次波帶指數平滑噪聲消除系統的製作方法
2023-07-28 21:23:16
專利名稱：次波帶指數平滑噪聲消除系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及噪聲消除和減小，並且更具體地，涉及使用次波帶處理和指數平滑的噪聲消除和減小。
背景技術：
被附加給語音的環境噪聲降低了語音處理算法的性能。這種處理算法可包括口授(dictation)、語音激活、語音壓縮和其它系統。環境噪聲亦降低聲音和語音的質量和可理解性。在這樣的系統中，需要不影響語音及其特徵而減小噪聲並提高信噪比(S/N比)。
相近領域的噪聲消除話筒提供了令人滿意的解決，但需要話筒位於語音源(例如，嘴)附近。在許多情況下，這是通過在耳機的吊杆上安裝話筒而實現的，所述耳機使話筒位於佩戴者嘴附近的吊杆末端處。然而，耳機已被證實不是佩戴不舒服，就是對在例如汽車內的操作過於限制。
一般的話筒陣列技術和具體的自適應射束形成陣列，以最有效的方式處理嚴重的定向噪聲。這些系統繪製噪聲場並生成向噪聲源的靜音點(null)。靜音點的數量由話筒單元的數量和處理能力來限定。這種陣列具有無需耳機而進行不需要手的操作的好處。
然而，當噪聲源被擴散(diffused)時，自適應系統的性能將被減小到有規律延遲與和(sum)話筒陣列的性能，其不是總令人滿意的。當環境相當迴響時，如當噪聲從房間的牆被強烈反射並且從無限數量的方向到達陣列時，情況是這樣的。在汽車環境中，情況也是這樣的，這是由於一些噪聲從汽車底盤被輻射。陣列解決的另一個不利方面是它需要多個話筒，其對解決的物理尺寸和價格有影響。它亦消除了給現有系統提供噪聲減小能力的能力，所述系統已具有一個所實施的話筒並不能被附加另外的話筒。
進一步減小噪聲的一個所提出的解決是譜相減技術，其估算被汙染信號的噪聲幅度譜，通過在由語音開關檢測的非聲音時間間隔期間測量它，然後從該信號減去噪聲幅度譜。被具體描述於Suppression ofAcoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction(使用譜線相減的聲音中噪聲的抑制)(Steven F Boll，IEEE ASSP-27 NO.21979年4月)的這種方法實現了針對不與聲音信號相關的靜止擴散噪聲的好的結果。然而，譜線相減方法生成了有時被描述為音樂噪聲的假象，其可降低聲音算法(如語音記錄或語音激活)的性能，如果譜線相減是不受控制的。
另一個問題是FFT結果的幅度計算是相當複雜的。這涉及平方和平方根計算，其就計算負荷來說是很貴的。還有一個問題是為了獲得用於IFFT的信息，使相位信息與無噪聲的幅度譜的關聯。這個過程需要計算相位、存儲信息以及將信息應用於幅度數據，所有的一切就計算和存儲器要求來說是貴的。縮短FFT結果的長度導致每個元(bin)的較寬的帶寬和較好的穩定性，但降低了系統的性能。而且，在時間上的平均抹去了數據並且為了這個原因，不能被擴展到多於幾幀。
改進的譜線減法技術已被提出於1999年2月18日提交的U.S.專利序列號09/252,874。改進的系統具有閾值檢測器，其通過確定輸入信號的頻譜元素或元是否處於在時間的預設周期上依照頻譜元素的最小值設定的閾值內，從而精確地檢測噪聲元素的位置，即使是在連續的聲音段內。更精確的是頻譜元素的當前和將來最小值。這樣，對於每個音節，噪聲元素的能量通過沒有整個信號能量檢查的分離的閾值確定而被確定，由此提供對噪聲好且穩定的估算。另外，該系統優選地連續設定所述閾值，並在例如五秒的時間的預定周期內重設該閾值。
為了減小譜線估算的不穩定性，進行二維(2D)平滑過程的改進的譜線相減技術被應用於信號估算。在每個時間幀中使用第一相鄰頻率元然後應用指數時間平均、導致對每個頻率元在時間上的平均，這個兩步平滑功能產生了極好的結果。
為了減小在相減過程中確定頻率元相位的複雜度以由此對準相減元素的相位，改進技術應用了濾波乘法(filter multiplication)以實現所述相減。濾波函數，例如維納濾波函數，或維納濾波的近似，被乘以頻域音頻信號的復(complex)數據。
然而，這些譜線相減技術仍需要複雜且在計算上強化的FFT計算，以便於當在頻域中時對數據進行運算。附加給計算時間的是等待時間，當在進行計算前等待足夠的數據點/採樣到緩衝器時，它導致該等待時間。這個等待時間的問題導致整個系統的延遲，其可導致實時應用中的困難。還有，2D平滑過程減少了假象(亦已知為音樂噪聲)，但它們將仍是可聽見的，特別是當語音不存在時。在安靜的部分，這個殘留噪聲在本質上聽起來是人為的，並且聽上去可以是令人討厭的。
發明目的和概述因此，本發明的目的是提供次波帶時域噪聲消除系統，其具有簡單而有效的機構以估算並減去噪聲，即使是在差的信噪比情況下並且在連續快速聲音的情況下。
本發明的另一目的是提供有效的機構，其通過減小相關技術系統中的等待時間問題而提高處理能力。
本發明的又一個目的是提供有效的機構，其去除在相關技術系統中的殘留(音樂)噪聲問題。
依照以上目的，本發明提供了一種系統，其正確地確定音頻信號的非語音段，由此防止錯誤地處理語音段內的噪聲消除信號。
為達到以上目的，本發明提供了輸入，用於輸入包括噪聲信號分量的數位訊號；波帶分離器，用於將數字輸入信號分為許多頻率被限制的時域信號次波帶；許多噪聲處理器，其對應於每個次波帶以使數字輸入信號中的噪聲信號分量被消除；以及組合器，用於將噪聲被處理的次波帶組合為數字輸出信號。
本發明的特定方面是，輸入射束由波帶分離器分為許多有限頻率的次波帶，優選為16個均勻間隔的波帶，以使噪聲處理在每個頻帶上分別進行。通過將波帶分為例如16個通道，本發明減小了欲由噪聲處理器處理所需的採樣速率。將理解，不僅是這個系統更加可管理，而且通過例如調節對應於給定波帶內期望噪聲水平的各個閾值處理參數，噪聲處理器可對每個頻率而被分別最優化。波帶分離器為例如DFT濾波器組(bank)，其使用單邊帶調製以分離數字輸入信號。
每個噪聲處理器均由指數平均器、噪聲估算器和相減處理器組成。指數平均器在先前平均值和當前輸入值的加權平均的基礎上計算滾動平均(rolling average)輸入值。噪聲估算器通過在先前噪聲值和當前輸入值的加權平均的基礎上進行指數平滑而產生波帶噪聲值。假定當前輸入被考慮為噪聲，如果當前輸入值比預定倍數的當前最小值大，則噪聲估算器不使用該輸入來確定新的噪聲估算。相減處理器在滾動平均輸入值和波帶噪聲值的基礎上產生濾波係數H，並且用濾波係數乘以當前輸入值，以產生噪聲被消除的值。
另外，相減處理器可進行最小濾波係數閾值功能。如果計算值低於特定最小值，則這個特定最小值被用實際的計算值替換。這個閾值可被用於控制噪聲減小量。另外，如果當前輸入比預定倍數的噪聲閾值小，則進行濾波係數的指數平滑。
本發明可用於各種噪聲消除系統，包括但不局限於被描述於在此引入作為參考的U.S.專利申請中的那些系統。例如，本發明可用於蜂窩電話、個人數字助理(PDA)、音頻應用、汽車音響、耳機和話筒陣列。另外，本發明可被實施為電腦程式，用於驅動作為應用軟體被安裝或作為硬體的計算機處理器。
附圖簡述參照被與附圖一起考慮的以下詳述，將容易獲得對本發明和許多其伴隨的優點的較完整理解，在附圖中
圖1示出本發明的次波帶噪聲消除系統；圖2示出本發明的波帶分離單元；圖3示出本發明的噪聲處理單元；圖4示出本發明的噪聲估算過程；圖5示出本發明的相減過程；以及圖6示出本發明的組合單元。
詳述圖1示出本發明100的實例。該系統在輸入102處接收以至少音頻信號帶寬兩倍的頻率而被採樣的數字音頻信號。在一個實施例中，該信號從話筒信號得到，該話筒信號已通過模擬前端、A/D轉換器和抽取(decimation)濾波器而被處理以獲得所需採樣頻率。在另一個實施例中，輸入是從射束形成器或甚至自適應射束形成器的輸出取得的。在此情況下，信號已被處理以消除從不是所需方向的方向到達的噪聲，而主要剩下源自與所需方向相同的方向的噪聲。在又一個實施例中，當處理在PC處理器或類似的計算機處理器上被實施時，輸入信號可從聲音板(sound board)獲得。
然後輸入信號102被傳遞經過波帶分離器104，其將信號分為16個時域次波帶信號Yn(Y0-Y15)。然後每個次波帶由相應的噪聲處理器106n(1060-10615)處理。當維持源(聲音)信號時，噪聲處理器起減小每個次波帶中噪聲信號的作用。噪聲處理技術特別適合於音樂噪聲的出現。然後16個噪聲被處理的次波帶由組合器108組合。組合器108輸出對應於僅有被明顯減小的噪聲分量的輸入信號102的輸出數字音頻信號110。
本發明的特定方面是輸入射束102由波帶分離器104分為許多頻率被限制的次波帶以使噪聲處理在每個頻帶上分別進行。圖2示出本發明的波帶分離器200(圖1，單元104)。儘管各種波帶分離技術可被採用，但優選的是，使用單邊帶調製的通用DFT濾波器組被採用，如被描述於例如「Multirate Digital Signal Processing(多速率數位訊號處理)」，Ronald E.Crochiere，Prentice Hall SignalProcessing Series(信號處理系列)，或「Multirate digitalsFilters，Filter Banks，Polyphase Networks，and Application ATutorial(多速率數字濾波器、濾波器組、多相網絡和應用A指南)」，P.P.Vaidyanathan，Proceedings of the IEEE，Vol.78，No.1，1990年1月。波帶分離器的目的是將輸入信號分為多個有限頻帶，優選為16個均勻間隔的波帶。本質上，波帶分離一次處理例如8個輸入點，導致16個輸出點，每個表示每個頻帶一個時域採樣。當然，如將為本領域的技術人員所理解的，依賴於系統的處理能力，其它量的採樣可被處理。
更具體地，輸入信號102被採集為8個輸入點202，其被存儲於表示128點輸入矢量的128抽頭(tap)延遲線204，其通過乘法器206被乘以128點復係數預設計濾波器208的係數。通過將乘法結果存儲於128點緩衝器210並使用加法器212求第一16個點與第二16個點等的和，128復點結果矢量被摺疊(fold)。被稱為混疊(aliasing)序列214的摺疊結果通過16點快速傅立葉變換(FFT)216被處理。FFT的輸出通過乘法器218被乘以16點調製係數循環緩衝器220的調製係數。包含例如8組的16個係數的循環緩衝器，每個循環選擇一個新組。乘法結果的實部分作為被請求的16點輸出224被存儲於實緩衝器222。將理解，儘管特定的變換被用於優選實施例，當然應理解，其它變換亦可被應用於本發明以獲得次波帶。
每個頻率被限制的次波帶Yn302(224)由相應的噪聲處理器300(106n)處理。圖3為對噪聲處理器300之一的具體描述。每個噪聲處理器都包括指數平均器304、噪聲估算器308和相減處理器306。次波帶信號被饋給每個這些單元，用於連續的處理。首先，依照方程1，指數平均器304產生平均輸入值YAn。
YAn＝0.95*YAn+0.05|Yn(t)| (1)用於指數平均的時間常數典型地為0.95，其可被理解為取最後20幀的平均。這個平均輸入值然後被傳遞給噪聲估算器308，隨後是相減處理器306，其在以下被描述。
圖4為噪聲處理器308的具體描述。理論上，應通過在非語音時間間隔上取信號的長時間平均來估算噪聲。這需要聲音開關被用於檢測語音/非語音間隔。然而，過於靈敏的開關可導致用於噪聲估算的語音信號的使用，其將降級聲音信號。另一方面，較不靈敏的開關可明顯減小噪聲時間間隔的長度(特別是在連續語音的情況下)並影響噪聲估算的有效性。
在本發明中，分離的自適應閾值被實施用於每個次波帶402。這允許每個頻率被限制的次波帶中的噪聲分量被單獨處理。因此有可能將不靈敏的閾值用於噪聲，而為每個元定位許多非語音數據點，即使是在連續語音的情況下。這種方法的優點是，它允許為噪聲的好且穩定的估算採集許多噪聲段，即使是在連續的語音段中。
在閾值確定過程中，對於每個次波帶，兩個最小值被計算。將來最小值用當前值|Yn(t)|(Y的絕對值)在404處每5秒初始化一次，並通過以下過程在接下來的5秒內用較小的最小值替換。每個波帶的將來最小值被與信號的當前值比較。如果當前值小於將來最小值，則將來最小值被用該值替換，其成為新的將來最小值。
同時，當前最小值在406處被計算。當前最小值被用在先前5秒內確定的將來最小值每5秒初始化一次，並通過比較它的值與當前值，在接下來5秒遵循信號的最小值。當前最小值由相減過程使用，而將來最小值被用於初始化和更新當前最小值。
本發明的噪聲估算機理確保了以有限的存儲器需要(5秒)進行對噪聲值的緊密(tight)且快速的估算，而防止了對噪聲的過高估算。
每個次波帶的值|Yn(t)|通過比較器408被與那個次波帶當前最小值的四倍進行比較，該比較器起到那個次波帶的自適應閾值的作用。如果值在該範圍內(因此在閾值以下)，它被允許作為噪聲並被指數平均單元410使用，其確定那個次波帶的噪聲Nn412的水平。如果值在閾值以上，則該值被捨棄(即，它不被用於噪聲估算)。用於指數平均的時間常數典型地為0.95，其可被理解為取最後20幀的平均。對於一些應用，4*最小值的閾值可被改變。
圖5為相減處理器500(306)的具體描述。在直接方法中，所估算的次波帶噪聲的值從當前平均輸入值被減去。在本發明中，該相減被理解為由濾波器Hn(濾波係數)進行的濾波乘法。依照方程2，Hn由濾波計算器504計算。Hn=YAn-NnYAn---(2)]]>其中YAn為由指數平均器304計算的次波帶n的當前平均值。Nn為由噪聲估算器308計算的次波帶n的當前估算噪聲。
濾波器Hn然後通過調節/限制運算被處理以確保適當的濾波器值被使用。這些運算由H指數平均器506和最小H限制器508進行。首先，如果YAn小於估算噪聲Nn的兩倍，則依照方程3，濾波器由指數平均器506進行指數平均。
Hn(t)＝0.9 5*Hn(t-1)+0.05Hn(t)(3)這種運算在信號不明顯高於噪聲的周期內平滑了濾波器。當沒有聲音存在並且音樂噪聲最有可能出現並幹擾時，情況是這樣的。平滑過程將消除這種音樂噪聲。第二運算為硬限制閾值，其中如果Hn小於0.3，則最小H限制器508設定Hn＝0.3。對於當噪聲相對於信號特別強時，這有效地設定了最小濾波器水平。這兩個運算均是改進，其被設計從而以被減少的假象來增強濾波性能並提供優於相關領域處理技術的相應的優點。
然後輸入次波帶502(302)在逐點的基礎上被乘以相應的濾波係數Hn以產生輸出噪聲被處理的次波帶510(310)。
圖6示出本發明的組合器600(圖1，108)，其與上述次波帶分離技術是對稱的，即相反的。在此的目的是將噪聲被處理的信號的16個有限頻帶組合為一個寬帶輸出。該過程經過逆快速傅立葉變換(IFFT)過程，但輸入和輸出兩者均為時域信號。示例實施例的組合單元處理每個表示每個頻帶1個時域採樣的16個輸入點602(510、310)，導致寬帶信號的8個輸出點604。當然，本領域的技術人員將容易理解，其它量的採樣輸入點可用於本發明。
更具體而言，新的16個輸入點602通過乘法器606被乘以16點解調濾波係數，該係數被存儲於包含例如8組的16個係數的解調係數循環緩衝器608，其中每個循環選擇一個新組。該結果通過16點IFFT610或任何等效變換被處理，並且這個IFFT的結果通過複製16點數據8次而被提取為128個復點。被存儲於緩衝器612的128點結果矢量通過乘法器614被乘以由預設計復濾波器616產生的128點復係數並被存儲於實緩衝器618。該結果的實部分由加法器620求和為128點循環歷史緩衝622，在其中最老的8個點被當作結果604並且為組合過程接下來的迭代，在緩衝器622中被用零替換。
將理解，本發明以與8個一樣少的數據點202的組在連續的基礎上處理輸入數據。這提供了優於相關技術系統的處理能力的優點，所述相關技術系統在頻域中進行處理並且在進行FFT處理之前必須等到足夠的數據點例如1024個被累積。因此，本發明消除了大量在其它相關技術系統中固有的等待時間。
有了本發明，次波帶噪聲相減系統被提供，其具有簡單而有效的機構以估算噪聲，即使是在差的信噪比情況下和在連續快速語音的情況下。提供了一個有效機構，其以小成本進行幅度估算並將克服處理等待時間的問題。提供了穩定的機構以估算噪聲並防止音樂噪聲的生成。
本發明的噪聲處理技術可被與陣列技術、近談話話筒技術一起使用或用作獨立系統。作為獨立系統、作為其它實施算法如自適應射束形成的一部分、或作為使用從聲音埠獲得的數據在PC上運行的固件應用，本發明的噪聲相減可被實施於所實施的硬體(DSP)中。
將理解，本發明亦可被用作軟體應用，優選地使用C或其它任何程式語言來編寫，其可被實施於例如可編程存儲器晶片上或被存儲於計算機可讀介質如，例如光碟上，並從其取回以驅動計算機處理器。
將理解，儘管特定值被用於在本發明中採用的幾個方程和計算，這些值可不同於所示的值。
儘管本發明的優選實施例及其修改已在此被具體描述，應理解，本發明不局限於那些明確的實施例和修改，並且其它修改和變化可由本領域的技術人員實現，而不背離如由隨後的權利要求所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於通過對數字輸入信號的次波帶進行時域處理來消除噪聲的設備，包括輸入，用於輸入包括噪聲信號的數字輸入信號；波帶分離器，用於將所述數字輸入信號分為多個次波帶；多個噪聲處理器，每個用於處理所述多個次波帶相應的一個以使被包括於所述數字輸入信號中的所述噪聲信號被消除；以及組合器，用於將噪聲被處理的多個次波帶組合為數字輸出信號。
2.依照權利要求1的設備，其中所述多個次波帶為頻率被限制的時域信號。
3.依照權利要求1的設備，其中所述波帶分離器包括DFT濾波器組，其使用單邊帶調製以分離所述數字輸入信號。
4.依照權利要求1的設備，其中每個噪聲處理器都包括指數平均器、噪聲估算器和相減處理器。
5.依照權利要求4的設備，其中所述指數平均器在先前平均值和當前平均值的加權平均的基礎上計算滾動平均輸入值。
6.依照權利要求4的設備，其中所述噪聲估算器在先前噪聲值和當前輸入值的加權平均的基礎上通過進行指數平滑而產生波帶噪聲值。
7.依照權利要求6的設備，其中如果當前輸入值比預定倍數的當前最小值大，則當前輸入值不被考慮為噪聲，並且所述噪聲估算器不被更新。
8.依照權利要求4的設備，其中所述相減處理器在所述滾動平均輸入值和所述波帶噪聲值的基礎上產生濾波係數H，並以所述濾波係數乘以當前輸入值，從而產生噪聲被消除的值。
9.依照權利要求8的設備，其中所述相減處理器進一步進行最小濾波係數閾值功能。
10.依照權利要求8的設備，其中如果當前輸入值比預定噪聲閾值小，則所述相減處理器進一步進行對所述濾波係數的指數平滑。
11.一種用於通過對數字輸入信號的次波帶進行時域處理來消除噪聲的設備，包括輸入裝置，用於輸入包括噪聲信號的數字輸入信號；波帶分離裝置，用於通過使用單邊帶調製和DFT濾波器組，將所述數字輸入信號分為多個頻率被限制的時域信號次波帶；多個噪聲處理裝置，每個用於處理所述多個信號次波帶相應的一個以使被包括於所述數字輸入信號中的所述噪聲信號被消除；其中所述噪聲處理裝置進一步包括指數平均裝置、噪聲估算裝置和相減處理裝置；以及組合裝置，用於將噪聲被處理的多個信號次波帶組合為數字輸出信號。
12.依照權利要求11的設備，其中所述指數平均裝置在先前平均值和當前平均值的加權平均的基礎上計算滾動平均輸入值。
13.依照權利要求11的設備，其中所述噪聲估算裝置在先前噪聲值和當前輸入值的加權平均的基礎上通過進行指數平滑而產生波帶噪聲值。
14.依照權利要求13的設備，其中如果當前輸入值比預定倍數的當前最小值大，則當前輸入值不被考慮為噪聲，並且所述噪聲估算器不被更新。
15.依照權利要求11的設備，其中所述相減處理裝置在所述滾動平均輸入值和所述波帶噪聲值的基礎上產生濾波係數H，並以所述濾波係數乘以當前輸入值，從而產生噪聲被消除的值。
16.依照權利要求15的設備，其中所述相減處理裝置進一步進行最小濾波係數閾值功能。
17.依照權利要求15的設備，其中如果當前輸入值比預定噪聲閾值小，則所述相減處理裝置進一步進行對所述濾波係數的指數平滑。
18.一種用於通過對數字輸入信號的次波帶進行時域處理來消除噪聲的方法，包括步驟輸入包括噪聲信號的數字輸入信號；通過使用單邊帶調製和DFT濾波器組，將所述數字輸入信號分為多個次波帶；對所述多個次波帶相應的一個進行噪聲處理以使被包括於所述數字輸入信號中的所述噪聲信號被消除；所述噪聲處理步驟進一步包括步驟指數平均、噪聲估算和相減處理；以及用組合裝置將噪聲被處理的多個次波帶組合為數字輸出信號。
19.依照權利要求18的方法，其中所述指數平均步驟在先前平均值和當前平均值的加權平均的基礎上計算滾動平均輸入值。
20.依照權利要求18的方法，其中所述噪聲估算步驟在先前噪聲值和當前輸入值的加權平均的基礎上通過進行指數平滑而產生波帶噪聲值。
21.依照權利要求20的方法，其中如果當前輸入值比預定倍數的當前最小值大，則當前輸入值不被考慮為噪聲，並且所述噪聲估算器不被更新。
22.依照權利要求18的方法，其中所述相減處理步驟在所述滾動平均輸入值和所述波帶噪聲值的基礎上產生濾波係數H，並以所述濾波係數乘以當前輸入值，從而產生噪聲被消除的值。
23.依照權利要求22的方法，其中所述相減處理步驟進一步進行最小濾波係數閾值功能。
24.依照權利要求22的設備，其中如果當前輸入值比預定噪聲閾值小，則所述相減處理步驟進一步進行對所述濾波係數的指數平滑。
全文摘要
一種用於通過對數字輸入信號的次波帶進行時域處理來消除噪聲的方法和設備。輸入信號(102)被分為許多頻率被限制的時域次波帶(104)。然後每個次波帶在波帶分離器(106)中被單獨處理以消除信號中存在的噪聲。噪聲處理包括對輸入的指數平均、噪聲估算和相減處理。噪聲相減過程通過產生濾波係數而被簡化，該濾波係數被指數平滑、硬限制並乘以輸入信號以產生每個次波帶的噪聲被處理的輸出。然後噪聲在組合器(108)被處理的波帶被組合為數字輸出信號(110)。實施能以軟體或硬體被實現，並被應用於各種噪聲消除和信號處理應用。
文檔編號G10L15/00GK1460323SQ01815516
公開日2003年12月3日 申請日期2001年6月19日 優先權日2000年7月12日
發明者B·伯杜戈 申請人:安德烈電子公司