CN1819452A - 一种适应语音输入距离变化的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适应语音输入距离变化的方法及其装置，先设定信号目标幅度门限，在收到模拟的语音信号后，进行以下步骤：根据放大器的当前增益将该模拟语音信号放大，再经模数变换模块变换成为数字语音信号采样点序列；在对该采样点序列进行后续处理的同时，幅度统计模块计算出当前采样块各采样点的能量值且进行统计，得到一统计值，增益控制模块根据该统计值和该目标幅度门限的比较结果，按预设控制方式调整该放大器的增益。采用本发明方法和装置，在说话者与麦克风距离发生变化时，使听话者能听到更为稳定的声音，从而提高通话双方的满意度和舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及一种语音输入方法及其装置。
背景技术
如果说话者离麦克的距离不时发生变化，如在手机通话过程中，听话者会感到声音时大时小。如图1所示，如果说话者与麦克的距离在距离1和距离2之间来回变化，麦克拾取到电信号的幅度会发生显著的变化(因为声波的能量大概与距离的二次方成反比变化)。这些变化的语音输入信号经说话者的手机无线传输到听话者的手机，听话者就会感觉到声音时大时小，使听者感觉不太舒服。如果说话者与麦克的距离不得不放得比较远(如图中的距离3)，听话者听到的声音就非常小，不得不要求说话者提高说话的音量，引起交流的不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适应语音输入距离变化的方法及其装置，在说话者与麦克风距离发生变化时，使听话者能听到更为稳定的声音，从而提高通话双方的满意度和舒适度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适应语音输入距离变化的方法，先设定信号目标幅度门限，在收到模拟的语音信号后，进行以下步骤：
(a)根据放大器的当前增益将所述模拟语音信号放大，再变换成为数字语音信号采样点序列；
(b)在对所述采样点序列进行后续处理的同时，计算出当前采样块各采样点的能量值且进行统计，得到一统计值，根据该统计值和所述目标幅度门限的比较结果，按预设控制方式调整所述放大器的增益。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)中，将所述放大的模拟语音信号变换成为数字语音信号采样点序列，是将所述放大的模拟信号经西格码-得尔塔变换成为1位的过采样率数字信号，再将所述1位的过采样率数字信号变换为多位的1倍采样率数字信号。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述目标幅度门限包括目标幅度下限和目标幅度上限，所述步骤(b)中，如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益；如果所述统计值介于目标幅度的下限和上限之间，则保持所述放大器的增益。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述目标幅度门限包括目标幅度下限和目标幅度上限，此外还设定了一小于目标幅度下限的噪声门限，所述步骤(b)中，如果所述统计值小于噪声门限或者介于目标幅度的下限和上限之间，则保持当前增益；如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限且大于噪声门限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：在增大或减小所述放大器的增益时，每次增大或减小的增益值为0.5～3分贝。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：还设定了一大于目标幅度上限的警告门限，所述步骤(b)中，在所述统计值大于该警告门限，或大于目标幅度上限且小于该警告门限时，都减小所述放大器的增益，但在大于该警告门限时减小的增益值更大。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述噪声门限设为满幅度的0.5％～5％；所述目标幅度下限设为满幅度的20％～60％；所述目标幅度上限设为满幅度的50％～80％；所述警告门限设为满幅度的85％～95％。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(b)中得到的所述统计值是指当前采样块各采样点的幅度统计最大值。
进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述采样块的长度为0.5至2秒所采集到的采样点数目。
本发明还提供了一种适应语音输入距离变化的装置，包括增益可调的放大器和与其连接的模数变换模块，其特征在于，还包括幅度统计模块和增益控制模块，其中：
所述幅度统计模块，用于接收所述模数变换模块输出的数字语音信号采样点序列，计算出当前采样块各采样点的能量值并进行统计，得到一统计值，输出到所述增益控制模块；
所述增益控制模块，连接到所述放大器，用于根据该统计值和设置的目标幅度门限的比较结果，按预设控制方式调整所述增益放大器的增益。
进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述模数变换模块进一步包括西格码-得尔塔变换模块和频段压缩滤波模块，其中：
所述西格码-得尔塔变换模块，用于将输入的模拟语音信号经过西格码-得尔塔变换成为1位的过采样率的数字信号，并输出到频段压缩滤波模块；
所述频段压缩滤波模块，用于将上述1位信号变成1倍采样率的多位数字信号输出。
进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述增益控制模块中预设了目标幅度下限和目标幅度上限，如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益；如果所述统计值介于目标幅度的下限和上限之间，则保持所述放大器的增益。
进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述增益控制模块中预设了目标幅度下限、目标幅度上限和一小于目标幅度下限的噪声门限，所述步骤(b)中，如果所述统计值小于噪声门限或者介于目标幅度的下限和上限之间，则保持当前增益；如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限且大于噪声门限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益。
进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述增益控制模块还预设了一大于目标幅度上限的警告门限，在所述统计值大于该警告门限或大于目标幅度上限且小于该警告门限时，都减小所述放大器的增益，但在大于该警告门限时减小的增益值更大。
进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述幅度统计模块是统计出当前采样块各采样点的幅度统计最大值。
进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述模数变换模块设置的采样块的长度为0.5至2秒所采集到的采样点数目。
综上所述，本发明提供了一种适应语音输入距离变化的方法及其装置，克服了在说话者与麦克风距离发生较大变化时，听话者因为感觉到声音时大时小而感觉不太舒服的缺点，使听话者能听到响亮而稳定的声音，从而提高了通话双方的满意度和舒适度。
附图说明
图1是手机通话过程中说话者离麦克的距离发生变化的示意图；
图2是本发明实施例装置的结构图。
具体实施方式
本发明采用模拟和数字硬件技术，实现了语音信号幅度的自动调整，达到适应语音输入距离变化的目的。
如图2所示，本实施例装置包括程控增益放大器，模数(AD)变换模块，数模(DA)变换模块，幅度统计模块以及增益控制模块，其中：
程控增益放大器，用于根据上述增益控制模块输出的增益将输入的模拟语音信号放大，并将该放大的模拟信号输出到AD变换模块。本发明也可以采用其它增益可调的放大器。
AD变换模块，用于将上述放大的模拟信号变换为数字语音信号，并分别输出到数模变换模块和幅度统计模块，一个采样块的长度设为0.5至2秒所采集到的采样点数目。该AD变换模块进一步包括西格码-得尔塔(SIGMA-DELTA)变换单元和频带压缩滤波单元，其中：
SIGMA-DELTA变换单元，用于将该放大的模拟信号经SIGMA-DELTA变换成为1位(BIT)的过采样率数字信号，并输出到频带压缩滤波模块；
频带压缩滤波单元，用于将收到的信号变换为16BIT的1倍采样率数字信号，分别输出到DA变换模块和幅度统计模块。
DA变换模块，用于将收到的信号还原为模拟信号，送给说话者手机；
幅度统计模块，用于获得采样信号的幅度统计最大值(不一定是实际信号的最大值，故称为统计最大值)，并将该最大值输出到增益控制模块；
增益控制模块，连接到所述增益放大器，用于根据采样信号的幅度统计最大值调整程控增益放大器的增益，并输出到所述程控增益放大器，从而达到信号幅度自动调整的目的，具体规则将在方法中详细介绍。
上述AD变换模块还可在频带压缩滤波单元后加一个高通滤波器，以进一步滤除噪声的低频部分。
本实施例中适应语音输入距离变化的方法，在收到的模拟语音信号后，进行以下步骤：
步骤一，根据程控增益放大器当前的增益将输入的模拟语音信号放大；
步骤二，将该放大的模拟信号经SIGMA-DELTA变换成为1位(BIT)的过采样率数字信号；
上述过采样率可以根据需要选定，可以是64倍，256倍或128倍采样率等，本实施例中将该模拟信号经SIGMA-DELTA变换成为1BIT的128倍采样率数字信号。
步骤三，将上述数字信号变换为16BIT(可以根据需要设定，例如24BIT)的1倍采样率数字信号，这样起到了滤除噪声高频部分的效果；
步骤四，计算出当前采样块中采样信号的幅度统计最大值，并根据该幅度统计最大值和设定门限的比较结果，按设定的控制方式调整程控增益放大器的增益；同时，将所述16BIT采样信号进行数模变换成为模拟信号输出；
在本实施例中，获得采样信号的幅度统计最大值Emax的算法如下：
令e(0)＝α|x(0)，然后有e(n)＝α|x(n)|+(1-α)e(n-1)，；
x(n)为当前的16BIT数据，n＝0，1，...，L-1，L为采样块长度。e(n)为第n个采样点信号的幅度。当|x(n)|＞e(n-1)为迅速上升段，α为迅速上升段系数αattack，否则，α为非迅速上升段系数α_non_attack，这两个系数都可由用户通过寄存器来设置。
有：Emax＝Max(e(n))，本实施例用该幅度统计最大值来表示语音输入的距离。
采样块的长度对本方案的效果有较大影响。如果采样块长度过短，语音幅度调整过快，则语音将失去抑扬顿挫，也就是说语音会在幅度上出现失真；如果采样块长度过长，语音幅度调整过慢，在语音输入距离变化较快时，将起不到调整的目的，甚至出现调整过度的情形。因此通常采样块的数据长度为0.5至2秒所采集到的数据，本实施例中取采样块的数据长度为1秒钟所采集到的采样点数目，如采样率为16kHz，那么采样块的长度，即一个采样块中采样点的数目，就可选为16384。
在本实施例中，上述程控增益放大器增益(pga_gain)的控制方式如下：
如果emax＜noise_threshold
pga_gain＝pga_gain；认为输入信号为噪声，保持原增益。
如果emax＞＝noise_threshold并且emax＜low_threshlod
pga_gain＝pga_gain+1；认为是远距离输入，加大增益。
如果emax＞＝low_threshold并且emax＜high_threshold
pga_gain＝pga_gain；认为距离适中，保持原增益。
如果emax＞＝high_threshold并且emax＜alert_threshold)
pga_gain＝pga_gain-1；认为是近距离输入，减小增益。
如果emax＞＝alert_threshold
pga_gain＝pga_gain-2；认为是超近距离，快速减小增益。
其中：
noise_threshold为设定的噪声门限，可设为满幅度的1％，该取值的浮动范围为0.5％～5％；
low_threshold为设定的目标幅度的下限，可设为满幅度的50％，该取值的浮动范围为20％～60％；
high_threshold为设定的目标幅度的上限，可设为满幅度的75％，该取值的浮动范围为50％～80％；
alert_threshold为设定的警告门限，可设为满幅度的90％，该取值的浮动范围为85％～95％。
另外，式中的“1”和“2”表示程控增益放大器增益变化时的单位增益。为保证幅度变化的平滑性，程控增益放大器增益变化的单位增益不要太大，也不要太小(道理同采样块长度的变化)，1个单位通常在0.5～3分贝(DB)之间比较合适，本实施例取值为1.5分贝。
在上述实施例的基础上，也可以各种其它的变换方式：
例如：改为计算采样点的功率，用信号功率代替信号幅度进行判决，效果是一样的，应当视为等同。
又如，本发明也不局限于实施例中的具体控制方式，如可以取采样块中幅度最大的M个采样点的幅度或功率进行平均后，作为采样信号的统计值，再与上述各门限比较。
又如，上述门限也并不一定全都设置，例如，如果通常不会出现距离太近的情况，只需在距离太远时加大增益，则可以只设置目标幅度的下限而不设置上限，反之亦可。另外，噪声门限或警告门限的设定也不是必须的，但是这样会产生对噪声也加大增益或在超近距离时不能更快速的减小增益等问题。再则，在上述实施例中，‘pga_gain+1；pga_gain-1；pga_gain-2’等对增益的变化幅度仅是示例性的，在对增益进行加大、减小和快速减小时，完全可以采用不同的数值。
又如，在将采样信号变换为模拟信号输出之前，还可以加入其它的各种处理，并不一定就直接送到数模变换模块，可以是任意的对采样点序列进行处理的模块。例如可以在实施例装置中的数模变换模块和模数变换模块之间加一个噪声衰减模块，在判决emax＜noise_threshold成立时，对该采样块的采样信号进行幅度衰减后再输出到噪声衰减模块，具体可衰减为原幅度值的一个比值，该比值可取为幅度统计最大值和噪声门限的比值。
Claims (16)
1、一种适应语音输入距离变化的方法，先设定信号目标幅度门限，在收到模拟的语音信号后，进行以下步骤：
(a)根据放大器的当前增益将所述模拟语音信号放大，再变换成为数字语音信号采样点序列；
(b)在对所述采样点序列进行后续处理的同时，计算出当前采样块各采样点的能量值且进行统计，得到一统计值，根据该统计值和所述目标幅度门限的比较结果，按预设控制方式调整所述放大器的增益。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)中，将所述放大的模拟语音信号变换成为数字语音信号采样点序列，是将所述放大的模拟信号经西格码-得尔塔变换成为1位的过采样率数字信号，再将所述1位的过采样率数字信号变换为多位的1倍采样率数字信号。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标幅度门限包括目标幅度下限和目标幅度上限，所述步骤(b)中，如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益；如果所述统计值介于目标幅度的下限和上限之间，则保持所述放大器的增益。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标幅度门限包括目标幅度下限和目标幅度上限，此外还设定了一小于目标幅度下限的噪声门限，所述步骤(b)中，如果所述统计值小于噪声门限或者介于目标幅度的下限和上限之间，则保持当前增益；如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限且大于噪声门限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益。
5、如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在增大或减小所述放大器的增益时，每次增大或减小的增益值为0.5～3分贝。
6、如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，还设定了一大于目标幅度上限的警告门限，所述步骤(b)中，在所述统计值大于该警告门限，或大于目标幅度上限且小于该警告门限时，都减小所述放大器的增益，但在大于该警告门限时减小的增益值更大。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述噪声门限设为满幅度的0.5％～5％；所述目标幅度下限设为满幅度的20％～60％；所述目标幅度上限设为满幅度的50％～80％；所述警告门限设为满幅度的85％～95％。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中得到的所述统计值是指当前采样块各采样点的幅度统计最大值。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样块的长度为0.5至2秒所采集到的采样点数目。
10、一种适应语音输入距离变化的装置，包括增益可调的放大器和与其连接的模数变换模块，其特征在于，还包括幅度统计模块和增益控制模块，其中：
所述幅度统计模块，用于接收所述模数变换模块输出的数字语音信号采样点序列，计算出当前采样块各采样点的能量值并进行统计，得到一统计值，输出到所述增益控制模块；
所述增益控制模块，连接到所述放大器，用于根据该统计值和设置的目标幅度门限的比较结果，按预设控制方式调整所述增益放大器的增益。
11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述模数变换模块进一步包括西格码-得尔塔变换模块和频段压缩滤波模块，其中：
所述西格码-得尔塔变换模块，用于将输入的模拟语音信号经过西格码-得尔塔变换成为1位的过采样率的数字信号，并输出到频段压缩滤波模块；
所述频段压缩滤波模块，用于将上述1位信号变成1倍采样率的多位数字信号输出。
12、如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述增益控制模块中预设了目标幅度下限和目标幅度上限，如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益；如果所述统计值介于目标幅度的下限和上限之间，则保持所述放大器的增益。
13、如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述增益控制模块中预设了目标幅度下限、目标幅度上限和一小于目标幅度下限的噪声门限，所述步骤(b)中，如果所述统计值小于噪声门限或者介于目标幅度的下限和上限之间，则保持当前增益；如果所述统计值小于或小于等于目标幅度下限且大于噪声门限，则加大所述放大器的增益；如果所述统计值大于或大于等于目标幅度上限，则减小所述放大器的增益。
14、如权利要求12或13所述的装置，其特征在于，所述增益控制模块还预设了一大于目标幅度上限的警告门限，在所述统计值大于该警告门限或大于目标幅度上限且小于该警告门限时，都减小所述放大器的增益，但在大于该警告门限时减小的增益值更大。
15、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述幅度统计模块是统计出当前采样块各采样点的幅度统计最大值。
16、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述模数变换模块设置的采样块的长度为0.5至2秒所采集到的采样点数目。
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