CN116325560A - 便携式卡拉ok的低复杂性啸叫抑制 - Google Patents

Abstract

提供一种用于便携式卡拉OK系统的低复杂性啸叫抑制系统和方法。在进行啸叫抑制时，引入至少一个无限脉冲响应(IIR)滤波器以估计传声器从真实环境拾取的声反馈，并由此从传声器输入信号中消除所述声反馈。

Description

便携式卡拉OK的低复杂性啸叫抑制

技术领域

本发明大体来说涉及声反馈消除技术。更确切来说，本发明涉及一种用于便携式卡拉OK系统的低复杂性啸叫(howling)抑制方法和系统。

背景技术

卡拉OK作为互动性娱乐活动已在东亚变得越来越受欢迎。任何人可在卡拉OK俱乐部使用卡拉OK机器与其朋友一起唱歌。最近，人们不仅仅满足于在俱乐部唱歌，而且使用诸如便携式一体化卡拉OK机器在任何地方均能唱歌。因此，很多便携式卡拉OK产品已进入市场。然而，这些产品中的大部分的声音品质不如预期的良好。这些产品中的很多均存在“声啸叫”或由于此啸叫问题而没有足够的声级。

实际上，啸叫是卡拉OK或其他声音加强系统的常见问题。卡拉OK系统通常包括至少一个传声器以及扬声器。当声音信号被传声器拾取并且随后放大并馈送到扬声器时，扬声器声音通常会被传声器通过直接声路径或一些反射路径采回。扬声器与传声器之间的声耦合形成闭合信号回路，在此情况下可出现呈不想要的啸叫形式的声反馈。在此种情形中，因此这会导致啸叫问题并且甚至损坏扬声器或限制声音加强性能，因为如果要求卡拉OK系统稳定则会限制可应用的放大量。

因此，已采取不同的措施来防止此问题。啸叫抑制方法主要有四种类型。第一种方法是频移方法，所述频移方法可以数Hz的频移更改每一个回路中的传声器输入信号。当移位频率较大(例如20Hz)时将更有帮助，但对声音品质的副作用太严重因而被视为不可接受。因此通常无法做出太多更改并且不得不在抑制性能上做出妥协。第二种方法是基于陷波滤波器的反馈抑制(NFS)，其中所述陷波滤波器用于抑制已检测到啸叫的有问题频率。陷波滤波器是具有非常窄的阻带的阻带滤波器，其可明显减小某特定频带的增益并因此抑制传声器输入信号中的这些频率。然而，NFS方法通常包括检测阶段和抑制阶段，这意味着需要首先检测啸叫声音，因此经常在抑制啸叫声音之前会先听到啸叫声。第三种方法是波束成形方法，所述波束成形方法使用传声器阵列或扬声器阵列来修改方向性，以减小传声器与扬声器之间的直接声音传播。但此方法需要额外的硬件和更多的计算，并且因此传声器和扬声器的数目经常是受限的。第四种方法是回声消除(AEC)方法，所述AEC方法使用自适应滤波器来逼近传声器与扬声器之间的传递函数，并且对来自扬声器的输出信号进行滤波以消除由传声器拾取的逼近反馈信号。如果自适应滤波器完美地逼近传递函数，则不会发出啸叫。通常AEC方法可由于自适应机制而表现良好，但其耗费高的计算和功耗以及较长的系统处理时间，这不适合于具有特定播放时间和延迟要求的便携式卡拉OK系统。

然而，这些措施中的大多数聚集于通常的大型卡拉OK系统，在所述大型卡拉OK系统中，扬声器与传声器之间的距离通常远大于便携式一体化卡拉OK系统中扬声器与传声器之间的距离。另一方面，即使用所述小型卡拉OK机器，用户仍可能想要尽可能响亮地唱歌。因此，如果想要卡拉OK产品超出用户的预期，则需要开发更好的技术来抑制啸叫。

发明内容

本发明通过为便携式卡拉OK系统提供低复杂性啸叫抑制系统来克服上述缺陷中的一些缺陷。所述啸叫抑制系统包括：至少一个传声器，所述至少一个传声器用于捕捉输入信号，所述输入信号包括源信号和在环境中传播的声反馈；电声路径，所述电声路径用于压缩并均衡所述输入信号，并接着在放大之后馈送到输出信号；扬声器，所述扬声器用于回放所述输出信号。所述啸叫抑制系统还包括至少一个无限脉冲响应(IIR)滤波器，所述至少一个IIR滤波器用于估计所述声反馈并由此从所述输入信号中消除所述声反馈。

本发明还提供一种用于便携式卡拉OK系统的低复杂性啸叫抑制方法。所述啸叫抑制方法包括以下步骤：经由至少一个传声器捕捉输入信号，所述输入信号包括源信号和声反馈；在电声路径中压缩并均衡所述输入信号并接着在放大之后将输出信号馈送到扬声器；以及利用扬声器回放所述输出信号，并且所述输出信号在环境中传播。所述啸叫抑制方法还包括以下步骤：经由至少一个无限脉冲响应(IIR)滤波器估计声反馈，并由此从所述输入信号中消除所述声反馈。

附图说明

参考附图阅读非限制性实施方案的以下描述，可更好地理解本发明。在图中，相似的附图标记标示对应的部分，在下文中：

图1示出具有一个传声器和一个扬声器的卡拉OK系统中的示例性啸叫情况。

图2A到图2B示出根据本发明的用于卡拉OK系统中的啸叫抑制的示例性系统图。

图3示出示例性流程图，所述示例性流程图示出根据本发明的啸叫抑制方法。

图4示出根据本发明的便携式一体化卡拉OK系统的示例性硬件系统。

图5A到图5E示出与本发明相关的一些模拟的比较结果，其中图5A示出扬声器信号的声谱；图5B示出其中啸叫声音在大约2kHz和9.3kHz下的扬声器信号的声谱；图5C示出利用频移方法获得的声谱；图5D示出利用NFS方法获得的声谱，并且图5E示出利用本发明获得的声谱。

具体实施方式

下文中公开本发明的一个或多个实施方案的详细描述；然而，应理解所公开的实施方案仅例示本发明，本发明可体现为各种替代形式。各图不一定成比例；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

图1示出具有一个传声器和一个扬声器的卡拉OK系统中的示例性啸叫情况。在图1中可看到，系统100包括传声器110和扬声器140，并且传声器110连接到电声路径120并接着在放大130之后连接到扬声器。当对卡拉OK系统进行设置时，传声器110捕捉来自用户唱歌声音的源信号S(z)；并且在电声路径G(z)中处理输入信号X(z)，所述处理包括压缩和均衡；并接着放大达增益因数K。将输出信号Y(z)馈送到扬声器140并在环境150中传播。

当声音信号被传声器110拾取并且随后放大并馈送到扬声器140时，由扬声器140回放的音频声音可能被传声器110通过直接路径或反射路径采回。扬声器140与传声器110之间的声耦合致使通过环境传递函数F(z)中传播的输出信号Y(z)形成声反馈，并接着也被拾取到传声器110中，并且因此图1中所示的输入信号X(z)包括源信号S(z)和声反馈Y(z)·F(z)。

因此，在频域中表示所有信号和传递函数，图1中的过程可由以下方程式表达：

Y(z)＝X(z)·G,(z)·K (I)

X(z)＝y(z).F(z)+S(z) (2)

关于以上方程式(2)，可以设想，去向卡拉OK系统中的输入信号X(z)还可包括例如通过蓝牙或AUX接口输入的音频流(诸如歌曲的伴奏音乐)，所述蓝牙或AUX接口在本文中已省略。

并且接着可计算从源信号S(z)到输出信号Y(z)的总传递函数H(z)：

其中项F(z)·G(z)·K指代系统的回路响应，并且其量值和相位响应分别表示回路增益和回路相位。因此，当系统变得不稳定时将会发生啸叫，这在奈奎斯特稳定判据中有总结，

F(z)·G(z)·K≥1，∠F(z)G(z)＝n2π (4)

在过去几十年中，已论述了很多啸叫抑制方法。无疑，所考虑的第一预防措施是优化整个卡拉OK系统，诸如扬声器和传声器的方向性、扬声器与传声器之间的距离、系统的总增益和一些可能有问题频率的振幅。然而，所述优化通常受到限制，尤其是在便携式一体化卡拉OK系统中，原因在于便携式一体化卡拉OK系统的形状因数和声音性能通常具有某些要求–尺寸尽可能小，但声级尽可能高。针对这些限制性情况，所述过程必须是自动化的或需要采取其他措施来避免啸叫反馈。因此，本发明提供一种利用低复杂性啸叫抑制方法的便携式一体化卡拉OK系统。

为了更好地抑制便携式一体化卡拉OK机器中的啸叫声音并且减小处理计算、功耗和系统延迟，本发明为便携式卡拉OK系统提供低复杂性啸叫抑制方法，所述方法中使用滤波器来从传声器信号中消除不想要的分量。

图2A示出根据本发明的用于卡拉OK系统中的啸叫抑制的示例性系统图。将滤波器260引入到此系统200中，F_est(z)是由滤波器260建立的估计传递函数，所述估计传递函数被设计并调适成类似于环境250中的实际环境传递函数F(z)。已提出很多算法来实现此方法，诸如最小均方和归一化最小均方算法。在图2A的示例中，如果F_est(z)完美收敛并且因此F_est(z)＝F(z)，X_est(z)＝X(z)，则将消除来自扬声器240的所有反馈信号，因此输入信号仅由来自诸如用户唱歌声音的源信号S(z)组成，而将不会发生啸叫，这可表达为以下方程式：

X(z)-X_est(z)＝S(z)+F(z)Y(z)-F_est(z)Y(z)≈S(z) (5)

使用自适应滤波器来估计环境传递函数可达成良好的啸叫抑制效果。然而实际上，通过自适应滤波器估计环境传递函数来进行啸叫抑制仍存在一些问题。首先，延迟无法满足此小型卡拉OK机器的要求。由于自适应算法可能需要长的处理时间，而扬声器非常靠近传声器，因此声音传播时间可能小于处理时间，并且因此算法无效。第二，自适应算法也可能消耗高功率并且电池将快速地耗尽，这是便携式装置的明显缺陷。第三，自适应算法有时不会平滑地收敛，进而导致自适应滤波器的明显差异，这将总是影响用户唱歌的音质。此外，卡拉OK系统中的扬声器与传声器之间存在高相关性，这使得此结构在此情况下表现不佳。

因此，在示例性系统中，使用数个二阶无限脉冲响应(IIR)滤波器260'来对传递函数F(z)进行建模，如图2B中所示。由于便携式一体化卡拉OK系统的形状因数确定扬声器240与传声器210之间的固定距离，因此可离线测量并估计传递函数F_iir(z)并且通过多频带IIR滤波器来逼近所述传递函数。此外，在某些状况下，诸如集成卡拉OK机器，扬声器与传声器的相对位置相对固定，因此即使不需要自适应过程，仍可达成80～90％的啸叫抑制效果，并且IIR滤波器可具有固定的抑制效果。在此系统中使用IIR滤波器不仅节约功耗，而且节约芯片计算资源。

此外，还可将去相关215引入到示例性系统200中以减小扬声器与传声器信号之间的相关性。在图2B中所示的模型中，在压缩和均衡之前通过使输入信号频移来使扬声器信号与传声器信号去相关，这意味着在去相关215中，总输入信号X(z)-X_iir(z)是频移的，并且使得Y(z)与X(z)-X_iir(z)去相关。因此，输出信号与输入信号去相关。例如，可如下在时域中获得频移的输出信号x_移位(t)，

其中Δf是移位频率，并且

是原始信号x(t)的希尔伯特变换形式。

频移的全部优点可纳入到本发明方法中。在通过数个IIR滤波器对环境传递函数进行建模的这个所提出的模型中，由于延迟问题和高功耗因而不需要自适应处理。此外，由于因扬声器的输出信号通过空气中的声耦合的一部分返回到输入传声器而存在声反馈问题，因此使用频移将参考信号与误差信号去相关，这可用于减轻有偏滤波器估计。

图3示出示例性流程图，所述示例性流程图示出根据本发明的啸叫抑制方法。

在步骤310中，将输入信号提供到便携式卡拉OK系统中，所述输入信号包括源信号(诸如用户的唱歌声音)和声反馈。至少一个传声器捕捉输入信号的此部分；此外，输入信号还包括音频流(诸如歌曲的伴奏音乐)，可以有线方式或无线方式(诸如通过蓝牙或经由AUX接口)将输入信号的此部分上传到卡拉OK系统。

在步骤315中，在所提供的系统中引入去相关以将输入信号去相关。在此步骤中，通过使输入信号频移来将扬声器的扬声器信号与输入信号去相关。

在步骤320中，接着在电声路径中处理(包括压缩和均衡)频移的输入信号，并接着放大达增益因数K以得到输出信号。

在步骤340中，将输出信号馈送到扬声器以用于回放和在环境中传播。

在此步骤中，在环境中传播之后，来自扬声器的输出信号回放被传声器通过直接路径或一些反射路径采回作为声反馈，在至少一个传声器接收输入信号的其他部分时所述声反馈进入传声器，如上文在步骤310中所提及。

接下来，在步骤360中，为了从传声器信号中消除不想要的分量，使用数个IIR滤波器来对环境传递函数进行建模。此步骤包括离线测量并估计环境传递函数，并且通过诸如多频带IIR滤波器逼近所述函数。所得的估计信号大致等于在步骤350中进入传声器的输入信号的声反馈部分。因此，通过从由传声器捕捉的输入信号减去估计声反馈，可消除可在系统中产生啸叫的声反馈。

图4示出根据本发明的便携式一体化卡拉OK系统的示例性硬件系统，在所述便携式一体化卡拉OK系统实施本文中提供的低复杂性啸叫抑制方法。如图4中所绘示，啸叫抑制方法中另外还使用波束成形技术，所述波束成形技术使用传声器阵列或扬声器阵列来修改方向性。

例如，作为传声器阵列410的具有不同方向性的两个传声器用于形成图4中所示的心形方向性图案。这也可被视为抑制更多啸叫分量的特殊波束成形布置。应当理解，可使用更多传声器来布置传声器阵列。

波束成形输出X_波束(z)写为：

X_波束(z)＝∑_kW_k(z)·X_k(z) (7)

其中W_k(z)和X_k(z)分别是第k个波束成形滤波器和第k个传声器输入信号。

此外，在实际的便携式卡拉OK产品中，传声器410可用吸音棉480包裹以进一步减小来自扬声器440的声音能量。可看到，此示例性机器中替代性地使用无源辐射器470，如图4中示意性地示出。

图5A到图5E展示了一些模拟的比较结果。图5A示出扬声器信号的声谱，并且图5B示出大约2kHz和9.3kHz下的啸叫声音，所述啸叫声音急剧地增大并且一直持续到最后。在图5C中通过频移方法，啸叫频率在每一个回路中降低并且啸叫功率被抑制在较低的水平，但啸叫仍然明显。图5D示出NFS方法可成功地抑制啸叫，但其只有在啸叫可听到并被检测到时才开始起作用。通过本发明提供的低复杂性啸叫抑制方法获得的声谱(图5E中示出)指示在有问题频率下的声音能量没有明显的增大，这意味着所提供的方法可成功且明显地抑制啸叫反馈，在这些方法中表现得最好。

就便携式卡拉OK机器来说，始终想要具有长的播放时间但仍期望良好的声音品质，诸如高音量和轻啸叫问题。在本发明中，所提供的低复杂性啸叫抑制方法采用IIR滤波器结构来减小功耗和系统延迟。为了进一步抑制啸叫，还将非线性算法(例如频移)与传声器波束成形方法组合。

本发明提供的低复杂性啸叫抑制方法和系统适合于其中系统含有相对位置固定的扬声器和传声器两者并且扬声器实时地播放传声器的输入信号的那些应用。示例性应用包括诸如但不限于便携式卡拉OK机器、集成扬声器和会议系统等。

如本申请中所使用，以单数形式陈述并且前面有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非指明所述排除。此外，提及本公开的“一个实施方案”或“一个示例”不旨在解释为排除也包括所陈述特征的另外实施方案的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且不旨在将数字要求或特定位置次序强加于其对象。

虽然上文描述了示例性实施方案，但这些实施方案并不旨在描述本发明的所有可能形式。更确切地说，在说明书中使用的词语是用于描述而非限制，并且应理解可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可组合各种实施的实施方案的特征以形成本发明的其他实施方案。

Claims (20)

1.一种用于便携式卡拉OK系统的低复杂性啸叫抑制方法，所述低复杂性啸叫抑制方法包括以下步骤：

通过至少一个传声器捕捉输入信号，所述输入信号包括源信号和声反馈；

在电声路径中压缩并均衡所述输入信号，并接着在放大之后馈送到输出信号；以及

通过扬声器回放所述输出信号，所述输出信号在环境中传播；

其中所述方法还包括以下步骤：由至少一个无限脉冲响应(IIR)滤波器估计所述声反馈，并由此从所述输入信号中消除所述声反馈。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述声反馈包括在闭合信号回路中生成的啸叫，所述闭合信号回路通过所述扬声器与所述至少一个传声器之间的声耦合形成。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过所述至少一个IIR滤波器对环境传递函数进行建模的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个传声器与所述扬声器的相对位置是固定的。

5.如权利要求3所述的方法，其中对所述环境传递函数进行建模包括离线测量并估计所述环境传递函数并且逼近所述环境传递函数。

6.如权利要求5所述的方法，其中逼近所述环境传递函数能够由多频带IIR滤波器执行。

7.如权利要求3所述的方法，所述方法还包括将所述输出信号与所述输入信号去相关。

8.如权利要求7所述的方法，其中将所述输出信号与所述输入信号去相关能够通过使输入信号频移来实施。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述至少一个传声器以不同的方向性布置为传声器阵列以进行波束成形。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述传声器阵列形成心形方向性图案。

11.一种具有低复杂性啸叫抑制功能的便携式卡拉OK系统，所述便携式卡拉OK系统包括：

至少一个传声器，所述至少一个传声器用于捕捉输入信号，所述输入信号包括源信号和在环境中传播的声反馈；

电声路径，所述电声路径用于压缩并均衡所述输入信号，并接着在放大之后馈送到输出信号；

扬声器，所述扬声器用于回放所述输出信号，

其中所述系统还包括至少一个无限脉冲响应(IIR)滤波器，所述至少一个IIR滤波器用于估计所述声反馈，并由此从所述输入信号中消除所述声反馈。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述声反馈包括在闭合信号回路中生成的啸叫，所述闭合信号回路是由所述扬声器与所述至少一个传声器之间的声耦合形成。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述至少一个IIR滤波器还对环境传递函数进行建模。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述至少一个传声器与所述扬声器的相对位置是固定的。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述至少一个IIR滤波器还离线测量并估计所述环境传递函数并逼近所述环境传递函数。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述环境传递函数能够由多频带IIR滤波器逼近。

17.如权利要求13所述的系统，所述系统还包括将所述输出信号与所述输入信号去相关。

18.如权利要求17所述的系统，其中将所述输出信号与所述输入信号去相关能够通过使输入信号频移来实施。

19.如权利要求11所述的系统，其中所述至少一个传声器还以不同的方向性布置为传声器阵列以进行波束成形。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述传声器阵列形成心形方向性图案。

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