一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及声学【技术领域】，特别是涉及一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法和系统。本发明的一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法和系统，通过音频信号采集、信号时频变换、自整定系数计算、自相关矩阵计算、矩阵方程快速解算、频域滤波、反馈消除、滤波器系数更新、信号时频反变换这几个步骤实现自适应声反馈消除。本发明实现声反馈消除，并且可以降低对目标音频信号的损伤，在反馈通路动态变化的环境下，均能得到较好的反馈消除效果并保持较高的音频质量。该技术利用算法估计反馈通路传递函数的原理，对目标音频信号和反馈信号进行分离，从而实现反馈消除，而与反馈通路的具体类型、各种反馈通路的个数、目标声源和反馈声源的空间拓扑结构无关，并且不会产生很大的音频损伤。
【专利说明】一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及声学【技术领域】，特别是涉及一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法和系统。
【背景技术】
[0002]助听器已经成为了很多听力损伤人士日常生活中必不可少的一部分。助听器形状由传统的佩戴在身上的盒式机逐渐缩小到直接塞入耳道的隐蔽式的耳内机，而助听器的内部信号处理方式也从模拟电路过渡到现在的数字信号处理器。由于助听器体积的缩小，导致耳内机的麦克风和扬声器之间的相对距离比传统盒式机小了很多，因此，在同等的放大增益下，耳内机比盒式机更容易产生反馈，从而导致嘯叫，最终使得助听器无法正常放大所需要的声音。因为如此，耳内机的便携性、美观性与高放大增益直接构成了矛盾。
[0003]如今，助听器内部的信号处理方式从模拟电路发展到现在的数字信号处理芯片，而信号处理算法的发展给解决这一矛盾带来了很大的契机，一个有效的声反馈抑制算法可以在保证耳内机在高放大增益的情况下同时能够抑制嘯叫的发生。因此，对于高端助听器市场的竞争，实质上也就是声反馈抑制算法效果之间的竞争。声反馈抑制在有的文献也被称为“嘯叫抑制”、“声反馈控制”或“反馈消除”。
[0004]目前声反馈抑制的算法主要有两类，一类是基于嘯叫检测与抑制的算法，另一类是基于自适应滤波的反馈消除算法。
[0005]基于嘯叫检测与抑制的算法是监测系统以及信号的特征，并以此为依据进行判断，如果产生嘯叫，则对嘯叫成分进行抑制。由于判断的依据存在局限性，因此这种方法往往不能获得很好的效果。
[0006]嘯叫产生的根本原因在于扬声器和麦克风直接存在着反馈通路，使得扬声器发出的声音不断地反馈到麦克风中，然后进入助听器内部进行放大，产生了嘯叫。因此，人们尝试用算法在助听器内部估计扬声器和麦克风之间的反馈通路的传递函数，如果能够得到实际反馈通路的传递函数，那么反馈产生的嘯叫就能被彻底消除。而基于自适应滤波的声反馈消除算法正是用自适应滤波器实时估计产生嘯叫的反馈通路的传递函数，并将反馈信号从输入信号上进行消除，从而抑制嘯叫的发生。
[0007]总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是:如何能够提供一种自适应声反馈抑制的算法，以减少助听器嘯叫的发生并保持较高的放大增益和音频质量。
【发明内容】
[0008]解决上述技术问题，本发明提供了一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法和系统，使助听器在高放大增益的情况下抑制嘯叫，降低对目标音频信号的损伤，本发明在多种动态环境下，均能实现较好的嘯叫抑制效果。
[0009]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法，包括以下步骤:[0010]步骤1:将麦克风采集到的信号转化为数字音频信号，并将该数字音频信号定义为时域主信号，将输出到数模转换器的信号定义为时域参考信号，
[0011]步骤2:通过时频变换，将时域主信号和时域参考信号分别从时域转换成频域，得到频域主信号和频域参考信号；
[0012]步骤3:根据频域主信号和频域参考信号的能量计算出自适应滤波器的自整定系数；
[0013]步骤4:利用自适应滤波器的自整定系数和频域参考信号更新参考信号统计学自相关矩阵；
[0014]步骤5:基于所述参考信号统计学自相关矩阵，利用快速迭代算法解算矩阵方程，得到矩阵方程解算结果；[0015]步骤6:利用前一帧的频域自适应滤波器系数对当前帧的频域参考信号进行频域滤波，得到对当前帧主信号的频域反馈估计信号；
[0016]步骤7:将所述频域反馈估计信号从频域主信号中减去，得到反馈消除后的频域
残差号；
[0017]步骤8:根据频域残差信号、矩阵方程解算结果和频域参考信号更新频域自适应滤波器系数，将更新后的频域自适应滤波器系数定义为当前帧反馈通路传递函数；
[0018]步骤9:将频域残差信号从频域反变换到时域，得到时域残差信号，即时域上消除声反馈后的音频增强信号，以音频增强信号作为数模转换器的最后输出，同时作为下一帧的时域参考信号。
[0019]进一步的，所述步骤2中，将时域主信号和时域参考信号分别从时域转换成频域，频域频带数为K，时频变换后得到当前帧η第k频带的频域主信号sn，k和当前帧η第k频带的频域参考信号xn，k，其中，η为正整数，k e [O, K-1J0
[0020]进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤:
[0021]步骤31:对当前帧η频域主信号在K个频带上的能量分别进行计算:在第k个频带上，若当前帧η频域主信号的能量反>前一帧η-l频域主信号的平均能量，则将
当前帧η的频域主信号能量￡作为当前帧η频域主信号的平均能量=E、t，否则，则
采用迭代更新方法计算出当前帧η频域主信号的平均能量σ.2.,α =(1~ασ)Ε^ +ασσ；η ，其中，η为正整数，k e [Ο,Κ-l]；
[0022]对当前帧η频域参考信号在K个频带上的能量分别进行计算:在第k个频带上，若当前帧η频域参考信号的能量E >前一帧η-l的频域参考信号的平均能量
心u，则将当前帧η频域参考信号的能量Exnjt作为当前帧η频域参考信号的平均能
量，否则，则采用迭代更新方法计算出当前帧η频域参考信号的平均能量σ,2,α = [1-ασ)Esnk +ασ<?—u—，其中，η 为正整数，k e [O, K-1]；
[0023]上述步骤中，α。=1-171, L为自适应滤波器长度，
[0024]步骤32:对于K个频带，分别计算当前帧η在每个频带上的最大平均能量:在第k个频带上，根据当前帧η频域主信号的平均能量<?,_和当前帧n频域参考信号的平均能量计算当前帧η的最大平均能量An，k，计算方法为:
【权利要求】
1.一种基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于，包括: 步骤1:将麦克风采集到的信号转化为数字音频信号，并将该数字音频信号定义为时域主信号，将输出到数模转换器的信号定义为时域参考信号， 步骤2:通过时频变换，将时域主信号和时域参考信号分别从时域转换成频域，得到频域主信号和频域参考信号； 步骤3:根据频 域主信号和频域参考信号的能量计算出自适应滤波器的自整定系数；步骤4:利用自适应滤波器的自整定系数和频域参考信号更新参考信号统计学自相关矩阵； 步骤5:基于所述参考信号统计学自相关矩阵，利用快速迭代算法解算矩阵方程，得到矩阵方程解算结果； 步骤6:利用前一帧的频域自适应滤波器系数对当前帧的频域参考信号进行频域滤波，得到当前帧的频域反馈估计信号； 步骤7:将所述频域反馈估计信号从频域主信号中减去，得到反馈消除后的频域残差信号; 步骤8:根据频域残差信号、矩阵方程解算结果和频域参考信号更新频域自适应滤波器系数，将更新后的频域自适应滤波器系数定义为当前帧反馈通路传递函数； 步骤9:将频域残差信号从频域反变换到时域，得到时域残差信号，即时域上消除声反馈后的音频增强信号，以音频增强信号作为数模转换器的最后输出，同时作为下一帧的时域参考信号。
2.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤2中，将时域主信号和时域参考信号分别从时域转换成频域，频域频带数为K，时频变换后得到当前帧η第k频带的频域主信号sn，k和当前帧η第k频带的频域参考信号xn，k，其中，η为正整数，k e [O, K-1J0
3.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤3包括以下步骤: 步骤31:对当前帧η频域主信号在K个频带上的能量分别进行计算:在第k个频带上，若当前帧η频域主信号的能量五&>前一帧η-l频域主信号的平均能量σ'1A，则将当前帧η的频域主信号能量$作为当前帧η频域主信号的平均能量=Eihi，否则，则采用迭代更新方法计算出当前帧η频域主信号的平均能量Mt，其中，η为正整数，k e [Ο,Κ-l]； 对当前帧η频域参考信号在K个频带上的能量分别进行计算:在第k个频带上，若当前帧η频域参考信号的能量￡ >前一帧η-l的频域参考信号的平均能量，则将当前帧η频域参考信号的能量￡~作为当前帧η频域参考信号的平均能量σΛ2,,Λ ，否则，则采用迭代更新方法计算出当前帧η频域参考信号的平均能量+ασσΙ_ΙΛ，其中，η为正整数，k e [Ο,Κ-l]； 上述步骤中，α。=1-L^L为自适应滤波器长度；步骤32:对于K个频带，分别计算当前帧η在每个频带上的最大平均能量:在第k个频带上，根据频域主信号的平均能量和频域参考信号的平均能量σ2xnk计算当前帧n的最大平均能量Δn，k，计算方法为
4.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤4中，利用自适应滤波器的自整定系数和频域参考信号更新所述参考信号统计学自相关矩阵，对于K个频带，当前帧η第k个频带上更新所述统计学自相关矩阵的具体公式为:
5.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤5中，所述矩阵方程是:
6.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤6中，对于K个频带，分别利用前一帧η-l计算得到的频域自适应滤波器系数对当前帧η的频域参考信号进行频域滤波，当前帧η第k个频带的频域滤波公式为yn,k=hn-1 H xn,k,其中，η为正整数，k ∈ [0,k-1], yn，k是当前帧频域主信号中第k个频带的反馈估计信号，邕#是前一帧η-l计算得到的频域自适应滤波器系数，xn,k=[xn xn-1...xn-L+1]r。
7.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤7中，用反馈估计信号对频域主信号进行频域反馈消除，对于K个频带，第k个频带的反馈消除公式为en,k=sn,k-yn,k,其中，n为正整数,k∈ [O, k-1], en，k是当前帧第k个频带反馈消除后的频域残差信号，即消除声反馈后第k个频带上的音频增强信号，sn，k是当前帧第k个频带的主信号。
8.根据权利要求1所述的基于变换域的自适应声反馈消除的方法，其特征在于:所述步骤8中，利用当前帧η矩阵方程的解算结果、频域参考信号和频域残差信号更新滤波器系数，对于K个频带，第k个频带上的自适应滤波器系数更新公式具体为:Kk = h?-uc + μ.Υ,,?-.e,a，其中，K-Kk为前一帧η-l第k个频带的自适应滤波器系数，μ为自适应滤波器收敛步长，Ylhk=Hk， ^nJc —Qt-lyk _..^n-JV+l,i J ，C?,i = [X?,t Xn-l,k...Xn-L+l.k ]。
9.一种基于变换域的自适应声反馈消除的系统，其特征在于，包括: 音频信号采集模块，用于将麦克风采集到的信号转化为数字音频信号，并将该数字音频信号定义为时域主信号，将输出到数模转换器的信号定义为时域参考信号； 信号时频变换模块，用于利用时频变换算法，将时域主信号和时域参考信号分别从时域转换成频域，得到频域主信号和频域参考信号； 自整定系数计算模块，用于根据频域主信号和频域参考信号的能量计算出自适应滤波器的自整定系数； 自相关矩阵计算模块，利用自适应滤波器的自整定系数和频域参考信号更新参考信号统计学自相关矩阵； 矩阵方程快速解算模块，用于基于所述参考信号统计学自相关矩阵，利用快速迭代算法解算矩阵方程，得到矩阵方程解算结果； 频域滤波模块，用于利用前一帧的频域自适应滤波器系数对当前帧的频域参考信号进行频域滤波，得到当前帧的频域反馈估计信号； 反馈消除模块，用于将所述频域反馈估计信号从频域主信号中减去，得到反馈消除后的频域残差信号； 滤波器系数更新模块，用于根据频域残差信号、矩阵方程解算结果和频域参考信号更新频域自适应滤波器的系数，更新后的频域自适应滤波器系数定义为当前帧反馈通路传递函数； 信号时频反变换模块，用于将频域残差信号从频域反变换到时域，得到时域残差信号，即时域上消除声反馈后的音频增强信号，以音频增强信号作为数模转换器的最后输出，同时作为下一帧的时 域参考信号。
【文档编号】H04R25/00GK103929704SQ201410130980
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】梁维谦, 薛行栋 申请人:厦门莱亚特医疗器械有限公司