低功耗的高效降噪耳机及降噪系统的制作方法

本发明涉及声音信号处理技术领域，特别涉及低功耗的高效降噪耳机及降噪系统。

背景技术：

随着社会进步和人民生活水平的提高，耳机已成为人们生活中必不可少的生活用品。人们常常在大街，公共汽车，地铁接听和拨打电话，这类环境中的噪声，会被耳机的通话麦克风所拾取，和我们说话的内容混到一起，被上行发送到对方电话的听筒中，影响对方接听电话的语音质量，因此上行降噪技术是十分有必要的。另外，内置语音助手的无线智能耳机，可以帮助用户查询天气、接打电话、播报天气、监测心率等，基于深度学习的智能音乐推荐系统，还会根据你的听歌习惯、实时心率、活动场景等，进行精准多元的音乐推荐，具有这种功能的耳机得到越来越多的用户的认可，但是这种耳机一般功耗较大，待机时间短。

现有的两种通话耳机，一种是基于单麦克的降噪耳机，上行通话只有单麦克降噪功能，降噪能力有限，仅对平稳噪声效果好，滤除环境中其它噪声的效果差，在商场，地铁等环境中打电话，上行通话质量差。另一种是基于波束成形的双麦克降噪耳机，比单麦克降噪效果好，但是只能抑制非主方向上的干扰信号，且如果用户佩戴姿势不正确的话，通话人的语音也会有损失。

因此，为了解决上述问题，需要一种降低了耳机功耗，提高了检测准确度，实现了耳机高效降噪低功耗的高效降噪耳机及降噪系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种实现降低功耗，高效降噪的耳机，通过在耳机前端布置一个耳道麦克，伸入佩戴者耳道内进行语音活动检测，以及辅助耳机降噪。

本发明的一个方面在于提供一种低功耗的高效降噪耳机，所述耳机包括耳机壳体，所述耳机壳体内容纳播放喇叭，所述播放喇叭与信号处理芯片连接；

所述耳机还包括在所述耳机壳体前端布置的耳道麦克，使所述耳道麦克伸入到佩戴者耳道内；

所述耳机还包括通话麦克，所述耳道麦克采集低频语音信号进行语音活动检测，判断是否有人在讲话，从而指导上行通话通路对通话麦克采集到的信号做噪声估计，进而对所述通话麦克的语音信号进行噪声抑制。

优选地，所述耳机还包括前馈麦克，所述前馈麦克位于所述耳机壳体的后端，用于采集噪声信号。

本发明的另一个方面在于提供一种低功耗的高效降噪耳机，所述耳机包括耳机壳体，所述耳机壳体内容纳播放喇叭，所述播放喇叭与信号处理芯片连接；

所述耳机还包括在所述耳机壳体前端布置的耳道麦克，使所述耳道麦克伸入到佩戴者耳道内；

所述耳机还包括前馈麦克，所述前馈麦克位于所述耳机壳体的后端，用于采集噪声信号。

本发明的再一个方面在于提供一种低功耗的高效降噪系统，所述系统包括耳道麦克、通话麦克和信号处理芯片，其中所述耳道麦克内集成第一特征提取模块和第一语音信号检测模块，所述信号处理芯片包括第二特征提取模块、第二语音信号检测模块、回声消除模块和噪声抑制模块，

所述耳道麦克采集佩戴者耳道内的声音信号，由所述第一特征提取模块进行声音信号特征提取；

所述第一语音信号检测模块对所述第一特征提取模块提取的声音信号进行检测，若声音信号中具有语音信号，则将声音信号传输至所述信号处理芯片进行信号处理。

优选地，所述回声消除模块接收来自耳道麦克的声音信号进行回声消除；

所述第二特征提取模块，对回声消除后的声音信号进行声音信号特征提取；

所述第二语音检测模块，用于对所述第二特征提取模块提取的声音信号进行检测，若声音信号中不具有语音信号，则将声音信号传输至所述噪声抑制模块；

所述通话麦克采集语音信号，用于并将语音信号传输至所述噪声抑制模块；

所述噪声抑制模块，通过所述声音信号对所述通话麦克采集语音信号进行噪声抑制。

优选地，所述系统还包括前馈麦克，所述信号处理芯片还包括单麦克噪声抑制模块，其中

所述前馈麦克采集耳机周围噪声加语音信号，并将噪声信号通过滤波器后取反传输至耳道内，实现主动降噪功能，降低耳道内的噪声，同时将采集到的原始信号送入单麦克降噪模块，进行回声消除；

对回声消除后的声音信号传输至所述单麦克噪声抑制模块；

所述单麦克噪声抑制模块根据语音活动检测结果对噪声信号进行统计，对带噪语音信号中的噪声进行抑制；

所述单麦克噪声抑制模块噪声抑制后的语音信号进行高通滤波后与耳道麦克采集的低频语音信号进行数据均衡后输出。

优选地，所述信号处理芯片还包括高通滤波电路，所述高通滤波电路对噪声抑制模块处理后的语音信号进行高通滤波。

优选地，所述单噪声抑制模块对前馈抑噪后的声音信号进行数据均衡。

本发明的又一个方面在于提供一种低功耗的高效降噪系统，所述系统包括耳道麦克、前馈麦克和信号处理芯片，其中所述耳道麦克内集成第一特征提取模块和第一语音信号检测模块，所述信号处理芯片包括回声消除模块和单麦克噪声抑制模块，

所述耳道麦克采集佩戴者耳道内的声音信号，由所述第一特征提取模块进行声音信号特征提取；

所述第一语音信号检测模块对所述第一特征提取模块提取的声音信号进行检测，若声音信号中具有语音信号，则将声音信号传输至所述信号处理芯片进行信号处理。

优选地，所述回声消除模块接收来自耳道麦克的声音信号进行回声消除；

所述前馈麦克采集耳机周围噪声加语音信号，并将噪声信号通过滤波器后取反传输至耳道内，实现主动降噪功能，降低耳道内的噪声，同时将采集到的原始信号送入单麦克降噪模块，进行回声消除；

对回声消除后的声音信号传输至所述单麦克噪声抑制模块；

所述单麦克噪声抑制模块根据耳道麦克语音活动检测的结果，对噪声进行统计，对通话声音信号进行噪声抑制。

本发明低功耗的高效降噪耳机及降噪系统，利用耳道内的耳道麦克采集耳道内传来的佩戴者的语音，语音清晰度高，信噪比高，可以提高VAD检测准确度。本发明一方面针对普通耳机，耳道内增加一个耳道麦克，实现耳机佩戴者的VAD(语音活动检测)。另一方面针对主动降噪的混合降噪耳机，利用前馈麦克和耳道麦克形成前馈反馈混合降噪，提高耳机佩戴者VAD检测准确度，同时本发明结合前馈降噪形成双麦克降噪，实现上行通话降噪不仅有效的抑制平稳噪声，而且可以滤除环境中的非平稳噪声(环境中的人声，音乐等)。

本发明通过在耳机前端设置一个耳道麦克，通过伸入到佩戴者耳道内进行语音活动检测，并辅助耳机进行降噪，降低了耳机功耗，提高了检测准确度，实现了耳机高效降噪。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明一个实施例的耳机结构示意图；

图2示出了本发明耳道麦克与通话麦克采集的语音数据信噪比对比示意图；

图3示出了本发明一个实施例耳机降噪系统的结构示意图；

图4示出了本发明一个实施例耳道麦克语音信号检测的流程框图；

图5示出了本发明一个实施耳道麦克与通话麦克反馈降噪的流程框图；

图6示出了本发明一个实施例噪声抑制过程的示意图；

图7示出了本发明另一个实施例的耳机结构示意图；

图8示出了本发明另一个实施例耳机降噪系统的结构示意图；

图9示出了本发明另一个实施例耳机反馈降噪和前馈降噪的双降噪流程图；

图10示出了本发明再一个实施例的耳机结构示意图；

图11示出了本发明再一个实施例前馈降噪的流程图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，根据本发明的实施例，本发明采用在耳机壳体的前端布置一个耳道麦克，使佩戴者使用耳机时耳道麦克伸入到耳道内，由佩戴者耳道内采集声音信号。通过耳道麦克采集的声音信号进行语音活动检测(VAD)以及辅助耳机降噪，本发明可以实现针对普通耳机(仅有一个通话麦克)进行语音活动检测和降噪处理，亦可以针对主动降噪耳机进行VAD检测，并形成混合主动降噪(Hybrid ANC，双降噪)。

如图1所示本发明一个实施例的耳机结构示意图，一种低功耗的高效降噪耳机包括耳机壳体1，耳机壳体1内容纳播放喇叭40，播放喇叭40与信号处理芯片30连接。耳机还包括在耳机壳体1前端布置的耳道麦克10，使耳道麦克10伸入到佩戴者耳道内。本实施例中针对普通耳机进行改进，耳机还包括通话麦克20，耳道麦克采集10低频语音信号进行语音活动检测，判断是否有人在讲话，从而指导上行通话通路对通话麦克采集到的信号做噪声估计，进而对所述通话麦克的语音信号进行噪声抑制。

由于本发明提供的耳机，在使用过程中耳道麦克10伸入到佩戴者耳道内，能够采集耳道内传来的佩戴者的语音，语音清晰度高，信噪比高，能够提高语音活动检测(VAD)的检测准确度。如图2所示本发明耳道麦克与通话麦克采集的语音数据信噪比对比示意图，图中a为耳道麦克10采集的信号的信噪比，b为通话麦克20采集的信号的信噪比，由图2可见，耳道麦克10比通话麦克20的语音信号信噪比高，故而本发明采用耳道麦克采集的声音数据进行语音活动检测，以提高检测的精确度。

本实施例针对普通耳机改进，如图3所示本发明一个实施例耳机降噪系统的结构示意图，提供一种低功耗的高效降噪系统，包括耳道麦克10、通话麦克20和信号处理芯片30，其中耳道麦克10内集成第一特征提取模块101和第一语音信号检测模块102，信号处理芯片30包括第二特征提取模块302、第二语音信号检测模块303、回声消除模块301和噪声抑制模块304。

根据本发明，实施例中通过耳道麦克采集的声音信号进行语音活动检测，进而判断是否开启系统进行信号处理，如图4所示本发明一个实施例耳道麦克语音信号检测的流程框图，耳道麦克10采集佩戴者耳道内的声音信号，由第一特征提取模块101进行声音信号特征提取。

第一语音信号检测模块101对第一特征提取模块102提取的声音信号进行检测，若声音信号中具有语音信号，则将声音信号传输至信号处理芯片30进行信号处理，即：信号处理芯片30开始接收耳道麦克采集的声音信号。若声音信号中未检测到语音信号，则返回继续进行语音活动检测。需要说明的是，这里说的语音信号是指佩戴者的通话语音信号，声音信号是指耳道内的声音(可能地包括佩戴者的通话语音和耳机周围噪声)。

如图5所示本发明一个实施耳道麦克与通话麦克融合降噪的流程框图，当第一语音检测模块102检测到语音信号，信号处理芯片开启收音，声音信号传输至回声消除模块301，回声消除模块301接收来自耳道麦克的声音信号进行回声消除，例如通过语音自适应回声消除(AEC)算法进行回声消除。

第二特征提取模块302，对回声消除后的声音信号进行声音信号特征提取。

第二语音检测模块303，对第二特征提取模块301提取的声音信号进行语音活动检测，若声音信号中不具有语音信号，则将声音信号传输至噪声抑制模块304。

通话麦克20采集语音信号，并将语音信号传输至噪声抑制模块304。

噪声抑制模块301通过声音信号对通话麦克采集语音信号进行噪声抑制。由于检测到的声音信号中不具有语音信号，可以认为声音信号全部来自周围环境噪声，进而对语音信号进行噪声抑制。具体地，通过更新噪声抑制参数对语音信号进行噪声抑制。优选地，通话麦克输入的语音信号进行回声消除后进行噪声抑制。

如图6所示本发明一个实施例噪声抑制过程的示意图，本实施例中，噪声抑制过程按照如下方法进行：

所述噪声抑制处理过程包括如下步骤：

将所述耳道麦克采集的语音信号与所述通话麦克采集的环境音信号分别进行分帧、加窗处理；

对分帧、加窗处理后的语音信号和环境音信号分别通过快速傅里叶变换转换为频域信号；

通过所述频域信号计算出噪声功率谱密度，并由所述噪声功率谱密度计算出谱增益；

由所述谱增益对所述通话麦克的频域信号进行噪声抑制处理，并将处理后的信号进行逆傅里叶变换得到时域信号；

将所述时域信号进行加窗并重叠相加得到降噪后的语音信号。具体地噪声抑制过程如下：

将通话麦克采集的语音信号与耳道麦克采集的声音音信号分别进行分帧、加窗处理。本实施例中耳道麦克X1(k)将采集到的声音信号进行分帧、加窗处理，经过处理后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，转换为频域信号X1(m，n)：

其中

m为频域下标，n为时域帧数，L为相邻帧之间存在重叠时的帧步长，w是长度为K的窗函数；

通话麦克X2(k)将采集到的语音信号进行分帧、加窗处理，经过处理后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，转换为频域信号X2(m，n)：

其中

m为频域下标，n为时域帧数，L为相邻帧之间存在重叠时的帧步长，w是长度为K的汉宁窗函数，g增益失配校正系数。

上述增益失配校正系数g的计算通过通话麦克和耳道麦克在静音状态下接收的底噪信号的标准差比值进行计算，本实施例中增益失配校正系数g通过如下方式计算：

其中Var(X1)为耳道麦克在静音状态下接收的底噪信号的标准差，Var(X2)耳道麦克在静音状态下接收的底噪信号的标准差。

Var(X)的计算通过如下方式计算：

其中，NN为计算标准差用到的信号帧数，u为信号x(k)的均值。

根据耳道麦克采集到的语音频段的信号能量是否高于阈值来判断语音信号是否存在，如果不存在，则认为当前通话麦克中的信号为噪声信号，通过频域信号计算出噪声功率谱密度，本实施例中噪声功率谱密度Pw(m,n)通过如下迭代算法计算：

Pw(m,n)＝λW·Pw(m，n-1)+(1-λW)·|X(m,n)|²，其中

λW为遗忘因子，X(m,n)为频域信号。

由噪声功率谱密度Pw(m,n)计算出谱增益G(m,n)：

其中

为耳道麦克接收信号的功率密度，为通话麦克接收信号的功率密度。

实施例中，上述耳道麦克接收信号的功率密度通话麦克接收信号的功率密度通过如下方法得到：

其中

为遗忘因子，X1(m,n)，X2(m,n)为频域信号。

通过谱增益G(m,n)对通话麦克的频域信号X2(m，n)进行噪声抑制处理，并将处理后的信号进行逆傅里叶变换(IFFT)得到时域信号S(m，n)。

具体地，S(m，n)＝G(m，n)X2(m，n)，将得到时域信号S(m，n)进行加窗并重叠相加得到降噪后纯净的语音信号y(k)。

根据本发明，在另一个实施例中，低功耗的高效降噪耳机还包括前馈麦克，如图7所示本发明另一个实施例的耳机结构示意图，前馈麦克50位于耳机壳体1的后端，用于采集噪声信号。在耳机壳体1的前端具有耳道麦克10，耳机壳体1内容纳播放喇叭40和信号处理芯片30。本实施例中通过前馈麦克50采集耳机周围噪声和语音信号，并将噪声信号通过滤波器后取反传输至耳道内，实现主动降噪功能，降低耳道内的噪声，耳道麦克10将采集到的耳道内的声音信号传输至回声消除模块301进行回声消除，回声消除后的一路声音信号传输至单麦克噪声抑制模块，单麦克噪声抑制模块对回声消除后的一路声音信号以及前馈麦克所采集的信号进行处理，，处理后的语音信号进行高通滤波后与耳道麦克10采集的低频语音信号进行融合，得到最终降噪后的通话语音信号，用于上行链路通话。

具体来说，如图8所示本发明另一个实施例耳机降噪系统的结构示意图，图9所示本发明另一个实施例耳机反馈降噪和前馈降噪的双降噪流程图，耳机降噪系统还包括前馈麦克50，信号处理芯片30还包括单麦克噪声抑制模块，其中

信号处理芯片30开启接收信号，耳道麦克10将采集到的耳道内的声音信号传输至回声消除模块301进行回声消除，例如通过语音自适应回声消除(AEC)算法进行回声消除。

经过回声消除的声音信号分为两路，一路用于前馈麦克采集的噪声信号进行前馈抑制。具体地，前馈麦克50采集耳机周围噪声信号，并将噪声信号通过滤波器后取反传输至耳道内，实现主动降噪功能，降低耳道内的噪声，回声消除后的声音信号传输至单麦克噪声抑制模块。

单麦克噪声抑制模块根据耳道麦克语音活动检测的结果，对噪声进行统计，对通话声音信号进行噪声抑制，降低声音信号中的噪声信号。本实施例中，对单麦克噪声抑制模处理后的语音信号进行高通滤波后与耳道麦克采集的低频语音信号进行融合。

经过回声消除后的另一路声音信号对通话麦克20采集的声音信号进行噪声抑制。具体地，

第二特征提取模块302对回声消除后的声音信号进行声音信号特征提取。

第二语音检测模块303，对第二特征提取模块302提取的声音信号进行语音活动检测，若声音信号中不具有语音信号，则将声音信号传输至噪声抑制模块304进行噪声统计。

通话麦克20采集语音信号，并将语音信号传输至噪声抑制模块304。噪声抑制模块304通过声音信号对通话麦克采集语音信号进行噪声抑制。由于检测到的声音信号中不具有语音信号，可以认为声音信号全部来自周围环境噪声，对噪声特征进行统计，进而对带噪声的语音信号进行噪声抑制。具体地，通过更新噪声抑制参数对语音信号进行噪声抑制。优选地，通话麦克20输入的语音信号进行回声消除后进行噪声抑制。噪声抑制的过程与上述实施例的过程相同，这里不再赘述。

在一些优选地实施例中，信号处理芯片30还包括高通滤波电路，高通滤波电路对噪声抑制模块304处理后的语音信号进行高通滤波。

对单噪声抑制模块抑制后的声音和耳道麦克采集的低频语音信号进行融合，并进行数据均衡后输出，用于上行链路通话。

根据本发明，再一个实施例中，低功耗的高效降噪耳机不设置通话麦克，由耳道麦克和前馈麦克作为通话语音的采集。如图10所示本发明再一个实施例的耳机结构示意图，图11所示本发明再一个实施例前馈降噪的流程图，一种低功耗的高效降噪耳机包括耳机壳体1，耳机壳体内容纳播放喇叭40，播放喇叭40与信号处理芯片50连接；

耳机还包括在耳机壳体1前端布置的耳道麦克10，使耳道麦克10伸入到佩戴者耳道内。耳机还包括前馈麦克50，前馈麦克50位于耳机壳体的后端，用于采集噪声信号。

适用于上述低功耗的高效降噪耳机的降噪系统，包括耳道麦克、前馈麦克和信号处理芯片，其中耳道麦克内集成第一特征提取模块和第一语音信号检测模块，信号处理芯片包括回声消除模块和单麦克噪声抑制模块，

耳道麦克采集佩戴者耳道内的声音信号，由第一特征提取模块进行声音信号特征提取

第一语音信号检测模块对所述第一特征提取模块提取的声音信号进行检测，若声音信号中具有语音信号，则将声音信号传输至信号处理芯片进行信号处理，即：信号处理芯片开始接收耳道麦克采集的声音信号。若声音信号中未检测到语音信号，则返回继续进行语音活动检测。

当耳道麦克检测到声音信号中具有语音信号，信号处理芯片开启接收信号。

回声消除模块接收来自耳道麦克的声音信号进行回声消除，例如通过语音自适应回声消除(AEC)算法进行回声消除。

前馈麦克采集耳机周围噪声信号，并将噪声信号通过滤波器后取反传输至耳道内，实现主动降噪功能，降低耳道内的噪声，同时将采集到的原始信号送入单麦克降噪模块进行回声消除，回声消除后的声音信号传输至单麦克噪声抑制模块。

单麦克噪声抑制模块根据耳道麦克语音活动检测的结果，对噪声进行统计，对通话声音信号进行噪声抑制，降低声音信号中的噪声信号。本实施例中，对单噪声抑制模块抑制后的声音和耳道麦克采集的低频语音信号进行数据均衡。经过降噪处理后的声音信号输出，用于上行链路通话。

本发明提供的低功耗的高效降噪耳机，利用耳道麦克对通话语音进行降噪实现上行通话降噪功能。针对现有的主动降噪耳机，通话时打开ANC功能，能进一步提高耳道内麦克采集到的信号的信噪比，与通话麦克采集到的信号进行融合，可进一步改善上行通话质量。本发明提供的耳机即使在嘈杂的商场，地铁等环境中上行通路仍然有非常好的通话质量以及良好的VAD检测准确率，降低系统被误唤醒的概率，进一步降低智能耳机的功耗，延长智能耳机的待机时间。

本发明利用耳道麦克采集耳道内传来的佩戴者的语音，语音清晰度高，信噪比高，用于VAD检测，可以提高检测准确度，降低功耗。

本发明相对于基于波束成形的双麦克降噪耳机，采用耳道麦克和耳外麦克(通话麦克和/或前馈麦克)混合降噪，对干扰的抑制和佩戴角度无方向性要求。

本发明低功耗的高效降噪耳机及降噪系统，利用耳道内的耳道麦克采集耳道内传来的佩戴者的语音，语音清晰度高，信噪比高，可以提高VAD检测准确度。本发明一方面针对普通耳机，耳道内增加一个耳道麦克，实现耳机佩戴者的VAD(语音活动检测)。另一方面针对主动降噪的混合降噪耳机，利用通话麦克和耳道麦克形成反馈降噪，提高耳机佩戴者VAD检测准确度，同时本发明结合前馈降噪形成双降噪，实现上行通话降噪不仅有效的抑制平稳噪声，而且可以滤除环境中的非平稳噪声(环境中的人声，音乐等)。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。