专利名称：一种麦克风阵列降噪控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及麦克风阵列自适应降噪控制技术领域，具体地说，涉及一种麦克风阵 列降噪控制方法及装置。
背景技术：
无线移动通讯技术和设备在人们的寻常生活和工作中已经得到了广泛应用，解除 了人们通讯的时空约束，为人们提供了极大的便禾ij。但是由于没有了时空的限制，因此通讯 的环境会是复杂多变的，其中包括吵杂的环境，其中的噪声会使得通话的语音质量严重下 降，因此抑制噪声的语音增强技术在现代通讯中有重要的应用。目前常用的语音增强技术中有单麦克风谱减语音增强技术，也叫单通道谱减语音 增强技术，比如专利文献1(CN1684143A)和专利文献2 (CN101477800A)中所公开的语音增 强技术。这种技术有以下缺陷首先只能抑制稳态的噪声，对非稳态的噪声(如商城超市里 的周围人的说话声)没有明显的抑制效果；其次在信噪比较低时，不能准确统计出噪声能 量，从而会对语音造成损害；最后此技术对噪声能量的估计需要一段较长的统计时间，从而 在噪声出现一段时间后降噪才会有效。专利文献3中提供了另一种更优的两个或多个麦克风组成的麦克风阵列语音增 强技术，通过自适应滤波器用一个麦克风接收到的噪声抵消另一个麦克风接收到的信号中 的噪声成分，保留语音成分。由于实际中两个麦克风接收的信号都有语音成分，降噪的同时 也会损害到语音，因此这种技术的一个关键难点是如何控制自适应滤波器的收敛和滤波， 以保证有效的抑制噪声同时保护一个麦克风中的语音不会被另一个麦克风中的语音抵消。在专利文献4中，通过设计特定的麦克风位置使得麦克风阵列具有指向性，而在 专利文献3中则直接使用指向性麦克风，这样对来自不同方向信号的能量响应不一样，因 此通过比较能量差异来判断信号的方向，从而控制噪声的消除。但是，这种方法首先对麦克 风有严格要求，如麦克风的一致性要求，或指向性麦克风需要严格设计以有明显的指向性， 从而有较大限制；其次此方法无法在大噪声情况下准确判断语音状态，也就不能准确控制 自适应滤波器的降噪，因此在降噪的同时会损害到语音。专利文献1 中国发明专利公告第CN1684143号专利文献2 中国发明专利公告第CN101477800号专利文献3 中国发明专利公告第CN101466055号专利文献4 中国发明专利公告第CN101466056号
发明内容
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明要解决的问题就是如何利用两个或多 个麦克风组成的麦克风阵列来准确判断语音状态，从而有效控制自适应滤波器消除噪声， 提高信噪比，同时很好的保护语音质量。为了解决上述技术问题，本发明提供一种麦克风阵列自适应降噪控制方法，包括如下步骤如下步骤Sl 麦克风阵列采集声音信号；S2 确定麦克风阵列所有声音信号的入射角度；S3 根据入射角度进行信号成分的统计；S4 根据统计结果对自适应滤波器进行控制。进一步，确定声音的入射角度的步骤包括S201 把声音信号进行频域变换，或进行子带变换；S202:计算出麦克风阵列信号各个频率子带的相位差，并由相位差计算出麦克风 阵列信号各频率子带的相对延时；S203 根据各频率子带的相对延时计算出麦克风阵列信号的入射角度。其中，在步骤S4中，在只有噪声时，自适应滤波器快速更新；在存在目标信号时， 自适应滤波器缓慢更新。优选的，利用控制参数α来控制自适应滤波器的更新速度，其中，α的值由统计 结果中噪声成分所占的比率确定；α越小，自适应滤波器更新越慢；α为0时，声音信号全 部为目标语音信号，自适应滤波器不更新；反之，α为1时，声音信号全部为噪声信号，自适 应滤波器以最快速度更新。优选的，在步骤S2之后，进一步包括设置一角度过渡范围，根据目标语音信号 的多少将整个空间区分为若干区域，根据所述入射角度所在的区域计算出参数β，并将
是作为自适应滤波器的控制参数。进一步，将整个空间区分为保护区域、过渡区域和抑制区域，入射角在保护区域内 β = 0 ；入射角在过渡区域内0 < β < 1，入射角在抑制区域β = 1。其中把声音信号进行频域变换的步骤进一步包括S2011 对声音信号进行分帧处理；S2012 将分帧处理后的每帧信号进行加窗处理；S2013 将加窗后的数据进行DFT转换到频域。进一步，在步骤S2011中，对声音信号Si进行分帧处理(i = 1，2)，每帧N个采样 点，或帧长IOms 32ms，设第m帧信号是(Ii (m，η)，其中0彡η < N，0彡m ；相邻两帧有M个 采样点的混叠，每帧有L = N-M个采样点的新数据；第m帧数据为Cli (m, n) = Si (m*L+n)。另一方面，本发明还提供一种麦克风阵列降噪控制装置，包括麦克风阵列，用于 采集声音信号；滤波控制单元，用于确定麦克风阵列所有声音信号的入射角度，并根据入射 角度进行信号成分的统计，然后根据信号成分的统计结果对自适应滤波器进行控制；自适 应滤波器，用于滤除噪声。其中，滤波控制单元包括DFT单元，用于把声音信号进行离散傅里叶变换变换到 频域；信号延时估计单元，用于计算麦克风阵列信号各个频率子带的相位差，并由相位差计 算出麦克风阵列信号各频率子带的相对延时；信号方向估计单元，用于根据各频率子带的 相对延时计算出麦克风阵列信号的入射角度；信号成分统计单元，用于根据所述入射角度 进行目标信号成分的统计，区分得到目标信号成分和噪声成分。进一步，DFT单元包括分帧单元；用于对声音信号进行分帧处理；加窗单元，用于 将分帧处理后的每帧信号进行加窗处理；DFT转换单元，用于将加窗后的数据进行DFT转换到频域。此外，优选的，本发明所提供技术方案中的麦克风阵列全部由全指向麦克风组成 或者由全指向麦克风和单指向麦克风组成或者全部由单指向麦克风组成。采取了以上的技术后，利用麦克风阵列直接得到声音的空间方位信息，充分利用 方位信息更准确控制自适应滤波器的更新滤波，有效降低噪声同时很好的保护语音。另外， 本技术不需要信号的能量信息，不会对两个麦克风一致性有严格要求，也不会受能量变化 的影响。
通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得 更加清楚和容易理解。图1是表示本发明提供的一种实施方案的两个麦克风阵列的位置示意图；图2是本发明提供的一种双麦克实施方案的简单原理示意图；图3是本发明提供的一种麦克风阵列实施方案的简单原理示意图；图4是本发明提供的一种双麦克时域自适应滤波器降噪实施方案的原理示意图；图5是本发明提供的一种双麦克频域(子带)自适应滤波器降噪实施方案的原理 示意图；图6a是本发明提供的一种实施方案降噪处理前的带噪语音信号波形图；图6b是本发明提供的一种实施方案降噪处理后的语音信号波形图；图7是本发明提供的一种两个麦克风阵列的位置示意图；图8是本发明提供的一种适用于双麦克耳机的两个麦克风阵列的位置示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。在现有的麦克风降噪处理技术中，以两个麦克风组成的麦克风阵列为例，一般是 利用两个麦克风采集到的声信号和一个自适应滤波器进行降噪处理，其中将两个麦克风采 集到的声信号分别作为带噪语音信号S1和参考信号&。首先把参考信号&输入到自适应 滤波器进行滤波，输出信号噪声信号S3，带噪语音信号S1信号减去&得到信号y，同时y反 馈回自适应滤波器更新滤波器权值。当y能量大时，自适应滤波器快速更新，以使得&不 断接近S1，然后S1和&相减得到的y能量不断变小；当& = S1时，y能量最小，自适应滤波 器停止更新，从而达到用&抑制S1的效果。当麦克风阵列接收到的Sl、s2中只有噪声信号时，通过自适应滤波器可以把噪声 很好的抑制。但当S1^2中有语音信号时，自适应滤波器为了使&和sl抵消后的y能量最 小也会把其中的语音信号抵消掉，从而造成语音的损害。因此为了保证语音不会被抑制，本 发明提供了一种利用声音入射方向控制自适应滤波器更新和滤波的方法，能够使得自适应 滤波器在语音出现时不会损害语音。图1是表示本发明提供的一种实施方案的两个麦克风阵列的位置示意图。如图1 所示，在本实施方案中，麦克风阵列由两个全指向性麦克风miC_a、miC_b组成，麦克风的间 距D = 2cm，使用者在图1中所示的-45度与45度间的范围内说话。
图2是本发明提供的双麦克风语音增强控制实施方案的简单原理示意图。如图2 所示，两个全指向性麦克风mic_a、mic_b分别采集到声信号Sl、s2。需要说明的是，在本实 施方案的进行降噪处理的过程中，将声音信号S1作为期望语音信号，将声音信号&作为参 考信号处理。首先通过一个滤波控制单元对声信号Sl、&进行处理得到控制参数α ；然后 自适应滤波器H根据控制参数α调整更新速度，并计算出噪声信号期望语音信号S1减 去噪声信号&即得到降噪后的语音信号y，同时y反馈回自适应滤波器更新滤波器权值，以 使得y中噪声的能量最小，语音能量不变，从而达到在抑制噪声的同时保护语音的效果。图3是本发明提供的一种由多个麦克风组成麦克风阵列实施方案的简单原理示
意图。如图3所示，n+1个全指向性麦克风miC_a、miC_bl......mic_bn组成一个麦克风阵
列，在本实施例的进行降噪处理的过程中，将麦克风mic_a所采集到得声音信号作为期望 语音信号sl，将mic_bl......mic_bn所采集到得声音信号作为参考信号处理。图3所提供的麦克风阵列实施方案与图2的双麦克风实施方案不同的是，麦克风
阵列中提供参考信号的麦克风有η个(mic_bl......mic_bn)，自适应滤波器控制模块分别
将这η个麦克风所采集的声音信号与mic_a所采集的声音信号进行处理，得出η个控制参
数α ,,η个(HI......Hn)自适应滤波器Hi (i = 1. . . η)根据控制参数α ,调整更新速度，
并计算η个出噪声信号，这η个噪声信号累加，得到最终的噪声信号& ；然后从期望语音信 号S1减去噪声信号&即得到降噪后的语音信号y。同时y反馈回自适应滤波器更新滤波 器权值，以使得y中噪声的能量最小，语音能量不变，从而达到抑制噪声保护语音的效果。在上述图2以及图3所示的实施方案中，自适应滤波器均可选用时域自适应滤波 器或者频域自适应滤波器。下面分别以时域自适应滤波器和频域自适应滤波器为例来对本 发明的降噪实施方案进行详细的说明。图4是本发明提供的一种双麦克时域自适应滤波器降噪实施方案的原理示意图。 如图4所示，麦克风阵列由两个全指向性麦克风mic_a、mic_b组成；首先两个麦克风以fs =8kHz的采样频率接收到信号Sl、S2，其中将信号S1作为期望语音信号，将信号&作为参 考信号。然后由滤波控制单元对信号进行处理，输出控制参数α给自适应滤波器。自适应 滤波器根据控制参数α对其权值进行约束，来进行相应速度的更新和滤波，并输出噪声信 号& ；将噪声信号&与期望语音信号S1中的噪声抵消，就得到最终的降噪语音信号1。其中滤波控制单元包括DFT单元、信号延时估计单元、信号方向估计单元和信号 成分统计单元，DFT单元把两路信号分别进行离散傅里叶变换到频域；转换到频域后的信 号输入到麦克风信号延时估计单元算出两路信号每个频率子带的相位差，然后根据相位差 计算出两路信号各频率子带的相对延时；设置目标语音来自0度方向，信号方向估计单元 把两路信号各个频率子带的相对延时换算出它们的入射角度，根据入射角度就可以区分保 护角内的目标语音成分和保护角外的噪声成分；信号成分统计单元统计入射角在保护角内 的目标语音信号的成分，并计算出控制参数α (0 < α < 1)。其中，保护角外的噪声成分越多，说明控制参数α越大，则自适应滤波器更新越 快；当接收到的信号全是保护角外的噪声成分时，α = 1，自适应滤波器在噪声段进行最快 更新，从而抑制噪声信号。反之，在保护角内的目标信号成分越多，α越小，自适应滤波器更新越慢；当信号 全是目标语音成分时，α =0，自适应滤波器约束滤波器的权值在语音段停止更新以保护期望语音信号S1中的语音不会被抵消，从而很好的保护目标语音不受到损害。在图4中，降噪语音信号y被反馈回时域自适应滤波器H，当y能量大时，自适应滤 波器快速更新，以使得&不断接近S1，然后S1和&相减得到的y能量不断变小，当& = S1 时，y能量最小，自适应滤波器停止更新，从而达到用&抑制S1的效果。在图4中，滤波控制单元的具体处理过程如下DFT单元对信号Sl，S2做离散傅立叶变换首先对Si进行分帧处理(i = 1，2)，每 帧N个采样点，或帧长IOms 32ms，设第m帧信号是(Ii (m，η)，其中0彡η < N，0彡m。相 邻两帧有M(M = 128 19 个采样点的混叠，即当前帧的前M个采样点是前一帧的最后M 个采样点，每帧只有L = N-M个采样点的新数据。因此第m帧数据为CliOiun) = Si (m*L+n)。 本实施方案取帧长N = 256，即3&1S，混叠M = 128，即50%的混叠。分帧处理后对每帧信 号用窗函数win (η)进行加窗处理，加窗后的数据为&(m，n) = win (η) (m，η)。窗函数可 选择汉明窗，汉宁窗等窗函数，本实施方案选取汉宁窗
权利要求
1.一种麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，包括如下步骤51麦克风阵列采集声音信号；52确定麦克风阵列所有声音信号的入射角度；53根据入射角度进行信号成分的统计；54根据统计结果对自适应滤波器进行控制。
2.按照权利要求1所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，所述确定声音的入 射角度的步骤包括5201把声音信号进行频域变换，或进行子带变换；5202计算出麦克风阵列信号各个频率子带的相位差，并由相位差计算出麦克风阵列 信号各频率子带的相对延时；5203根据各频率子带的相对延时计算出麦克风阵列信号的入射角度。
3.按照权利要求1或2所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，在步骤S4中，具 体的，在只有噪声时，自适应滤波器快速更新；在存在目标信号时，自适应滤波器缓慢更新。
4.按照权利要求3所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，利用控制参数α来控制自适应滤波器的更新速度，其中，α的值由统计结果中噪声成 分所占的比率确定；α越小，自适应滤波器更新越慢；α为0时，声音信号全部为目标语音信号，自适应滤 波器不更新；反之，α为1时，声音信号全部为噪声信号，自适应滤波器以最快速度更新。
5.按照权利要求4所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，在步骤S2之后，进一 步包括设置一角度过渡范围，根据目标语音信号的多少将整个空间区分为若干区域，根据所 述入射角度所在的区域计算出参数β，并将是作为自适应滤波器的控制参数。
6.按照权利要求5所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，将整个空间区分为保护区域、过渡区域和抑制区域，入射角在保护区域内β =0;入射 角在过渡区域内0 < β < 1，入射角在抑制区域β = 1。
7.按照权利要求2所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，所述把声音信号进 行频域变换的步骤进一步包括52011对声音信号进行分帧处理；52012将分帧处理后的每帧信号进行加窗处理；52013将加窗后的数据进行DFT转换到频域。
8.按照权利要求7所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于，在步骤S2011中， 对声音信号Si进行分帧处理(i = 1，2)，每帧N个采样点，或帧长IOms 32ms，设第m帧信号是Cli (m，η)，其中0 < η < N，0 < m ；相邻两帧有M个采样点的混叠，每帧有L = N-M 个采样点的新数据；第 m 帧数据为 Cli (m，η) = Si (m*L+n)。
9.按照权利要求8所述的麦克风阵列降噪控制方法，其特征在于， 取 N = 256，混叠 M = 128 192。
10.一种麦克风阵列降噪控制装置，包括麦克风阵列，用于采集声音信号；滤波控制单元，用于确定麦克风阵列所有声音信号的入射角度，并根据入射角度进行 信号成分的统计，然后根据信号成分的统计结果对自适应滤波器进行控制； 自适应滤波器，用于滤除噪声。
11.按照权利要求10所述的麦克风阵列降噪控制装置，其特征在于，所述滤波控制单 元包括DFT单元，用于把声音信号进行离散傅里叶变换变换到频域；信号延时估计单元，用于计算麦克风阵列信号各个频率子带的相位差，并由相位差计 算出麦克风阵列信号各频率子带的相对延时；信号方向估计单元，用于根据各频率子带的相对延时计算出麦克风阵列信号的入射角度；信号成分统计单元，用于根据所述入射角度进行目标信号成分的统计，区分得到目标 信号成分和噪声成分。
12.按照权利要求11所述的麦克风阵列降噪控制装置，其特征在于，所述DFT单元包括分帧单元；用于对声音信号进行分帧处理； 加窗单元，用于将分帧处理后的每帧信号进行加窗处理； DFT转换单元，用于将加窗后的数据进行DFT转换到频域。
13.按照权利要求10至13中任一项所述的麦克风阵列降噪控制装置，其特征在于，所 述麦克风阵列全部由全指向麦克风组成或者由全指向麦克风和单指向麦克风组成或者全 部由单指向麦克风组成。
全文摘要
本发明提供一种麦克风阵列降噪控制方法和麦克风阵列降噪控制装置，其中的方法包括如下步骤S1麦克风阵列采集声音信号；S2确定麦克风阵列所有声音信号的入射角度；S3根据入射角度进行信号成分的统计；S4根据统计结果对自适应滤波器进行控制。通过本发明，利用麦克风阵列直接得到声音的空间方位信息，充分利用方位信息更准确的控制自适应滤波器更新滤波，消除噪声，提高信噪比，同时很好的保护语音质量。
文档编号G10L21/02GK102111697SQ20091026542
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者刘崧, 李波, 楼厦厦 申请人:歌尔声学股份有限公司