CN1750573A - 采用组合的噪声减少和回波补偿的语音信号处理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用组合的噪声减少和回波补偿的语音信号处理系统，包括被配置用于接收第一语音信号和从所述第一语音信号导出被自适应聚束的信号的自适应聚束信号处理装置、被配置用于减少所述自适应聚束信号中的声音回波的自适应回波补偿装置和被配置用于同时执行所述自适应聚束装置和所述自适应回波补偿装置的组合自适应的自适应装置。

Description

采用组合的噪声减少和回波补偿的语音信号处理

技术领域

本发明涉及一种采取组合的噪声减少和声音的回波补偿以用于多通道语音信号处理的系统和方法。

背景技术

语音信号处理经常在一个嘈杂的背景环境中执行。一个突出的例子是车辆内的免提语音通信。免提电话提供了一种特别用于机动车辆的舒适且安全的通信系统。在使用免提电话的情况下，为了保障所述通信，就必须抑制噪声。所述噪声信号的振幅和频率都是不断变化的，这是由于例如车辆的速度和路面的噪声。

尤其重要的是对被扩声器发出并且因此被麦克风再次接收的远端用户信号的抑制，因为否则感觉不适的回波可能严重影响语音谈话的质量和清晰度。最糟的情况是声音的反馈甚至能够导致通信的完全中断。

一个主要的问题存在于空间的回响特性中。就机动车辆内的免提电话而言，因为不得不区分例如由于车辆乘坐者的移动引起的声音的突然变化，因此对内部声音的检测变得非常困难。

为了克服前面所提到的问题，提出了用于声音回响补偿(AEC)的装置，它基本的工作方式如下。通过一个线性(EP 0204718B1)或非线性(EP 1020068B1；WO-A-96/26592)自适应滤波器，合成了声音反馈的复制品并且获得了来自扩声器所接收到的信号的补偿信号。所述补偿信号从麦克风所发送出的信号中被减掉，从而产生一个将被送至远端用户的结果信号。

除了声音的回波以外，免提通信具有相对低的信噪比(SNR)。因此，为了改善语音信号的质量就必须采取一些措施去减少噪声。

目前的多通道系统主要利用自适应的或非自适应的聚束器，例如见，“Optimum Array Processing，Part IV of Detection，Estimation，and ModulationTheory”，由H.L.van Trees所著，Wiley&Sons，New York 2002。所述聚束器将多个麦克风输入信号组合为一个具有增强的SNR的聚束信号。

AEC装置和自适应的聚束器的组合是现有技术所公知的(例如见，“Microphone Arrays：Signal Processing Techniques and Applications”，由Kellermann，W.所著，Springer，Berlin，2001)。然而，取决于实际的执行情况，自适应聚束器和回波消除装置的不同的收敛性质能够抑制组合的效果和/或必需为每一个麦克风通道运用一个回波补偿装置导致不经济的实现。

发明内容

尽管有最近的发展和改善，在语音信号处理中的有效的回波补偿和噪声减少仍然是一个主要的挑战。因此，本发明所要解决的问题是克服上述缺陷并且提出了一种用于语音信号处理的系统和方法，特别是，由于增强的信噪比(SNR)和有效的声音回波补偿而显示出音质改进的适于免提通信系统的一种系统和方法。

一种根据权利要求1的采用了噪声减少和回波补偿的用于语音信号处理的系统和一种根据权利要求12的方法将解决所述问题。按照本发明，所述系统包括了被配置用于接收第一语音信号和从所述第一语音信号导出自适应聚束的信号的自适应聚束信号处理装置、被配置用于减少所述自适应聚束信号中的声音回波的自适应回波补偿装置和被配置用于同时执行所述自适应聚束装置和所述自适应回波补偿装置的组合自适应的自适应装置。

本发明的系统可以进一步包括至少由两个麦克风组成的用于检测麦克风信号的麦克风阵列以及用于输出包含第二语音信号的扩声器信号的至少一个扩声器，并且其中，上述第一语音信号可以在所述麦克风信号的基础上获得，以及所述自适应回波补偿装置可以在所述扩声器信号的基础上减少在所述自适应聚束信号中的声音回波。

这样一个用于语音信号处理的系统提供了一种被极大增强的SNR，以及理想地，提供了一个完全的回波消除。语音信号是指任何表示口头发声信息的信号。由本发明的系统所处理的语音信号可以是例如作为在离散的时间指数上的函数或作为在频域上的傅立叶变换信号而被得到。所述麦克风不仅检测语音信号而且也检测噪声和声音回波。因此，所述自适应聚束装置不仅接收语音信号而且也接收噪声和回波信号。

所述聚束和所述回波补偿装置都是自适应装置，那意味着为了优化有关噪声减少和回波补偿的语音信号处理，它们采用了由在所述语音通信中被持续重复计算的暂时变化的滤波器矢量所组成的滤波器。所述回波补偿装置可以是一个单通道或多通道的装置。

所述自适应聚束装置和所述自适应回波消除装置的同时的和组合的自适应引起所需要的协同效果。

从技术上来说，所述组合的自适应通过一个表示聚束装置和AEC装置的所述自适应滤波器的组合权的有效的权矢量的自适应来实现。

不同于那些特征在于先采用一个自适应聚束装置再采用一个AEC装置的现有技术中的典型系统，该现有技术系统中的所述AEC装置具有一个低收敛速度并且因此通常不能有效地进行所述噪声消除，本发明的系统可以非常有效地执行噪声减少和回波消除。与现有技术相对的是，本发明的所述自适应聚束和自适应AEC装置的组合自适应能够允许同时更新两个装置，也就是完全没有跟踪问题的出现。

需要注意的是，按照本发明，仅需要一个回波补偿装置。这不同于现有技术中已知的结构，其中首先采用AEC装置，接下来采用一个自适应聚束装置，并要求为每一个麦克风通道使用一个AEC装置。

另外，随着扩声器数目的增加，用于所述噪声减少和回波消除的自由度也增加了，因此分别改善了被所述聚束和AEC装置所采用的自适应滤波器的优化。

按照本发明的一个实施例，所述自适应聚束信号处理装置是一个自适应的聚束器。

本发明系统的实现似乎是最简单和最便宜的。一个聚束器将同时接收到的不同的输入信号组合为一个单一的聚束信号。在每个通道中的所述信号部分的噪声水平通常彼此不同。通过简单平均化具有非常低的信噪比的不同通道会恶化所述输出信号的SNR。因此，希望为不同的通道引进权系数(权)，更可取的是响应变化的语音检测条件例如依赖于时间的噪声和/或发声者的移动，在时间依赖性上进行计算。按照一个更优的实施例，通过累加同时接收到的加权的输入信号来获得所述聚束信号。

然而，根据实际的应用，可以希望一个改善的性能。

因此，按照发明的另一个实施例，所述自适应聚束信号处理装置包括一个被配置用于接收第一语音信号并获得噪声参照信号的块矩阵、一个被配置用于接收所述噪声参照信号并获得自适应噪声信号的自适应噪声消除装置、一个被配置用于接收所述第一语音信号并获得第一聚束信号的聚束器和一个从所述第一聚束信号中减去通过所述自适应噪声消除装置所获得的所述自适应噪声信号以获得自适应聚束信号的装置。

一个由所述聚束器和所述块矩阵组成的通用结构可以选择为非自适应的或自适应的结构，而所述自适应噪声消除装置是一个通用旁瓣消除器(GSC)。GSC设计包括两个信号处理路径：一个噪声减少和一个参照信号处理路径。所述参照信号处理路径包括一个被指向由所述麦克风阵列所检测的期望信号的一个或多个源的聚束器。被麦克风阵列同时检测到的麦克风信号和包括除需要的语音信号以外的噪声和回波的麦克风信号被组合为一个具有增强SNR的聚束信号。

所述噪声减少信号处理路径通常包括一个接收语音信号并且被用于产生噪声参照信号的块矩阵。在最简单的实现中，所述块矩阵执行一个接收到的信号的相邻通道的减操作。

所述噪声参照信号可以作为用于自适应噪声消除装置的输入信号。所述自适应的噪声消除通过(复数值的)滤波器来实现。这些滤波器通常用于最小化输出信号的能量。在一个常规的GSC中，所述自适应噪声消除装置的输出信号从所述聚束信号中被减去从而得到一个输出信号。按照本发明，所述自适应噪声消除装置与一个自适应回波消除装置相组合。所述组合的自适应噪声消除装置和所述自适应回波消除装置的滤波器被同时自适应。

GSC结构的集成极大地减少了处理器的负载。与之前的一个GSC装置和一个AEC装置的组合不同，即使在声音回波被有效地抑制时，本发明的GSC和AEC部件的同时的和组合的自适应通过所述块矩阵和所述自适应噪声消除装置也可禁止声音回波的泄露。

另外，不同于现有技术，本发明的系统即使在所述麦克风阵列检测到强局部噪声信号和/或所述回波路径连续改变的情况下也能够可靠地工作。

所述自适应噪声消除装置和自适应回波补偿装置包括自适应的滤波器，并且更可取地，所述自适应回波补偿装置的自适应滤波器的滤波器长度等于或长于所述自适应噪声消除装置的自适应滤波器的滤波器长度。

“滤波器长度”常常是指滤波系数的数目。通常，与自适应聚束装置相比，AEC装置需要更高的滤波系数数目，以便足够可靠地工作而得到一个较低的收敛速度。然而，在具有相对低回响的噪声环境中，例如，在车辆里，对AEC装置和聚束装置选择相当或相等的滤波系数数目也是可以接受的。

可以希望的是，通过应用最小平方优化规则(Least Square optimizationcriterion)，让所述自适应装置去同时执行所述自适应聚束装置和所述自适应回波补偿装置的组合的自适应。

所述最小平方优化代表了语音信号处理中用于适应复数滤波器的一种易于测试且可靠的方法，并且它实施起来相对简单。它是通过最小化受约束以至少确保输出信号唯一性的被平方的输出信号样本的窗口化的和来执行的。在求和中运用的窗口化函数选择输出信号的样本以用于最优化过程。

所述最小平方优化规则的约束条件可以被公式化为：

${({\underset{\underset{\‾}{\‾}}{C}}^T\left(k\right),0_{C\×Q{N}_a})}^T{(w^T\left(k\right),a^T\left(k\right))}^T=c\left(k\right)$

这里上标T表示矢量转置操作， 是来自线性约束最小方差聚束的已知的常规约束矩阵，w(k)和a(k)分别是所述自适应聚束和所述自适应噪声消除的滤波器，Q是至少一个扩声器的数目，N_a是所述自适应回波消除装置的滤波器的滤波系数的数目，而c是表示约束C的约束矢量。

这些约束条件通过矩阵(W^T(k)，a^T(k))^T的方式来表示所述自适应聚束装置和所述自适应回波补偿装置的滤波器的组合自适应。空矩阵C×QN_a的维来自于所述扩声器信号是不关联的推理假设。

按照本发明，所述系统可以进一步包括被配置用于执行所述麦克风信号的时间延迟补偿以获得第一语音信号的装置，该第一语音信号紧接着被用作以自适应聚束器或一个类似GSC的结构存在的所述自适应聚束装置的输入信号。

为了进一步改善本发明的系统的性能，将对应于一个期望的目标信号的麦克风信号同步可能是有好处的。为了这个目标，每个信号的时间延迟被计算和补偿。

为了获得所述第一语音信号，优选进一步采用被配置用于匹配所述麦克风信号或所述已进行了时间延迟补偿的麦克风信号的相位和振幅的自适应自校准装置。

所述自适应自校准装置的自适应滤波器可以通过规范化最小平均平方算法被计算。在时间延迟补偿后，所述麦克风信号可能由于例如讲话者的移动和不同麦克风的相位和振幅的不匹配而不能够被精确地匹配。通过自适应自校准，相位和振幅的不匹配被最小化。因此，在每个通道里期望的信号是时间(相位)校准的，在每个通道里期望的信号部分的振幅几乎是相等的，并且所述信号会呈现非常相似的频率特征。

所述自适应聚束信号处理装置和所述自适应回波补偿装置和/或被配置用于执行对所述麦克风信号的时间延迟补偿的装置和/或所述自适应自校准装置，被配置用于在时域上或频域上或分波段频域上执行处理。

既然适应频域可以显示更好的收敛性质和更好的追踪能力，因此工作在频域上的本发明系统的一个实现是有效的。用于执行适当的快速傅立叶变换和逆快速傅立叶变换的合适的装置在现有技术中是公知的。

本发明也提供一种前述的用于语音信号处理的系统，其中麦克风阵列包括至少一个定向的麦克风。

另外，本发明提供一种包含采用前述组合的噪声减少和回波补偿来进行语音信号处理的本发明系统的免提系统。

另外，本发明可用于前述用于语音信号处理的系统和在车辆内使用的免提系统。在车舱内，通信设备的难以处理的声音内容上尤其希望有改善的SNR和噪声消除。如果所述麦克风阵列被排列在一个框架内，那么它就容易被装配在车舱内。

本发明也提供一种包含上述用于语音信号处理的系统和免提系统之一的车辆。

此外，本发明提供一种采用组合的噪声减少和回波补偿来进行信号处理的方法，包括为采用自适应聚束滤波器的自适应聚束接收第一语音信号作为输入信号，为采用自适应回波补偿滤波器的声音回波的自适应补偿接收输入信号，根据所述自适应聚束滤波器和自适应回波补偿滤波器决定组合的自适应滤波器，通过适应组合的自适应滤波器来同时适应自适应聚束滤波器和自适应回波补偿滤波器，并且通过自适应聚束来获得自适应聚束信号并回波补偿所述自适应聚束信号以获得所述语音信号处理的输出信号。

通过使用各自的自适应滤波器来执行所述自适应聚束和自适应回波补偿。与之相关的权矢量能够被结合成一个组合的滤波器矢量。这一组合的滤波器矢量的自适应导致所述组合的自适应聚束装置和自适应回波补偿装置的滤波器的同时自适应。

优选地，本发明的方法包括通过至少包括两个麦克风的一个麦克风阵列来检测麦克风信号并且获得包含由至少一个扩声器输出的第二语音信号的扩声器信号。在这种情况下，前面提到的第一语音信号能够在所述麦克风信号的基础上获得，并且所述扩声器信号能够被用作用于声音回波的自适应补偿的输入信号。

所述自适应聚束可以由一个自适应聚束器来执行，或通过以下步骤来执行：采用块矩阵去接收和处理第一语音信号以获得噪声参照信号、采用自适应噪声消除装置去处理所述噪声参照信号以获得自适应噪声信号、采用聚束器去接收和处理第一语音信号以获得第一聚束信号，以及从第一聚束信号中减去由所述自适应噪声消除装置获得的自适应噪声信号以获得自适应聚束信号。

自适应滤波器被用于所述自适应回波补偿和自适应噪声消除，并且所述自适应回波补偿装置的滤波器的滤波器长度优选等于或大于所述自适应噪声消除装置的滤波器的滤波器长度。

所述组合的自适应滤波器通过应用具有如下约束的最小平方优化规则被更好地适应

${({\underset{\underset{\‾}{\‾}}{C}}^T\left(k\right),0_{C\×Q{N}_a})}^T{(w^T\left(k\right),a^T\left(k\right))}^T=c\left(k\right)$

这里上标T表示所述矢量转置，

是来自LCMV聚束的公知常规约束矩阵，w(k)和a(k)分别是所述自适应聚束和所述自适应噪声消除的滤波器，Q是至少一个扩声器的数目，N_a是所述自适应回波消除装置的滤波器的滤波系数的数目，而c是表示约束C的约束矢量。

为了获得第一语音信号，更有利地是，可以对所述麦克风信号进行时间延迟的补偿，并且所述麦克风信号或时间延迟被补偿的麦克风信号可以被自适应地自校准。

所述自适应聚束和所述自适应回波补偿和/或所述时间延迟补偿和/或自适应自校准能够在时域上或频域或分波段频域上被执行。

另外，本发明提供一种计算机程序产品，包括一个或多个具有用于执行采用上述噪声减少来进行语音信号处理的本发明的方法步骤的计算机可执行指令的计算机可读媒体。

附图说明

本发明另外的特征和优点将参考附图作出描述。在所述描述中，参照是根据附图进行的，这些图只是用来解释本发明的优选实施例。可以理解的是，这样的实施例并不代表本发明的全部范围。

图1示出了按照本发明包括自适应聚束器和同时被优化的AEC装置的所述语音信号处理装置的一个实施例。

图2示出了按照本发明包括GSC和同时被优化的AEC装置的所述语音信号处理装置的另一个实施例。

图3示出了采用组合的噪声减少和声音回波补偿来进行语音信号处理的本发明的方法的选择步骤。

具体实施方式

按照本发明的所述语音信号处理的一个实施例的总体结构在图1中被说明。出于解释的目的，在离散的时域上进行所述处理。可选择地，所述算法能够在完全离散傅立叶变换域或分波段域上被应用。

被M个麦克风11检测到的麦克风信号可被表示为x(k)(k是离散的时标)并且被假定为叠加信号

                   x(k)＝d(k)+n(k)+e(k)，

其中，d(k)、n(k)和e(k)分别表示期望的信号、局部噪声信号和声音的回波信号。这些回波是由至少一个扩声器12的输出信号引起的，并且显示了所述空间的回响特性。

所述信号x(k)由一个组合自适应聚束器处理。所述聚束器被设计为将M个不同的麦克风通道的输入信号组合为一个单独的具有增强信噪比(SNR)的聚束输出信号。为了这个目的，所述聚束器使用自适应滤波器w(k)。所述AEC装置对所述回波路径进行建模，例如，作为线性响应。通过自适应的滤波器a(k)，被处理的麦克风信号的回波部分能够被减掉。

所述组合系统的输出信号可被写成传感器信号x(k)、扩声器信号v(k)以及自适应滤波器w(k)和a(k)的一个函数：

$y\left(k\right)={\tilde{w}}^T\left(k\right)\tilde{x}\left(k\right).$

其中

$\tilde{w}\left(k\right)={(w^T\left(k\right),a^T\left(k\right))}^T,$

$\tilde{x}\left(k\right)={(x^T\left(k\right),v^T\left(k\right))}^T$

其中，上标T表示所述矢量的转置操作。Q个扩声器通道的所述扩声器信号v(k)通常被用作声音回波的参照信号，即，它们作为用于自适应回波补偿装置14使用的输入信号。信号v(k)可被看作另外的传感器通道或聚束器的路径，因此增加了可用于所述自适应聚束(adaptive beamforming)的自由度。

该自适应聚束器(也就是具有N_w滤波系数的自适应滤波器w(k))和该AEC装置(也就是具有N_a滤波系数的自适应滤波器a(k))通过维持聚束器增益并抑制声音回波的方法，被一个自适应装置(在图1中由虚线框所指示)同时组合优化。最小平方(LS)优化规则可以运用于该优化过程中。原则上，所述数学方法与运用于例如常规线性约束最小变量(LCMV)聚束器上的数学方法类似(例如见，“Optimum Array Processing，Part IV of Detection，Estimation，and Modulation Theory”H.L.van Trees所著，Wiley & Sons，NewYork 2002)。需要

在 ${\widetilde{\underset{\underset{\‾}{\‾}}{C}}}^T\left(k\right)\tilde{w}\left(k\right)=c\left(k\right)$ 的条件下求 $\underset{\tilde{w}\left(k\right)}{\min }\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(k\right)y^2\left(i\right)$ 的解。

其中

$\widetilde{\underset{\underset{\‾}{\‾}}{C}}\left(k\right)={({\underset{\underset{\‾}{\‾}}{C}}^T\left(k\right),0_{C\×Q{N}_a})}^T,$

这里 是来自LCMV聚束器的公知常规约束矩阵(大小为MN_w×C)，并且c(k)是长度为C的为确保被聚束的输出信号的唯一性的表示C约束的约束的列矢量。在所述约束矩阵中的C×QN_a的空是由所述扩声器信号v(k)是不相互关联的合理假设产生的。窗口函数w_i从应当被包括在优化过程的输出信号中提取出期望的样本。

应当注意的是，按照上述优化规则，对任意数目的麦克风而言，仅有一个错误信号必须被最小化。所述优化问题的数学解决方案是信号处理的现有技术。

图2解释了按照本发明的包括了通用旁瓣消除器(GSC)和被同时优化的AEC装置的所述语音信号处理装置的一个实施例。图1的聚束器被一个GSC结构所替代。所述GSC能够被看作一个自适应聚束器的一个较优的实现并且包含两个信号处理路径。

所述参照(或上部)信号处理路径包括一个被指向由所述麦克风21所检测的期望信号的一个或多个源的固定聚束器23。所述聚束信号y_wc(k)的特征在于增强的SNR。

所述的噪声减少(或下部)信号处理路径包括一个非自适应的或一个自适应的块矩阵25，该矩阵产生噪声参照信号y_B(k)。越少的期望信号出现在这些信号中越好。在最简单的实现中，所述块矩阵执行相邻通道的减操作。

所述噪声参照信号y_B(k)被用作一个自适应噪声消除装置26的输入信号。所述自适应的噪声消除由(复数值的)滤波器w_a(k)来完成。这些滤波器通常与所述输出信号的能量被最小化的目标相适应。然后，所述自适应噪声消除装置的输出信号从所述聚束的信号中被减去。因为理想的情况是所述参照信号不包括信号部分，所以信号y_wc(k)所残留的噪声几乎完全被所述自适应噪声消除装置所减少，并且因此最终的输出信号y(k)的SNR被提高。

在用于噪声减少的滤波器的自适应的通常设置中，规范化的最小平均平方(NLMS))算法可以被使用，其读作：

$y_{\mathrm{GSC}}\left(k\right)=y_{w_c}\left(k\right)-\underset{m=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_B\left(k\right)w_a\left(k\right)$

$w_a(k+1)=w_a\left(k\right)+\frac{\mathrm{\β}\left(k\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{M-1}{\left|y_B\left(k\right)\right|}^2}{y}_{\mathrm{GSC}}\left(k\right){y_B}^{*}\left(k\right).$

其中，y_GSC表示只是GSC的输出信号，也就是，如果没有AEC装置存在，β是一些正向的实值的数目，而星号表示所述噪声参照信号的复共轭。相应地，所述噪声参照信号和所述自适应滤波器w_a(k)被用于产生一个自适应噪声信号，该信号将从由聚束器23输出的聚束信号y_wc中被减去。

然而，按照本发明，所述GSC和AEC装置两者的所述自适应滤波器必须通过对 优化而被同时自适应。其结果是更多地涉及代数。

在图1的描述中被引入的权矢量

能够被投影在两个正交子空间上，其中一个

可以被选择以满足C约束(约束子空间)：

$P_c\left(k\right)\tilde{w}\left(k\right)=:{\tilde{w}}_c\left(k\right)={({w_c}^T\left(k\right),0_{1\×Q{N}_a})}^T$

第二个子空间可以被选为

$P_a\left(k\right)\tilde{w}\left(k\right):=-\tilde{B}\left(k\right){\tilde{w}}_a\left(k\right),$

具有

${\widetilde{\underset{\underset{\‾}{\‾}}{C}}}^T\left(k\right)\tilde{B}\left(k\right)\underset{\underset{\‾}{\‾}}{!}0.$

和

$\tilde{B}\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}B\left(k\right)& 0_{M{N}_w\×Q{N}_a}\\ 0_{Q{N}_a\×(M-C)N_{w_a}}& I_{Q{N}_a\×Q{N}_a}\end{array}\right)$

其中，I_QNa×QNa是大小为QN_a×QN_a的单位矩阵，并且矩阵B(k)的列与约束矩阵

的列正交。最终的输出信号y(k)的最小平方最小化可以现在读作

$\underset{\widetilde{w_a}\left(k\right)}{\min }\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(k\right){\left[{(\widetilde{w_c}\left(k\right)-\tilde{B}\left(k\right)\widetilde{w_a}\left(k\right))}^T\tilde{x}\left(i\right)\right]}^2$

其中

是权矢量

在所述实现对所述优化问题的约束的正交子空间的第二个上的投影。

通过解决所述最小化问题，可以获得优化的权矢量

${\tilde{w}}_{a,\mathrm{opt}}\left(k\right)=\left({\tilde{B}}^T\left(k\right)\widetilde{\mathrm{\Φ}}\left(k\right)\tilde{B}\left(k\right)\right)+{\tilde{B}}^T\left(k\right)\widetilde{\mathrm{\Φ}}\left(k\right)\widetilde{w_c}\left(k\right),$

其中

$\widetilde{\mathrm{\Φ}}\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(k\right)\tilde{x}\left(i\right){\tilde{x}}^T\left(i\right).$

通过 数据矢量 的采样关联矩阵被表示，并且上标+表示所述矩阵的伪逆(pseudoinverse)。形式上，所述优化的权矢量的解与用于GSC的优化的权矢量相等(例如见，“Broad band beamforming and the generalizedsidelobe canceller”，IEEE Trans.on Acoustic Speech and Signal Processing，vol.34，p.1322)。

图3解释了按照一个优选实施例的本发明的语音信号处理的基本步骤。一个包含了至少两个麦克风的麦克风阵列检测包含了语音信号31、噪声信号32和回波信号33的信号30，并且产生麦克风输出34。

按照这个实施例，所述输出麦克风信号与对应的一个期望的目标信号同步。为了这个目的，每个信号的时间延迟必须被计算和补偿35。

所述同步信号作为被采用的GSC的两个信号处理路径的输入信号。上部信号处理路径的常规延迟求和聚束器可以将所述信号进行组合从而得到一个具有增强的SNR的输出信号36。一个块矩阵通过减去相邻通道而产生噪声参照信号37。可选择地，可以采用现有技术所公知的更加精巧的矩阵，例如，一个Walsh-Hadamard型的块矩阵或一个Griffiths-Jim块矩阵。

所述噪声参照信号被用作自适应噪声消除38的输入信号。一个实际问题存在于所述噪声消除装置的自适应滤波器的优化中。除了噪声减少，本发明的语音信号处理系统还提供回波补偿。一个AEC装置利用扩声器信号39去补偿声音的回波40。

按照本发明，GSC和AEC装置两者的滤波器的自适应可以同时被执行。为了获得一个高纯度的输出信号41，由聚束36所获得的聚束信号进一步被所述自适应噪声消除38和所述自适应回波补偿40所处理。

对于麦克风输出信号的时间延迟补偿35的步骤增加对时间延迟信号的自适应自校准(未示出)是有好处的。理想的情况是，在该进一步的处理步骤之后，被校准的信号根据期望的信号进行相位校正，并且期望信号部分的振幅在多个通道的每一个中都是相等的。

在每个通道中执行时间延迟信号的匹配的复数自校准的滤波器能够被所述NLMS算法(参见前面)所适应，以达到最小化所述错误信号能量的目的。

所有前面讨论的实施例都不是对本发明的限制，而是作为解释本发明的特征和优点的例子。可以理解，上述部分或全部特征也可以用不同的的方式进行组合。

Claims (22)

1、采用组合的噪声减少和回波补偿的语音信号处理系统，包括

被配置用于接收第一语音信号和从所述第一语音信号导出被自适应聚束的信号的自适应聚束信号处理装置(13)，

被配置用于减少所述被自适应聚束的信号中声音回波的自适应回波补偿装置(14，24)，和

被配置用于同时执行所述自适应聚束装置和所述自适应回波补偿装置的组合自适应的自适应装置。

2、按照权利要求1所述的系统进一步包括

用于检测麦克风信号的包括至少两个麦克风的麦克风阵列(11，21)，

至少一个输出包含第二语音信号的扩声器信号的扩声器(12，22)，并且

其中，在所述麦克风信号的基础上获得所述第一语音信号，并且

在所述扩声器信号的基础上，所述自适应回波补偿装置(14，24)减少在所述自适应聚束信号中的声音的回波。

3、按照权利要求1或2所述的系统，其中所述自适应聚束信号处理装置是一个自适应聚束器(13)。

4、按照权利要求1或2所述的系统，其中所述自适应聚束信号处理装置包括

被配置用于接收所述第一语音信号和获得噪声参照信号的块矩阵(25)，

被配置用于接收所述噪声参照信号和获得自适应噪声信号的自适应噪声消除装置(26)，和

被配置用于接收所述第一语音信号和获得第一聚束信号的聚束器(23)，和

被配置用于从所述第一聚束信号中减去由所述自适应噪声消除装置(26)获得的自适应噪声信号从而获得所述被自适应聚束的信号的装置。

5、按照权利要求4所述的系统，其中所述自适应噪声消除装置(26)和所述自适应回波补偿装置(24)包括自适应滤波器，并且所述自适应回波补偿装置的自适应滤波器的滤波器长度等于或大于所述自适应噪声消除装置的所述自适应滤波器的滤波器长度。

6、按照前面权利要求之一所述的系统，其中所述自适应装置通过运用最小平方优化规则来同时执行所述自适应聚束装置和所述自适应回波补偿装置的组合自适应。

7、按照权利要求6所述的系统，其中所述最小平方优化规则的约束读作

${({\underset{\‾}{\underset{\‾}{C}}}^T\left(k\right),0_{C\×Q{N}_a})}^T{(w^T\left(k\right),a^T\left(k\right))}^T=c\left(k\right)$

其中，上标T表示所述矢量的转置操作， 是来自于线性约束的最小方差聚束的已知的常规约束矩阵，w(k)和a(k)分别是所述自适应聚束和所述自适应噪声消除的滤波器，Q是至少一个扩声器的数目，N_a是所述自适应回波消除装置的滤波器的滤波系数的数目，而c是表示约束C的约束矢量。

8、按照权利要求1至7之一所述的系统，进一步包括被配置用于执行所述麦克风信号的时间延迟补偿以获得所述第一语音信号的装置。

9、按照权利要求1至7之一所述的系统，进一步包括被配置用于匹配所述麦克风信号或所述时间延迟被补偿的麦克风信号的相位和振幅以获得所述第一语音信号的自适应自校准的装置。

10、按照前述权利要求之一所述的系统，其中所述自适应聚束信号处理装置和所述自适应回波补偿装置和/或被配置用于执行所述麦克风信号的时间延迟补偿的装置和/或所述自适应自校准装置，被配置用于在时域上或频域上或分波段频域上执行处理。

11、按照前述权利要求之一所述的系统，其中所述麦克风阵列包括至少一个定向的麦克风。

12、一种采用组合的噪声减少和回波补偿的语音信号处理方法，包括

接收第一语音信号作为采用自适应聚束滤波器的自适应聚束的输入信号，

接收输入信号用于采用自适应回波补偿滤波器的声音回波的自适应补偿，

从所述自适应聚束滤波器和所述自适应回波补偿滤波器中确定组合的自适应滤波器，

通过自适应所述组合的自适应滤波器来同时自适应所述自适应聚束滤波器和所述自适应回波补偿滤波器，和

通过所述自适应聚束获得被自适应聚束的信号并回波补偿所述被自适应聚束的信号以获得所述语音信号处理的输出信号。

13、按照权利要求12所述的方法，进一步包括

通过包含至少两个麦克风的麦克风阵列检测麦克风信号，

获得包含通过至少一个扩声器输出的第二语音信号的扩声器信号，并且其中

在所述麦克风信号的基础上获得所述第一语音信号，和

用于声音回波的自适应补偿的输入信号是所述扩声器信号。

14、按照权利要求12或13所述的方法，其中所述自适应聚束由一个自适应聚束器执行。

15、按照权利要求12或13所述的方法，其中所述自适应聚束包括

通过块矩阵接收和处理所述第一语音信号以获得噪声参照信号，

通过自适应噪声消除装置处理所述噪声参照信号以获得自适应噪声信号，和

通过聚束器接收和处理所述第一语音信号以获得第一聚束信号，和

从所述第一聚束信号中减去由所述自适应噪声消除装置获得的所述自适应噪声信号以获得被自适应聚束的信号。

16、按照权利要求15的方法，其中自适应滤波器被用于所述自适应回波补偿和所述自适应噪声消除，并且所述自适应回波补偿装置的滤波器的滤波器长度等于或大于所述自适应噪声消除装置的滤波器的滤波器长度。

17、按照权利要求12至16之一所述的方法，其中通过运用最小平方优化规则自适应所述组合的自适应滤波器。

18、按照权利要求17所述的方法，其中用于最小平方优化规则的约束读作

${({\underset{\‾}{\underset{\‾}{C}}}^T\left(k\right),0_{C\×Q{N}_a})}^T{(w^T\left(k\right),a^T\left(k\right))}^T=c\left(k\right)$

其中，上标T表示矢量转置，

是来自LCMV聚束的已知的常规约束矩阵，w(k)和a(k)分别是所述自适应聚束和所述自适应噪声消除的滤波器，Q是至少一个扩声器的数目，Na是所述自适应回波消除装置的滤波器的滤波系数的数目，而c是表示约束C的约束矢量。

19、按照权利要求12至18之一所述的方法，为所述麦克风信号进行时间延迟补偿以获得所述第一语音信号。

20、按照权利要求12至19之一所述的方法，其中所述麦克风信号或是被补偿时间延迟的麦克风信号被自适应地自校准以获得第一语音信号。

21、按照权利要求12至20之一所述的方法，其中所述自适应聚束和所述自适应回波补偿和/或所述时间延迟补偿和/或所述自适应的自校准，在时域或频域或分波段频域上被执行。

22、一种计算机程序产品，包括一个或多个具有用于执行如权利要求12至19之一所述的方法步骤的计算机可执行指令的计算机可读媒体。

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