專利名稱：子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種語(yǔ)音降噪方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)指向性的語(yǔ)音降噪方法。
背景技術(shù)：
有指向性的聽力設(shè)備(或儀器)通常利用目標(biāo)信號(hào)源和噪聲信號(hào)源來自不同方向的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的增強(qiáng)和噪聲信號(hào)的抑制。目前這種有方向性的聲信號(hào)拾取設(shè)備有兩種模式一種具有固定指向性，包括單個(gè)指向性傳聲器和雙傳聲器對(duì)(偶極子)等，所謂固定指向性就是指在固定方向增強(qiáng)和衰減，不能隨著目標(biāo)聲源和噪聲源的方位變化而變化；另一種其指向性是自適應(yīng)的，可以根據(jù)目標(biāo)聲源和噪聲源的方位的變化來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的增強(qiáng)和噪聲信號(hào)的抑制，即指向性是可變的，在噪聲源時(shí)變和移動(dòng)的環(huán)境，可以達(dá)到較好的效果。
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.中公開了一種現(xiàn)有的自適應(yīng)指向性傳聲器系統(tǒng)，請(qǐng)參照?qǐng)D1示出的系統(tǒng)框圖，采用的是無指向性傳聲器對(duì)，一通道(front microphone)和二通道(backmicrophone)收到的信號(hào)分別是f(n)和b(n)，相應(yīng)的d/c是兩通道的延遲時(shí)間，x(n)和y(n)是計(jì)算得到的向前和向后指向性信號(hào)，W是各頻帶自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，a(n)是自適應(yīng)濾波器的輸出，z(n)是整個(gè)系統(tǒng)的輸出。
這種系統(tǒng)可以根據(jù)目標(biāo)聲源和噪聲源的方位的變化來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的增強(qiáng)和噪聲信號(hào)的抑制。但有些應(yīng)用中，比如助聽器、手機(jī)、PDA、會(huì)議室麥克等，它們應(yīng)用的環(huán)境通常是千變?nèi)f化的，噪聲源非常復(fù)雜，它們可能在不同方向上，并分布在不同頻率段，例如，在會(huì)議室，有投影儀的風(fēng)扇噪聲，它幾乎是一種單頻噪聲，有來自窗外的交通噪聲，它們是一些低頻噪聲，對(duì)于麥克來說這兩種噪聲來自不同方向，使用這種方法就難以同時(shí)將這兩種噪聲消除的比較好。
此外，這種系統(tǒng)對(duì)傳聲器的制造精度要求高，兩個(gè)傳聲器需要具有較高的輸出一致性，除噪效果會(huì)隨著傳聲器性能的變化而發(fā)生較大的降低，另外空間尺寸較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪方法，可以有效消除分布在不同頻率段并在不同方位上的多個(gè)噪聲源發(fā)出的噪聲。本發(fā)明還要提供一種實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪方法，包括以下步驟(a)分別拾取到向前指向性信號(hào)和向后指向性信號(hào)；(b)將所述向前和向后指向性信號(hào)以相同的頻帶劃分方式分解為多個(gè)向前子帶信號(hào)和多個(gè)向后子帶信號(hào)；(c)對(duì)各個(gè)頻帶，用向前子帶信號(hào)和向后子帶信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)除以向后子帶信號(hào)的功率，得到該頻帶的自適應(yīng)濾波器系數(shù)；(d)在各個(gè)頻帶上，用向前子帶信號(hào)減去向后子帶信號(hào)和該頻帶自適應(yīng)濾波器系數(shù)的乘積，再將所有差值相加，得到處理完的聲音信號(hào)。
上述方法可具有以下特點(diǎn)所述向前和向后指向性信號(hào)為數(shù)字采樣信號(hào)。
本發(fā)明提供的一種子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪系統(tǒng)，包括傳聲器組、兩個(gè)分析濾波器組、多個(gè)自適應(yīng)濾波器、多個(gè)加法器和一個(gè)綜合濾波器組，其中所述傳聲器組，用于拾取聲信號(hào)，產(chǎn)生向前和向后指向性信號(hào)；所述兩個(gè)分析濾波器組，分別用于將向前、向后指向性信號(hào)按相同的頻帶劃分方式分解為多個(gè)向前子帶信號(hào)和多個(gè)向后子帶信號(hào)；所述多個(gè)自適應(yīng)濾波器，分別用于將相應(yīng)頻帶的向后子帶信號(hào)乘以自適應(yīng)濾波系數(shù)，輸出向后子帶調(diào)整信號(hào)，所述自適應(yīng)濾波系數(shù)等于該頻帶向前子帶信號(hào)和向后子帶信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)除以向后子帶信號(hào)的功率；
所述多個(gè)加法器，分別用于將各頻帶的向前子帶信號(hào)減去向后子帶調(diào)整信號(hào)并輸出；所述綜合濾波器組，用于將所有加法器的輸出累加，得到處理完的信號(hào)。
上述系統(tǒng)可具有以下特點(diǎn)所述傳聲器組中包含采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于將拾取的模擬聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣信號(hào)。
上述系統(tǒng)可具有以下特點(diǎn)所述傳聲器組是單指向性傳聲器對(duì)。
由上可知，本發(fā)明通過在頻率上分帶，在幾個(gè)噪聲源分布在不同的頻率段并在不同方位的情況下，不同頻率段的谷點(diǎn)可以同時(shí)對(duì)準(zhǔn)幾個(gè)噪聲源，確保輸出信號(hào)中噪聲得到抑制。此外，采用單指向性傳聲器對(duì)時(shí)，對(duì)傳聲器的制造精度要求低，效果穩(wěn)定，可以在相當(dāng)小的空間尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍擴(kuò)大。


圖1是現(xiàn)有自適應(yīng)指向性傳聲器的系統(tǒng)框圖；圖2是單指向性傳聲器接收1KHz聲信號(hào)的指向性的示意圖；圖3是單指向性傳聲器對(duì)子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪系統(tǒng)應(yīng)用的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例單指向性傳聲器對(duì)的子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪系統(tǒng)的功能框圖。
具體實(shí)施例方式
單指向性傳聲器接收到1kHz聲信號(hào)時(shí)，在各個(gè)方向的響應(yīng)如圖2所示，粗線表示陣列在各個(gè)方向上接收到的信號(hào)的歸一化能量。具有指向性也就是說系統(tǒng)在不同方向上接收到的信號(hào)能量有差異。谷點(diǎn)就是接收能量最小的方向，即圖中的180度方向。
當(dāng)目標(biāo)聲源和噪聲源處于不同方位時(shí)，如圖3所示，將單指向性傳聲器對(duì)置于兩者之間，其中一個(gè)傳聲器指向目標(biāo)聲源，定義為向前的傳聲器，拾取到的信號(hào)為x(n)，稱為向前指向性信號(hào)，另一個(gè)傳聲器方向與其相反，定義為向后的傳聲器，拾取到的信號(hào)為y(n)，稱為向后指向性信號(hào)。設(shè)目標(biāo)聲源位于0度方向，則x(n)的指向性對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)圖形是谷點(diǎn)在180度的心形圖，同樣y(n)對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)圖形是谷點(diǎn)在0度的心形圖。另外，本實(shí)施例的傳聲器中包含采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，所述向前和向后指向性信號(hào)均為數(shù)字采樣信號(hào)。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)的功能框圖，如圖所示，信號(hào)x(n)和y(n)分別送入分析濾波器組11進(jìn)行分頻，得到多個(gè)向前子帶信號(hào)和向后子帶信號(hào)x(n，f)和y(n，f)，再將各向后子帶信號(hào)y(n，f)分別送入該頻帶的自適應(yīng)濾波器12，Wi是各頻帶自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，a(n，f)是自適應(yīng)濾波器輸出向后子帶調(diào)整信號(hào)，將各頻率段的向前子帶信號(hào)x(n，f)和向后子帶調(diào)整信號(hào)a(n，f)在各加法器相減后，再經(jīng)綜合濾波器組13綜合就得到了系統(tǒng)的輸出信號(hào)z(n)。
系統(tǒng)輸出z(n)的谷點(diǎn)與系數(shù)W(n)有如下關(guān)系W(n,f)=-1+cos(θnull)1-cos(θnull)---(1.1)]]>其中，f是信號(hào)的頻率，θnull是谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值。
式(1.1)表明了谷點(diǎn)和自適應(yīng)系數(shù)W(n，f)的關(guān)系對(duì)信號(hào)頻率的依賴性。通過將x(n)和y(n)這兩個(gè)具有固定指向性的信號(hào)按頻域進(jìn)行分帶，在各個(gè)頻帶中分別進(jìn)行自適應(yīng)辨識(shí)，得到各自的自適應(yīng)濾波器系數(shù)W(n，f)，調(diào)節(jié)W(n，f)改變各頻帶的延時(shí)，就可以改變輸出對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)圖形，使整個(gè)系統(tǒng)的谷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)噪聲源，實(shí)現(xiàn)降低噪聲的目的。
下面將具體說明自適應(yīng)系數(shù)W(n，f)的計(jì)算方法，假設(shè)s(n)和i(n)是進(jìn)入兩通道的信號(hào)中的有用信號(hào)(語(yǔ)音信號(hào))和噪聲信號(hào)，向后傳聲器的谷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)0°方向，語(yǔ)音信號(hào)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(n)=x(n)-Σf=0f=Na(n,f)---(1.5)]]>即向后指向性信號(hào)y(n)只含有噪聲成份，在本申請(qǐng)文件中，向后指向性信號(hào)是指谷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)聲源，只含有噪聲成份的拾取信號(hào)。這一特點(diǎn)表明減小系統(tǒng)輸出功率等價(jià)于減小輸出功率中的噪聲成份的功率，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)和噪聲信號(hào)不相關(guān)。系統(tǒng)輸出z(n)的功率的期望如下 =Rxx(n,f)-2W(n,f)Rxy(n,f)+W2(n,f)Ryy(n,f)---(1.6)]]>其中Rxx(n，f)和Ryy(n，f)是分別是x(n，f)和y(n，f)的功率，Rxy(n，f)是x(n，f)和y(n，f)的互相關(guān)函數(shù)。式(1.6)是關(guān)于W(n，f)的一個(gè)二次式，有且僅有一個(gè)最小值Wopt，使其最小，可以得到Wopt(n,f)=Rxy(n,f)Ryy(n,f)---(1.7)]]>根據(jù)以上分析，利用式(1.7)計(jì)算本實(shí)施例系統(tǒng)中各個(gè)自適應(yīng)濾波器的系數(shù)W(n，f)，就可以保證輸出信號(hào)z(n，f)在每個(gè)頻率段的谷點(diǎn)都對(duì)向噪聲源的方向。
相應(yīng)的，本實(shí)施例自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪方法包括以下步驟步驟110，分別拾取到向前指向性信號(hào)和向后指向性信號(hào)；步驟120，將向前和向后指向性信號(hào)x(n)和y(n)以相同的頻帶劃分方式分解為多個(gè)向前子帶信號(hào)x(n，f)和多個(gè)向后子帶信號(hào)y(n，f)；步驟130，對(duì)各個(gè)頻帶，用向前子帶信號(hào)x(n，f)和向后子帶信號(hào)y(n，f)的互相關(guān)函數(shù)除以向后子帶信號(hào)的功率，得到該頻帶的自適應(yīng)濾波器系數(shù)；用公式表示即(n,f)=Rxy(n,f)Ryy(n,f);]]>步驟140，在各個(gè)頻帶上，用向前子帶信號(hào)減去向后子帶信號(hào)和該頻帶自適應(yīng)濾波器系數(shù)的乘積，再將所有差值相加，得到輸出的聲音信號(hào)。
用公式表示即z(n)=Σf=0N(x(n,f)-y(n,f)*W(n,f))]]>綜上所述，通過在頻率上分帶可保證在輸出信號(hào)每個(gè)頻率段的谷點(diǎn)都對(duì)向噪聲源的方向，在幾個(gè)噪聲源分布在不同的頻率段并在不同方位的情況，不同頻率段的谷點(diǎn)可以同時(shí)對(duì)準(zhǔn)幾個(gè)噪聲源，確保輸出信號(hào)中噪聲得到抑制。仍以背景技術(shù)所舉情況為例，應(yīng)有本發(fā)明后，可以使低頻帶的谷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)窗戶，而風(fēng)扇噪聲所在的頻率段的谷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)投影儀，因此可以同時(shí)兼顧兩個(gè)方向的噪聲源。
本發(fā)明并不限定于使用單指向性的傳聲器對(duì)來獲取向前和向后指向性信號(hào)，采用無指向性系統(tǒng)并利用圖1所示系統(tǒng)的運(yùn)算方法也可以得到向前和向后指向性信號(hào)。但采用單指向性的傳聲器對(duì)，對(duì)傳聲器的要求低，不需要特地選擇一種型號(hào)的傳聲器對(duì)，效果也不會(huì)因?yàn)閭髀暺餍阅艿淖兓l(fā)生大的降低；另外，可以在相當(dāng)小的空間尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍擴(kuò)大，對(duì)制造精度要求低，可以大大提高成品率。
本發(fā)明的系統(tǒng)也可以采用模擬元件來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪方法，包括以下步驟(a)分別拾取到向前指向性信號(hào)和向后指向性信號(hào)；(b)將所述向前和向后指向性信號(hào)以相同的頻帶劃分方式分解為多個(gè)向前子帶信號(hào)和多個(gè)向后子帶信號(hào)；(c)對(duì)各個(gè)頻帶，用向前子帶信號(hào)和向后子帶信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)除以向后子帶信號(hào)的功率，得到該頻帶的自適應(yīng)濾波器系數(shù)；(d)在各個(gè)頻帶上，用向前子帶信號(hào)減去向后子帶信號(hào)和該頻帶自適應(yīng)濾波器系數(shù)的乘積，再將所有差值相加，得到處理完的聲音信號(hào)。
2.如權(quán)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號(hào)均為數(shù)字采樣信號(hào)。
3.一種子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪系統(tǒng)，包括傳聲器組、自適應(yīng)濾波器、加法器，其特征在于，還包括兩個(gè)分析濾波器組，一個(gè)綜合濾波器組，且所述自適應(yīng)濾波器和加法器有多個(gè)，其中所述傳聲器組，用于拾取聲信號(hào)，產(chǎn)生向前和向后指向性信號(hào)；所述兩個(gè)分析濾波器組，分別用于將向前、向后指向性信號(hào)按相同的頻帶劃分方式分解為多個(gè)向前子帶信號(hào)和多個(gè)向后子帶信號(hào)；所述多個(gè)自適應(yīng)濾波器，分別用于將相應(yīng)頻帶的向后子帶信號(hào)乘以自適應(yīng)濾波系數(shù)，輸出向后子帶調(diào)整信號(hào)，所述自適應(yīng)濾波系數(shù)等于該頻帶向前子帶信號(hào)和向后子帶信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)除以向后子帶信號(hào)的功率；所述多個(gè)加法器，分別用于將各頻帶的向前子帶信號(hào)減去向后子帶調(diào)整信號(hào)并輸出；所述綜合濾波器組，用于將所有加法器的輸出累加，得到處理完的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳聲器組中包含采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于將拾取的模擬聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳聲器組是單指向性傳聲器對(duì)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種子帶自適應(yīng)谷點(diǎn)降噪系統(tǒng)和方法，傳聲器對(duì)拾取的向前和向后指向性信號(hào)輸入分析濾波器，分解為多個(gè)向前和向后子帶信號(hào)，在自適應(yīng)濾波器上將相應(yīng)頻帶的向后子帶信號(hào)乘以自適應(yīng)濾波系數(shù)，輸出向后子帶調(diào)整信號(hào)，再在加法器上將各頻帶的向前子帶信號(hào)減去向后子帶調(diào)整信號(hào)輸出，最后由綜合濾波器組將多個(gè)加法器的輸出累加，輸出處理完的信號(hào)。本發(fā)明通過在頻率上分帶，在幾個(gè)噪聲源分布在不同的頻率段并在不同方位的情況下，不同頻率段的谷點(diǎn)可以同時(shí)對(duì)準(zhǔn)幾個(gè)噪聲源，確保輸出信號(hào)中噪聲得到抑制，當(dāng)采用單指向性傳聲器對(duì)時(shí)，對(duì)傳聲器的要求低，效果穩(wěn)定，可以在相當(dāng)小的空間尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G10L21/02GK1700305SQ20041000656
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者程曉斌, 李曉東, 劉建, 顏永紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所, 北京中科信利技術(shù)有限公司