CN103222209B - 减少从麦克风装置接收的信号中无用信号的***和方法 - Google Patents

Abstract

用于减少从麦克风装置接收的信号中的无用声音的***和方法，包括：通过麦克风装置感测分布在指定目标方向周围的声源，以产生左和右麦克风输出信号；确定左和右麦克风信号的功率；确定这两个麦克风功率测量值中的最小值；和，基于左和右麦克风功率测量值与最小功率测量值的比较，衰减信号。

Description

减少从麦克风装置接收的信号中无用信号的***和方法

技术领域

本发明涉及减少从麦克风装置接收的信号中无用信号（unwanted signal）的***和方法。

背景技术

在听觉装置，诸如助听装置中，背景噪音有损于对语音声音的可理解性。大多数现代的听觉装置是通过在麦克风输出信号路径中引入降噪处理技术来解决这个问题的。目标是增大收听者可获得的信噪（SNR）比，从而提高听觉装置佩戴者收听时的清晰度和容易度。

降噪处理的成功通常在很大程度上取决于用于估计噪声的合适的参考信号的形成，原因是，该参考信号是用于最优化自适应滤波器的，该自适应滤波器旨在消除噪声，理想情况下仅留下目标信号。然而，这样的参考估计经常是不精确的，因为大多数已知技术，诸如语音活动检测，都容易产生误差。继而，这样的不精确性导致不合适的滤波和经处理声音输出质量的劣化（目标失真），尤其是在最需要降噪功能的低SNR处。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种减少从麦克风装置接收的信号中的无用声音的方法，该方法包括以下步骤：通过麦克风装置感测分布在指定目标方向周围的声源，以产生左和右麦克风输出信号；确定左和右麦克风信号的功率；确定两个麦克风功率测量值中的最小值；和，基于左和右麦克风功率测量值与最小的功率测量值的比较，对信号进行衰减。

对左和右麦克风功率测量值的比较可基于麦克风功率与最小功率的比。

麦克风输出功率和最小功率可以是经时间平均的。

确定功率的步骤可以是频率特定的。

功率之间的比可以通过函数缩放。

缩放函数可包括压缩扩展器。

缩放函数可以与频率相关。

该方法可还包括定义目标方向的步骤。

目标方向可用于对左和右麦克风输出信号进行滤波。

对麦克风输出信号进行滤波的步骤可包括相对于目标方向平衡左和右信号。

缩放函数可由使用者控制。

缩放函数可由自动处理控制。

目标方向可由使用者控制。

目标方向可由自动处理控制。

在第二方面，本发明提供了一种减少从麦克风装置接收的信号中的无用声音的***，包括：传感装置，其通过麦克风装置感测分布在指定的目标方向周围的声源，以产生左和右麦克风输出信号；确定装置，其确定左和右麦克风信号的功率；确定装置，其确定麦克风信号的最小功率，和，衰减装置，其基于功率与最小功率的比较，对信号进行衰减。

衰减装置可布置成基于每个信号的功率与最小功率的比，对每个信号进行衰减。

确定功率的装置可包括时间平均。

功率之间的比可通过函数缩放。

缩放函数可包括压缩扩展器。

缩放函数可由使用者或自动处理控制。

目标方向可用于对左和右麦克风信号进行滤波。

目标方向可由使用者或自动处理控制。

在一些实施例中，当期望的目标信号从不同方向到达干扰噪声源的方向时，该信号处理技术降低空间分布传感器阵列（诸如在双边助听装置中可得到的麦克风输出）中的干扰水平。该算法通过以下步骤操作：为每个频带确定左和右麦克风信号中包含的单声道功率的最小值，和，根据通过时间平均的单声道功率水平与最小功率水平的比确定的量来调节左和右信号。在听觉领域中，可应用该技术来减小在诸如助听装置、听力保护器和人工耳蜗这样的装置中的噪声的影响。

本发明的实施例提供了一种改进的且有效的方案，用于除去在麦克风输出信号中存在的噪声，而不需要对参考信号进行复杂而易产生误差的估计。在一些实施例中，信号处理算法优选地对在收听者头部每一侧的至少一个麦克风输出信号执行多通道分析。对每个频率通道进行分析，以估计在每只耳朵处的信号的功率。在随后的步骤中，对在每个通道中来自左和右耳的功率估计进行比较，选择最小的功率。在随后的步骤中，针对每个通道在一段较短的时间段中对所有三个测量值:左耳功率、右耳功率和最小功率取平均值。在第一阶段，使用经时间平均的左耳的和最小的功率值来确定左耳权重。类似地，使用经时间平均的右耳的和最小的功率值来确定右耳权重。权重被调节（因此降低了噪声）到的程度用经缩放的因数控制，该经缩放的因数被选择成同步地最小化输出信号中的音频失真。在最终的调整中，通过从左和右耳权重中的较小者得到的（可缩放）因数来调节两只耳朵的权重。因此，即使当一只耳朵接收到的功率持续比另一只耳朵接收到的小时，在两只耳朵中信号水平也都要降低，虽然在具有更大的功率的耳朵中信号水平要降低更多。

一些实施例可用于声学***中，该声学***具有位于头部每一侧的至少一个麦克风，其用于产生麦克风输出信号，还具有用于产生输出信号的信号处理路径和用于将此输出信号呈现给听觉***的装置。

附图说明

现将通过参考附图说明本发明的实施例，该实施例仅作为示例，在附图中：

图1是用于减少从麦克风装置接收的信号中的无用声音的***的框图；和

图2示出了用于实施图1中的***的实验中所记录的信号波形图（以dB为单位）。最上面的波形图是在零度处呈现的原始目标语音。第二个和第三个波形图是当目标呈现在-5dB SNR处，且存在两个干扰说话者（在+-45度处）时的总麦克风信号。最下面的波形图是在进行处理后恢复的目标信号。

具体实施方式

以下对优选的实施例的描述是针对来自头部左侧和右侧的麦克风输出信号提出的。将要注意的期望声源假定为来自被称为目标方向的特定方向。在优选实施例中，采用了多频带频率分析，其使用例如傅里叶变换，左、右通道信号分别为X_L(k)和X_R(k)，其中k表示第k个频率通道。

参考图1，示出了根据本发明优选实施例的***100的示意性代表。***100在数字信号处理（DSP）硬件中实施，并且其被表示为功能块。现将给出***100的各功能块的操作的综述，并且随后将更加详细地解释所发生的计算。

通过使用分析滤波器组功能块，101和102，例如利用傅里叶变换，将来自检测装置的具有左麦克风101和右麦克风102形式的输出转换成多通道信号。随后，通过确定装置105和106独立地确定左和右信号中的每个通道的功率。通过分别使用积分处理108和110，在时间上累加左和右通道的功率输出。在107，确定最小的功率输出。通过使用与应用于左和右通道功率值的积分处理相同的积分处理，在寄存器109形式的存储装置中保持并在时间上累加最小功率值。在111，根据左功率与最小功率之间的比，计算出前置（preliminary）左通道方向滤波器的权重。类似地，在112，根据右功率与最小功率之间的比，计算出前置右通道方向滤波器的权重。在113，确定左和右通道的权重中较小的值，并且在114处对其进行缩放，以形成附加影响双耳的权重（diotic weight）。在115和116，将影响双耳的权重分别乘以前置的左权重和右权重，以形成最终的左和右通道权重，WLL和WRR。通过可编程滤波器117形式的衰减装置，将左通道权重WLL应用到左通道信号X_L。类似地，通过可编程滤波器118形式的衰减装置，将右通道权重WRR应用到右通道信号X_R。在119，经加权的左信号和右信号被相加起来，以产生最终的通道输出信号。使用合成滤波器组120，例如通过使用傅里叶逆变换，可选地产生宽带时域信号，该宽带时域信号可受益于进一步的处理，诸如，根据应用调节频谱内容或时域平滑，这对于本领域技术人员是显而易见的。

以下公式被应用于***100所实施的方法，并且在图1中标识出。

来自位于头部左侧和右侧麦克风的信号的每个通道中的功率按如下计算：

P_L(k)=X_L(k)·X_L(k)    等式1

P_R(k)=X_R(k)·x_R(k)    等式2

等式1和等式2描述了目标方向对应于头部朝向的方向的情况。可选地，该目标方向可通过对左和右麦克风信号进行滤波来改变。尽管该目标方向可由使用者指定，但是对于本领域技术人员应为显而易见的是，其也可以使用自动处理。

作为本发明的进一步的步骤，在优选实施例中，最小功率值按如下确定：

P_min(k)=min[P_L(k),P_R(k)]    等式3

在优选实施例中，通过按如下这样将在N个连续的分析间隔中计算出的功率相加，以确定经时间平均的功率：

${\stackrel{\_}{P}}_L\left(k\right)=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}{P}_L\left(k\right)$     等式4

${\stackrel{\_}{P}}_R\left(k\right)=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}{P}_R\left(k\right)$     等式5

${\stackrel{\_}{P}}_{\min }\left(k\right)=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\min }\left(k\right)$     等式6

可以使用备选的时间平均方法。

经时间平均最小功率与经时间平均的左和右麦克风功率的功率比，按如下这样计算：

$\mathrm{ML}\left(k\right)={\stackrel{\_}{P}}_{\min }\left(k\right)/{\stackrel{\_}{P}}_L\left(k\right)$     等式7

$\mathrm{MR}\left(k\right)={\stackrel{\_}{P}}_{\min }\left(k\right)/{\stackrel{\_}{P}}_R\left(k\right)$     等式8

将缩放函数（scaling function）应用于计算出的功率比，以限定方向滤波的强度。在优选实施例中，缩放函数具有根据迭代函数实施的压缩非线性：

u_L(k)=ML(k)[2-ML(k)]    等式9

u_L(k)=u_L(k)^α×β    等式10

其中，α和β是用于控制经处理的声音的方向敏感度以及输出质量的缩放因数（scaling factor）。在优选实施方式中，α=1.7且β=√1.7。可选地，这些缩放因数可由使用者指定，或者通过自动算法调整。

类似地，应用可缩放函数（scalable function）来计算用于右耳的方向滤波的强度：

u_R(k)MR(k)·[2-MR(k)]    等式11

u_R(k)=u_R(k)^α×β    等式12

根据如下等式确定u_L(k)和u_R(k)中的较小值：

b(k)=min[u_L(k),u_R(k)]    等式13

值b(k)是用于相等地减小来自两耳的信号的通道加权的双边加权因数。因此，最终的通道权重为：

W_L(k)=u_L(k)·b(k)    等式14

WR(k)=u_R(k)·b(k)    等式15

对于本领域技术人员显而易见的是，例如根据信噪比估计器的输出，通过以时变的方式，来调整在等式9至等式13中描述的缩放值，将可能是有利的。

通道加权值WL(k)和WR(k)被分别应用于通道信号X_L(k)和X_R(k)，并且相加，以产生通道输出信号：

Z(k)=WL(k)X_L(k)+WR(k)X_R(k)    等式16

对于本领域技术人员显而易见的是，在一些应用中，保留左和右通道输出的立体声分离度（stereo separation），而不是如本文描述的那样将左和右信号相加，可能是有利的。根据应用，可选的附加步骤是：例如通过使用傅里叶逆变换，从组合的通道输出再生成宽带时域信号。

参考图2，可以看到，信号波形图“恢复的目标”非常接近“目标”的波形图。这是在尽管由于干扰扬声器位于与目标成45度而拾取到如左和右麦克风波形图所示的那样的相当大的噪声量的情况下实现的。因此，本发明的此实施例成功地减少了从麦克风接收的信号中的无用噪声。

本文中包含的对于现有技术的任何参考，都不被当做承认该信息是公知常识，除非另作指示。

最后，应理解，对于以上描述的部分可以做出各种改动或附加，而不会脱离本发明的精神或范围。

Claims (18)

1.一种减少从麦克风装置接收的信号中的无用声音的方法，包括以下步骤：

通过麦克风装置感测分布在指定目标方向周围的声源，以产生左和右麦克风输出信号；

确定左和右麦克风信号的功率测量值；

确定两个麦克风功率测量值中的最小功率测量值；和

基于左和右麦克风功率测量值与最小的功率测量值的比较，对信号进行衰减，

其中对所述左和右麦克风功率测量值与所述最小的功率测量值的比较是基于所述麦克风功率测量值与所述最小功率测量值的比的；并且

其中所述麦克风输出功率测量值和最小功率测量值是经时间平均的。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定功率测量值的步骤是频率特定的。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述麦克风功率测量值与所述最小功率测量值之间的比通过缩放函数缩放。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述缩放函数包括压缩扩展器。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中所述缩放函数是依赖频率的。

6.如权利要求1所述的方法，还包括定义目标方向的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述目标方向用于对左和右麦克风输出信号进行滤波。

8.如权利要求7所述的方法，其中对麦克风输出信号进行滤波的步骤包括相对于所述目标方向平衡所述左和右信号。

9.如权利要求3所述的方法，其中所述缩放函数由使用者控制。

10.如权利要求3所述的方法，其中所述缩放函数由自动处理控制。

11.如权利要求6所述的方法，其中所述目标方向由使用者控制。

12.如权利要求6所述的方法，其中所述目标方向由自动处理控制。

13.一种减少从麦克风装置接收的信号中的无用声音的***，包括：

传感装置，其通过麦克风装置感测分布在指定目标方向周围的声源，以产生左和右麦克风输出信号；

确定装置，其确定左和右麦克风信号的功率；

确定装置，其确定麦克风信号的最小功率；和

衰减装置，其基于功率与最小功率的比较，对信号进行衰减，其中所述衰减装置布置成基于每个信号的功率与最小功率的比，对每个信号进行衰减；并且

其中用于确定左和右麦克风信号的功率的所述确定装置包括时间平均装置。

14.如权利要求13所述的***，其中每个信号的功率与最小功率的比通过缩放函数缩放。

15.如权利要求14所述的***，其中所述缩放函数包括压缩扩展器。

16.如权利要求15所述的***，其中所述缩放函数由使用者或自动处理控制。

17.如权利要求13所述的***，其中目标方向用于对左和右麦克风信号进行滤波。

18.如权利要求17所述的***，其中所述目标方向由使用者或自动处理控制。