CN1684189A - 用于降低噪声的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于降低噪声的设备，包括：比较器，用于生成与从噪声源引入且包含在音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；间隙时间生成器，用于生成在其内要从音频信号中消除噪声的间隙周期；选择器开关，用于选择性地输出音频信号和消除了噪声的信号；电平检测器，用于检测音频信号的信号电平；以及屏蔽度确定单元，用于从由电平检测器检测的信号电平确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。选择器开关在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内输出消除了噪声的信号，并且在不同于该间隙周期的其它时间输出音频信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在通过包括在数字消费类电子设备中的小型麦克风记录音频信号时降低噪声的方法和设备。
背景技术
近年来，不断地努力减小在其机壳中包括小型麦克风的数字消费类电子设备例如视频摄像机、数字照相机、IC记录器等的尺寸。由于这些数字消费类电子设备的尺寸小，因此当在记录模式期间点击各种功能开关时，用户往往无意地触碰到麦克风或者噪声可能通过机壳传播到麦克风。因此，当处于再现模式时，有可能从该设备再现不良的触碰噪声或点击噪声。此外，由于麦克风紧邻于居于机壳内的记录装置，如磁带装置或盘装置，因此很有可能将由记录装置产生的振动噪声或声音噪声输入到麦克风。
为了降低再生的噪声，迄今为止已经尝试了通过采用绝缘体，如橡胶减震器等，浮动地支撑所包括的麦克风的麦克风单元，或者采用橡皮筋等将麦克风单元悬挂在空中来吸收从机壳传递的振动，并且防止将它们施加到麦克风单元。然而，这些结构不足以有效地抑制所有振动。当施加较强的振动时或者取决于振动频率，绝缘体是无效的，或者可能以固有频率共振。这些所提出的结构难以设计，并且该设计困难成为了降低成本和尺寸的努力的障碍。
还提出了其它噪声降低方案(参见下面专利文献1到5)。由麦克风单元拾取的噪声不仅是由通过机壳传递的振动、而且是由通过空气传播的声音导致的。由于噪声通过复杂的路径传递到麦克风单元，因此传统的被动噪声降低技术受到限制，并且没有达到用户满意的程度。
专利文献1：日本专利公开文献No.2002-74673；
专利文献2：日本专利公开文献No.2002-251823；
专利文献3：日本专利公开文献No.Hei 8-124299；
专利文献4：日本专利公开文献No.Hei 7-311903；以及
专利文献5：日本专利公开文献No.Hei 8-153365。
本申请的申请人已提出了如在日本专利申请No.2002-367234(噪声降低设备和方法)和日本专利申请No.2003-285294(麦克风装置、噪声降低方法和记录装置)中公开的噪声降低处理。根据这些在先申请，使用自适应滤波器来生成伪噪声信号，并且从包括噪声的音频信号中减去伪噪声信号，从而降低噪声。
由于要近似的噪声信号处于较宽的频带内，并且持续较长的时间间隔，因此所使用的自适应滤波器往往需要较大数目的抽头。例如，如果要在高达采样频率为48kHz的奈奎斯特频率的频带内近似时间间隔为10毫秒的噪声波形，则需要具有大约480个抽头的自适应滤波器。
由于为了处理数据，每个样本需要数倍于抽头数的积和(product-sum)操作，因此处理操作的总量增大，从而需要诸如大型逻辑电路或高速DSP(数字信号处理器)的硬件。由所需的处理操作而导致的时间延迟不能被忽略，从而导致需要同时延迟音频信号。因此，不能实时地记录期望的声音。
本发明是鉴于前述问题而提出的。根据本发明，不采用在先申请中所公开的自适应滤波器，但是利用人类听觉屏蔽效应来通过减少的处理操作量来有效地降低噪声，而不导致任何显著的信号延迟。
本发明所要降低的噪声是由于振动而导致的瞬时噪声，如上面提及的触碰噪声和点击噪声。由记录单元产生的振动噪声也是瞬时产生的噪声，例如由盘单元中的磁头或光拾取器产生的搜索(seeking)声音，而不是由主轴马达一直产生的噪声。下面将描述被引用为专利文献1到5的现有技术与本发明之间的区别。
专利文献1公开了一种音频记录设备，其用于从麦克风记录音频信号，同时从音频信号降低当光拾取器在盘记录介质上移动时所生成的噪声。虽然专利文献1旨在解决与本发明相同的问题，但是它没有利用根据本发明的人类听觉屏蔽效应。
专利文献2公开了一种连续信息记录设备，其用于从由拾音器产生的音频信号截止(cut off)或降低在盘单元的搜索模式下产生的噪声。根据所公开的连续信息记录设备，从截止(cutoff)周期之前和之后的信号数据对截止周期内的音频数据进行近似插值，以便保持音频信号连续。然而，根据本发明，由于不执行插值，因此无需插值电路，并且利用人类听觉屏蔽效应，截止周期是可变的。
专利文献3公开了一种音频记录和再现设备，其用于通过将包含来自可移动部件的噪声的周期内的音频数据更替成从该周期之前和之后的音频数据预测的插值数据来降低噪声。然而，根据本发明，由于不执行插值，因此无需插值电路。
专利文献4公开了一种包含麦克风的磁记录设备，其用于降低当组合照相机的VTR的磁头碰到磁带时所产生的音频信号噪声，这通过预先保存噪声产生周期内的音频信号或者切换到具有从中捕获的噪声频带的信号来实现。根据本发明，由于利用人类听觉屏蔽效应，因此无需对截止周期内的数据进行插值。
专利文献5公开了一种包含麦克风的磁记录设备，其只有当音频信号电平低于参考电平时，才降低当组合照相机的VTR的磁头碰到磁带时所产生的音频信号噪声。根据本发明，利用人类听觉屏蔽效应，截止周期是可变的。
上面现有技术主要用来降低从鼓式磁记录设备产生的旋转噪声和从盘式记录设备产生的搜索噪声。另外，本发明旨在降低触碰噪声和点击噪声，因为它具有用于检测噪声的传感器。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于降低输入音频信号中的噪声的设备，其包括：至少一个音频信号输入部件；噪声定时生成器，用于生成与从噪声源引入且包含在音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；噪声消除器，用于从音频信号中消除噪声；开关，用于选择性地输出音频信号和来自噪声消除器的信号；电平检测器，用于检测音频信号的信号电平；以及屏蔽度确定单元，用于从由电平检测器检测的信号电平确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。该开关在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内输出来自噪声消除器的信号，并且在不同于该间隙周期的其它时间输出音频信号。
根据本发明，还提供了一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，其包括以下步骤：生成与从噪声源引入且包含在至少一个音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；从音频信号中消除噪声；选择性地输出音频信号和来自噪声消除步骤的信号；检测音频信号的信号电平；以及从通过信号电平检测步骤检测的信号电平确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。选择性输出步骤在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内输出来自噪声消除步骤的信号，并且在不同于该间隙周期的其它时间输出音频信号。
采用上述方案，当从来自麦克风的音频信号截断(gate off)在包括小型麦克风的数字消费类电子设备的记录模式下产生的瞬时噪声，例如震动噪声或搜索噪声时，控制截断瞬时噪声的间隙时间，以便基于人类听觉屏蔽效应，即使音频信号也被同时截断，也不会发生再现故障。由于根据人类听觉屏蔽效应，在噪声产生周期期间仅仅简单地截断噪声，因此不同于如在先申请No.2002-367234和2003-285294中所公开的使用自适应滤波器的噪声降低处理，根据本发明的噪声降低处理只需减小的电路规模和成本，并可以容易地实现。
根据本发明，还提供了一种用于降低输入音频信号中的噪声的设备，其包括：至少一个音频信号输入部件；频带划分器，用于将音频信号划分为各个频带内的多个音频信号；噪声定时生成器，用于生成与从噪声源引入且包含在来自频带划分器的音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；多个噪声消除器，分别用于从音频信号中消除噪声；多个开关，用于选择性地输出音频信号和来自噪声消除器的信号；多个电平检测器，用于检测音频信号的信号电平；以及多个屏蔽度确定单元，用于从由电平检测器检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。该开关在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内，输出来自噪声消除器的信号，并且在不同于间隙周期的其它时间输出音频信号，将各个频带内的音频信号相加成和信号，并且输出该和信号。
根据本发明，还提供了一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，其包括以下步骤：将至少一个音频信号划分为各个频带内的多个音频信号；生成与从噪声源引入且包含在来自划分步骤的音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；从音频信号中消除噪声；选择性地输出音频信号和来自噪声消除步骤的信号；检测音频信号的信号电平；以及从通过电平检测步骤检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。选择性输出步骤在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内，输出来自噪声消除步骤的信号，并且在不同于间隙周期的其它时间输出音频信号，将各个频带内的音频信号相加成和信号，并且输出该和信号。
采用上述方案，由于音频信号被划分为各个频带内的多个信号，在各自的频带内确定屏蔽音频信号的间隙周期，消除噪声，并且将各个频带内的音频信号组合在一起，因此可以在各个频带内确定和优化屏蔽度，以便降低噪声。对于可容易地屏蔽的所划分频带，可有利地进一步增大间隙周期。对于无噪声的所划分频带，无需截断噪声，从而导致更高的效率。
根据本发明，还提供了一种用于降低输入音频信号中的噪声的设备，其包括：多个麦克风；处理部件，用于输出来自这些麦克风的多个音频信号之间的差值分量；噪声提取器，用于提取从噪声源引入且包含在来自处理部件的输出信号中的噪声；噪声定时生成器，用于生成与噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；噪声消除器，用于从音频信号中消除噪声；开关，用于选择性地输出音频信号和来自噪声消除器的信号；电平检测器，用于检测音频信号的信号电平；以及屏蔽度确定单元，用于从由电平检测器检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。该开关在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内，输出来自噪声消除器的信号，并且在不同于间隙周期的其它时间输出音频信号。
根据本发明，还提供了一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，其包括以下步骤：输出来自多个麦克风的多个音频信号之间的差值分量；提取从噪声源引入且包含在来自处理步骤的输出信号中的噪声；生成与噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；从音频信号中消除噪声；选择性地输出音频信号和来自噪声消除步骤的信号；检测音频信号的信号电平；以及从由电平检测器检测的信号电平确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期。选择性输出步骤在与噪声定时信号的噪声产生周期内的间隙周期对应的周期内输出来自噪声消除步骤的信号，并且在不同于间隙周期的其它时间输出音频信号。
在包括多个麦克风的小型设备中，这些麦克风的位置彼此紧邻。与音频信号相比，由于在该设备中产生的噪声而由麦克风拾取的噪声信号以及由麦克风拾取的音频信号彼此较不相关。因此，当计算噪声信号之间的差值分量时，可提取噪声信号，而无需传感器。由于可通过检测在其内检测到所提取的噪声的周期来降低噪声，因此通过只有当产生噪声时才切换到来自噪声消除器的信号，可获得左右声道中降低了噪声的音频信号。
通过下面结合附图的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会变得清楚，其中这些附图作为例子示出本发明的优选实施例。
附图说明
图1是包括自适应滤波器的噪声降低系统的方框图；
图2是根据本发明的第一噪声降低系统的方框图；
图3是示出包括自适应滤波器的噪声降低处理的方框图；
图4是示出根据本发明的噪声降低处理的方框图；
图5是根据本发明的第二噪声降低系统的方框图；
图6是示出基于异步屏蔽(masking)的第一插值处理的图；
图7是示出基于异步屏蔽的第二插值处理的图；
图8是示出基于异步屏蔽的第三插值处理的图；
图9是根据本发明的第三噪声降低系统的方框图；
图10是根据本发明的第四噪声降低系统的方框图；
图11是间隙时间生成器的操作序列的流程图；
图12是根据本发明的第五噪声降低系统的方框图；
图13是根据本发明的第六噪声降低系统的方框图；
图14是根据本发明的第七噪声降低系统的方框图；
图15A到15C是示出噪声降低例子的图，图15A示出目标噪声信号，图15B示出传感器输出信号，而图15C示出降低了噪声的信号；以及
图16是根据本发明的第八噪声降低系统的方框图。
具体实施方式
在其机壳内包括小型麦克风的数字消费类电子设备，例如视频摄像机、数字照相机等近年来在尺寸上越来越小。因此，在该设备中，包括磁带装置或盘装置的记录/再现装置紧邻于麦克风，并且往往将由此容易产生的机械震动噪声施加到麦克风。由于数字消费类电子设备的尺寸小，因此当用户在处于照相机曝光模式时操作变焦或聚焦控制器或者各种功能开关的任一个时，用户经常无意地触碰到麦克风附近的机壳区域，从而导致噪声通过机壳传播到麦克风。因此，当处于再现模式时，有可能从该设备再现不良的触碰噪声或点击噪声。在该设备在相对安静的地方处于照相机曝光模式下工作的情况下，由于麦克风的灵敏度被内部AGC(自动增益控制)电路增大，因此即使是轻微的触碰噪声或点击噪声在再现其时也变得令人讨厌。此外，由于通常使用的麦克风单元没有方向性，并且被处理电路给予方向性特征，因此噪声频带内的电平由于内在于方向性特征的邻近效应而增大，从而往往使噪声比期望的音频信号更加引人注意。
为了降低上述噪声，迄今为止已经尝试了通过采用绝缘体，如橡胶减震器等浮动地支撑麦克风单元，或者采用橡皮筋等将麦克风单元悬挂在空中，来吸收从机壳传递的振动，并且防止将它们施加到麦克风。然而，这些结构不足以有效地抑制所有振动。当施加较强的振动时或者取决于振动频率，绝缘体是无效的或者可能以固有频率共振。这些所提出的结构难以设计，并且该设计困难成为降低成本和尺寸的努力的障碍。
由麦克风单元拾取的诸如震动噪声和触碰噪声的噪声不仅是由通过机壳传递的振动、而且是由通过空气传播的声音导致的。由于噪声通过复杂的路径传递到麦克风，因此传统的被动噪声降低技术受到限制，并且没有达到用户满意的程度。
首先，下面将参照图1描述在先申请(日本专利申请No.2003-285294)中所公开的包括自适应滤波器的噪声降低系统。如图1所示，可以是任何期望麦克风单元的麦克风1具有接地的负输出端和连接到放大器3以便向其施加输出音频信号的正输出端。传感器2具有接地的负输出端和连接到放大器4的正输出端。来自传感器2的输出信号由放大器4放大并且提供给噪声提取器6，其从输出信号提取噪声分量。噪声提取器6包括LPF(低通滤波器)和BPF(带通滤波器)，其用于提取振动噪声频带内的振动噪声分量。所提取的振动噪声分量作为参考输入信号X被输入到自适应滤波器7，其根据预定自适应算法生成并输出伪噪声信号Y。
由放大器3放大的音频信号由延迟单元5延迟与由噪声提取器6和自适应滤波器7导致的处理延迟对应的时间周期，然后施加到加法器8的正输入端。来自自适应滤波器7的伪噪声信号Y被施加到加法器8的负输入端，并且由加法器8将其从与其同相的音频信号中减去。加法器8将差值信号施加到输出端9，其输出差值信号作为输出信号。输出信号作为误差信号E被反馈到自适应滤波器7。自适应滤波器7用来一直最小化误差信号，从而输出端9产生具有降低的振动噪声分量的音频信号。
由于要近似的噪声信号处于较宽的频带内，并且持续较长的时间间隔，因此自适应滤波器7往往需要较大数目的抽头。例如，如果要在高达采样频率为48kHz的奈奎斯特频率的频带内近似时间间隔为10毫秒的噪声波形，则需要具有大约480个抽头的自适应滤波器。由于为了处理数据，每个样本需要数倍于抽头数的积和运算，因此处理操作的总量增大，从而需要诸如大型逻辑电路或高速DSP(数字信号处理器)的硬件。由所需的处理操作而导致的时间延迟不能被忽略，从而导致需要同时延迟音频信号。因此，不能实时地记录期望的声音。
由于上述震动噪声和触碰噪声不是在时间上连续产生的，而是仅在碰撞时产生的，因此它通常是在范围为数毫秒到数十毫秒的时间周期内产生的。根据本发明，不采用在先申请中所公开的自适应滤波器，但是利用人类听觉屏蔽现象、通过减小的处理操作量来有效地降低噪声，而不产生任何显著的信号延迟。
下面将描述人类听觉屏蔽现象。人类听觉系统不能感觉与较强的声音信号一起发生的较弱声音信号，使得人类语音在强噪声中是感觉不到的。该现象称作人类听觉屏蔽，并且对其进行了长期研究。虽然人类听觉屏蔽取决于各种属性，如压力声音电平、持续时间等，是公知的，但是其详细机制仍然处于探讨之下。人类听觉屏蔽大致被划分为频率屏蔽和时间屏蔽。时间屏蔽被分类为同时屏蔽和非同时屏蔽(也称作连续屏蔽)。目前，例如，在用于将CD(致密盘)音频信号压缩成1/5到1/10的自适应变换声学编码处理中就利用了人类听觉屏蔽。
下面将参照图6描述在本发明中主要利用的非同时屏蔽现象。图6所示的上图具有表示信号电平绝对值的纵轴和表示时间的横轴，并且示出以预定电平输入信号A，并且在无信号的间隙时间G之后，以预定电平输入信号B。此时，人类听觉电平被表示在图6所示的下图中。具体地说，即使在消除了信号A之后，人类听觉系统也以较低的敏感度级感觉到信号A的剩余图案。这称作前向屏蔽(FM)，其使人类听觉系统不敏感于阴影区域内的声音。紧邻在下一个信号B之前，人类听觉系统也经受较低的敏感度级。这称作后向屏蔽(BM)，这使人类听觉系统不敏感于阴影区域内的声音。
通常，前向屏蔽具有大于后向屏蔽的屏蔽度，并且取决于条件发生大约数百毫秒。在特定条件下，图6所示的时间间隙G在听觉上是感觉不到的，但是信号A和信号B被感觉为连续的声音。如由R.Plomp著作的关于间隙检测的研究文章(1963)、由Masayoshi Miura著作的文章(Sony，JAS.Journal，November 1994)、以及由B.C.J.Moore著作、由Kengo Oogushi翻译的“Generalauditory psychology”，Seishin Books，First Print，April 20，1994，4thChapter/Auditory system time resolution所示，时间间隙在以下条件下在数毫秒到数十毫秒的范围内是感觉不到的：
第一条件：如果信号A和信号B的频带彼此相关，则间隙长度增大，或者如果信号A和信号B在频率上保持连续，则间隙长度增大。
第二条件：与信号为单正弦波的情况相比，在信号是频带信号的情况下，间隙长度更大。
第三条件：假定信号A的电平和信号B的电平相同，如果这些电平越小，则间隙长度越大，并且如果这些电平大于特定电平，则间隙长度保持不变。
第四条件：如果信号B的电平低于信号A的电平，则间隙长度更大。
第五条件：信号的中央频率越低，则间隙长度越大，并且信号的中央频率越高，则间隙长度越小。
根据本发明，基于间隙长度的这些检测条件(下面将这些条件称作第一到第五屏蔽条件)，通过将间隙长度控制为使人类听觉系统较少感觉到的值，消除震动噪声、触碰噪声和点击噪声。
如图7所示，如果信号A、B的电平低于图6所示，则根据第三屏蔽条件，相对地增大间隙长度。如图8所示，如果信号B的电平低于信号A的电平，则根据第四屏蔽条件相对地增大间隙长度。
下面将参照图2描述根据本发明的第一噪声降低系统。如图2所示，可以是任何期望麦克风单元的麦克风1具有接地的负输出端和连接到放大器3以便向其施加输出音频信号的正输出端。传感器2具有接地的负输出端和连接到放大器4的正输出端。放大器4将输出信号施加到比较器13，其比较所施加的输出信号与从端子14单独设置的参考电平信号的信号电平。比较器13将比较结果输出到间隙时间生成器17。
放大器3将输出信号施加到选择器开关18的一个输入端，以及电平检测器15，其中选择器开关18的另一个输入端接地，并且电平检测器15检测来自放大器3的输出信号的声音电平。屏蔽度确定单元16从由电平检测器15检测的声音电平确定屏蔽度，并且将所确定的屏蔽度输出到间隙时间生成器17。根据由间隙时间生成器17生成的间隙长度，选择器开关18选择信号，并且从端子12输出所选信号。
下面将参照图3和4描述图1所示的包括自适应滤波器的噪声降低系统与根据本发明的噪声降低系统之间的区别。图3示出如在先申请中所公开的包括自适应滤波器7的噪声降低处理。在图3中，来自噪声源N的振动和声音噪声被施加到麦克风1，其将噪声转换成噪声信号S1。同时地，传感器2检测振动噪声，并且产生用作自适应滤波器7中的参考信号S2的输出信号。自适应滤波器7从参考信号S2生成近似噪声信号S1的伪噪声信号。噪声消除器10从噪声信号S1中消除伪噪声信号，以便降低噪声。
图4是示出根据本发明的噪声降低处理的方框图。如图4所示，噪声被施加到麦克风1，其输出噪声信号S1。仅在由传感器2检测的噪声产生周期内，由噪声消除器10消除噪声信号S1，以便降低噪声。根据本发明的噪声降低处理可以容易地实现，因为它无需自适应滤波器，而只需传感器2来输出导通(ON)/关断(OFF)信号S3。
基于图3和4所示的噪声降低处理的上面描述，下面将描述图2所示的根据本发明的第一噪声降低系统的操作。麦克风1输出表示与来自噪声源的噪声信号混合的音频信号的信号。如上所述，根据本发明要降低的触碰噪声和点击噪声不是在时间上连续产生的，而是仅在碰撞时产生的。因此，当不施加碰撞时，选择器开关18移到连接到放大器3的关断端，以允许按原样输出来自麦克风1的音频信号。只有当传感器2检测到碰撞时，选择器开关18移到接地的导通端，以截止噪声信号。
当与噪声信号一起还同时施加音频信号时，音频信号在选择器开关18移到导通端时也被截止。根据本发明，由电平检测器15检测来自放大器3的音频信号的电平。基于所检测的电平，屏蔽度确定单元16和间隙时间生成器17生成音频信号要被人类听觉系统屏蔽的间隙时间，并且基于间隙时间控制选择器开关18移到导通端的时间周期。如果从传感器2输出的振动信号的电平大于来自端子14的参考电平信号的电平，则比较器13确定碰撞正被施加。如果从传感器2输出的振动信号的电平小于来自端子14的参考电平信号的电平，则比较器13确定没有碰撞正被施加。
如果来自放大器3的音频信号的电平低于特定电平，则屏蔽度确定单元16根据第三屏蔽条件增大间隙时间。可选地，如果来自放大器3的音频信号的电平趋向于随着时间而减小，则屏蔽度确定单元16根据第四屏蔽条件增大间隙时间。以这种方式，屏蔽度确定单元16控制间隙时间。
下面将参照图5描述根据本发明的第二噪声降低系统。与图2所示的第一噪声降低系统的功能块相同的图5所示的第二噪声降低系统的那些功能块以相同的附图标记表示，并且下面将不作详细描述。在图2中，当施加了碰撞时，选择器开关18移到接地的导通端，以完全截止来自放大器3的信号。在图5中，当施加了碰撞时，选择器开关18移到连接到噪声消除器11的导通端，噪声消除器11消除来自放大器3的信号的噪声频带。噪声消除器11包括BEF(频带消除滤波器)等，并且一直工作以截止所有目标噪声频带。
如同图2所示的噪声降低系统一样，在图5所示的噪声降低系统中，仅当施加了碰撞时，选择器开关18移到导通端以便降低噪声。此时，仅仅包含在噪声频带内的音频信号也被消除。由于与图2所示的噪声降低系统相比，信号A和信号B在频率上保持更连续，因此根据上述第一屏蔽条件，可增大由于屏蔽引起的间隙时间，以便在相对长的时间周期上消除噪声。
下面将参照图9描述根据本发明的第三噪声降低系统。与图5所示的第二噪声降低系统的功能块相同的图9所示的第三噪声降低系统的那些功能块以相同的附图标记表示，并且下面将不作详细描述。在第一和第二噪声降低系统中，由传感器2检测噪声产生周期。如果预先知道该噪声产生周期，则可使用表示已知噪声产生周期的定时信号而省去传感器2。
图9所示的第三噪声降低系统旨在降低在盘装置，如硬盘驱动器(HDD)等的搜索模式下产生的噪声。硬盘驱动器被构造成，采用附连到音圈马达(VCM)28的磁头25，从硬盘26的表面上的磁膜读取信息并且在其上写入信息。主轴马达27以预定的旋转速度旋转硬盘26，其中主轴马达27由从数字信号处理器(DSP)微型计算机20提供的伺服信号21控制。
VCM 28由来自DSP微型计算机20的位置控制信号29控制，以定位磁头25以便从硬盘26上的特定位置读取数据并且在其上写入数据。在搜索模式下产生的噪声是由于当VCM 28快速地加速和减速磁头25以到达硬盘26上的期望读/写位置时所产生的致动器振动而导致的。与噪声同步，DSP微型计算机20将噪声定时信号22输出到间隙时间生成器17，以便如同图2和5所示的第一和第二噪声降低系统一样降低噪声。
下面将参照图10描述根据本发明的第四噪声降低系统。与图5所示的第二噪声降低系统的功能块相同的图10所示的第四噪声降低系统的那些功能块以相同的附图标记表示，并且下面将不作详细描述。在第四噪声降低系统中，由多个麦克风生成音频信号以及噪声信号分量，而省去传感器。在图10中，使用两个麦克风记录两个声道中的立体声。如图10所示，麦克风31、32分别是右声道和左声道中的麦克风，并且将各自的输出信号施加到放大器33、34，其输出信号分别被施加到加法器35的负和正输入端。加法器35通过噪声提取器30将差值输出信号输入到比较器13。来自放大器33、34的输出信号由加法器36相加，加法器36将和信号输入到电平检测器15，以便如同第一和第二噪声降低系统一样执行相同的信号处理。
从加法器35输出的差值信号表示来自麦克风31、32的输出信号之间的差值，其包含由麦克风31、32的不同位置而导致的差值音频和噪声信号。这里假定第四噪声降低系统包括在视频摄像机中。由视频摄像机成像的对象也作为声音源，其通常以显著大于麦克风31、32之间的距离的距离远离于视频摄像机。然而，噪声源位于视频摄像机内，并且噪声信号由于来自噪声源的不同传播路径而产生。
由于麦克风31、32与音频源的距离相对地相等，因此施加到麦克风31、32的音频信号彼此高度相关，而与音频信号相比噪声信号彼此较不相关。当加法器35相减音频和噪声信号时，音频信号彼此抵消，但是噪声信号不彼此抵消，从而产生大的噪声信号分量。噪声信号分量被施加到噪声提取器30，其输出被施加到比较器13，以产生噪声定时信号。从噪声定时信号和由电平检测器15生成的音频信号电平，间隙时间生成器17生成施加到选择器开关39、40的间隙时间，以便只有当产生噪声时才将选择器开关39、40移到连接到各自的噪声消除器37、38的导通端。因此，当产生噪声时，从连接到各自的选择器开关39、40的端子41、42输出右声道和左声道中降低了噪声的音频信号。
下面将参照图11描述用于生成间隙时间的间隙时间生成器17的操作序列。在步骤100，比较器13或DSP微型计算机20输入以周期A表示的噪声产生周期信息。在步骤101，电平检测器15输入所检测的声音电平。在步骤102，通过参考已经在步骤103存储在只读存储器(ROM)中的表示声音电平和屏蔽度之间的关系的表，计算取决于所检测的声音电平的屏蔽周期B。
在步骤104，确定周期A是否等于或小于屏蔽周期B。如果周期A等于或小于屏蔽周期B，则在步骤105将周期A设为间隙时间，并且在步骤107输出它。如果周期A大于屏蔽周期B，则在步骤106将周期B设为间隙时间，并且在步骤107输出它。因此，根据本发明，在音频电平被人类听觉系统屏蔽的间隙周期内消除了噪声。
下面将参照图12描述根据本发明的第五噪声降低系统。与图5所示的第二噪声降低系统的功能块相同的图12所示的第五噪声降低系统的那些功能块以相同的附图标记表示，并且下面将不作详细描述。在第一到第四噪声降低系统中，作为单个频带处理来自麦克风的音频信号的频带，并且在单个频带内确定屏蔽度。在图12所示的第五噪声降低系统中，来自麦克风的音频信号的频带被划分为多个频带，并且在每一个频带内确定屏蔽度，以生成间隙时间，从而根据第五屏蔽条件优化屏蔽度以便降低噪声。
如图12所示，来自麦克风1的音频信号通过放大器3被输入到频带划分器50、51。这里假定音频频带被划分为两个频带，即高频带和低频带。来自频带划分器50、51的所划分频带信号被独立地输入到选择器开关54、55，噪声消除器52、53，以及电平检测器58、59，以便如同图5所示的第二噪声降低系统一样执行相同的信号处理。基于来自传感器2的信号由比较器13生成的噪声定时信号被施加到间隙时间生成器62、63。基于噪声定时信号和由屏蔽度确定单元60、61确定的屏蔽度，间隙时间生成器62、63生成间隙时间，其中从电平检测器58、59向屏蔽度确定单元60、61提供所检测的电平。所生成的间隙时间从间隙时间生成器62、63被提供给选择器开关54、55，其产生降低了噪声的输出频带信号。降低了噪声的输出频带信号由加法器56相加成从端子57输出的组合频带信号。
下面将参照图13描述根据本发明的第六噪声降低系统。与图5所示的第二噪声降低系统的功能块相同的图13所示的第六噪声降低系统的那些功能块以相同的附图标记表示，并且下面将不作详细描述。图13所示的第六噪声降低系统不同于图5所示的第二噪声降低系统之处在于，图5所示的选择器开关18的功能由交叉衰减开关单元70执行。交叉衰减开关单元70包括其乘法系数可由外部信号改变的乘法器。交叉衰减开关单元70具有可通过乘法系数以时间常数改变的导通/关断比率，其中乘法系数可根据来自间隙时间生成器17的导通/关断信号而改变。如图13的参考图中的实线和虚线曲线所示，交叉衰减开关单元70以具有时间常数的交叉衰减方式，在导通和关断状态之间切换。因此，来自交叉衰减开关单元70的输出信号在开关时不经受过冲或者振荡效应(ringing)，并且在开关时不由于生成谐波噪声而使频带变宽。
上述噪声降低系统仅作为示例给出，并且可以以各种方式进行修改。例如，可采用三个或更多麦克风，并且可以在视频摄像机上的多个噪声源处提供多个传感器，或者可以将音频信号的频带划分为更窄的频带。
此外，可添加诸如图1所示的延迟单元5的时间延迟电路，以延迟音频信号。例如，可以在图2所示的放大器3与开关18之间提供延迟单元5，以使包含在来自麦克风1的音频信号中的噪声可靠地与由间隙时间生成器17生成的间隙时间同步，以便更好地降低噪声。
下面将参照图14描述根据本发明的第七噪声降低系统。与图5所示的第二噪声降低系统的功能块相同的图14所示的第六噪声降低系统的那些功能块以相同的附图标记表示，并且下面将不作详细描述。如图14所示，来自麦克风1的音频信号和来自其的震动噪声信号被提供给选择器开关18的关断端，并且还被提供给连接到选择器开关18的导通1(ON1)端的噪声消除器11。选择器开关18具有接地的导通2(ON2)端。选择器开关18在间隙时间生成器17的控制下选择提供给其关断、导通1和导通2端的信号之一，并且将所选信号输出到端子12。
来自传感器2的振动信号通过放大器4被提供给比较器13。比较器13比较振动信号与来自端子14的参考电平1和来自端子19的参考电平2，并且将结果信号输出到间隙时间生成器17。基于来自比较器13的信号，间隙时间生成器17根据屏蔽度确定单元16从由电平检测器15检测的声音电平确定的屏蔽度，生成间隙时间。
下面将参照图15A到15C描述由图14所示的噪声降低系统实现的噪声降低的例子。图15A示出目标噪声信号，图15B示出传感器输出信号，而图15C示出降低了噪声的信号。
如图15A所示，从麦克风1输入包括具有噪声产生周期T1的震动噪声信号的目标噪声信号。由传感器2检测与震动噪声信号同步的震动噪声，传感器2输出如图15B所示的传感器输出信号。比较器13比较传感器输出信号与参考电平1和高于参考电平1的参考电平2。
比较器13将传感器输出信号高于参考电平1的定时周期作为噪声消除周期T2发送到间隙时间生成器17，并且还将传感器输出信号高于参考电平2的定时周期作为信号选通周期T3发送到间隙时间生成器17，其在屏蔽周期内限定噪声消除周期T2和信号选通周期T3。基于噪声消除周期T2和信号选通周期T3，间隙时间生成器17生成并输出用于在噪声消除周期T2内将选择器开关18移到导通1端、而在信号选通周期T3内将选择器开关18移到导通2端的间隙时间，以产生图15C所示的降低了噪声的信号。
因此，具有较高噪声电平的信号被截断，并且具有较低噪声电平的信号经过噪声消除，使得第七噪声降低系统提供了第一和第二噪声降低系统的优点的组合。
图16示出根据本发明的第八噪声降低系统。第八噪声降低系统如同上述第三噪声降低系统一样，可以用于在硬盘26的搜索模式下消除噪声。在图16中，DSP微型计算机20将噪声电平高的搜索模式下的加速/减速周期设为定时周期2，并且将其它噪声产生周期设为定时周期1。DSP微型计算机20将作为信号选通周期的定时周期2和作为噪声消除周期的定时周期1发送到间隙时间生成器17，其在屏蔽周期内限定信号选通周期和噪声消除周期。在噪声消除周期内，间隙时间生成器17将选择器开关18移到导通1端，以便降低噪声。在信号选通周期内，间隙时间生成器17将选择器开关18移到导通2端，以便降低噪声。
虽然详细示出和描述了本发明的特定优选实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对其进行各种变更和修改。
Claims (22)
1.一种用于降低输入音频信号中的噪声的设备，包括：
至少一个音频信号输入部件；
噪声定时生成器，用于生成与从噪声源引入且包含在所述音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；
噪声消除器，用于从所述音频信号中消除噪声；
开关，用于选择性地输出所述音频信号和来自所述噪声消除器的信号；
电平检测器，用于检测所述音频信号的信号电平；以及
屏蔽度确定单元，用于从由所述电平检测器检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中所述开关在与所述噪声定时信号的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，输出来自所述噪声消除器的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间，输出所述音频信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中用于输入音频信号的所述音频信号输入部件包括麦克风。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述噪声定时生成器使用从传感器检测的噪声信号等于或高于预定电平的周期作为噪声产生周期。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述噪声定时生成器基于用于驱动所述噪声源的驱动信号，生成与噪声产生周期对应的噪声定时信号。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述噪声消除器将所述音频信号的信号电平消除为零。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述噪声消除器包括用于消除噪声频带的滤波器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关包括交叉衰减开关单元。
8.一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，包括以下步骤：
生成与从噪声源引入且包含在至少一个音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；
从所述音频信号中消除噪声；
选择性地输出所述音频信号和来自所述噪声消除步骤的信号；
检测所述音频信号的信号电平；以及
从通过所述信号电平检测步骤检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中所述选择性输出步骤在与所述噪声定时信号的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，输出来自所述噪声消除步骤的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间，输出所述音频信号。
9.一种用于降低输入音频信号中的噪声的设备，包括：
至少一个音频信号输入部件；
频带划分器，用于将所述音频信号划分为各个频带内的多个音频信号；
噪声定时生成器，用于生成噪声定时信号，该噪声定时信号与从噪声源引入且包含在来自所述频带划分器的所述音频信号中的噪声的噪声产生周期相对应；
多个噪声消除器，分别用于从所述音频信号中消除噪声；
多个开关，用于选择性地输出所述音频信号和来自所述噪声消除器的信号；
多个电平检测器，用于检测所述音频信号的信号电平；以及
多个屏蔽度确定单元，用于从由所述电平检测器检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中所述开关在与所述噪声定时信号的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，输出来自所述噪声消除器的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间，输出所述音频信号，将各个频带内的音频信号相加成和信号，并且输出该和信号。
10.根据权利要求9所述的设备，其中用于输入音频信号的所述音频信号输入部件包括麦克风。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述噪声定时生成器使用从传感器检测的噪声信号等于或高于预定电平的周期作为噪声产生周期。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述噪声定时生成器基于用于驱动所述噪声源的驱动信号，生成与噪声产生周期对应的噪声定时信号。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述噪声消除器将所述音频信号的信号电平消除为零。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述噪声消除器包括用于消除噪声频带的滤波器。
15.根据权利要求9所述的设备，其中所述开关包括交叉衰减开关单元。
16.一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，包括以下步骤：
将至少一个音频信号划分为各个频带内的多个音频信号；
生成与从噪声源引入且包含在来自所述划分步骤的所述音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；
从所述音频信号中消除噪声；
选择性地输出所述音频信号和来自所述噪声消除步骤的信号；
检测所述音频信号的信号电平；以及
从通过所述电平检测步骤检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中所述选择性输出步骤在与所述噪声定时信号的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，输出来自所述噪声消除步骤的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间，输出所述音频信号，将各个频带内的音频信号相加成和信号，并且输出该和信号。
17.一种用于降低输入音频信号中的噪声的设备，包括：
多个麦克风；
处理部件，用于输出来自所述麦克风的多个音频信号之间的差值分量；
噪声提取器，用于提取从噪声源引入且包含在来自所述处理部件的输出信号中的噪声；
噪声定时生成器，用于生成与所述噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；
噪声消除器，用于从所述音频信号中消除噪声；
开关，用于选择性地输出所述音频信号和来自所述噪声消除器的信号；
电平检测器，用于检测所述音频信号的信号电平；以及
屏蔽度确定单元，用于从由所述电平检测器检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中所述开关在与所述噪声定时信号的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，输出来自噪声消除器的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间，输出所述音频信号。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述噪声消除器将所述音频信号的信号电平消除为零。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述噪声消除器包括用于消除噪声频带的滤波器。
20.根据权利要求17所述的设备，其中所述开关包括交叉衰减开关单元。
21.一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，包括以下步骤：
输出来自多个麦克风的多个音频信号之间的差值分量；
提取从噪声源引入且包含在来自所述处理步骤的输出信号中的噪声；
生成与所述噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；
从所述音频信号中消除噪声；
选择性地输出所述音频信号和来自所述噪声消除步骤的信号；
检测所述音频信号的信号电平；以及
从由所述电平检测器检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中所述选择性输出步骤在与所述噪声定时信号的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，输出来自所述噪声消除步骤的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间，输出所述音频信号。
22.一种用于降低输入音频信号中的噪声的方法，包括以下步骤：
生成与从噪声源引入且包含在至少一个音频信号中的噪声的噪声产生周期对应的噪声定时信号；
从所述音频信号中消除噪声频带；
从所述音频信号中截断噪声；
选择性地输出所述音频信号、来自所述噪声消除步骤的信号和来自所述噪声截断步骤的信号；
检测所述音频信号的信号电平；以及
从通过所述信号电平检测步骤检测的信号电平，确定音频信号被人类听觉系统屏蔽的间隙周期；
其中通过第一定时检测处理和第二定时检测处理来生成所述噪声定时信号，第一定时检测处理用于在噪声产生周期内检测噪声等于或高于第一噪声电平并且噪声等于或低于第二噪声电平的第一定时，而第二定时检测处理用于检测噪声超过第二噪声电平的第二定时；并且
其中在与所述噪声定时信号的、包括所述第一定时和所述第二定时的噪声产生周期内的所述间隙周期对应的周期内，所述选择性输出步骤在所述第一定时输出来自所述噪声消除步骤的信号，在所述第二定时输出来自所述噪声截断步骤的信号，并且在不同于所述间隙周期的其它时间输出所述音频信号。
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