CN1700305A - 子带自适应谷点降噪系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种子带自适应谷点降噪系统和方法，传声器对拾取的向前和向后指向性信号输入分析滤波器，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，当采用单指向性传声器对时，对传声器的要求低，效果稳定，可以在相当小的空间尺寸内实现。

Description

子带自适应谷点降噪系统和方法

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，在噪声源时变和移动的环境，可以达到较好的效果。

在Fa-Long Luo，Jun Yang，Senior Member，Chaslav Pavlovic，and AryeNehorai，所著的“Adaptive Null-Forming Scheme in Digital Hearing Aids”，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1示出的系统框图，采用的是无指向性传声器对，一通道(front microphone)和二通道(backmicrophone)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，x(n)和y(n)是计算得到的向前和向后指向性信号，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。

此外，这种系统对传声器的制造精度要求高，两个传声器需要具有较高的输出一致性，除噪效果会随着传声器性能的变化而发生较大的降低，另外空间尺寸较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种子带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，本发明提供了一种子带自适应谷点降噪方法，包括以下步骤：

(a)分别拾取到向前指向性信号和向后指向性信号；

(b)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；

(c)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，得到该频带的自适应滤波器系数；

(d)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，得到处理完的声音信号。

上述方法可具有以下特点：所述向前和向后指向性信号为数字采样信号。

本发明提供的一种子带自适应谷点降噪系统，包括传声器组、两个分析滤波器组、多个自适应滤波器、多个加法器和一个综合滤波器组，其中：

所述传声器组，用于拾取声信号，产生向前和向后指向性信号；

所述两个分析滤波器组，分别用于将向前、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，用于将所有加法器的输出累加，得到处理完的信号。

上述系统可具有以下特点：所述传声器组中包含采样和模数转换单元，用于将拾取的模拟声信号转换为数字采样信号。

上述系统可具有以下特点：所述传声器组是单指向性传声器对。

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。此外，采用单指向性传声器对时，对传声器的制造精度要求低，效果稳定，可以在相当小的空间尺寸内实现，应用范围扩大。

附图说明

图1是现有自适应指向性传声器的系统框图；

图2是单指向性传声器接收1KHz声信号的指向性的示意图；

图3是单指向性传声器对子带自适应谷点降噪系统应用的示意图；

图4是本发明实施例单指向性传声器对的子带自适应谷点降噪系统的功能框图。

具体实施方式

单指向性传声器接收到1kHz声信号时，在各个方向的响应如图2所示，粗线表示阵列在各个方向上接收到的信号的归一化能量。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，即图中的180度方向。

当目标声源和噪声源处于不同方位时，如图3所示，将单指向性传声器对置于两者之间，其中一个传声器指向目标声源，定义为向前的传声器，拾取到的信号为x(n)，称为向前指向性信号，另一个传声器方向与其相反，定义为向后的传声器，拾取到的信号为y(n)，称为向后指向性信号。设目标声源位于0度方向，则x(n)的指向性对应的极坐标图形是谷点在180度的心形图，同样y(n)对应的极坐标图形是谷点在0度的心形图。另外，本实施例的传声器中包含采样和模数转换单元，所述向前和向后指向性信号均为数字采样信号。

图4是本发明实施例系统的功能框图，如图所示，信号x(n)和y(n)分别送入分析滤波器组11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12，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)在各加法器相减后，再经综合滤波器组13综合就得到了系统的输出信号z(n)。

系统输出z(n)的谷点与系数W(n)有如下关系：

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

其中，f是信号的频率，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，向后传声器的谷点对准0°方向，语音信号在θ＝0°方向上，可以得到以下各式：

x(n)＝s(n)+i(n)                 (1.2)

y(n)＝i(n)                      (1.3)

a(n，f)＝W(n，f)y(n，f)         (1.4)

$z\left(n\right)=x\left(n\right)-\underset{f=0}{\overset{f=N}{\mathrm{\Σ}}}a(n,f)---\left(1.5\right)$

即向后指向性信号y(n)只含有噪声成份，在本申请文件中，向后指向性信号是指谷点对准目标声源，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：

$=R_{\mathrm{xx}}(n,f)-2W(n,f)R_{\mathrm{xy}}(n,f)+W^2(n,f)R_{\mathrm{yy}}(n,f)---\left(1.6\right)$

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(1.6)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：

$W_{\mathrm{opt}}(n,f)=\frac{R_{\mathrm{xy}}(n,f)}{R_{\mathrm{yy}}(n,f)}---\left(1.7\right)$

根据以上分析，利用式(1.7)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，本实施例自适应谷点降噪方法包括以下步骤：

步骤110，分别拾取到向前指向性信号和向后指向性信号；

步骤120，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130，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： $(n,f)=\frac{R_{\mathrm{xy}}(n,f)}{R_{\mathrm{yy}}(n,f)};$

步骤140，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。

本发明并不限定于使用单指向性的传声器对来获取向前和向后指向性信号，采用无指向性系统并利用图1所示系统的运算方法也可以得到向前和向后指向性信号。但采用单指向性的传声器对，对传声器的要求低，不需要特地选择一种型号的传声器对，效果也不会因为传声器性能的变化而发生大的降低；另外，可以在相当小的空间尺寸内实现，应用范围扩大，对制造精度要求低，可以大大提高成品率。

本发明的系统也可以采用模拟元件来实现。

Claims (5)

1、一种子带自适应谷点降噪方法，包括以下步骤：

(a)分别拾取到向前指向性信号和向后指向性信号；

(b)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；

(c)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，得到该频带的自适应滤波器系数；

(d)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，得到处理完的声音信号。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向前和向后指向性信号均为数字采样信号。

3、一种子带自适应谷点降噪系统，包括传声器组、自适应滤波器、加法器，其特征在于，还包括两个分析滤波器组，一个综合滤波器组，且所述自适应滤波器和加法器有多个，其中：

所述传声器组，用于拾取声信号，产生向前和向后指向性信号；

所述两个分析滤波器组，分别用于将向前、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所述的系统，其特征在于，所述传声器组中包含采样和模数转换单元，用于将拾取的模拟声信号转换为数字采样信号。

5、如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传声器组是单指向性传声器对。

Images