，数字模拟转换器(DAC)3008(可选，只有在音频重放设备需要接受模拟信号时需要)，物理数据交换接口3009，如Micro-USB接口,Type-C接口,Lightning接口,USB等，电池(可选，只有在该外部设备需要独立供电是需要)，以及有线或无线音频重放装置3010。

麦克风3001超过两个，优选为两个。如果使用两个麦克风，其距离相隔为0.1厘米到100厘米之间，在不同采样率下做一个计算，同时需测量在非常近的距离内，对于amplitude的影响优选0.5厘米到20厘米之间。

模拟数字转换器(ADC)3002用于将模拟信号转化为数字信号，数字信号存储在存储器3003中，或直接由数据接口模块3007输送。

存储器3003是可选项，如果外部设备3000不运行任何程序，存储器可不用设置。如果外部设备3000设计用于运行程序，存储器用于存储执行程序和由ADC转换的数字数据。存储的程序可以是图1所示方法的部分或全部。如果存储的程序是图1所示方法的一部分，其他部分存储于其他设备的存储器中。

处理器3004，处理器设置用于执行程序。处理器可执行图1所示方法的部分或全部程序。如果处理器3004执行的程序是图1所示方法的一部分，其他程序于其他设备的处理器执行。

位置检测传感器3005(可选，只有在图2-204存在的情况下需要)，位置检测传感器3005检测麦克风3001与音频重放装置3011的相对位置。位置检测传感器是陀螺仪,GPS，相位灵敏探测器(PSD)，或其他能检测位置的传感器，或上述的结合。本领域一般技术人员应当知道，也可以用其他传感器来检测麦克风与音频重放装置的相对位置，本发明对此并没有特定的限制。

通信模块3006设置用于将处理后的数据通过有线或无线的方式传送到音频重放装置3011。通信可以是有线的或无线的方式，如局域网(LAN),蓝牙，近场通信设备(NFC)，无线局域网等，本发明对此并无限制。

数据接口模块3007设置用于通过数据交换接口3009将数字数据传送到其他设备。

数字模拟转换器3008(可选，只有在音频重放设备需要接受模拟信号时需要)设置用于将数字数据转换为模拟数据，模拟数据由通信模块通过有线方式传送到音频重放装置3011。

物理数据交换接口3009与其他装置的接口相连，优选为Micro-USB接口,Type-C接口,Lightning接口,USB等,所述接口还可以给外部设备供电。本发明对此并无特殊限定。

电池3010是可选项。如果外部设备由数据交换接口3009模板电，电池可不用设置，否则，需要设置电池。

有线或无线音频重放装置3011为扬声器，空气传导耳机，骨传导耳机，或其他音频重放设备。本发明对此并无特殊限定。

如图4，本发明还提供一种装置用于连接外部设备和智能手机或其他具有数据交换接口、CPU和存储器的装置4001。

对于上述智能手机或其他具有数据交换接口、CPU和存储器的装置4001，本发明并无特殊限定。

数据交换接口在智能手机4001上的第一部分4002为公栓或母栓，优选为母栓。如果其为母栓，第二部分4003必须为公栓。如果其为公栓，第二部分4003必须为母栓。

数据交换接口在外部装置4004上的第二部分4003为公栓或母栓，优选为公栓。如果其为母栓，第一部分4002必须为公栓。如果其为公栓，第一部分4002必须为母栓。

图3为所发明的一种外部装置4004。

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

1.一种从多重信号中去除目标干扰信号的方法，该方法包括：

获取一组外部装置的输入信号；

将分离出的信号通过有线或无线方式传送给音频重放装置；

其中，所述输入信号分离过程由外部装置中的处理器和智能手机或其他设备完成，所述数字数据经由数据交换接口进行传输；

其中，所述输入信号分离的步骤包括：

提高所述输入信号的独立性；

计算提高所述独立性所产生的系数矩阵；

同步化处理所述输入信号；

根据同步化的信号矩阵和所述系数矩阵的乘法运算将同步后的输入信号分离为含有目标干扰信号的频道和不含目标干扰信号的频道；

智能选择不含目标干扰信号的频道作为输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每条输入信号均含有目标干扰信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述输入信号包括多种彼此并不相同的干扰信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述输入信号包括相同的干扰信号。

5.根据权利要求1-4任意一条所述的方法，其特征在于，所述输入信号由不同位置的传感器接收。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同步化处理所述输入信号，还包括：检测麦克风与音频重放装置的相对位置，以便计算实时的时间延迟。

7.一种从多重信号中去除目标干扰信号的系统，该系统包括：

一套外部装置的输入设备，其用于输入两路或多路信号；

处理器；以及

存储计算机可读指令的存储器；其中，所述处理器执行所述可读指令时，使用权利要求1-6任意一条权利要求所述的从多重信号中去除目标干扰信号的方法。