专利名称：多采样率阵列信号消噪法的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理与识别，特别是阵列信号消噪法。
背景技术：
信号消噪在通信及信号识别等领域都具有重要的应用价值。在众多的信号消噪方法中，自适应噪声抵消法(Adaptive Noise Cancellation，简称为ANC)可以适应多种噪声环境，对信号损伤小，可以说是一种最重要的信号消噪方法。近年来，研究者们发现基于两个传感器的ANC消噪系统的实际消噪性能是相当有限的，在宽带噪声场合尤其如此，要提高消噪效果，往往靠增加传感器数目以组成阵列来获得，并在阵列信号消噪领域已取得不少研究成果。
阵列信号消噪的性能一般随着传感器个数的增加而提高，而且使用ANC方法时由于各个参考传感器中不应含有有用信号，从而使得主传感器与参考传感器之间的距离通常需要很大，这就使得传感器阵的总体尺寸较大。然而，许多实际场合要求传感器阵总体尺寸必须很小，比如在手机和免提电话中，传感器阵(此时即麦克风阵)应能嵌入其中，这就要求阵列中的传感器个数不能过多，而且彼此之间的距离必须很小。但是，太少的传感器个数会限制信号消噪的效果，很短的距离则导致信号与噪声的交叉串扰(Cross-talk)现象十分严重的，致使普通的ANC方法失效。如何通过很少的传感器个数达到多个传感器的信号消噪效果，以及如何通过计算量小而稳定的算法从串扰信号中抵消噪声而提取有用信号，是微型阵列通过ANC法进行信号消噪的两个颇具挑战性的问题。
迄今为止，针对仅两路语音信号与噪声交叉串扰的场合，已见几种方案，如发表于1985年《国际声学、语音与信号处理会议论文集》第三卷1253-1256页，金瑟等人撰写的、名称为“一种新的自适应滤波器结构在串扰场合进行噪声抵消的一些实验与理论结果”(R.L.Zinser，G.Mirchandani，J.B.Evans.Some Experimental and Theoretical Results Using a New Adaptive FilterStructure for Noise Cancellation in the Presence of Cross-talk.Proc.ICASSP，Tampa，Vol.3，1253-1256，1985)一文、发表于1992年的《IEEE电路与系统学报》第39卷第10期681-694页，米阐达尼等人撰写的、名称为“一种新的在串扰场合的自适应噪声抵消方案”(G.Mirchandani，R.L.Zinser，J.B.Evans.A New Adaptive Noise Cancellation Scheme in the Presence of Crosstalk.IEEETransaction on Circuits and System，Vol.39，No.10，681-694，1992)、发表于1999年10月的《IEEE信号处理系统文集》605-614页，由郭等人撰写的“非对称抗串扰自适应噪声抵消器”(S.M.Kuo，W.M.Peng.AsymmetricCrosstalk-Resistant Adaptive Noise Canceler.Proc.IEEE Workshop on SignalProcessing Systems，October，605-614，1999)，但仅两路信号的噪声抵消法，其实际的语音消噪效果是有限的，况且，人们发现上述方法往往容易导致算法不稳定，甚至常常发散。一个十分稳定的方法是由马哈万等人撰写的“抗串扰自适应噪声抵消”，该文发表于1990年的《生物医学工程年刊》第18卷57-67页(G Madhavan，H.D.Bruin.Crosstalk Resistant Adaptive NoiseCancellation.Annals of Biomedical Engineering，Vol.18，57-67，1990)，该方法使用了三级滤波系统进行处理，计算量较大，而且是针对医学信号的。至于针对多于两路的阵列抗串扰信号消噪法，尚未见研究成果报道。
盲源分离法近年也被用于信号消噪，取得了一些理论成果，但计算量大，不利于实时实现，且需要传感器个数多于噪声源个数，因此盲源分离信号消噪法与许多实际应用尚有一定距离。
此外，对于不使用ANC方法的语音信号消噪系统，已有最早而且相当成熟的基于单个麦克风的谱相减法，该方法可使语音消噪系统体积最小，运算量也不大，可以实时实现。但会出现致命的“音乐噪声”问题，致使其消噪后的语音信号可懂度下降，甚至难以令人接受，而且，只适用于平稳噪声环境，适用范围较小。
发明内容
本发明将公开一种仅使用很少的传感器个数即可达到多个传感器的信号消噪效果的多采样率阵列信号消噪法，使得通过较少的传感器来实现较大的消噪量；本发明还公开了一种两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法，解决相距很近的传感器所组成的微型阵列的信号串扰问题，该方法可以通过计算量小而稳定的算法从串扰信号中抵消噪声而提取信号。
本发明主要是采用阵列信号多采样率法进行信号采样，然后进行信号消噪处理，进行消噪处理时可以是采用现有噪声抵消方法中的任何一种，如ANC法、阵列ANC法、有源消噪法等，而对于传感器相距很近，阵列中存在噪声与信号相互串扰的情况时(微型阵列尤其如此)，应采用阵列抗串扰噪声抵消法，特别是采用本发明中的两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法，它与上述的马哈万的方法一样，是一种非常稳定的方法，而且比马哈万的三级滤波系统少一级，直接从第二级的滤波器送出消噪信号，不仅降低了运算量，还常常比三级滤波系统的消噪效果有所提高。
1>阵列信号多采样率方法如下(1)在由两个或两个以上的传感器组成的传感器阵列中，选择一个传感器或一组传感器作为主传感器，其它的作为参考传感器。
比如对阵列中的N+1(N≥1)个传感器M0，M1，…，MN，选择M0为主传感器，M1，…，MN为参考传感器。
当选择一组传感器作为主传感器时，在随后进行的信号消噪前，需将各个主传感器采样获取的信号进行运算后形成事实上的一路主传感器信号，运算方法可以是诸如线性求和等方法。
(2)对从主传感器获取的信号，使用较低的采样速率进行数字化，一般使用信号通常的采样速率进行数字化，(如对语音通常为8KHz)，而对各参考传感器获取的信号，则使用较高的采样速率进行数字化，最好为整数倍于主传感器采样速率的速率以方便计算，(如对语音通常用数倍于普通语音处理的采样速率，例如24KHz)。
比如对主传感器M0拾取的信号x0(t)用采样速率f数字化得x0(k)，x0(k)＝x0(t)|t＝k/f，k＝0，1，2，…(这里也将离散信号与相应的数字使用相同的记号)；而对参考传感器Mi拾取的信号xi(t)则用采样速率f′＝pf数字化得xi(k′)，p＞1为正整数，i＝1，…，N，xi(k′)＝xi(t)|t＝k′/f′，k′＝0，1，2，…。
当然，对主传感器信号的采样速率也可使用与参考传感器相同甚至更高的采样速率，但在进行信号消噪之前甚至之后，丢弃一些采样点，形成事实上的主传感器其实较低的采样速率。
(3)为方便理解，可将每个参考传感器得到的数字信号视为等间隔下采样后与主传感器具有相同的采样速率的数列数字信号，从而得到数列参考信号，因此每个参考传感器犹如是数个参考传感器一般。
比如对每个由参考传感器Mi获得的xi(k′)，都令xi(j)(k)={xi(j),xi(p+j),···,xi(pk+j),···},]]>j＝0，1，…，p-1i＝1，…，N，则得Np个与主传感器具有相同的采样速率的参考信号xi(j)(k)。
2>两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法，具体方法为(1)将初始纯噪声阶段的所有参考传感器的数字信号输入第一级系统的滤波器A，调整滤波器A的系数，使滤波器A输出的数字信号与主传感器的数字信号误差功率最小。
比如调整下式中滤波器A的系数w使误差e1(k)的平方和最小e1(k)＝x0(k)-wx(k)其中w＝(w1，w2，…，wN)wi=(wi(0),wi(1),···,wi(p-1))]]>wi(j)=(wi(-L)(j),···,wi(-1)(j),wi0(j),wi1(j),···,wiL(j))]]>x(k)＝[x1(k)，x2(k)，…，xN(k)]Tx‾i(k)=[x‾i(0)(k),x‾i(1)(k),···,x‾i(p-1)(k)]T]]>x‾i(j)(k)=[xi(j)(k-L),···,xi(j)(k-1),]]>xi(j)(k),xi(j)(k+1),···,xi(j)(k+L)]T]]>而L的取法见下一步。
(2)第一级系统的滤波器A最好使用有限冲击响应滤波器，可采用因果滤波器形式，也可采用非因果滤波器形式以克服噪声可能先到达主传感器后到达参考传感器的不利影响，即应将各个参考信号及其延迟输入A(延迟时间可含正与负)，延迟点数L应大于L0=dfc,]]>其中d为主传感器与参考传感器之间的最大距离，f为主传感器的采样速率，c为信号传播速度，一般取L＝q·ceil(L0)，这里ceil(L0)为不小于L0的最小整数，在现有器件条件下，q通常取为10～50的正整数，滤波器A阶数于是为Np(2L+1)，N为参考传感器个数.。
(3)在纯噪声随后具有信号的阶段，保持滤波器A的系数不变，其输出信号与主传感器数字信号相减后的结果信号，作为第二级系统中滤波器B的输入，并调整滤波器B的系数，使滤波器B输出的数字信号与主传感器的数字信号误差功率最小。
比如调整下式中滤波器B的系数w使误差e2(k)的平方和最小e2(k)＝x0(k)-w′e1(k)其中w′＝(w′-L′，…，w′-1，w′0，w′1，…，w′L′)e1(k)＝[e1(k-L′)，…，e1(k-1)，e1(k)，e1(k+1)，…，e1(k+L′)]T而L′的取法见下一步。
(4)滤波器B的阶数中的L′根据确定滤波器A时的延迟采样点数L而确定，在现有器件条件下L′通常可取2L～4L。
(5)滤波器B的输出即为需要提取的消噪了的数字信号。
(6)噪声或信号环境改变时，重复上述(1)～(4)，重新调整滤波器A和B的系数以适应新的环境。
(7)该方法假定噪声与信号不相关。
上述方法可用于手机、电话、计算机外围设备等语音通信及语音识别系统，亦可用于水下声信号接收、阵列天线通信、生物医学信号提取及有源消噪等系统。
由于本发明采用阵列信号多采样率法进行信号采样，对参考传感器使用数倍于信号通常采样速率的采样速率，所以仅使用少数传感器，甚至仅两个传感器即可取得多个传感器组成的阵列消噪效果，而采用两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法进行信号消噪，可以以简单的算法、低廉的成本，较好地解决相距很近的传感器间的信号串扰问题。而且本发明不仅是解决两路信号的串扰问题，还解决了多路信号的串扰问题。试验表明本发明应用多速率采样法(MSR)和两级阵列抗交叉串扰自适应噪声抵消(ACRANC)方法，可使语音消噪效果大幅提高，而且允许麦克风彼此相距很近，以它们为基础的系统可以微型化，也易于实时实现，并适用于多种噪声环境，因此尤其适用用于免提电话、手机等的语音消噪。
图1是两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法的示意图；图2是本发明一种实施方式中麦克风1拾取的语音与噪声的混合信号图；图3是本发明一种实施方式中麦克风2拾取的语音与噪声的混合信号图；图4是本发明一种实施方式中用ACRANC法进行消噪后的语音信号图；图5是本发明一种实施方式中用MSR与ACRANC法进行消噪后的语音信号图。
具体实施方式
图1是两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法的示意图，其中x0为主传感器拾取的数字信号，x1，x2，…，xN为参考传感器拾取的数字信号，A、B分别为第一级和第二级滤波器，y1、y2分别为滤波器A、B的输出，而e1＝x0-y1，e2＝x0-y2。
为验证本方法的有效性，下面给出一个本发明的非限定实施例及其具体试验结果。该试验中，微型麦克风阵仅由两个中心相距2cm的小纽扣大小的麦克风组成，主麦克风信号的采样速率为8KHz，参考麦克风信号的采样速率为24KHz，语音为真实的语音“本段语音用于测试”，噪声为收音机失谐时的噪音(系宽带噪声)，语音开始前有1.5秒以上的纯噪声，试验在一个普通的54平方米的室内进行，室内摆放有计算机、桌椅等众多设备。
图2、图3分别给出了阵列中两个麦克风M0、M1采集到的含噪语音信号x0、x1，图中只画出了从0.5秒至第3.125秒的噪声与语音的混合信号图，通过试听，两个混合信号中的语音都被噪声严重污染，听者听不清说话人所说的内容。
图4为仅使用两级阵列抗交叉串扰自适应噪声抵消(ACRANC)方法而获得的语音消噪信号，图5为同时使用多采样率(MSR)方法及ACRANC方法而获得的语音消噪信号。图4与图5中都只画出了从0.5秒至3.125秒的有关信号图，而从0至0.5秒是优化滤波器系数时算法的初始收敛过程。
图2中的混合信号x0，在有语音阶段的语音与噪声的信噪比为2.970dB；而图3中的x1相应的信噪比为3.879dB；图4中消噪后语音的相应信噪比增加到5.657dB，其提取过程中滤波器A与B均采用因果型有限冲击响应滤波器，阶数分别任取为98与48，若滤波器A的阶数减小为32，所得消噪后语音的信噪比则减小为5.248dB；图5中所提取语音的相应信噪比却达到了15.323dB，其消噪过程中，滤波器A与B也均采用因果型有限冲击响应滤波器，阶数同样分别任取为98与48(若视输入滤波器A的参考信号为三路下采样后的信号，则此三路信号输入A的阶数均为32)，因此其计算量与获取图4中的消噪语音信号的计算量是相同的，但其语音消噪效果却有了很大的提高。通过试听，图4中噪声已有所减小，已可以听懂所说内容；而图5中噪声更是小得多，所说内容清晰好懂。
权利要求
1.多采样率阵列信号消噪法，包括信号采样法和信号消噪处理法，其特征在于所述信号采样法是阵列信号多采样率法，它是以下述方法进行采样(1)由两个或两个以上的传感器组成的传感器阵列中，选择一个传感器或一组传感器作为主传感器，其它的作为参考传感器；(2)对从主传感器或主传感器组获取的信号，使用较低的采样速率进行数字化，而对各参考传感器获取的信号，则使用更高的采样速率进行数字化。
2.根据权利要求1所述的阵列信号消噪法，其特征在于对主传感器信号使用该信号通常的采样速率进行数字化。
3.根据权利要求1所述的阵列信号消噪法，其特征在于参考传感器信号的采样速率为主传感器信号的采样速率的整数倍。
4.根据权利要求2所述的阵列信号消噪法，其特征在于参考传感器信号的采样速率为主传感器信号的采样速率的整数倍。
5.根据权利要求1～4中任何一项所述的阵列信号消噪法，其特征在于所述信号消噪处理法是两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法，具体为(1)若有多于一个的主传感器，将各路主传感器采样所得的数字信号合成一路主传感器数字信号；(2)使用两级滤波系统共两个滤波器进行信号消噪，并假定噪声与信号不相关；(3)将初始纯噪声阶段的参考传感器的数字信号输入系统的第一级滤波器A，调整滤波器A的系数，使滤波器A输出的数字信号与主传感器数字信号误差功率最小；(4)将各个参考信号及其延迟输入A，延迟点数根据主传感器与参考传感器之间的最大距离、主传感器的采样速率及信号的传播速度而确定；(5)在纯噪声随后具有信号的阶段，保持滤波器A的系数不变，其输出与主传感器数字信号相减后的结果信号，作为第二级系统中滤波器B的输入，并调整滤波器B的系数，使滤波器B输出的数字信号与主传感器的数字信号误差功率最小；(6)滤波器B的阶数根据确定滤波器A的延迟采样点数而确定；(7)滤波器B的输出即为需要提取的消噪了的数字信号；(8)噪声或信号所处环境发生改变时，重新调整滤波器A和B的系数以适应新的环境。
6.根据权利要求1～4中任何一项所述的阵列信号消噪法，其特征在于滤波器A使用有限冲击响应滤波器，采用因果滤波器形式，或者采用非因果滤波器形式以克服噪声可能先到达主传感器后到达参考传感器的不利影响。
7.根据权利要求5所述的阵列信号消噪法，其特征在于滤波器A使用有限冲击响应滤波器，采用因果滤波器形式，或者采用非因果滤波器形式以克服噪声可能先到达主传感器后到达参考传感器的不利影响。
全文摘要
本发明是一通过多采样率法大幅减少阵列的传感器个数，使用少数甚至仅两个传感器来达到多个传感器的信号消噪效果，二是通过两级阵列抗串扰自适应噪声抵消法使阵列中各传感器位置可以相当靠近，从而使阵列信号消噪系统微型化。试验表明，它可实用于手机、电话、计算机外围设备等语音通信及语音识别系统，亦可用于水下声信号接收、阵列天线通信、生物医学信号提取及有源消噪等系统。
文档编号H04R3/02GK1529528SQ0314343
公开日2004年9月15日 申请日期2003年9月28日 优先权日2003年9月28日
发明者曾庆宁 申请人:曾庆宁