CN1317691C - 一种自适应谷点降噪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应谷点降噪方法和系统，将二个无指向性传声器输出的一通道采样信号和二通道采样信号，分别减去经过延时的二通道采样信号和一通道采样信号，得到向前、向后两个指向性信号，然后分别这两路信号分解为多个向前和向后子带信号，在自适应滤波器上将相应频带的向后子带信号乘以自适应滤波系数，输出向后子带调整信号，再在加法器上将各频带的向前子带信号减去向后子带调整信号输出，最后由综合滤波器组将多个加法器的输出累加，输出处理完的信号。本发明通过在频率上分带，在几个噪声源分布在不同的频率段并在不同方位的情况下，不同频率段的谷点可以同时对准几个噪声源，确保输出信号中噪声得到抑制。

Description

一种自适应谷点降噪方法及系统

技术领域

本发明涉及一种语音降噪方法，更具体地说，本发明涉及一种自适应指向性的语音降噪方法。

背景技术

有指向性的听力设备(或仪器)通常利用目标信号源和噪声信号源来自不同方向的特点来实现目标信号的增强和噪声信号的抑制。目前这种有方向性的声信号拾取设备有两种模式：一种具有固定指向性，包括单个指向性传声器和双传声器对(偶极子)等，所谓固定指向性就是指在固定方向增强和衰减，不能随着目标声源和噪声源的方位变化而变化；另一种其指向性是自适应的，可以根据目标声源和噪声源的方位的变化来调整系统参数，以动态地实现目标信号的增强和噪声信号的抑制，即指向性是可变的。

图1是两个普通传声器组成的固定指向性的系统，图中d表示两传声器之间距离，c是声速，θ是目标信号源到传声器与两传声器连线之间的夹角，信号从一通道的传声器正上方来到时θ＝0°，同样如果信号从二通道的传声器的正下方来到时θ＝180°。调节延时τ可以产生几种具有不同指向性的输出，对应着极坐标系下不同的图形。例如，当延迟系数分别取作τ＝0，0.32(d/c)和(d/c)时，1kHz为声源，输出分别对应图2A、2B、2C所示的三种形状。图中粗线表示阵列在各个方向上接收到的信号的归一化能量。系统具有指向性也就是说系统在不同方向上接收到的信号能量有差异。谷点就是接收能量最小的方向。

各种图形有不同的谷点，对应的系统可以抑制不同方向的噪声源。在不同的噪声环境里，只需通过调节使系统的谷点对准噪声的方向，就可以较好的抑制噪声。然而对于噪声源时变和移动的环境，这种固定指向性的系统就不能满足要求了。

在Fa-Long Luo，Jun Yang，Senior Member，Chaslav Pavlovic，andArye Nehorai，所著的“Adaptive Null-Forming Scheme in Digital HearingAids”，IEEE Trans.Signal Processing，vol.50，no.7，JULY 2002.中公开了一种现有的自适应指向性传声器系统，请参照图3示出的系统框图，一通道(front microphone)和二通道(back microphone)收到的信号分别是f(n)和b(n)，相应的d/c是两通道的延迟时间，W是各频带自适应滤波器的系数，a(n)是自适应滤波器的输出，z(n)是整个系统的输出。

这种系统可以根据目标声源和噪声源的方位的变化来调整系统参数，以动态地实现目标信号的增强和噪声信号的抑制。但有些应用中，比如助听器、手机、PDA、会议室麦克等，它们应用的环境通常是千变万化的，噪声源非常复杂，它们可能在不同方向上，并分布在不同频率段，例如，在会议室，有投影仪的风扇噪声，它几乎是一种单频噪声，有来自窗外的交通噪声，它们是一些低频噪声，对于麦克来说这两种噪声来自不同方向，使用这种方法就难以同时将这两种噪声消除的比较好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自适应谷点降噪方法，可以有效消除分布在不同频率段并在不同方位上的多个噪声源发出的噪声。本发明还要提供一种实现该方法的系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应谷点降噪方法，应用于包含两个无指向性传声器的数字信号处理系统，包括以下步骤：

(a)所述两个传声器分别拾取得到一通道采样信号和二通道采样信号；

(b)用一通道采样信号减去经过延时的二通道采样信号，得到向前指向性信号，用经过延时的一通道采样信号减去二通道采样信号，得到向后指向性信号；所述延时时间等于两个传声器之间的距离除以声速和采样频率的乘积；

(c)将所述向前和向后指向性信号以相同的频带划分方式分解为多个向前子带信号和多个向后子带信号；

(d)对各个频带，用向前子带信号和向后子带信号的互相关函数除以向后子带信号的功率，确定该频带的自适应滤波器系数；

(e)在各个频带上，用向前子带信号减去向后子带信号和该频带自适应滤波器系数的乘积，再将所有差值累加，得到处理完的声音信号。

为了保证传声器的输出一致性较好，在所述步骤(b)之前，先测量两个传声器的传递函数，获得补偿系数，在所述步骤(b)中，所述的一通道或者二通道的信号采用原始信号乘以所述补偿系数后得到的信号参与运算。

本发明提供的自适应谷点降噪系统包括二个无指向性传声器、第一和第二加法器、两个延时器，其特点是，还包括两个分析滤波器组、多个自适应滤波器、多个二级加法器和一个综合滤波器组，其中：

所述二个无指向性传声器，用于接收声信号，经采样和模数转换后分别输出一通道采样信号和二通道采样信号；

所述两个延时器，分别用于将所述一通道和二通道采样信号延时后输出，延时时间等于所述两个传声器之间的距离除以声速和采样频率的乘积；

所述第一加法器，用于将输入的一通道采样信号减去经过延时的二通道采样信号，得到向前指向性信号；所述第二加法器，用于将输入的二通道采样信号减去经过延时的一通道采样信号，得到向后指向性信号；

所述两个分析滤波器组，分别用于将所述向前、向后指向性信号按相同的频带划分方式分解为多个向前子带信号和多个向后子带信号；

所述多个自适应滤波器，分别用于将相应频带的向后子带信号乘以自适应滤波系数，输出向后子带调整信号，所述自适应滤波系数等于该频带向前子带信号和向后子带信号的互相关函数除以向后子带信号的功率；

所述多个二级加法器，分别用于将各频带的向前子带信号减去向后子带调整信号并输出；

所述综合滤波器组，用于将所有二级加法器的输出累加，得到处理完的信号。

为了取得更好的效果，所述两个无指向性传声器之间的传递函数的相位差最好小于5度，幅度比小于2dB。

为了取得更好的效果，所述两个传声器相距的距离最好小于40mm。

为了保证传声器的输出一致性较好，还可以增加一个补偿器，用于将所述一通道或者二通道的采样信号乘以两个传声器的补偿系数后再输出到所述第一或者第二加法器和延时器。

由上可知，本发明通过在频率上分带，在几个噪声源分布在不同的频率段并在不同方位的情况下，不同频率段的谷点可以同时对准几个噪声源，确保输出信号中噪声得到抑制。

附图说明

图1是两个普通传声器组成的固定指向性的系统；

图2A、2B、2C是图1的系统中，不同延迟产生对1kHz声信号形成的不同指向性的示意图；

图3是现有自适应指向性传声器的系统框图；

图4是本发明实施例自适应谷点降噪系统的功能框图。

具体实施方式

图4是本发明实施例自适应谷点降噪系统的功能框图，如图所示，两个无指向性传声器(图中未示出)接收声信号，经采样和模数转换后将采样信号f(n)和b(n)分别输出到一通道和二通道，f(n)和b(n)分别经延时器11延时τ＝d/cf_s后(f_s为采样频率)，和b(n)、f(n)信号在第一、第二加法器12上相减得到向前和向后的指向性信号x(n)和y(n)，再将信号x(n)和y(n)分别送入分析滤波器组13进行分频，得到多个向前子带信号和向后子带信号x(n，f)和y(n，f)，再将各向后子带信号y(n，f)分别送入该频带的自适应滤波器14，W_i是各频带自适应滤波器的系数，a(n，f)是自适应滤波器输出向后子带调整信号，将各频率段的向前子带信号x(n，f)和向后子带调整信号a(n，f)在各二级加法器相减后，再经综合滤波器组15综合就得到了系统的输出信号z(n)。依照对图1的分析可知，x(n)的指向性对应的极坐标图形是谷点在180°的心形图，同样y(n)对应的极坐标图形是谷点在0°的心形图。

系统输出z(n)的谷点与系数W(n)有如下关系：

$W(n,f)=-\frac{\sin \left(\mathrm{\πf}\frac{d}{c}(1+\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{null}}\right))\right)}{\sin \left(\mathrm{\πf}\frac{d}{c}(1-\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{null}}\right))\right)}---\left(1.1\right)$

其中，f是信号的频率，d表示两传声器之间距离，c是声速，θ是目标信号源到传声器与两传声器连线之间的夹角，θ_null是谷点对应的角度值。

式(1.1)表明了谷点和自适应系数W(n，f)的关系对信号频率的依赖性。通过将x(n)和y(n)这两个具有固定指向性的信号按频域进行分带，在各个频带中分别进行自适应辨识，得到各自的自适应滤波器系数W(n，f)，调节W(n，f)改变各频带的延时，就可以改变输出对应的极坐标图形，使整个系统的谷点对准噪声源，实现降低噪声的目的。

下面将具体说明自适应系数W(n，f)的计算方法，假设s(n)和i(n)是进入两通道的信号中的有用信号(语音信号)和噪声信号，语音信号在θ＝0°方向上，τ_i是分别进入两个通道的噪声信号之间的延迟，根据图4的系统，可以得到以下各式：

f(n)＝s(n)+i(n-τ_i)            (1.2)

$b\left(n\right)=s(n-\frac{d}{c})+i\left(n\right)---\left(1.3\right)$

$x\left(n\right)=f\left(n\right)-b(n-\frac{d}{c})---\left(1.4\right)$

$y\left(n\right)=f(n-\frac{d}{c})-b\left(n\right)---\left(1.5\right)$

a(n，f)＝W(n，f)y(n，f)        (1.6)

$z\left(n\right)=x\left(n\right)-\underset{f=0}{\overset{f=N}{\mathrm{\Σ}}}a(n,f)---\left(1.7\right)$

将式(1.2)和(1.3)代入式(1.5)，分解后可以得到：

$y(n,f)=i(n-\mathrm{\τ}-\frac{d}{c},f)-i(n,f)---\left(1.8\right)$

可以看到，向后指向性信号y(n)只含有噪声成份，在本申请文件中，向后指向性信号即是谷点对准目标声源，只含有噪声成份的拾取信号。这一特点表明减小系统输出功率等价于减小输出功率中的噪声成份的功率，因为语音信号和噪声信号不相关。系统输出z(n)的功率的期望如下

＝R_xx(n，f)-2W(n，f)R_xy(n，f)+W²(n，f)R_yy(n，f)        (1.9)

其中R_xx(n，f)和R_yy(n，f)是分别是x(n，f)和y(n，f)的功率，R_xy(n，f)是x(n，f)和y(n，f)的互相关函数。式(1.9)是关于W(n，f)的一个二次式，有且仅有一个最小值W_opt，使其最小，可以得到：

$W_{\mathrm{opt}}(n,f)=\frac{R_{\mathrm{xy}}(n,f)}{R_{\mathrm{yy}}(n,f)}---\left(1.10\right)$

根据以上分析，利用式(1.10)计算本实施例系统中各个自适应滤波器的系数W(n，f)，就可以保证输出信号z(n，f)在每个频率段的谷点都对向噪声源的方向。

相应的，本发明实施例方法中，用两个传声器之间的距离除以声速和采样频率的乘积，确定延时时间τ；

用公式表示即： $\mathrm{\τ}=\frac{d}{{\mathrm{cf}}_s},$ d表示两传声器之间距离，c为声速，f_s为采样频率；

对声信号的处理过程包括以下步骤：

步骤110，两个传声器分别拾取得到一通道采样信号f(n)和二通道采样信号凸b(n)；

步骤120，用一通道采样信号减去经过延时的二通道采样信号，得到向前指向性信号，即x(n)＝f(n)-b(n-τ)，用经过延时的一通道采样信号减去二通道采样信号，得到向后指向性信号，即y(n)＝f(n-τ)-b(n)；

步骤130，将向前和向后指向性信号x(n)和y(n)以相同的频带划分方式分解为多个向前子带信号x(n，f)和多个向后子带信号y(n，f)；

步骤140，对各个频带，用向前子带信号x(n，f)和向后子带信号y(n，f)的互相关函数除以向后子带信号的功率，得到该频带的自适应滤波器系数：

用公式表示即： $W(n,f)=\frac{R_{\mathrm{xy}}(n,f)}{R_{\mathrm{yy}}(n,f)};$

步骤150，在各个频带上，用向前子带信号减去向后子带信号和该频带自适应滤波器系数的乘积，再将所有差值相加，得到输出的声音信号。

用公式表示即： $z\left(n\right)=\underset{f=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x(n,f)-y(n,f)*W(n,f))$

综上所述，通过在频率上分带可保证在输出信号每个频率段的谷点都对向噪声源的方向，在几个噪声源分布在不同的频率段并在不同方位的情况，不同频率段的谷点可以同时对准几个噪声源，确保输出信号中噪声得到抑制。仍以背景技术所举情况为例，应有本发明后，可以使低频带的谷点对准窗户，而风扇噪声所在的频率段的谷点对准投影仪，因此可以同时兼顾两个方向的噪声源。

在本发明基本方案的基础上，还可以有各种变换：

例如，在两个传声器一致性不太好时，可以进行补偿来提高两个传声器的输出一致性。先测量两个传声器的传递函数，获得补偿系数C，先将二通道采样信号输入补偿器，得到补偿后的二通道采样信号：b′(n)＝Cb(n)，再将其输入到第一加法器和相应的延时器；在实施例方法的步骤120中，则采用补偿后的二通道采样信号计算向前、向后指向性信号，即x(n)＝f(n)-b′(n-τ)，y(n)＝f(n-τ)-b′(n)。对一通道采样信号进行补偿也是一样的。

另外，为了取得更好的效果，系统中应选择一致性比较好的两个无指向性传声器，所谓一致性好，就是两个传声器之间传递函数的相位差较小(|φ|≤5°)，幅度比较平直(|A_max-A_min|＜2dB)；两个传声器相距的距离最好满足d＜40mm。分析滤波器组13和综合滤波器组15则不局限于某种类型。

Claims (6)

1、一种自适应谷点降噪方法，应用于包含两个无指向性传声器的数字信号处理系统，包括以下步骤：

(a)所述两个传声器分别拾取得到一通道采样信号和二通道采样信号；

(b)用一通道采样信号减去经过延时的二通道采样信号，得到向前指向性信号，用经过延时的一通道采样信号减去二通道采样信号，得到向后指向性信号；所述延时时间等于两个传声器之间的距离除以声速和采样频率的乘积；

其特征在于，在步骤(b)之后，还包括：

(c)将所述向前和向后指向性信号以相同的频带划分方式分解为多个向前子带信号和多个向后子带信号；

(d)对各个频带，用向前子带信号和向后子带信号的互相关函数除以向后子带信号的功率，确定该频带的自适应滤波器系数；

(e)在各个频带上，用向前子带信号减去向后子带信号和该频带自适应滤波器系数的乘积，再将所有差值累加，得到处理完的声音信号。

2、如权利要求1所述的自适应谷点降噪方法，其特征在于，在所述步骤(b)之前，先测量两个传声器的传递函数，获得补偿系数，在所述步骤(b)中，所述的一通道或者二通道的采样信号采用原始信号乘以所述补偿系数后得到的采样信号参与运算。

3、一种自适应谷点降噪系统，包括二个无指向性传声器、第一和第二加法器和两个延时器，其中：

所述二个无指向性传声器，用于接收声信号，进行采样和模数转换后分别输出一通道采样信号和二通道采样信号；

所述两个延时器，分别用于将所述一通道和二通道采样信号延时后输出，延时时间等于所述两个传声器之间的距离除以声速和采样频率的乘积；

所述第一加法器，用于将输入的一通道采样信号减去经过延时的二通道采样信号，得到向前指向性信号；所述第二加法器，用于将输入的二通道采样信号减去经过延时的一通道采样信号，得到向后指向性信号；

其特征在于，还包括两个分析滤波器组、多个自适应滤波器、多个二级加法器和一个综合滤波器组，其中：

所述两个分析滤波器组，分别用于将所述向前、向后指向性信号按相同的频带划分方式分解为多个向前子带信号和多个向后子带信号；

所述多个自适应滤波器，分别用于将相应频带的向后子带信号乘以自适应滤波系数，输出向后子带调整信号，所述自适应滤波系数等于该频带向前子带信号和向后子带信号的互相关函数除以向后子带信号的功率；

所述多个二级加法器，分别用于将各频带的向前子带信号减去向后子带调整信号并输出；

所述综合滤波器组，用于将所有二级加法器的输出累加，得到处理完的信号。

4、如权利要求3所述的自适应谷点降噪系统，其特征在于，所述两个无指向性传声器之间的传递函数的相位差小于5度，幅度比小于2dB。

5、如权利要求3所述的自适应谷点降噪系统，其特征在于，所述两个传声器相距的距离小于40mm。

6、如权利要求3所述的自适应谷点降噪系统，其特征在于，还包括一个补偿器，用于将所述一通道或者二通道的采样信号乘以两个传声器的补偿系数后再输出到所述第一或者第二加法器和延时器。

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