专利名称：基于空间抵消的高增益扩音系统自激消除方法
技术领域：
本发明涉及基于空间抵消的自激消除方法，具体地说，涉及一种基于空间抵消的 高增益扩音系统自激消除方法。
背景技术：
现实生活中使用扩音系统对声音进行放大时，音源必须离麦克风足够近，否则就 需要将麦克风的增益调大。当麦克风的增益放大到一定程度时，系统就会啸叫，这是因为随 着放大增益的提高，麦克风拾取杂音的几率(灵敏度)提高了，经过扩音器放大的声音回到 麦克风被再次放大，从而形成自激，这种自激就是啸叫。已有的啸叫抑制方法有随机相位补偿技术和功率谱相消技术等。公开号为CN1767695的专利文献1提出了一种《无损语音质量的啸叫抑制方法》， 其特征在于首先将某时刻的音频输入信号经过分析滤波器组得到M个子带输入信号；然后 对其中M/2+1个的子带输入信号进行啸叫判断；若判断出某子带输入信号中存在啸叫，则 其相对应的子带输出信号经过一个随机相位器得到，若不存在啸叫，则其为子带输出信号； 将上述步骤得到的M/2+1个子带输出信号，利用子带信号的共轭特性得到全部M个子带输 出信号；最后将上述得到的M个子带输出信号经过合成滤波器组，得到音频输出信号。专利文献1的缺陷在于它是使回馈的音频信号与本身的音频信号相消。这样的缺 点是一方面削弱了想放大的有用信号，另一方面它实质上是通过降低系统增益来解决自激 问题，它依旧限制了系统的放大增益。公开号为CN1398054的专利文献2提出了一种《啸叫检测和抑制设备、方法和计算 机程序产品》，其特征包括频率分解处理部分，用于把每一个对应于一个时段的声音时间 信号段转换成每一个对应于一个频段的声音频率信号段；啸叫抑制部分，用于分别调整频 率分解处理部分转换的声音频率信号段的增益，生成啸叫抑制声音频率信号段；啸叫检测 部分，用于判断每一个啸叫抑制部分生成的啸叫抑制声音频率信号段是否存在啸声成分， 检测其中存在啸声成分的啸声频率信号段和其中不存在啸声成分的无啸声频率信号段；和 频率合成处理部分，用于合成啸叫抑制部分抑制的啸叫抑制声音频率信号段，生成啸叫抑 制声音时间信号段，从而，啸叫抑制部分通过改变啸声频率信号段的增益和让无啸声频率 信号段通过，分别调整声音频率信号段的增益。其中的频率分解处理部分，使得方法需要以 一个时段为处理时间单位。另外它需要生成额外的啸叫抑制信号，这类似于《无损语音质量 的啸叫抑制方法》，不同之处在于它调整的是检测出的存在啸声成分的啸声频率信号段的 增益。同时，专利文献1和2有一个共同的缺陷在于它们都是使回馈的音频信号与本身的 音频信号相消。这样的缺点是一方面削弱了想放大的有用信号，另一方面它们实质上是通 过降低系统增益来解决自激问题，因此它们依旧限制了系统的放大增益，只能抑制啸叫却 不能消除啸叫。公开号为CN 1926911A的专利文献3提供了一种《啸叫抑制装置、程序、集成电路 及啸叫抑制方法》，其特征在于产生与所述第1传声器接收并输出的第1音响信号相应的第1功率谱。产生与涉及至少包含所述扩大声而不包含所述目的声的声音的与第2音响信号 相应的第2功率谱。然后，根据所述第1功率谱和所述第2功率谱，滤除所述第1音响信号， 并仅将涉及所述目的声的音响信号输出到语音放大部分。专利文献3的特征要求获得至少包含扩大声而不包含目的声的功率谱，一方面这 一特征使得系统的复杂度增加，另一方面需要语音信号的延迟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空间抵消的高增益扩音系统自激消除方法，可解 决背景技术各方法的缺点。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种基于空间抵消的高增益扩音系统自激消除方法，其特征在于，包括以下步 骤⑴调试阶段a.处理模块控制A和B音箱发出稳定的N个单频信号Xl，-,Xi, ···，％;b.对每个单频信号一路不经任何处理直接合并后由A音箱输出；另一路各频率 独立加权幅度和相位，得到N个处理后的单频信号χ/，…，Xi’，···，％’，其中χ/ = X1； Ai为幅度权系数为相位权系数；找到最佳权系数(4，Δ钓)，(為，Δ灼)...(4ν，Δ%)，使 处理后的信号Xi’与A音箱中对应单频信号Xi以后在麦克风处相消为零；(2)自激消除阶段d)固定调试阶段寻找出来的最佳权系数；e)来自麦克风的语音宽带信号经过频率切片后为N个窄带信号，以调试阶段中的 N个单频信号X1, -,Xi,…，％为中心频率，将该窄带信号分为两路；f) 一路直接合并由A音箱输出；另一路通过各自独立的加权滤波器后，再叠加合 并由B音箱输出。上述方案中，所述的寻找最佳权系数(4，Δ约)的方法是第一步，寻找相位Δρ。设A音箱发出的单频信号为只= W1SinO^ +仍)；B音箱发出的单频信号为 少2 =為sinO^ + Ap +终)，其中仍,终为空间传播引起的相位，A1, A2为两个信号的幅度，Δ识为 加权的相位；在一个周期内采256个点，计算各点幅度的平方和，记为empl，推导可得empl 随Δρ呈正弦规律变化，它们间的关系可表示为1 =++ 0，其中Α，B， C为三个待定的未知参数；取四个相位Δ仍,Δ灼,Δ灼,Δ灼，记录相应的empl:，empl2, empl3, empl4，通过最小二乘法得到A，B, C。 则 Z = (XtX)-1XtY,得到 Α，B，C ；进而求得 为Δζ3 = 了-arcsin 第二步，寻找幅度Ap设麦克风收到的A音箱发出的单频信号为只=4 +仍)，B音箱为 y2 = A + (φ, ~π))；在一个周期内采256个点，计算各点幅度的平方和，记为emp2，A1保 持不变，改变A2，推导可得emp2随A2呈抛物线规律变化，则emp2 = aA22+bA2+c，其中a，b，c 为三个待定的未知参数。取四个幅度值A21，A22，A23，A24，记录相应的 empZp emp22, emp23, emp24，通过最小二 乘法得到待定参数a，b，c。记emp2 = aA22+bA2+c+ε，ε Ν(0，σ2)，式中 ε 为高斯白噪声， 则可得K = (PtP) -1PtQ,进而求得幅度为為=
-b_ 2a本发明采用空间抵消方式，将放大后各频率分量的语音信号分别加权处理从两路 音箱喇叭输出，使两路输出信号在麦克风处相互抵消。这样，通过阻止音箱输出的声音反馈 回麦克风的方法，使得麦克风回路可以具有极高的放大增益。本发明使回馈的两路自激信号自行相消，与目的信号独立，不对目的信号进行处 理，同时也不生成额外的抑制信号；另一方面，它是使导致啸叫的信号自行消除，而不是从 目的信号中滤除啸叫信号，这就从根本上解决了麦克风的自激问题，得到一种高增益的麦 克风啸叫消除方法。同时，这里我们只采用了 N级谐振器，却相当于对语音宽带信号进行了 M = 2*(N+1)段切片，因此本发明中的频率切片方法是一种有效减小硬件开销的频率切片方法。
因为，对于一个正整数M，炉O =rM ( =/合)，所以频率采样型滤波器的第i阶和
第M-i阶谐振器的输出是共轭对称的，它们合并后等于第i阶输出的实部的2倍，并且在实
际应用中去除直流和最高频，所以，在实际应用时，频率采样型滤波器只需要采用阶
谐振器，然后取各阶谐振器输出合并后的实部作为y(n)。因为人耳对相位不敏感，而该方法主要改变输出声音信号的相位，所以对各窄带 信号的处理是一种几乎无损语音质量的啸叫消除方法。同时，它独立于麦克风和音箱，因而 可以应用到各种类型的扩声系统中，具有极大的应用价值。
图1是本发明方法的原理示意图。图2是图1中处理模块的具体结构图。图3是图2中谐振器Hk(Z)的具体结构。
具体实施例方式下面结合附图通过具体实施对本发明进行详细说明。如图1所示，麦克风输入信号通过处理模块处理后由两个音箱A、B输出，在麦克风 处相互抵消(用叉表示)。处理模块处理原理如图2所示，处理模块主要包括AD转换，频 率切片部分，加权调整部分，叠加合并部分以及DA转换后输出。具体实施步骤如下本发明啸叫消除方法在应用前需要先用单频信号进行调试。此时固定麦克风和音 箱的位置。(1)调试阶段a.处理模块控制A和B音箱发出稳定的N个单频信号Xl，-,Xi, ···，％;b.对每个单频信号一路不经任何处理直接合并后由A音箱输出；另一路各频率
通过加权滤波器乘以je^A进行幅度和相位加权，得到N个处理后的单频信号Xl’，…， Xi’，…，χΝ' ；χ/=X1*'Ai为幅度权系数为相位权系数；找到最适于当前实际环境 的权系数(4，Δ仍)，(4，Αφ2)...(ΑΝ, Δ%)，使处理后的信号Xi’与A音箱中对应单频信号 Xi以后在麦克风处相消为零；最佳权系数(4，Δ仍)的获得分为两步第一步，寻找相位Δρ设A音箱发出的单频信号为只= W1SinO^ +仍)；B音箱发出的单频信号为 少2 =為sinO^ + Ap +终)，其中仍,终为空间传播引起的相位，A1, A2为两个信号的幅度，Δ识为 加权的相位；在一个周期内采256个点，计算各点幅度的平方和，记为empl，推导可得empl 随Δρ呈正弦规律变化，它们间的关系可表示为1 =++ 0，其中Α，B， C为三个待定的未知参数；取四个相位Δ仍,Δ灼,Δ灼,Δ外，记录相应的empl:，empl2, empl3, emp 14，通过最小二乘法得到理想曲线方程1 = Αζο^ ^φ +Β η ^φ + C + ε,ε - Ν{0,σ2)，式 中ε为高斯白噪声，记 则Z = (XtX)-1XtY,得到Α，B，C ；为了使empl最小，Δ炉由下式确定 第:
步，寻找幅度Ai0设麦克风收到的A音箱发出的单频信号为只=4 sin(wt +仍)，B音箱为 y2 = A + (φ, ~π))；在一个周期内采256个点，计算各点幅度的平方和，记为emp2，A1保 持不变，改变A2，推导可得emp2随A2呈抛物线规律变化，则emp2 = aA22+bA2+c，其中a，b，c 为三个待定的未知参数。取四个幅度值A21，A22，A23，A24，记录相应的 empZp emp22, emp23, emp24，通过最小二 乘法得到待定参数，emp2 = aA22+bA2+c+ε，ε Ν(0，σ2)，式中ε为高斯白噪声，
则可得K = (PtP) -1PtQ,进而求得相位为為= 对N个频率的信号依次做类似处理，得到最佳权系数[A1, ^φl),(A2, Δ终)...(4ν，，在后面的自激消除阶段使用。(2)自激消除阶段在实际应用中，麦克风所采集的信号为宽带语音信号。g)固定调试阶段寻找出来的最佳权系数；h)将语音信号经过频率选择型滤波器实现频率切片。频率选择型滤波器的结构如 图2 “频率切片”方框内所示，它是由两部分级联而成，第一部分是一个由N节延时单元所 组成的梳状滤波器，第二部分是一组并联的谐振器。每一个谐振器的具体结构如图3所示，
由两个乘法器、一个加法器和一个延时单元组成，其中『=eJf'，r为一个略小于1的正实
数，是为了保证频率切片系统稳定。来自麦克风的语音宽带信号经过频率切片后为N个窄带信号，以调试阶段中的N 个单频信号Xl，-,Xi,…，Xn为中心频率，将该窄带信号分为两路；一路直接合并由A音箱输出；另一路经过加权滤波器进行加权后合并由B音箱输 出，加权滤波器的结构如图2 “加权”方框内所示，通过一个乘法器对幅度和相位加权。
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权利要求
一种基于空间抵消的高增益扩音系统自激消除方法，其特征在于，包括以下步骤(1)调试阶段a.处理模块控制A和B音箱发出稳定的N个单频信号x1，…，xi，…，xN；b.对每个单频信号一路不经任何处理直接合并后由A音箱输出；另一路各频率独立加权幅度和相位，得到N个处理后的单频信号x1’，…，xi’，…，xN’，其中Ai为幅度权系数为相位权系数；找到最佳权系数使处理后的信号xi’与A音箱中对应单频信号xi以后在麦克风处相消为零；(2)自激消除阶段a)固定调试阶段寻找出来的最佳权系数；b)来自麦克风的语音宽带信号经过频率切片后为N个窄带信号，以调试阶段中的N个单频信号x1，…，xi，…，xN为中心频率，将该窄带信号分为两路；c)一路直接合并由A音箱输出；另一路通过各自独立的加权滤波器后，再叠加合并由B音箱输出。FDA0000024458380000011.tif,FDA0000024458380000012.tif,FDA0000024458380000013.tif
2.如权利要求1所述的基于空间抵消的高增益扩音系统自激消除方法，其特征在于， 所述的寻找最佳权系数(4，Δ仍.)的方法是第一步，寻找相位Δ识。设A音箱发出的单频信号为J1 =為SinO^ +仍)；B音箱发出的单频信号为 少2 =為sinO^ + Ap +终)，其中仍,终为空间传播引起的相位，A1, A2为两个信号的幅度，Δ识为 加权的相位；在一个周期内采256个点，计算各点幅度的平方和，记为empl，推导可得empl 随Δρ呈正弦规律变化，它们间的关系可表示为1 = ^cosAp + ^hinAp + C，其中A，B， C为三个待定的未知参数；取四个相位Δ仍,Δ灼,Δ灼,Δ灼，记录相应的empl empl2, empl3, empl4，通过最小二乘法得到A，B, C。 第二步，寻找幅度&。设麦克风收到的A音箱发出的单频信号为+仍)，B音箱为 y2 = A Sin(wt + (φλ -π))；在一个周期内采256个点，计算各点幅度的平方和，记为emp2，A1保 持不变，改变A2，推导可得emp2随A2呈抛物线规律变化，则emp2 = aA22+bA2+c，其中a，b，c 为三个待定的未知参数。取四个幅度值A21，A22，A23，A24，记录相应的empZi，emp22, emp23, emp24，通过最小二乘法 得到待定参数a，b，c。记 式中ε为高斯白噪声， 则可得K = (PtP) -1PtQ,进而求得幅度为A2=－b/2a。
全文摘要
本发明公开了一种基于空间抵消的高增益扩音系统自激消除方法，将放大后各频率分量的语音信号分别加权处理从两路音箱喇叭输出，使两路输出信号在麦克风处相互抵消。这样，通过阻止音箱输出的声音反馈回麦克风的方法，使得麦克风回路可以具有极高的放大增益。该方法使回馈的两路自激信号自行相消，与目的信号独立，不对目的信号进行处理，同时也不生成额外的抑制信号；另一方面，它是使导致啸叫的信号自行消除，而不是从目的信号中滤除啸叫信号，这就从根本上解决了麦克风的自激问题。
文档编号H04R3/02GK101902674SQ20101025295
公开日2010年12月1日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者张京晶, 殷勤业, 王晨, 穆鹏程, 蒲恺 申请人:西安交通大学