CN1768555A - 用于减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的方法，该方法基于从实际上纯粹的干扰噪声信号中估计干扰噪声信号部分并且不需要任何另外的麦克风。根据本发明方法的本质特点在于，用作估计感兴趣的麦克风信号中的干扰噪声信号部分的基础的信号是借助于一个或多个逆向操作的扬声器来接收的。不需要安装另外的麦克风，尤其在已经有一个或多个扬声器作为音频系统的部件的情况下。这样的情况例如出现在装配有音频系统的任何机动车中。

Description

用于减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的方法。本发明还涉及一种用于减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的装置。

背景技术

这样的方法对于提高馈送到语音识别装置或电信装置的语音信号的质量是特别重要的。来自电信部门的一个重要的应用例子是免提装置，现今法规规定其必须用于机动车中的电话呼叫。借助于这样的免提装置，对于驾驶者来说，不必让手离开方向盘，从而没有让眼睛离开公路就与远程会话方进行通信是可能的。

免提装置的例子可以用于清楚地说明主要区分的两种干扰噪声，以及构成研究中的方法的目的是从发送到远程会话方的语音信号中消除这两种噪声。

首先存在来自一个或多个已知的声源的干扰噪声。在汽车中的免提装置的情况中，例如噪声是由免提装置的扬声器产生的或者由音频系统的扬声器产生的。如果例如由免提装置的扬声器产生的远程会话方的语音信号到达麦克风并且没有从麦克风信号中去除，那么远程会话方将听到他自己声音的回声，并且这是让人很不愉快的感觉。用于从麦克风信号中去除这样的干扰噪声部分的方法麦克风需要知道产生干扰噪声的信号。在上述的例子中，产生干扰噪声的信号是被馈送到免提装置的扬声器的远程会话方的语音信号。例如在EP0948237A2和DE4106405A1中描述了这样的方法。

第二种干扰噪声包括其产生不被精确地意识到的并且其通常由不精确限定的大量噪声源产生的噪声。典型的环境噪声属于这种类型的干扰噪声。如果再次考虑机动车中的免提装置的例子，汽车被驱动的噪声属于这种类型的干扰噪声。很多组用于减少这种类型的干扰噪声的方法是基于根据麦克风信号来估计干扰噪声部分。例如使用谱减法，麦克风信号中的干扰噪声信号部分借助于该估计被减少。例如在US6363345B1中描述了该组方法中的一个方法。但是，从麦克风信号中估计干扰噪声部分提出了在麦克风信号内那些噪声部分中仅存在一个干扰噪声信号部分并且无用的信号部分必须被检测的问题。在机动车中的免提装置的情况中，诸如包含非语音信号部分的信号部分将在麦克风信号中。只要这样的信号部分存在，一个额外的信号处理步骤，所谓的话音活动检测(VAD)必须检测这些信号部分。然而，VAD通常仅提供不可靠的结果，特别是在麦克风信号中的很差的信噪比(SNR)的情况下。此外，必须假定在没有语音信号的部分中估计的干扰噪声信号在随后的时间点上也是有效的。然而，该假定仅表现出一个不充分的近似值，特别是在与长语音信号部分结合随时间快速改变的干扰噪声的情况下。

发明内容

因此本发明的目的是规定一种用于减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的方法，该方法以较低的信号处理费用允许良好地估计干扰噪声信号部分，从而较好地减少在麦克风信号中的干扰噪声信号部分。

上述目的是根据本发明通过包括权利要求1中要求的步骤的方法来实现的。从属权利要求包含了权利要求1中要求的方法的有利的改进和发展。

根据本发明的方法，用作估计感兴趣的麦克风信号中的干扰噪声信号部分的干扰噪声参照信号或多个干扰噪声参照信号借助于每种情况中的一个逆向操作的扬声器来确定，也就是说借助于用作麦克风的扬声器来确定。

该扬声器被适当放置，以便在相关的干扰噪声参照信号中的来自干扰噪声源的信号部分至少与来自语音信号源的信号部分一样高。如果信号处理中通常的单位SNR被使用，并且如果来自语音信号源的信号部分在该范围内被识别为信号，并且来自干扰噪声源的信号部分被识别为噪声，那么这相当于SNR小于或等于零。关联的干扰噪声参照信号中的来自干扰噪声源的信号部分最好正好两倍于来自语音信号源的信号部分，并且这相当于大约-6的SNR。通过以这种方式放置扬声器，关于可以从扬声器信号获得的干扰噪声信号部分的信息只被语音信号部分窜改了少量的范围。在根据本发明的方法中，不需要安装另外的麦克风，在已经有一个或多个扬声器用作音频系统的部件的情况下更是如此。

来自扬声器信号的干扰噪声信号部分的估计也被称为干扰噪声参照信号，其在一个或两个步骤中作为是只有一个还是多个这样的信号的函数被确定。如果只有一个可用的干扰噪声参照信号，例如循环噪声估计的信号估计理论的方法被应用于该信号，从而干扰噪声信号部分的估计被直接确定。在多于一个干扰噪声参照信号的情况下，在第一步骤中，例如循环噪声估计的信号估计理论方法被应用于这些信号中的每一个，从而在每个情况中干扰噪声信号部分的临时估计被确定。在第二步骤中，这些干扰噪声信号部分的临时估计接着通过线性叠加被组合，因此最终获得需要的干扰噪声信号部分的估计。线性叠加最好这样执行：使得首先干扰噪声信号部分的临时估计与在每种情况中的一个加权因数相乘，然后将从而获得的干扰噪声信号部分的加权临时估计求和。加权因数反映了相应的扬声器信号的传输信道特性。在定性的条件下可以说，扬声器距离语音信号源放置地越远，扬声器中的语音信号的衰减越大，从而关联的加权因数越大。

一旦干扰噪声信号部分的估计被确定，其例如通过使用最佳滤波而从麦克风信号中减除，因此净化了麦克风信号，也就是说最终获得减去了干扰噪声信号部分的麦克风信号。在最佳滤波的方法中，通常所说的最佳滤波器或维纳滤波器的滤波器频率响应，根据干扰噪声信号部分的估计和麦克风信号被计算，并且通过应用该滤波器到麦克风信号来将干扰噪声信号部分从麦克风信号中减除。这可以发生在时域和频域两者中。用于从麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的更多的方法例如是谱减法和非线性谱减法。

在根据本发明方法的另一改进中，除扬声器接收的干扰噪声参照信号和从其中得到的在下文中称为第一估计的干扰噪声信号部分的估计之外，麦克风信号本身也用于确定干扰噪声信号部分的第二估计。在进一步的步骤中，第一和第二估计接着通过线性叠加被组合，正如存在多个干扰噪声参照信号时的临时估计一样，并且从而确定需要的干扰噪声信号部分的估计。

对于使用本发明的方法获得的干净的麦克风信号的各种各样的用途是可以想象的。例如，它可以被馈送到电信装置并且从而传送到远程会话方，因此对于所述的会话方来说接收的语音信号的质量增加了。在进一步的用途中，干净的麦克风信号可以被馈送到语音识别装置，因此该系统的识别能力增加了。

在根据本发明方法的另一改进中，麦克风信号和至少一个干扰噪声参照信号在例如机动车的运输工具中被接收，并且使用的扬声器构成已经存在的扬声器系统的一部分。这尤其在机动车中特别有利，因为在这种情况中的扬声器被通常这样放置：使得由它接收的信号中的干扰噪声信号部分至少与来自坐在驾驶者位置的说话者的语音信号部分一样高。

本发明还涉及一种用于执行权利要求1中要求的方法的装置。该装置包括信号处理器，在该信号处理器上执行确定干扰噪声信号部分的估计以及从麦克风信号中减除该估计。该装置还包括至少一个耦合到信号处理器的麦克风。该耦合例如可以通过有线或无线方式实现，并且用于麦克风信号模/数转换麦克风的所谓的编解码器通常连接在中间。该装置同样包括至少一个扬声器，其用作一个麦克风并且同样耦合到信号处理器。在该情况中，该耦合也可以例如通过有线或无线方式实现，并且用于扬声器信号模/数转换的编解码器可以连接在中间。除属于本发明方法的处理步骤之外，更多的数据处理步骤也可以在信号处理器上执行。信号处理器也可以特别构成现存的数据处理装置的一部分并且另外地用于本发明的方法。

附图简述

将参照附图中示出的实施例的具体例子进一步描述本发明，然而，本发明不限制于此。

图1示出说明根据本发明方法的方框图。

图2示出说明确定干扰噪声信号部分的临时估计的流程图。

图3示出说明将干扰噪声信号部分的临时估计组合用于确定干扰噪声信号部分的估计的流程图。

图4示出说明从麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计的流程图。

具体实施方式

图1示出用于执行本发明方法的装置的方框图。一个麦克风信号x，其将使用本发明的方法被除去干扰噪声信号部分，其使用麦克风101被记录并且被馈送到减除单元501，减除单元501从该麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计。扬声器201、202和203以已知方式用作麦克风并且被用于记录干扰噪声参照信号x₁、x₂和x₃。通过举例的方式选择三个扬声器，从而三个干扰噪声参照信号决不是必须的。而是，基于至少一个扬声器以及一个干扰噪声参照信号，该数目可以是随意的并且至多由得到的信号处理费用来限制。然后三个干扰噪声参照信号x₁、x₂和x₃分别被提供到估计单元301、302和303。在这些估计单元中，在每一情况中确定干扰噪声信号部分的临时估计。这些干扰噪声信号部分的临时估计在图1中被标识为N₁、N₂和N₃，随后被馈送到组合单元401。这个组合单元401组合干扰噪声信号部分的临时估计并且从而确定干扰噪声信号部分的估计，其在图1中被标识为N。干扰噪声信号部分的这个估计接着作为第二输入信号与麦克风信号一起被馈送到减除单元501。在减除单元501中，从麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计麦克风并从而确定一个干净的信号x’。

图2示出说明估计单元301的操作模式的流程图。在估计单元301中，从借助于扬声器201所接收的信号x₁计算干扰噪声信号部分N₁的临时估计。估计单元302和303的操作模式因此是相等的。首先，信号x₁借助于模/数转换310以采样率8kHz被数字化。此后，借助于所谓的成帧311形成信号x₁的M个数字采样值的块。该块由先前块的最后M-B个采样值和信号x₁的最后B个当前采样值组成。信号处理从而发生在包括重叠了M-B个采样值的M个采样值的连续块中，其中在每个情况中B个当前采样值被处理。如果M＝256并且B＝128被选择，那么以采样率8kHz，一个块相应于32毫秒的时间期间并且连续块重叠16毫秒，也就是说50％。在随后的窗口化312中，M个采样值的块乘以窗口函数的函数值，例如汉明函数，以便到频域的在下一个转变减少由于成帧的破坏影响。然后借助于离散傅立叶变换313将以这种方式确定的该“窗口化的”采样值变换到频域。在下一处理步骤314中，形成M个复傅立叶系数的绝对平方，给出功率谱P₁(f，i)。这里，f是频率并且i是当前块的索引，其通过块长度和采样率与时间有关。接着借助于根据公式

N₁(f，i)＝α·N₁(f，i-1)+(1-α)·P₁(f，i)的递归平滑315平滑功率谱，该公式给出频域中的干扰噪声信号部分的临时估计N₁(f，i)。该平滑滤波系数α是该方法的必须被最佳化的参数。典型的α值例如是0.99。在这点上应该注意，干扰噪声信号部分的临时估计的确定不是必须发生在频域。相反地，在时域中实现也是可能的。

图3示出说明组合单元401的操作模式的流程图。已经以上述方式在估计单元301、302和303中确定的干扰噪声信号部分的临时估计N₁、N₂和N₃首先在每种情况中乘以加权因数β₁、β₂和β₃。这些加权因数也是根据本发明的方法的需要最佳化的参数，并且它们反映了相应的扬声器信号的传输信道特性。在定性的条件中可以说，扬声器放置得距离语音信号源越远，该扬声器中的语音信号的衰减越大，从而关联的加权因数β越大。一旦所有的干扰噪声信号部分的临时估计都已经与他们各自的加权因数相乘，干扰噪声信号部分的估计N作为这些乘积的总和被给出：

$N(f,i)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\β}}_k\·N_k(f,i).$

应该注意，在只有一个扬声器并且从而只有一个干扰噪声参照信号的情况中，估计单元401内的处理步骤被省略并且干扰噪声信号部分的临时估计N₁(f，i)等于干扰噪声信号部分的估计N(f，i)。

图4使用流程图来说明减除单元501的操作模式，其中执行根据本发明方法的最后步骤，即从麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计。首先，麦克风信号x，类似于图2中的扬声器信号x₁，经模/数转换510、成帧511、窗口化512、变换到频域513以及计算作为复傅立叶系数的绝对平方的功率谱P(f，i)514。除功率谱之外，在处理步骤515中，复傅立叶系数X的相位(f，i)也被计算。接着借助于根据公式

P′(f，i)＝max{P(f，i)-a(f，i)·N(f，i)，b·N(f，i)}的非线性谱减法516，从在组合单元401中确定的干扰噪声信号部分的估计N(f，i)和麦克风信号的功率谱P(f，i)计算一个干净的功率谱P′(f，i)。这里，所谓的过估计因数a(f，i)和所谓的地面因数b是根据本发明方法的必须最佳化的参数。关于本方法的非线性谱减法，应该参照Bouquin，R.L.的“有噪声的语音信号的增强：应用于移动无线通信”，语音通信，Vol.18，1996。在处理步骤517中，接着根据等式

从干净的功率谱和以前计算的未改变的相位(f，i)计算一个干净的复傅立叶系数的频谱X′(f，i)。最后，麦克风根据所谓的重叠相加方法，按照逆傅立叶变换518和与成帧相逆的过程519，从干净的频谱获得干净的麦克风信号x’。在这点上，同样应注意，不是必须选择频域中的减法方法，而时域中的方法也是可能的。

Claims (9)

1、一种减少麦克风信号中的干扰噪声信号部分的方法，其中该麦克风信号包含来自至少一个干扰噪声源的干扰噪声信号部分以及来自一个语音信号源的语音信号部分，所述方法包括下列步骤：

-接收含有该干扰噪声信号部分和该语音信号部分的麦克风信号，

-借助于每种情况中的一个逆向操作的扬声器来接收至少一个干扰噪声参照信号，其中该扬声器或多个扬声器被放置成使得各个干扰噪声参照信号中来自干扰噪声源的信号部分至少与该干扰噪声参照信号中来自语音信号源的信号部分一样高，

-在只有一个干扰噪声参照信号的情况下，使用信号估计理论的方法从干扰噪声参照信号中确定干扰噪声信号部分的估计，

-在多于一个干扰噪声参照信号的情况下，使用信号估计理论的方法从每个干扰噪声参照信号确定每种情况中的干扰噪声信号部分的一个临时估计，并且随后通过组合干扰噪声信号部分的这些临时估计来确定麦克风信号中的干扰噪声信号部分的估计，

-通过从该麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计来减少该麦克风信号中的干扰噪声信号部分。

2、根据权利要求1中要求的方法，其特征在于一个另外的方法步骤，除借助于至少一个干扰噪声参照信号来确定干扰噪声信号部分的第一估计之外，借助于该麦克风信号本身来执行干扰噪声信号部分的第二估计的确定，并且从干扰噪声信号部分的第一和第二估计的线性组合确定一个第三估计，并且其特征在于通过从该麦克风信号中减除这个估计来实现麦克风信号中干扰噪声信号部分的减少。

3、根据权利要求1中要求的方法，其特征在于在多于一个干扰噪声参照信号的情况中，干扰噪声信号部分的临时估计的组合包括任一干扰噪声信号部分的临时估计与每种情况中的一个加权因数相乘，并且随后将因此获得的干扰噪声信号部分的加权临时估计求和。

4、根据权利要求1到3中任一个所要求的方法，其特征在于通过使用最佳滤波来执行从该麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计。

5、根据权利要求1到3中任一个所要求的方法，其特征在于通过使用谱减法的方法来执行从该麦克风信号中减除干扰噪声信号部分的估计。

6、根据权利要求1到5中任一个所要求的方法，其特征在于减少了干扰噪声信号部分的麦克风信号被馈送到语音识别装置。

7、根据权利要求1到5中任一个所要求的方法，其特征在于减少了干扰噪声信号部分的麦克风信号被馈送到一个电信装置。

8、根据权利要求1到7中任一个所要求的方法，其特征在于该麦克风信号和至少一个干扰噪声参照信号在运输工具中被接收，并且所使用的扬声器或多个扬声器形成存在于该运输工具中的扬声器系统。

9、一种用于执行权利要求1中要求的方法的装置，其包括至少下列部件：

-一个信号处理器，用于确定该干扰噪声信号部分的估计并且用于从该麦克风信号中减除该估计，

-至少一个麦克风，其耦合到该信号处理器并且作为用于该麦克风信号的接收器被提供，

-至少一个扬声器，其耦合到该信号处理器并且作为用于该干扰噪声参照信号的接收器被提供。

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