CN115910019A - 一种双麦克风降噪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双麦克风降噪系统，涉及语音增强领域，包括主麦克风组件、次麦克风组件、第一信号处理单元、第二信号处理单元、数模转换器；第一信号处理单元包括参考信号产生器，第一个信号处理单元承接来所述主麦克风组件和次麦克风组件的数字信号，进行比对处理并产生低语音但富含噪音信号特征的参考信号；第二信号处理单元包括自调适性滤波器和加法器，加法器承接来自主麦克风组件的数字信号，自调适性滤波器承接来自第一信号处理单元所产生的参考信号和加法器的输出信号产生噪音信号；加法器将来自主麦克风的数字信号与自调适性滤波器产生的噪音信号相减产生高信噪比的语音信号；本发明可以提升通讯装置在噪音环境下的语音识别性能与声讯质量。

Description

一种双麦克风降噪系统

技术领域

本发明涉及语音增强领域，具体是一种双麦克风降噪系统。

背景技术

噪音抑制的技术与研究已有多年的历史，现代利用IC技术结合程序软件的韧体降噪技术仍持续发展中，适合置入个人化小型行动通讯装置的系统，主要有以下几种：

US patent，917921，Noise Reducing Microphone Apparatus，这个专利采用双麦克风+NLMS(Normalized Least Mean Square，正规化最小均方误差)算法的架构，是相当普遍的被应用于消除回音(echo)的系统算法。这个专利应用要求及其实施例，主要是风噪音(wind noise)的抑制。

US patent 6888949，Hearing Aid with Adaptive Noise Canceller这个专利发明的噪音抑制系统使用两个麦克风为声音侦测组件，所侦测的声音信号经数字化后，再经过两个阶段的信号处理，第一阶段的声音信号处理主要是承接来自麦克风组件拾取的音频，利用由延迟器、滤波器和两个加减法器所构成的信号处理架构，目的是产生一高语音(speech)成份的主音信号和一个高噪音(noise)成份的参考信号。第二阶段的信号处理单元主要就是滤波器与加法器构成的可调适性(adaptive)降噪架构，类似或者就是NLMS架构的算法。

US patent 7146013，Microphone System这个专利发明的重点在于应用两个指向性麦克风，相隔一特定距离并且指向不同的方向，在音讯处理除噪的部分，采用最小均方误差(Least Mean Square，LMS)为基础的算法。这个专利应用的要求主要是在汽车座舱内的噪音抑制。

但是这几种方式，普遍有以下数项共通或特属的缺点：

1)使用指向性(directional)麦克风，麦克风组件本身体积较大，或需要额外的音波出入孔增加制造成本。

2)复杂的系统架构，需要消耗大量的计算功率与电能。

3)在高分贝噪音环境下(噪音音量大于主要语音10dB以上)，降噪处理也会同时抑制主要语音，造成音频强度大幅下降。

4)噪音抑制有效带宽不足或反应速度较慢，无法应付宽带域或动态范围大的噪音类型。

发明内容

发明目的：针对背景技术中的问题，提供一种双麦克风降噪系统，本发明可以提升通讯装置在噪音环境下的语音识别性能与声讯质量。

技术方案：一种双麦克风降噪系统，包括主麦克风组件、次麦克风组件、第一信号处理单元、第二信号处理单元、数模转换器；所述主麦克风组件和次麦克风组件负责接收环境声音信息并转换成数字信号；所述第一信号处理单元包括参考信号产生器，所述第一个信号处理单元承接来所述主麦克风组件和次麦克风组件的数字信号，进行比对处理并产生低语音但富含噪音信号特征的参考信号；所述第二信号处理单元包括自调适性滤波器和加法器，所述加法器承接来自主麦克风组件的数字信号，所述自调适性滤波器承接来自第一信号处理单元所产生的参考信号和加法器的输出信号产生噪音信号；所述加法器将来自主麦克风的数字信号扣除自调适性滤波器产生的噪音信号产生高信噪比的语音信号；所述数模转换器将所述高信噪比语音信号还原成高信噪比的声波信号。

进一步的，所述主麦克风组件包括主麦克风、第一音频放大器和第一模数转换器；所述次麦克风组件包括次麦克风、第二音频放大器和第二模数转换器；

所述主麦克风和次麦克风之间的距离10-40mm；所述主麦克风和次麦克风朝同一方向并排配置；所述主麦克风和次麦克风用来侦测环境声音信息，包含说话者的语音与环境噪音。

进一步的，所述自调适性滤波器为L阶自调适性麦滤波器。

进一步的，所述双麦克风降噪系统的噪音消除算法，步骤如下：

步骤1、主麦克风组件产生的数字信号d[n]有一分路传递到第一个信号处理单元的参考信号产生器内，与来自次麦克风组件产生的数字信号I[n]混合处理，产生一环境噪音特征信号u[n]；数字信号d[n]另一分路进入第二个信号处理单元的加法器内输出信号e[n]；

步骤2、环境噪音特征信号u[n]进入第二个信号处理单元的自调适性滤波器内，自调适性滤波器根据加法器的输出信号e[n]的回馈，多次迭代调整运算参数，输出噪音信号y[n]；

步骤3、自调适性滤波器产生的噪音信号y[n]注入加法器内，在加法器内来自主麦克风的信号d[n]扣除噪音信号y[n]，得到扣除噪音后的信号e[n]；

步骤4、信号e[n]经数模转换器还原成低噪声的语音声讯，信号e[n]另有一分路回馈到自调适性滤波器内，用以产生下一个噪音信号y[n]。

进一步的，所述步骤1中，数字信号d[n]和数字信号I[n]的取样频率为8k Hz，数字信号d[n]和数字信号I[n]为一维矩阵；

所述环境噪音特征信号u[n]，为数字信号d[n]与数字信号I[n]经过调整函数F(n)产生，u[n]的具体计算公式如下：

u[n]＝(d[n]+I[n])*F(n)                       (1)

其中，d[n]代表在时间n所收到的主麦克风组件的数字信号样本；I[n]代表在时间n所收到的次麦克风组件产生的数字信号I[n]；F(n)为调整函数。

进一步的，所述步骤2中，自调适性滤波器的输出的噪音信号y[n]的计算公式如下；

其中，符号“*”为旋积(convolution)；

代表时间为n时，L阶自调适性滤波器转移函数W(z)的加权系数所排列的行向量

则是在时间n时，参考信号缓冲区所储存的最近收到的L个参考信号样本，所排列的行向量

进一步的，所述步骤3中，利用e[n]和所接收数据来调整L阶自调适性滤波器的系数计算公式如下方程序所示：

e[n]＝d[n]-y[n]                                 (3)

其中，α为大于零的常数，L阶自调适性滤波器的系数初始值为零；

d[n]代表在时间n所收到的主麦克风组件的数字信号样本；

y[n]为L阶自调适性滤波器的输出的噪音信号，代表在循环运算中任一时间点所运算噪音信号的数字信号样本；

μ为收敛因子,μ在运算过程中为一个常数但非固定值；

是随着改变而改变，用来调整加权参数收敛过程的修正速度与稳定性。

有益效果：

1)本发明的麦克风组件不需要额外的音波出入孔，减少了制造成本。

2)本发明的双麦克风降噪系统架构简单，不需要消耗大量的计算功率与电能。

3)在高分贝噪音环境下降噪处理后音频强度不会大幅下降。

4)本发明可以应付宽带域或动态范围大的噪音类型。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为噪音干扰实境仿真实验示意图；

图3为降噪处理前与处理后的波形差异结果图；

图4为降噪处理前后的频率响应图。

图中，主麦克风1；次麦克风2；第一音频放大器3；第二音频放大器4；第一模数转换器5；第二模数转换器6；参考信号产生器7；自调适性滤波器8；加法器9；数模转换器10。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。

如图1所示，图中Mic1表示主麦克风；Mic2表示次麦克风；A/D表示模数转换器，指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件；D/A，表示数模转换器，把数字量转变成模拟的器件。AMP表示音频放大器；Reference Generator表示参考信号产生器；adaptivefilter表示自调适性滤波器；

本发明提供的一种双麦克风降噪系统，包括主麦克风组件、次麦克风组件、第一信号处理单元、第二信号处理单元、数模转换器10；

所述主麦克风组件和次麦克风组件负责接收环境声音信息并转换成数字信号；所述主麦克风组件包括主麦克风1、第一音频放大器3和第一模数转换器5；所述次麦克风组件包括次麦克风2、第二音频放大器4和第二模数转换器6；所述主麦克风1和次麦克风2之间的距离10-40mm；所述主麦克风1和次麦克风2朝同一方向并排配置；所述主麦克风1和次麦克风2用来侦测环境声音信息，包含说话者的语音与环境噪音。

所述第一信号处理单元包括参考信号产生器7；所述第一信号处理单元承接来所述主麦克风组件和次麦克风组件的数字信号，进行比对处理并产生低语音但富含噪音信号特征的参考信号。

所述第二信号处理单元包括自调适性滤波器8和加法器9；在第二信号处理单元内，所述加法器9承接来自主麦克风组件的数字信号，所述自调适性滤波器8承接来自第一信号处理单元所产生的参考信号和加法器的输出信号产生噪音信号；所述加法器将来自主麦克风的数字信号扣除自调适性滤波器8产生的噪音信号产生高信噪比的语音信号；

所述高信噪比语音信号经数模转换器10还原成高信噪比的声波信号。

所述双麦克风降噪系统的噪音消除算法，步骤如下：

主麦克风接收来自说话者的语音信息，同时也接收到环境的噪音，主麦克风接收到的声音信息经第一音频放大器3放大与第一模数转换器数字化后，产生的数字信号记录为d[n]；

次麦克风，同时也接收到与主麦克风相类似的声音信息，但因为两麦克风距离的因素与声音速度的关系，两麦克风所收到的声音信息会产生一定程度的延迟。次麦克风接收到的声音信息，经第二音频放大器4放大与第二模数转换器6数字化后，产生的数字信号记录为I[n]。

步骤1、主麦克风组件产生的数字信号d[n]有一分路传递到第一个信号处理单元的参考信号产生器7内，与来自次麦克风组件的数字信号I[n]混合处理，产生一环境噪音特征信号u[n]；数字信号d[n]另一分路进入第二个信号处理单元的加法器9内输出信号e[n]；

步骤2、环境噪音特征信号u[n]进入第二个信号处理单元的自调适性滤波器8内，自调适性滤波器根据加法器的输出信号e[n]的回馈，多次迭代调整运算参数，输出噪音信号y[n]；自调适性滤波器8为L阶自调适性滤波器；

步骤3、自调适性滤波器8产生的噪音信号y[n]注入加法器内，在加法器内来自主麦克风的信号d[n]扣除噪音信号y[n]，得到扣除噪音后的信号e[n]。

步骤4、信号e[n]经数模转换器10还原成低噪声的语音声讯，信号e[n]另有一分路回馈到自调适性滤波器8内，用以产生下一个噪音信号y[n]。

步骤1至步骤3中，涉及的计算公式如下：

1)、所述步骤1中，数字信号d[n]和数字信号I[n]的取样频率为8k Hz，数字信号d[n]和数字信号I[n]为一维矩阵；所述环境噪音特征信号u[n]，为数字信号d[n]与数字信号I[n]经过调整函数F(n)产生，u[n]的具体计算公式如下：

u[n]＝(d[n]+I[n])*F(n)                       (1)

其中，d[n]代表在时间n所收到的主麦克风组件的数字信号样本；I[n]代表在时间n所收到的次麦克风组件产生的数字信号I[n]；F(n)为调整函数，在运算过程中为避免d[n]信号过低所加入的调整因子，一般其值为1；

2)、所述步骤2中，自调适性滤波器8的输出的噪音信号y[n]的计算公式如下；

其中，符号“*”为旋积(convolution)；

代表时间为n时，L阶(L-order)自调适性滤波器8转移函数W(z)的加权系数所排列的行向量

则是在时间n时，参考信号缓冲区所储存的最近收到的L个参考信号样本，所排列的行向量

3)、所述步骤3中，将d[n]扣抵y[n]可得到e[n]，e[n]代表降噪处理后所得到的输出信号，利用e[n]和所接收数据来调整L阶自调适性滤波器的系数计算公式如下方程序所示：

e[n]＝d[n]-y[n]                                   (3)

其中，α为大于零的常数，目的是为了避免当输入信号过小时造成收敛因子μ发散，L阶自调适性滤波器的系数初始值皆为零；

y[n]为L阶自调适性滤波器的输出的噪音信号，代表在循环运算中任一时间点所运算噪音信号的数字信号样本；

μ为收敛因子,μ在运算过程中为一个常数但非固定值；

是随着改变而改变，用来调整加权参数收敛过程的修正速度与稳定性。若μ值设定过大的话，可能造成收敛不稳定导致发散；若μ值选取过小的话，收敛速度会过于缓慢。μ值可使其随时变化反应输入信号的能量，将其调控至最佳值。

以实境仿真方式测试本系统之降噪效能，实验设计如图2所示。一说话者在麦克风数组正前方约30公分处，以平均71dB的音量口述一段文字，该音量是用音量计在麦克风处测得；另外用一扬声器在麦克风的侧边30公分处连续播放一段暴风鸣啸声，音量平均为89dB，同样用音量计于麦克风处测得。

本发明所接收到的声音信号实时经信号降噪处理，图3显示降噪处理前与处理后的波形差异结果图，其中黑色波图代表降噪处理前波形，灰色代表降噪处理后的波形，估计噪音抑制平均效能为12dB。图4显示降噪处理前后的频率响应图。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种双麦克风降噪系统，其特征在于，包括主麦克风组件、次麦克风组件、第一信号处理单元、第二信号处理单元、数模转换器；

所述主麦克风组件和次麦克风组件负责接收环境声音信息并转换成数字信号；

所述第一信号处理单元包括参考信号产生器，所述第一个信号处理单元承接来所述主麦克风组件和次麦克风组件的数字信号，进行比对处理并产生低语音但富含噪音信号特征的参考信号；

所述第二信号处理单元包括自调适性滤波器和加法器，所述加法器承接来自主麦克风组件的数字信号，所述自调适性滤波器承接来自第一信号处理单元所产生的参考信号和加法器的输出信号产生噪音信号；所述加法器将来自主麦克风的数字信号扣除自调适性滤波器产生的噪音信号产生高信噪比的语音信号；

所述数模转换器将所述高信噪比语音信号还原成高信噪比的声波信号。

2.根据权利要求1所述的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述主麦克风组件包括主麦克风、第一音频放大器和第一模数转换器；所述次麦克风组件包括次麦克风、第二音频放大器和第二模数转换器；

所述主麦克风和次麦克风之间的距离10-40mm；所述主麦克风和次麦克风朝同一方向并排配置；所述主麦克风和次麦克风用来侦测环境声音信息，包含说话者的语音与环境噪音。

3.根据权利要求1所述的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述自调适性滤波器为L阶自调适性滤波器。

4.根据权利要求3所述的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述双麦克风降噪系统的噪音消除算法，步骤如下：

步骤1、主麦克风组件产生的数字信号d[n]有一分路传递到第一个信号处理单元的参考信号产生器内，与来自次麦克风组件产生的数字信号I[n]混合处理，产生一环境噪音特征信号u[n]；数字信号d[n]另一分路进入第二个信号处理单元的加法器内输出信号e[n]；

步骤2、环境噪音特征信号u[n]进入第二个信号处理单元的自调适性滤波器内，自调适性滤波器根据加法器的输出信号e[n]的回馈，多次迭代调整运算参数，输出噪音信号y[n]；

步骤3、自调适性滤波器产生的噪音信号y[n]注入加法器内，在加法器内来自主麦克风的信号d[n]扣除噪音信号y[n]，得到扣除噪音后的信号e[n]；

步骤4、信号e[n]经数模转换器还原成低噪声的语音声讯，信号e[n]另有一分路回馈到自调适性滤波器内，用以产生下一个噪音信号y[n]。

5.根据权利要求4所述的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述步骤1中，数字信号d[n]和数字信号I[n]的取样频率为8k Hz，数字信号d[n]和数字信号I[n]为一维矩阵；

所述环境噪音特征信号u[n]，为数字信号d[n]与数字信号I[n]经过调整函数F(n)产生，u[n]的具体计算公式如下：

u[n]＝(d[n]+I[n])*F(n)                       (1)

其中，d[n]代表在时间n所收到的主麦克风组件的数字信号样本；I[n]代表在时间n所收到的次麦克风组件产生的数字信号I[n]；F(n)为调整函数。

6.根据权利要求5所述的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述步骤2中，自调适性滤波器的输出的噪音信号y[n]的计算公式如下；

其中，符号“*”为旋积(convolution)；

代表时间为n时，L阶自调适性滤波器转移函数W(z)的加权系数所排列的行向量

则是在时间n时，参考信号缓冲区所储存的最近收到的L个参考信号样本，所排列的行向量

7.根据权利要求6所述的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述步骤3中，利用e[n]和所接收数据

来调整L阶自调适性滤波器的系数

计算公式如下方程序所示：

e[n]＝d[n]-y[n]                                 (3)

其中，α为大于零的常数，L阶自调适性滤波器的系数初始值为零；

d[n]代表在时间n所收到的主麦克风组件的数字信号样本；

y[n]为L阶自调适性滤波器的输出的噪音信号，代表在循环运算中任一时间点所运算噪音信号的数字信号样本；

μ为收敛因子,μ在运算过程中为一个常数但非固定值；

是随着

改变而改变，用来调整加权参数收敛过程的修正速度与稳定性。

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