CN1504062A - 噪声消除的改进 - Google Patents

Abstract

一种噪声消除电路，包括信号加噪声与包含大比率噪声的信号的比较，以提供中间信号。考虑到电路中伴随着从获取信号的转换器中发生的失真，两个信号的类似比较结果进一步与初始比较结果的衰减版本相比较，以产生改善的噪声消除。

Description

噪声消除的改进

本发明涉及噪声消除。

音频或者其他频率范围的噪声消除通常是基于这样的理论，即使用所期望的信号加噪声的第一输入以及只有噪声的第二输入。一个输入相对于另一个反相，然后将两个输入相加，以致噪声(对于两个输入是共有的)被消除，而留下所期望的信号。实际情况中使用的技术比这更复杂，因为基础理论没有考虑其他需要考虑的事项。从中得到输入信号的输入转换器(例如声频段中的话筒)也是非理想的，因此在两个输入上施加了不同程度的失真。此外，该理论要求第二输入中不存在所期望的信号，或者至少在其中很微弱。

用于对噪声消除的基本手段进行改进的先有技术包括对输出信号滤波。然而，所述滤波技术忽略了对于因将噪声信号转换为易控电量的处理以及随后的信号处理而强加于噪声信号上的失真的考虑。

另一种技术是将模拟信号数字化，并应用数字信号处理来解决残留噪声。

其他已经提议的噪声降低方法包含使用信号采集电路(pick-up)(例如话筒)的相控阵。这些是不灵活的并且是昂贵的。

尽管噪声消除的基本技术已经公知了很多年，但一直仅仅是通过滤波等等这类附加技术来解决由于施加在第一和第二输入端的两个信号上的失真而引起的不完全噪声消除，而这类技术与信号本身的任何比较无关。噪声消除能够生效的程度方面的限制，至少部分是在于所转换信号的失真。例如，成对使用的话筒或者其他组合不是完全相同的，对于给定的输入并不产生完全相同的信号。配对的话筒可用于减少该问题，但它们决不会完全相同，并且肯定将花费更多。另一个问题是转换器相对于信号源的间隔。话筒将会位于不同的位置，并因此将处于稍有不同的噪声激励条件下。

依照本发明，提供了一种噪声消除电路，所述电路包括：第一输入端，用于具有信号成分和噪声成分的第一信号；第二输入端，用于至少包括较小振幅的所述信号成分的第二信号；第一反相器电路，用于产生第一和第二信号端之一的反转形式的反转信号输出；第一加法器，用于将另一个信号与所述反转信号相加，以产生中间信号；中间反相器电路，用于反转中间信号以产生反转中间信号；以及第二加法器，用于将另一个信号、所述反转信号和所述反转中间信号相加，以产生输出。

此外，依照本发明，还提供了一种噪声消除方法，包括将具有信号成分和噪声成分的第一信号与至少具有小振幅的所述信号成分的第二信号相比较，以产生中间信号，以及从第一信号和第二信号的比较结果中减去该中间信号，以产生输出。

本发明提供了非直观的特别的有益效果。这是因为，本发明的电路将所接收的在第二输入端转换得到的信号中的噪声与其自身进行比较，进一步减少了通过单独比较第一和第二输入端的噪声而被减少的噪声。该效果是通过比较类似的响应来消除噪声，借此避免了失真效应，而正因为所述失真效应，先前地根据已知原理实行的消除不太有效。通过比较第一输入、第二输入和中间信号，还考虑了电路输入端的失真效应。根据第二加法器处的信号的相对衰减/放大，对于特定应用，噪声消除效果可以被最优化。

最好是，转换器与用以接收信号并对其应用噪声消除处理的的第一和第二输入端相连接。

在本发明的一具体形式中，第一反相器装置被配置以用于为来自第二输入端的第二信号反相，以便产生反转信号。

本发明特别适用于声频段，但不局限于此。本发明适用于应当考虑由输入所引起的失真效应的任何频率范围和应用。

最好是，可以通过使用转换器得到第二输入，其中与第一输入端相连接的转换器被构造为和/或被配置以用于减少第二转换器对信号成分的接收。例如，当转换器是话筒的时候，通过在沿信号成分接收方向提供与第一输入端相连接的话筒或者通过附加的声障，可以配置一个与第二输入端相连接的话筒以使其在接收信号成分时受到阻挡。在使用话筒的情况中，人们发现接收表面最好间隔0.2mm至2.5mm的距离，最好是0.625mm。替代地，可以引入声障来减少到达噪声话筒的信号。对由第二(噪声)话筒接收到的信号成分的减少归因于前方话筒的抑制效应以及第二话筒与信号源的距离。因此，话筒最好是定向的。

信号的减法和反转最好是在模拟域中使用运算放大器执行。然而，其他模拟电路技术也可等效使用，例如晶体管放大器。

在本发明的一个最佳实施例中，第一和第二信号的每个都被低通滤波。该信号调节用于消除信号中的高频噪声的特征尖峰信号。因此，待消除信号呈现低功率频谱密度的宽(尖锐更少)指标。该消除技术在应用于低通滤波信号时更有效，因为电路对于输入信号中的任一个或者两者的相位畸变和延时不敏感。

本发明同样适用于数字域，其中当模拟信号转换为数字数据的时候在模拟-数字转换阶段增加了某些不希望有的失真噪声。可以通过比较初始数字化信号加环境噪声、具有小振幅信号成分的初始数字化信号的反转形式以及中间数字信号的反转形式，来解决相同的信号处理失真问题。

本发明可以以多种方式实现，现在通过参照附图以举例的方式说明其中一些方式，其中：

图1是本发明的一个实施例的电路图；

图2是供本发明使用的音频话筒的定向的图示；

图3是图1中电路的替代形式的电路图；

图4至7图解说明图1的电路中的信号；

图8是根据一替代实施例的电路；

图9是根据本发明的概括方框图；以及

图10是根据进一步的替代实施例的电路。

参看图1，用于声频的噪声消除电路包括用于一驻极体话音话筒12的第一输入端10。该话筒是一转换器，用于将声信号转换为模拟电信号。所述声信号伴随有话筒动态范围内的环境噪声。应该注意到，该噪声是必须尽可能消除的，以便在电路输出端得到更可靠的信号。第二输入端14具有与之相连的驻极体噪声话筒16。第一和第二输入端10和14分别连接在负电压限(-)和5kohm的上拉负载电阻18/20之间，并再分别连接到正电压限(+)。可以使用的话筒的其他形式，例如不要求任何电源接头的动力(电磁)，晶体或者碳粉。定向话筒是合乎需要的，以求在采集信号时至少提供一定选择性。

用于每一输入端10/14的信号电平通过一单位增益非反相运算放大器22/24缓冲。用于话音/噪声话筒12/14的缓冲放大器22/24的输出，在图1中分别被标记为点C和D。点D的来自噪声话筒16的非反转信号与一对反相运算放大器26/28的反相输入相连接，以便将它们的输出相对于整个电源电压振幅来集中，其中所述反相运算放大器26/28还以其各自的非反相输入端连接到中电源电压基准电平30。运算放大器26被设置为具有增益0.85的反相减幅器，用于在点E提供作为点D信号的反转衰减形式的信号。运算放大器28被设置为在点E′提供点D信号的0.72增益的反相减幅器。用于信号衰减的其他设置(例如单位增益)，将取决于例如使用的话筒及其他电路元件以及电源电势。运算放大器26和28的增益最好是相同的或者接近的足以提供相似振幅的信号，以便不在其余的电路上施加过度的负载，也不破坏噪声消除的功能性。

点C和E处的信号经过电阻R11和R12在点F合并，以致C处的话音信号实际上与E处噪声信号的反转衰减形式相加。点F处的这两个信号的相加的效果，理论上应该实现对每一个中的共有但反相的信号(即噪声)的消除，且D处信号受到由减幅器26引起的衰减。然而，众所周知，这不是实践中的情况。这是因为在话筒12和16处接收的信号易受到不同的失真影响，例如由于系统的非线性以及热量和瞬间元件偏移的影响。因此，一条线路中的噪声并不是能够简单到就是另一条线路的反转的形式。虽然在过去，这种考虑已经用于通过滤波及其他更复杂的技术来处理残留噪声问题，但是本发明利用这一比较的结果，通过将其重新施加到电路中来减少噪声。

通过进一步的单位增益非反相放大器32来缓冲在F点的已降低的噪声，并通过补偿反相放大器34将其放大1.95的增益。放大器32的输出是一个包括C点信号的反转形式的中间信号，其在图1中以G点标明。G处信号相对于E点信号减弱了。

在电路中的H点处，E′点处的来自第二反转减幅器28的信号与点C处的信号和点G处的中间信号经由电阻R9、R13和R14相加。该合成的信号被单位增益非反相放大器36缓冲，并被a.c.耦合电路38滤波以消除所有的直流分量，然后连接到输出端40。

图2示出也是根据本发明的话筒12和16的配置。虽然每一话筒都可以从超过一个的方向采集声音，但它有一个接收的主方向，并且在某种程度上是定向的。在图2中将看到，噪声话筒16被设置为：其接收表面大约在话音话筒接收表面之后的0.625mm(1/4″)处。以这种方式，话音话筒完全暴露于所期望的输入信号(即语言)，但是同时为由噪声话筒对同一期望信号的接收提供一声障，以致噪声话筒处所期望的信号被减弱。以这种方式，噪声话筒比话音话筒接收了相对较大比率的噪声信号输入。话音和噪声话筒的这种配置可以根据应用、使用的话筒类型以及与所期望的信号源的距离等等而不同，并能够根据情况凭经验得出。

图3示出图1中电路的修改型。具有可调增益的放大器42被用来执行放大器26和28的功能。因此，实质上相同的点E和E′处的信号，现在简单呈现为图3中的E点，并且与电阻R12和R14并行连接。人们发现，在该点仅仅使用单个放大器便于平衡信号。

图4示出两个已转换的信号，如图1中电路的点C和D处的读出。它们每一个都包括期望的话音信号(为了图示，在该情况下是一基本的正弦曲线)以及在期望信号上叠加的噪声分量。如图2中所示，它们都暴露于相同的噪声源，但是点D处的话音信号相对于点C处的话音信号被稍微减弱了大约0.15，至少部分是由于噪声话筒16前方的话音话筒12的抑制效应和/或它们与声源的相对距离。

图5示出了点D和E处波形的比较，后一波形是点D处波形的减弱反转形式。此外它也等于点E′处的波形。点E处的波形可以被认为是D处波形的负的“含杂质的”形式，因为该信号中已经引入了小的随机变化，这与两个话筒之间由于例如电路元件中的制造公差引起的少量物理和电气差异有关。

图6示出点C、F和G处的信号。点F处的信号是振幅减小、由于点C和E处的反相信号的相加而噪声减少的信号，但是它仍包含由于已转换噪声信号分量中由两个话筒的不同失真效应所引起的非相似性而造成的显著噪声。G点处的信号是点F处信号的反转和减弱形式，其本身在该电路中使用。为了与点F处信号相比较，示出了点C处的信号，以便图示尽管还具有减弱的话音信号的噪声降低。这是对电路中现有技术采用滤波及其他技术解决剩余噪声的点的图示。

图7示出在点C和E′处的信号已经被加到点F处的信号的反转形式(即点G处的信号)之后，与点F处信号(如图6中)以及点H处的信号相比较的点C处信号。通过应用本发明可看出，对于相似的输出话音信号振幅，点H处信号包含了比点F处少得多的噪声。本发明解决了信号中由于转换器引起的附加失真。本发明提供了一种技术，通过增加G处信号做到了这一点，其中所述G处信号是F处的来自D点处噪声话筒的输出之间基本差异的减少了的噪声的转化和减弱信号。

为了达到对用于将点H处噪声消除到改善程度的电路中各种运算放大器的增益的平衡设定，将运算放大器34上的电阻R8设置为可调节的。通过如图2中所示的那样放置话筒以致其主接收方向与噪声源成直角(以便两个话筒接收相等的噪声输入)，调整R8的值直到运算放大器36处的噪声输出最小。例如还可以将电路中其他运算放大器的增益值例如运算放大器26和28的增益值调整到相同端部。然而，R8是方便选择的电阻，因为它限制了不得不做的调整的数目。

已经从声频方面说明了本发明。然而，本发明同样地适用于其他频率范围和在其中将一个信号转换为另一形式的失真效应为了降噪目的在待比较信号上施加了不同失真的应用。

本发明提供了信噪比方面的对客观和主观两方面都有益的改进。客观上，人们发现在语音译码方案例如话音识别软件中的信噪比的改进具有独特的有益效果。主观上，再现声音的清晰度在电话和无线电及其他模拟/数字语言通信系统中特别有用。

可以从说明书中理解的是，该最佳实施例使用了非常容易得到的元件，例如运算放大器、基本电阻和电容器以及转换器，并且可以在集成电路上非常容易地实现。本发明特别适合于在制造阶段并入设备，或者作为已有产品的辅助设备，例如在有线和无线电话中。

图8示出本发明的一个替代实施例，其中相同的附图标记用于同样的部件。在该电路的输入端中，分别用于信号和噪声通路的运算放大器50和52具有增益。在输出端，还有一个具有非单位增益的运算放大器54。对于某些应用来讲，必须将输出端放大。人们发现，通过放大输入端以及让任何噪声的放大都经受由该电路执行的相同的噪声消除来至少部分地做倒这点，并限制输出端的放大都是非常有益的。

概括该电路的操作，就是将点C处所期望的信号加噪声与点E’处的更多噪声信号的反转形式以及点G处通过比较点C和D处信号产生的噪声消除信号的反转减弱形式进行合并。在图9中以方框图的形式说明了这一点。由于失真，对于许多应用来讲，噪声在G点没有被充分地消除，因为点C和D处信号不是完全相同的。根据各点信号的放大/减弱系数的相对选择，调整形式的信号与反转噪声信号和话音信号的相加实质上更进一步的减少了输出端40处的噪声。

图10示出本发明的进一步的实施例。在该附图中，对应于图1和8中那些部件的部件被给定了相同的附图标记。在该实施例中，点D处信号被施加到具有4kHz截止频率的二阶契比雪卡低通滤波器(second order Chebyshev low pass filter)60的输入端。滤波器60的输出被单位增益反相器62反转，以提供先前提及的点E的相等物。类似地，点C处信号被二阶契比雪夫滤波器64低通滤波，并由单位增益反相器66反转。

反相器62的输出被施加到具有可变反馈电阻70的可调放大器68的输入端，以在相当于图3中点E的点E″处提供一输出。根据对反馈电阻70的调整，放大器可以被调节充当减幅器。

来自相应话筒12/16的信号现在是以平滑的(衰减高频)、反转的和减弱的(在噪声话筒信号的情况下)形式输出。这些在电阻R11和R12之后，在点F′(相当于图1、2和8中的点F)处相加，以提供用于缓冲放大器32的高阻抗输入。它们还在电阻R13和R14之后，在点H′处相加，以便为下一步的具有可变反馈电阻74的可调放大器72提供高阻抗输入。

点H′处相加的信号与点G′(相当于图1、2和8中的点G)处的反相器76的输出端相连接。点F′处相加的信号由缓冲器32缓冲，并由具有可变电阻78的可调增益反相器76(相当于图1和8中的反相器34)反转。因此，点F′和H′处的相加的信号在G′合并，如前所述，其相对于E点处信号减弱了。

根据本发明的该实施例，滤波和反相实质上是在每一信号上同等地但是电气独立地执行的。滤波和反转信号被提供作为在电阻R11、R12、R13和R14处的高阻抗输入。在点F′处产生了信号的一个反相(反转)组合，而在点H’独立的产生了另一个。点F′处的反相组合用来确定与点H’处的另一个反相信号相加的“补偿信号”。结果是H′处信号的最佳反相合成。H′处信号是基本的有益噪声消除输出。然后其由缓冲器72缓冲，并在二阶契比雪夫滤波器80中被进一步低通滤波。如前所述，滤波器的输出在40处的a.c.耦合电路以前进一步被缓冲器82缓冲，以提供符合要求的噪声消除输出。

为了为特定环境、话筒和输出建立图10中的电路，使用以下方法过程。

1.将可变电阻70和78调零。

2.为满放大器增益设置可变电阻74。

3.将一示波器连接到输出端40，并设置噪声和话音话筒以便它们的接收主方向是与噪声的位置正交的。

4.调节电阻70用于示波器上的最小振幅输出。

5.进一步调节电阻78，以将示波器上的输出最小化。

6.朝向噪声源重新调整话筒。

7.调节电阻78和74以实现所期望的输出振幅。

可以被本领域中普通技术人员理解的是，除了本发明的数字实现方式之外，还可以以与所公开电路的不同部件等效地使用其他元件。例如，图1、8和10中的电路中的滤波器可以是提供所要求的截止频率和衰减率的任何适当的有源或者无源结构。实例包括巴特沃恩(Butterworth)、椭圆和贝塞耳滤波器(Bessel filters)，以及数字域中的无限和有限冲激响应滤波器。用于话筒输入端的滤波器26、28或者60、64的目的是减少信号中由特定频谱中的高频噪声所引起的典型尖锐尖峰信号，以便使它们处于更平滑的(减少了高频)形式。人们发现，当理想相位和振幅的对照关系越小时，对噪声中尖锐的未滤波的尖峰信号的衰减效果越小。其效果是减少了电路对由电路元件和/或话筒引入的相位偏移的敏感性。这显著地改善了噪声消除性能。因为本发明不依赖于元件的精密配套，因此通过信号低通滤波而获得的增加的容限具有格外有益的效果。

由上文可明显看出的是，本发明可以以不同的方式实现。本发明不局限于此处所述的这些内容，而仅仅依照所附的权利要求书的精神和范围。

Claims (19)

1.一种噪声消除电路，包括：

第一输入端，用于具有一个信号成分和一个噪音成分的第一信号；

第二输入端，用于一个第二信号，该第二信号至少包括所述信号成分的较小振幅；

第一反相器电路，用于产生作为第一和第二信号之一的反转形式的反转信号输出；

第一加法器，用于将另一个信号与该反转信号相加以产生中间信号；

中间反相器电路，用于将中间信号反相以产生一个反转中间信号；以及

第二加法器，用于将另一个信号、反转信号和反转中间信号相加，以产生一个输出。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：  所述第一反相器电路包括与第一加法器可操作连接的具有第一反转信号输出的第一反相器，以及与第二加法器可操作连接的具有第二反转信号输出的第二反相器。

3.如权利要求1或者2所述的电路，包括用于平衡所述第一信号、反转信号和反转中间信号中的噪声的振幅、以便在输出中基本消除它的装置。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于：所述用于平衡的装置至少包括一个可变增益放大器。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第一反相器包括所述可变增益放大器。

6.如权利要求4或者5所述的电路，其特征在于：所述中间反相器包括所述可变增益放大器。

7.如权利要求4、5或者6所述的电路，其特征在于：所述第二加法器的输出端与所述可变增益放大器连接。

8.如权利要求1至7中任一项所述的电路，其特征在于：所述中间反相器使所述中间信号衰减。

9.如前述权利要求中任一项所述的电路，包括与所述第一输入端可操作连接的第一转换器，以及与所述第二输入端可操作连接的第二转换器，所述第二转换器被构造和/或配置以用于至少接收相对于由所述第一转换器接收的信号成分的振幅已衰减的信号成分。

10.如权利要求9所述的电路，其特征在于：所述第一和/或第二转换器被构造为和/或配置以用于抑制所述第二转换器对信号成分的接收。

11.如权利要求9或者10所述的电路，其特征在于：所述转换器是话筒。

12.如权利要求6所述的电路，其特征在于：所述转换器是话筒，并且其中所述第二话筒被配置了一个对于信号成分接收的声障，和/或被放置在离信号源较远处。

13.如权利要求12所述的电路，其特征在于：所述话筒是定向的，所述第一话筒沿信号接收的主方向放置在所述第二话筒的前方。

14.如权利要求13所述的电路，其特征在于：所述话筒的接收表面间隔0.2mm至2.5mm范围的距离，最好是0.625mm。

15.如权利要求1至14中任一项所述的电路，其特征在于：所述第一反相器电路被配置以用于反转来自第二输入端的第二信号，以便产生反转信号。

16.如权利要求1至15中任一项所述的电路，其特征在于：所述第一和第二信号被低通滤波以衰减高频噪声。

17.一种降噪方法，包括：

将具有一个信号成分和一个噪声成分的第一信号与至少具有所述信号成分的一个较小振幅的一个第二信号相比较，以产生一个中间信号；以及

从所述第一信号和所述第二信号的比较结果中减去所述中间信号以产生降低了噪声的一个输出。

18.一种用于噪声消除电路的话筒装置，包括配置为接收信号成分和噪声成分的第一话筒，以及包括配置有声障、以致其至少接收相对于所述第一话筒所接收的振幅较小的信号成分的第二话筒。

19.如权利要求18所述的话筒装置，其特征在于：所述第二话筒相对于所述第一话筒来设置，以至于所述第一话筒充当所述第二话筒接收信号成分的声障。

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