噪聲抑制裝置和方法
2023-06-09 19:47:11
專利名稱：噪聲抑制裝置和方法
技術領域：
本發明涉及話音處理，包括但不限於抑制話音信號中的噪聲。
在話音通信系統中，話音和存在的任何音頻背景噪聲一起傳送到接收機。在發射機處於具有高的音頻背景噪聲的環境中，在已恢復的音頻信號中存在的背景噪聲對接收機的收聽者造成很大的幹擾。為此，希望在話音信號發送之前，對音頻噪聲抑制，以衰減背景聲音。
在數字通信系統中，話音信號在發送之前被編碼成為一個數字數據流。在許多這樣的系統內，編碼是應用數字語言編碼系統來實現的，以使所需的發送數據速率最小化。某些數字語音編碼系統由於編碼基於話音信號獨特特性，故考慮用較低的數據速率傳輸。然而，如果噪聲輸入到這種類型的語言編碼器中，則語言編碼器會改變該噪聲信號，直至它接近某種類的語言信號。這種接近的不良後果是背景噪聲將變成一種信號，它具有明顯不同的感覺特性。這個再現的信號通常會比原始的背景噪聲更刺激收聽者。對於某些數字語言編碼系統，發生了一種顫鳴聲音，它與原始輸入到語言編碼器的噪聲並不相似。由於背景噪聲可能呈現在談話的短促發聲之間，故未被抑制的背景噪聲仍導致在語言的停頓期間出現顫鳴。顫鳴的存在導致再現信號是今收聽者主觀上所不希望的。
噪聲抑制應用在語言通信系統中，通過從所需的語言信號中減小環境背景噪聲(例如汽車引擎噪聲)來改善總的話音質量。為此目的而應用的通用技術之一是頻譜減法。利用這種技術將輸入信號(語言加噪聲)解析成為一些不同的頻帶， 對於與每個頻帶相對應的信號賦以一個增益，然後將增益定標度的信號相組合，以產生輸出信號。對每個頻帶賦與的增益是隨時間變化的，這與背景噪聲電平、所需的抑制量和該頻帶中的信噪比(SNR)有關。1989年3月7日頒發給Vivmur等人的美國專利4,811,404名稱為「噪聲抑制系統」公開了這樣一種噪聲抑制系統，該專利在這裡作為參考。這種類型的噪聲抑制的作用除了謀求抑制噪聲之外，還引起信號失真。帶通濾波器組用於對輸入的語言信號進行頻譜解析，它是語言信號的一個失真源，會使輸出語言失真，甚至在輸入噪聲低而未施加噪聲抑制時更是如此。
據此，現在需要一種在從編碼的語言中抑制背景噪聲時不增加失真的噪聲抑制系統。
圖1示出一種含有按照本發明的噪聲抑制系統的無線電設備的方框圖。
圖2示出一種按照本發明的噪聲抑制系統各個階段樣值欄位的表示。
圖3和圖4示出按照本發明的噪聲抑制的流程圖。
下文描述對語言信號內的背景噪聲進行噪聲抑制的裝置和方法。特別是在與一種疊加和相加的濾波技術相結合的情況下利用傅立葉變換和反傅立葉變換，消除了在頻譜減法噪聲抑制系統中使用濾波器所引起的失真。
圖1示出一種含有噪聲抑制系統的無線電設備100。話筒101或其它類型的話音換能器接收帶有噪聲的話音信號。話筒101的輸出是輸入到取樣器103的信號。在優選實施例中，該信號是一個以每秒8000個樣值的速率取樣的模擬信號。取樣器103向累加器105輸出數字信息樣值。累加器105提供預定數目的數字信息樣值作為一個樣值集。在優選實施例中，該預定數目為每集80個數字信息樣值。這個數字信息樣值集輸出到擴展器107。擴展器107通過對該樣值集附加上無聲的至少一個數字表示物來提供一個擴展集。在優選實施例中，無聲的數字表示物在數字信息樣值集之前和之後添加。圖2示出樣值欄位的具體組成的詳節。擴展器107將擴展集輸出給傅立葉變換單元109。在優選實施例中，擴展集的大小為128。傅立葉變換單元109對擴展集執行傅立葉變換，輸出一個頻率域係數集。在優選實施例中，執行快速傅立葉變換(FFT)。
傅立葉變換單元109的輸出是輸入給定標器111的信號。定標器111接收該頻率域係數集，輸出已定標度的頻率域係數集。定標器111可以使用一個或多個不同的定標度係數，來對頻率域係數定標度。定標器111將已定標度的頻率域係數集輸出到反傅立葉變換單元113。反傅立葉變換單元113對已定標度的頻率域係數集執行反傅立葉變換，並向校準單元115輸出時間域樣值集。在優選實施例中，反傅立葉變換是快速反傅立葉變換(IFFT)。
校準單元115接收該時間域樣值集，通過使時間域樣值集與先前形成的一個時間域樣值集局部地按時間疊加，來提供至少一對疊加的時間域樣值集，藉此產生至少一對疊加的時間域樣值。在優選實施例中，先前形成的時間域樣值集的後48個樣值與當前的時間域樣值集的前48個樣值疊加，因而產生48對重疊的時間域樣值。將疊加的時間域樣值輸入到加法器117，使每對疊加的時間域樣值中的信息相加，藉此提供至少一個複合的時間域樣值。在優選實施例中，先前形成的時間域樣值集的48個樣值與當前的時間域樣值集的48個樣值相加，藉此提供48個複合的時間域樣值。校準單元115將時間域樣值中的非疊加樣值輸出到輸出單元119。在優選實施例中，校準單元115將與先前形成的時間域樣值集並不疊加的當前樣值集的前32個時間域樣值輸出到輸出單元119。在優選實施例中，校準單元115將已校準的時間域樣值的後48個樣值存儲起來，以待將來使用作為先前形成的時間域樣值集，以便與下一個校準的時間域信號疊加。相加器117將複合的時間域樣值輸出到輸出單元119，該輸出單元119從校準單元115中接收非疊加的時間域樣值(在優選實施例中，從校準單元115來的32個非疊加的時間域樣值)，和從加法器117接收複合的時間域樣值，還輸出一個已噪聲抑制型式信號。在優選實施例中，已噪聲抑制信號含有來自兩個時間域樣值集的48個疊加和相加的樣值，和來自當前時間域樣值集中按時間跟隨前48個樣值的32個非疊加的時間域樣值，並且提供由此得出的信號作為由話筒101輸出的已噪聲抑制樣型式的信號。這80個樣值對應於來自累加器105的80個樣值(具有24個樣值延時)。在優選實施例中，該噪聲抑制單元設置在通信單元100中。具體地說，該通信單元是一個無線電設備。在優選實施例中，已噪聲抑制的信號輸入到一個信號處理器/發射機121，執行自天線上以射頻發射該信號所需的其餘必要的信號處理，例如語言編碼、射頻調製和功率放大。
圖2示出按照本發明的噪聲抑制系統中各個階段的樣值欄位表示。從累加器105接收的取樣信號示為樣值欄位201。在優選實施例中，在這個樣值欄位201內有80個暫時鄰接的數字信息樣值。樣值欄位203表示在取樣信號的起點和終點添加無聲的數字表示物的樣值。在優選實施例中，在取樣信號之前有24個無聲樣值，在取樣信號之後有24個無聲樣值。在優選實施例中，無聲由零值的樣值表示。樣值欄位203是從擴展器107來的輸出。樣值欄位205是由傅立葉變換單元109產生的、樣值欄位203的經傅立葉變換型式。在優選實施例中，欄位205中的傅立葉變換信號是由128個係數組成的。定標器111輸出欄位207，它是欄位205的定標度型式。樣值欄位209是由反傅立葉變換單元113產生的、欄位207的經反傅立葉變換型式。在優選實施例中，在欄位209內的反傅立葉變換信號是由128個時間域(TD)樣值組成的。
樣值欄位211是一個先前的時間域信號，該先前的時間域信號可以是最後已定標度的反傅立葉變換信號，時間上它處在被處理的當前信號部分之前。如果這是對一個具體消息而被處理的第一信號部分，則先前的時間域信號可以是一個缺席的(default)或預定的樣值集。樣值欄位209的時間域信號再由校準單元115在時段Talign作時間校準。在優選實施例中，Talign為48個樣值，這48個樣值對應於欄位203中取樣信號之前和之後的各24個無聲樣值，藉此產生出加到該信號上的總共48個樣值。換言之，在Talign內時間域樣值的數目等於或基本上等於(±10％之內)在樣值欄位203中至少一個無聲的數字表示物內時間域樣值的數目。樣值欄位213是在時段Talign欄位209作時間校準的型式，這是由校準單元115提供的。加法器117接收疊加的樣值，換言之，在時間校準時段內從先前的時間域信號211與當前已校準的時間域信號213來的樣值，並當它們在時間域內匹配時將這些樣值相比。在優選實施例中，加法器117的結果是疊加和相加的信息的48個樣值，它輸出到輸出單元119。在優選實施例中，輸出單元119從已校準的時間域樣值欄位213中接收32個非疊加的樣值，也就是，在Talign時間窗口之後右面32個樣值(它們是這樣的樣值，在時間域信號209的前48個樣值之後的32個樣值)，並將它們附加到欄位215起點處發生的48個疊加和相加的樣值之後，藉此產生已噪聲抑制的信號215。雖然已噪聲抑制信號215在時間上從取樣信號延遲了(在優選實施例中是24個樣值時間)，但在已噪聲抑制信號215中的樣值數目等於欄位203的取樣信號部分內的樣值數目。在優選實施例中，已校準的時間信號213的後48個樣值由校準單元115存儲，存儲這48個樣值將來使用作為下一個欄位211，以便與下一個已校準的時間域信號213相疊加。
圖3示出噪聲抑制的流程圖。在步驟301，帶有噪聲的信號由話筒或其它的音頻換能器101提供。在優選實施例中，該信號包含音頻信息，它內含可聞的噪聲。在步驟303，帶有噪聲的信號由取樣器103取樣，藉此提供多個數字信息樣值。在步驟305，已取樣的信號由累加器105組成為預定數目的數字信息樣值，藉此形成一個集。在步驟307，該數字樣值集按照圖4中流程圖的步驟進行噪聲抑制。
圖4示出噪聲抑制的流程圖。在步驟401，由擴展器107將無聲的至少一個數字表示物附加到在步驟305形成的數字信息樣值集上，藉此形成一個擴展集。在優選實施例中，無聲的數字表示物附加到數字信息樣值集之前和之後。在步驟403，由傅立葉變換單元109對擴集執行傅立葉變換，以得到一個頻率域係數集。
在步驟405，由定標器111對頻率域係數集的至少某個定標度，藉此提供一個已定標度的頻率域係數集。定標器111可以應用一個或多個不同的標度係數來對頻率域係數定標度。一個或多個直至全部頻率域係數都定標度。這些定標度係數可使用一種頻譜減法方法來提供，諸如本領域周知的，像Vilmur的美國專利4,811,404中所講述的那樣。
在Vilmur的專利中如圖1所示，輸入信號由信道分割器210分隔成為代表選定頻率信道的多個預處理信號，並由信道增益調節器250調節對這多個預處理信號的每個的增益，以提供多個後處理的噪聲抑制的輸出信號。信道增益(或標度係數)的計算由方框220、420、310和240來完成，並由增益平滑濾波器530輸出到信道增益調節器250。在本發明中，由傅立葉變換單元109提供的頻率域係數集被分組，以形成多個頻率域係數子集，而每個頻率域係數子集可認為是一個頻道的代表。在美國專利4,811,404中描述的信道增益計算方法然後用來為每個頻道計算增益(或標度係數)。這個頻道標度係數可以用於代表該頻道的每個頻率係數。另一種方法是，對不同的信道標度係數可按諸多頻率值平滑，以為每個頻率係數計算出一個獨特的標度係數。
在步驟407，由反傅立葉單元113對已定標度的頻率域係數集執行反傅立葉變換，藉此提供一個時間域樣值集。在步驟409，該時間域樣值集由校準單元115按時間部分地與先前形成的時間域樣值集疊加，藉此產生至少一對疊加的時間域樣值。在步驟411，由加法器117將至少一對疊加的時間域樣值相加，藉此提供至少一個複合的時間域樣值。在步驟413，由輸出單元119將從步驟409來的至少某些非疊加的時間域樣值串行地放置在該至少一個複合時間域樣值之後，藉此產生來自步驟301的原始信號的已被噪聲抑制的型式。
圖3和圖4的流程圖步驟例如由圖1的裝置來執行，這是在DSP(數位訊號處理器)(諸如從摩託羅拉公司購買的DSP56166)中實施的。
在基於頻譜減法技術的噪聲抑制系統中，帶通濾波器組經常用於對輸入語言信號的頻譜解析。可是，這些濾波器並不完善，並會造成輸出語言質量的劣化，甚至在噪聲抑制不起作用時，亦即在施加到不同的頻道上的增益設定為1，如在輸入噪聲電平低或不存在時。在較高的輸入噪聲電平狀態下，在噪聲抑制起作用時(亦即施加的增益小於1)，由濾波器引起的語言質量劣化也是存在的。
本發明中，利用基於頻譜分析技術的FFT與疊加相加濾波技術相結合，消除了由濾波器引起的失真，藉此改善了噪聲抑制系統的總體話音質量。此外，這個解決方案在計算上比濾波器組解析技術更有效。
權利要求
1.一種方法，其特徵在於，包括以下步驟提供帶有噪聲的信號；對該信號取樣，以提供多個數字信息樣值；將一個預定數目的數字信息樣值組成為一個集；利用以下步驟對該信號噪聲抑制；無聲的至少一個數字表示物，附加到該樣值集上以形成一個擴展集；對該擴展集執行傅立葉變換，以得到一個頻率域係數集；對頻率域係數集的至少某一些定標度，以提供一個已定標度的頻率域係數集；對已定標度的頻率域係數集執行反傅立葉變換，以提供一個時間域樣值集；對時間域樣值集按時間部分地與先前形成的時間域樣值集疊加，以產生至少一對疊加的時間域樣值；將至少一對疊加的時間域樣值相加，以提供至少一個複合的時間域樣值；提供非疊加的時間域樣值和該至少一個複合的時間域樣值，作為已噪聲抑制的信號型式。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，將預定數目的數字信息樣值組成為一個集的步驟，包括將預定數目的暫時相鄰的數字信息樣值組成為該集的步驟。
3.權利要求1的方法，其特徵在於，將無聲的至少一個數字表示物附加到該集以形成一個擴展集的步驟包括將無聲的數字表示物附加到該集的起點的步驟。
4.權利要求1的方法，其特徵在於，將無聲的至少一個數字表示物附加到該集以形成一個擴展集的步驟包括將無聲的數字表示物附加到該集的末尾的步驟。
5.權利要求1的方法，其特徵在於，將無聲的至少一個數字表示物附加到該集以形成一個擴展集的步驟包括將表示無聲的預定數目的零值樣值附加到該集以形成該擴展集的步驟。
6.權利要求1的方法，其特徵在於，對該擴展集執行傅立葉變換以得到一個頻率域係數集的步驟包括對該擴展集執行快速傅立葉變換以得到該頻率域係數集，其中，在對已定標度的頻率域係數集執行反傅立葉變換以提供一個時間域樣值集的步驟包括對該已定標度的頻率域係數集執行快速反傅立葉變換以提供該時間域樣值集的步驟。
7.權利要求1的方法，其特徵在於，對該頻率域係數集的至少某些執行定標度以提供一個已定標度的頻率域係數集的步驟包括利用一個相應地個別確定的定標度係數對該頻率域係數集的至少某一些中的每個定標度以提供該已標度的頻率域係數集的步驟。
8.權利要求1的方法，其特徵在於，在使當前的時間域樣值集按時間部分地與先前形成的時間域樣值集疊加以產生至少一對疊加的時間域樣值的步驟包括使許多時間域樣值按時間部分地疊加的步驟，這些時間域樣值的數目基本等於該至少一個無聲的數字表示物中時間域樣值的數目。
9.權利要求1的方法，其特徵在於，對頻率域係數集的至少某一些定標度以提供出一個已定標度的頻率域係數集的步驟包括對頻率域係數集的至少某一些定標度以提供一個已定標度的頻率域係數集以便於噪聲抑制的步驟。
10.一種噪聲抑制單元，其特徵在於，包括一個取樣器，具有一個輸入端，被耦合來接收帶有噪聲的信號，和一個輸出端，用來提供對於該信號響應的多個數字信息樣值；一個累加器，具有一個輸入端，用來接收這多個數字信息信號，還具有一個輸出端，用來提供預定數目的數字信息樣值作為一個集；一個擴展器，具有一個輸入端，用來接收該集，還具有一個輸出端，用來提供一個擴展集，即附加上無聲的至少一個數字表示物的樣值集；一個傅立葉變換單元，具有一個輸入端，用來接收該擴展集，還有一個輸出端，用來提供一個頻率域係數集；一個定標器，具有一個輸入端，用來接收該頻率域係數集，還有一個輸出端，用來提供一個已定標度的頻率域係數集；一個反傅立葉變換單元，具有一個輸入端，用來接收該已定標度的頻率域係數集，還有一個輸出端，用來提供一個時間域樣值集；一個校準單元，具有一個輸入端，用來接收該時間域樣值集，還具有一個第一輸出端和一個第二輸出端，第二輸出端提供至少一對疊加的時間域樣值中的一對，其中，該至少一對疊加的時間域樣值中的一對包含有當前時間域樣值集的一個樣值和先前形成的時間域樣值集的一個樣值；一個加法器，具有一個輸入端，用來接收該至少一對疊加的時間域樣值，還有一個輸出端，用來提供至少一個複合的時間域樣值；一個輸出單元，具有一個第一輸入端，用來接收該至少一個複合的時間域樣值，和一個第二輸入端，用來接收來自校準單元的第一輸出端的非疊加的時間域樣值，還具有一個輸出端，用來提供非疊加的時間域樣值和該至少一個複合的時間域樣值，作為一個已噪聲抑制的信號型式。
全文摘要
取樣有噪聲信號(301)提供多個數字信息樣值(303)。將預定數目的數字信息樣值組成一個集(305)。用以下步驟對信號執行噪聲抑制在該集上附加一個或多個無聲數字表示物形成一個擴展集(401)；對該擴展集執行傅立葉變換產生一個頻率域係數集(403)。其中至少某些定標度；對已定標度的頻率域係數集執行反傅立葉變換提供一個時間域樣值集(407)，它們按時間部分地與先前形成的時間域樣值集疊加和相加(409和411)；提供非疊加的時間域樣值作為已噪聲抑制信號(413)。
文檔編號H04B14/04GK1150357SQ9611305
公開日1997年5月21日 申請日期1996年9月27日 優先權日1995年9月29日
發明者麥可·邁克勞克林, 坦卡西·V·拉馬蘭 申請人:摩託羅拉公司