CN1737905A - 一种语音通信终端背景噪声的消除装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种语音通信终端背景噪声的消除装置，包括：D/A变换模块、播放器、声音传感装置、A/D变换模块、自适应滤波器、噪声估计模块和加法器模块。本发明同时公开了一种语音通信终端背景噪声的消除方法，该方法包括：a.采集语音通信终端发出的语音信号和接收方背景噪声信号；b.从获得的信号估计出接收方背景噪声信号；c.将估计得到的接收方背景噪声信号反相位后与语音通信终端收到的发送方语音信号进行叠加，并将叠加后的信号与接收方背景噪声进行噪声相消。本发明提供的装置和方法可以很好地抵消耳机周围的背景噪声，减少接收方背景噪声对接收者的干扰。

Description

一种语音通信终端背景噪声的消除装置及方法

技术领域

本发明涉及通信终端语音处理技术，特别是涉及一种语音通信终端背景噪声的消除装置及方法。

背景技术

随着通信技术的飞速发展和日益普及，通信已经成为人们日常联络交流的一种重要手段，因此，人们对通话的语音质量也提出了更高的要求。在实际通信中，通信用户双方常常在一些嘈杂的背景环境下进行通话。这时，接收方用户听到的声音不仅包括发送方用户的说话话音，还包括发送方和接收方用户周围其它声音，比如他人话音、脚步声、物品碰撞声、音乐以及交通工具发出的声音等。这些除了通信用户双方的说话话音之外的声音称为背景噪声，位于发送方用户周围的背景噪声称为发送方背景噪声，位于接收方用户周围的背景噪声称为接收方背景噪声。

图1为移动通信终端的语音传递过程示意图，其中，发送方麦克风同时接收发送方语音和发送方背景噪声，经过对收到的声音进行采样和编码、传输、解码处理后，传送给接收方耳机或喇叭，接收方通过耳机或喇叭收听传递来的声音，同时也听到接收方背景噪声。由此可见，语音在传递过程收到发送方背景噪声和接收方背景噪声的双重干扰。在很多情况下，背景噪声掩盖了通信说话人的话音，使接收方听者不能正确地获取说话者发送的语音信息，从而造成通信的困难。

基于图1所示的移动通信终端的语音传递过程，现有移动通信终端，比如CDMA手机和GSM手机在发话方的声码器对语音进行编码之前，均采用自适应滤波技术来消除发送方背景噪声。图2为现有技术移动通信终端中发送方背景噪声的消除装置结构组成示意图，包括：麦克风201、采样模块202、自适应滤波器203和语音编码模块204。

其中，麦克风201接收发送方语音和背景噪声，然后将收到的发送方语音和背景噪声传送给采样模块202；采样模块202收到发送方语音和背景噪声后，对其进行采样，即将模拟信号转换成数字信号，并将获得的数字信号输出给自适应滤波器203；自适应滤波器203对收到的信号进行背景噪声的消除，并将剩下的语音信号输出给语音编码模块204；语音编码模块204对收到的语音信号进行编码。

其中，自适应滤波器203的具体结构如图3所示。其中，x(n)为经过采样处理的麦克风接收到的输入信号，包括发送方语音信号s(n)和发送方背景噪声信号v(n)，即x(n)＝s(n)+v(n)。x(n)经过延迟Δ后得到x(n-Δ)＝s(n-Δ)+v(n-Δ)，x(n-Δ)通过自适应滤波器203的滤波器部分，输出语音信号s(n)的估计值 ，并把估计值

与输入信号x(n)相减得到误差信号e(n)。其中的相减运算不是一般的代数相减，而是需要相应的算法进行运算，比如相关功率的功率谱密度分析等。

自适应滤波器203采用最小均方误差(LMS，Least Mean Square)算法，其权值w_i(n)由误差信号 $e\left(n\right)=x\left(n\right)-\hat{s}\left(n\right)=v\left(n\right)+(s\left(n\right)-\hat{s}\left(n\right))$ 调节，其中，0≤i≤M-1，M是滤波器的阶数。如果定义权值矢量W(n)和输入矢量X(n)分别为：

W(n)＝[w₀(n) w₁(n) … w_M-2(n) w_M-1(n)]^T

X(n)＝[x₀(n) x₁(n) … x_M-2(n) x_M-1(n)]^T

则自适应滤波器的LMS算法可以表达为：

$\hat{s}\left(n\right)=W^T\left(n\right)X(n-\mathrm{\Δ})=W^T\left(n\right)S(n-\mathrm{\Δ})+W^T\left(n\right)V(n-\mathrm{\Δ})$

$e\left(n\right)=x\left(n\right)-\hat{s}\left(n\right)$

W(n+1)＝W(n)+μX(n)e(n)。

其中，μ是根据最小均方误差准则进行搜索时的步长因子。

由于语音具有准周期性，因此语音信号s(n)和s(n-Δ)强相关，同时认为噪声信号v(n)和v(n-Δ)不相关，且也认为噪声信号和语音信号不相关。基于这一假设，可以估计出输入信号x(n)中相关性较强的成分。同时，调整滤波器的权值w_i(n)使e(n)的均方误差最小，就可以得到语音信号s(n)在最小均方误差准则下的最佳估计值s(n)。

虽然现有技术提供的消除发送方背景噪声的方案可以减少背景噪声对语音的干扰，但是现有技术仅考虑到消除发送方背景噪声，而对接收方背景噪声没有进行任何处理，忽略了接收方背景噪声对接收方耳机发出的声音的干扰，特别是当接收方处于嘈杂环境时，接收方背景噪声对说话者的语音干扰尤其严重。而目前移动通信终端克服接收方背景噪声的方法是采用提高耳机的音量，这种方法受耳机最大音量的限制，在嘈杂环境中的效果依然很差。同样地，现有的固定通信终端也存在上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种语音通信终端背景噪声的消除装置，能够对接收方背景噪声进行消噪处理，减少接收方背景噪声对接收者的干扰。

本发明的另一目的在于提供一种语音通信终端背景噪声的消除方法，能够减少接收方背景噪声对接收者的干扰。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种语音通信终端背景噪声的消除装置，包括：

D/A变换模块，用于将数字信号转换为模拟信号并输出；

播放器，用于接收所述D/A变换模块输出的模拟信号并播放；

该装置还包括：

声音传感装置，用于采集所述播放器播放的声音和接收方背景噪声并输出；

A/D变换模块，用于将所述声音传感装置输出的模拟信号转换成数字信号并输出；

自适应滤波器，用于接收发送方语音信号和所述A/D变换模块输出的数字信号，估计所述A/D变换模块输出的数字信号中的噪声信号并输出；

噪声估计模块，用于根据所述自适应滤波器输出的噪声信号预测接收方背景噪声信号并输出；

加法器模块，用于将所述噪声估计模块输出的接收方背景噪声信号与发送方语音信号进行反相位叠加，并输出给所述D/A变换模块。

其中，所述声音传感装置可以包含至少一个麦克风。

上述方案中，该装置可以进一步包括叠加器，所述叠加器位于麦克风和A/D变换模块之间，用于将多个麦克风输出的模拟信号进行叠加并输出给A/D变换模块；

或者所述叠加器位于A/D变换模块和自适应滤波器之间，用于将多个麦克风输出给A/D变换模块的、由A/D变换模块分别进行模数转换后的信号进行叠加，并输出给自适应滤波器。

另外，所述A/D变换模块可以为对多个麦克风输出的信号分别进行模数转换并分别输出给自适应滤波器的A/D变换模块；所述自适应滤波器可以为接收所述A/D变换模块输出的多路信号并分别进行滤波处理的自适应滤波器。

所述播放器可以包含至少一个耳机或扬声器。

本发明同时公开了一种语音通信终端背景噪声的消除方法，该方法包括以下步骤：

a.采集语音通信终端发出的语音信号和接收方背景噪声信号；

b.从获得的信号中估计出接收方背景噪声信号；

c.将估计得到的接收方背景噪声信号反相位后与语音通信终端接收到的发送方语音信号进行叠加，并将叠加后的信号与实际的接收方背景噪声进行噪声相消。

其中，所述步骤a可以进一步包括：

同时采集多路信号，并将采集到的多路信号进行叠加，然后对叠加结果进行模数转换并输出；

或者，同时采集多路信号，分别将采集到的多路信号进行模数转换，然后将转换结果进行叠加并输出。

上述方案中，所述步骤b可以包括：以语音通信终端收到的发送方语音信号作为自适应滤波处理的参考信号，利用自适应滤波处理获得数字信号中的噪声信号估计值，然后利用该噪声信号估计值预测接收方背景噪声信号的估计值。

另外，所述步骤a可以进一步包括：同时采集多路信号，分别将多路信号进行模数转换并分别输出；相应地，所述步骤b进一步包括：对输出的每路数字信号分别进行自适应滤波处理，获得每路数字信号中的噪声信号估计值，利用获得的噪声信号估计值预测接收方背景噪声信号的估计值。

其中，所述利用自适应滤波处理获得噪声信号的方法可以为：利用最小均方误差算法获得噪声信号的估计值。

上述方案中，该方法可以进一步包括：对多路输入信号分别进行自适应滤波处理，并选择经过自适应滤波处理所得到的多个处理结果中的最大值或本次所有处理结果之和作为噪声信号的估计值。

上述方案中，所述预测接收方背景噪声信号估计值的方法可以为：当前时刻的背景噪声信号估计值为前一时刻的背景噪声信号估计值与经过自适应滤波处理获得的噪声信号估计值之和。

由上述方案可以看出，本发明的关键在于：本发明装置主要包括用于估计背景噪声的自适应滤波器和噪声估计模块，通过自适应滤波器和噪声估计模块估计出背景噪声，将背景噪声估计值反相位后与语音信号进行叠加，然后将包含该背景噪声估计值的语音信号通过耳机播放出来，使其中的背景噪声估计值与实际的接收方背景噪声相互抵消，从而获得消噪后的语音信号。

因此，本发明所提供的这种语音通信终端背景噪声的消除装置及方法，可以很好地抵消耳机周围的背景噪声，减少接收方背景噪声对接收者的干扰，使接收方在耳机音量不大的情况下也可以清晰地听清发送方的话音。

附图说明

图1为移动通信终端的语音传递过程示意图；

图2为现有技术移动通信终端中发送方背景噪声的消除装置结构组成示意图；

图3为图2所示的发送方背景噪声消除装置中自适应滤波器的结构示意图；

图4为本发明移动通信终端中接收方背景噪声的消除装置的一个实施例的结构组成示意图；

图5为图4所示的接收方背景噪声消除装置的一个实施例中自适应滤波器的结构示意图；

图6为本发明接收方背景噪声的消除装置的一个实施例中耳机和麦克风的排列方式示意图；

图7为本发明用于消除语音通信终端的背景噪声的方法实现流程图；

图8为本发明固定通信终端中接收方背景噪声的消除装置的一个实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明提供的装置主要包括用于估计背景噪声的自适应滤波器和噪声估计模块，通过自适应滤波器和噪声估计模块估计出背景噪声，将背景噪声估计值反相位后与语音信号进行叠加，然后将包含该背景噪声估计值的语音信号通过耳机播放出来，使其中的背景噪声估计值与实际的接收方背景噪声相互抵消，从而获得消噪后的语音信号。

图4为本发明接收方背景噪声的消除装置的一个实施例的结构组成示意图，包括：加法器模块401、D/A变换模块402、耳机403、语音传输通道404、麦克风405、A/D变换模块406、自适应滤波器407和噪声估计模块408。其中，加法器模块401用于将语音通信终端收到的发送方语音信号s(n)和反相位的接收方背景噪声信号估计值 进行叠加；D/A变换模块402用于将数字信号转换为模拟信号，简称为数模转换；耳机403是一种播放声音信号的播放器，用于播放语音信号和反相位的接收方背景噪声信号叠加后的信号，也可以用扬声器替代耳机作为播放器；语音传输通道404用于将声音信号传输给接收方，语音和噪声在语音传输通道404上进行叠加；麦克风405是一种采集声音信号的传感装置，用于接收语音信号和抵消后剩下的背景噪声；A/D变换模块406用于对模拟信号进行抽样，即将模拟信号转换为数字信号，简称为模数转换；自适应滤波器407用于估计采集到的信号中的噪声信号值；噪声估计模块408用于预测背景噪声的估计值。

如图4所示，语音通信终端收到的发送方语音信号经过加法器模块401传送给D/A变换模块402，D/A变换模块402对收到的信号进行数字信号到模拟信号的转换，并将转换后的模拟信号输出给耳机403。耳机403将收到的模拟信号播放出来，并通过语音传输通道404传送给接收方和麦克风405，同时语音传输通道404也将接收方背景噪声v传送给接收方和麦克风405。

麦克风405接收语音信号和噪声信号得到信号x，并送到A/D变换模块406中进行抽样，得到x(n)，然后A/D变换模块406将x(n)送给自适应滤波器407。自适应滤波器407以语音信号s(n)作为参考输入进行自适应滤波，估计噪声信号的估计值

。噪声估计模块408根据噪声信号估计值 预测背景噪声信号的估计值 ，并将背景噪声估计值

送给加法器401。

加法器模块401对语音信号s(n)和背景噪声信号的估计值

进行叠加，得到信号 ，并将该信号输出给D/A变换模块402，再通过耳机403播放出来。耳机403播放出的信号中的背景噪声估计值

和接收方背景噪声v相互抵消，使传送到接收方和麦克风405的声音主要是语音信号以及一些抵消后剩下的噪声。

自适应滤波器407的具体结构如图5所示。其中，包含语音信号和噪声信号的x(n)，经过自适应滤波器407的滤波器部分，恢复出语音信号s(n)的最佳估计值 语音信号s(n)的最佳估计值

和语音信号s(n)的延迟信号s(n-Δ)相减，得到所求的误差信号

自适应滤波器407采用LMS算法，其权值w_i(n)由误差信号 ${\hat{v}}_e\left(n\right)=\hat{s}\left(n\right)-s(n-\mathrm{\Δ})$ 调节，其中，0≤i≤M-1，M是滤波器的阶数。由于语音信号和背景噪声信号不相关，调整滤波器的权值w_i(n)使 的均方误差最小，就可以得到在最小均方误差准则下的x(n)中语音信号s(n)的最佳估计值

同时也就认为 是背景噪声相消后剩余噪声信号的最佳估计值。其中Δ是语音信号的延迟，可以根据最小均方误差准则搜索得到。当然，自适应滤波器407也可以采用其它自适应算法和最佳准则。

噪声估计模块408用于根据噪声信号的最佳估计值

预测当前的背景噪声估计值。最简单的预测方法为 $\hat{v}\left(n\right)=\hat{v}(n-1)+{\hat{v}}_e\left(n\right).$ 其中，

为当前的背景噪声估计值，

为前一时刻的背景噪声估计值。

为了使噪声抵消的效果更好，图4中耳机403和麦克风405的数量可以为多个，且耳机和麦克风(MIC)的数量可以不同，麦克风的位置是在希望抵消噪声的区域。通常，希望抵消噪声的区域在接电话时是指耳机周围，但在其它应用时也有例外。比如，睡觉时，如果仅仅把手机当成一个降低周围噪声的工具，该区域就可以比较大。以一个耳机和三个麦克风为例，它们之间的排列方式如图6所示。其中，耳机位于中间，三个麦克风位于耳机周围成120度角度分布。

多个麦克风同时接收的信号可以叠加后传送给自适应滤波器，也可以单独传送给自适应滤波器，由自适应滤波器分别处理。如果需要叠加，则需要在本发明装置中相应的位置增加一个叠加器。比如，多个麦克风的输出信号可以在进行A/D变换前叠加在一起，则将叠加器设置在麦克风和A/D变换模块之间；也可以在进行A/D变换后叠加在一起，则将叠加器设置在A/D变换模块和自适应滤波器之间。另外，还可以在进行A/D变换后分别送到自适应滤波器分别处理。

基于图4所示的装置，本发明用于语音通信终端的背景噪声消除方法如图7所示，包括以下步  ：

步  701、采集语音通信终端的耳机发出的声音与接收方背景噪声相加后的声音信号，并将该声音信号进行模拟信号到数字信号的转换。

其中，用于采集信号的麦克风可以是一个或多个，也就是采集信号可以是一路或多路。当使用多个麦克风采集信号时，可以将多个麦克风输出的信号先叠加起来，再进行A/D变换并输出；也可以将多个麦克风输出的信号先分别进行A/D变换，再叠加起来输出；或者也可以将多个麦克风输出的信号分别进行A/D变换，然后分别输出。

步  702、将发送方语音信号作为参考输入，对采集到的数字声音信号进行自适应滤波处理，估计出其中的噪声信号；其中，自适应滤波器可以采用LMS算法也可以采用其它自适应算法和最佳准则。

对于多个麦克风输出的信号分别进行A/D变换再分别输出给自适应滤波器的情况，需要对各路信号分别进行自适应滤波处理。这里以三个麦克风一个耳机为例进行简单说明。

例如，三个麦克风接收的信号分别经过自适应滤波器在最小均方误差准则下进行处理，得到三个噪声信号的估计值

和

。然后计算 ${\hat{v}}_e\left(n\right)=\max ({\hat{v}}_{e1}\left(n\right),{\hat{v}}_{e2}\left(n\right),{\hat{v}}_{e3}\left(n\right))$ 或 ${\hat{v}}_e\left(n\right)=\mathrm{sum}({\hat{v}}_{e1}\left(n\right),{\hat{v}}_{e2}\left(n\right),{\hat{v}}_{e3}\left(n\right)),$ 其中max为求最大值运算，sum为求和运算。也就是说，可以选择自适应滤波处理后获得的三个估计值中的最大值或将三个估计值叠加作为自适应滤波结果输出。由于各路信号的延迟不同，需要先对各路噪声信号估计值，比如

和

进行同步处理，再选择或叠加。

由于人耳对声音的感觉并不是和声音的功率成正比，而是和声音的分贝数成正比，所以，也可以对

的绝对值取对数，即 然后以使

最小为最优准则。相应地，对于多路输入的情况，也可以对每个

的绝对值取对数，再求和，即 $\mathrm{\Σ}\left(\log \right|{\hat{v}}_e\left(n\right)\left|\right),$ 然后以使 $\mathrm{\Σ}\left(\log \right|{\hat{v}}_e\left(n\right)\left|\right)$ 最小为最优准则。

步  703、根据得到的噪声信号预测实际背景噪声信号的估计值；最简单的预测方法为： $\hat{v}\left(n\right)=\hat{v}(n-1)+{\hat{v}}_e\left(n\right).$ 其中， 为当前的背景噪声信号估计值， 为前一时刻的背景噪声信号估计值，

为经过自适应滤波得到的噪声信号的最佳估计值。

步  704、将预测获得的实际背景噪声信号估计值反相位后与发送方语音信号进行叠加，并通过耳机输出；

步  705、耳机输出的声音信号与接收方背景噪声在语音传输时进行叠加，抵消其中的背景噪声，接收方获得消噪后的发送方语音信号。

上述方案同样可以适用于固定通信终端，其区别仅在于：由于现有的固定通信终端收到的信号是模拟信号，因此，需要先将收到的模拟信号转换成数字信号，再进行噪声估计和消噪处理；相应地，如图8所示，需要在本发明装置发送方语音信号输入端之前增加一个A/D转换模块800，用于将输入的模拟信号转换为数字信号。

从上述方案可以看出，通过自适应滤波处理可以得到经过噪声相消后的剩余噪声，再通过噪声预测处理不断叠加，就可以估计出接收方背景噪声，然后用估计得到的接收方背景噪声与实际的接收方背景噪声进行对消处理，进而可以减少了背景噪声对接收者的干扰。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种语音通信终端背景噪声的消除装置，包括：

D/A变换模块，用于将数字信号转换为模拟信号并输出；

播放器，用于接收所述D/A变换模块输出的模拟信号并播放；

其特征在于，该装置还包括：

声音传感装置，用于采集所述播放器播放的声音和接收方背景噪声并输出；

A/D变换模块，用于将所述声音传感装置输出的模拟信号转换成数字信号并输出；

自适应滤波器，用于接收发送方语音信号和所述A/D变换模块输出的数字信号，估计所述A/D变换模块输出的数字信号中的噪声信号并输出；

噪声估计模块，用于根据所述自适应滤波器输出的噪声信号预测接收方背景噪声信号并输出；

加法器模块，用于将所述噪声估计模块输出的接收方背景噪声信号与发送方语音信号进行反相位叠加，并输出给所述D/A变换模块。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声音传感装置包含至少一个麦克风。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括叠加器，所述叠加器位于麦克风和A/D变换模块之间，用于将多个麦克风输出的模拟信号进行叠加并输出给A/D变换模块；

或者所述叠加器位于A/D变换模块和自适应滤波器之间，用于将多个麦克风输出给A/D变换模块的、由A/D变换模块分别进行模数转换后的信号进行叠加，并输出给自适应滤波器。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述A/D变换模块为对多个麦克风输出的信号分别进行模数转换并分别输出给自适应滤波器的A/D变换模块；所述自适应滤波器为接收所述A/D变换模块输出的多路信号并分别进行滤波处理的自适应滤波器。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述播放器包含至少一个耳机或扬声器。

6、一种语音通信终端背景噪声的消除方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.采集语音通信终端发出的语音信号和接收方背景噪声信号；

b.从获得的信号中估计出接收方背景噪声信号；

c.将估计得到的接收方背景噪声信号反相位后与语音通信终端收到的发送方语音信号进行叠加，并将叠加后的信号与实际的接收方背景噪声进行噪声相消。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤a进一步包括：

同时采集多路信号，并将采集到的多路信号进行叠加，然后对叠加结果进行模数转换并输出；

或者，同时采集多路信号，分别将采集到的多路信号进行模数转换，然后将转换结果进行叠加并输出。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：以语音通信终端收到的发送方语音信号作为自适应滤波处理的参考信号，利用自适应滤波处理获得数字信号中的噪声信号估计值，然后利用该噪声信号估计值预测接收方背景噪声信号的估计值。

9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤a进一步包括：同时采集多路信号，分别将多路信号进行模数转换并分别输出；相应地，所述步骤b进一步包括：对输出的每路数字信号分别进行自适应滤波处理，获得每路数字信号中的噪声信号估计值，利用获得的噪声信号估计值预测接收方背景噪声信号的估计值。

10、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述利用自适应滤波处理获得噪声信号的方法为：利用最小均方误差算法获得噪声信号的估计值。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：对多路输入信号分别进行自适应滤波处理，并选择经过自适应滤波处理所得到的多个处理结果中的最大值或本次所有处理结果之和作为噪声信号的估计值。

12、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述预测接收方背景噪声信号估计值的方法为：当前时刻的背景噪声信号估计值为前一时刻的背景噪声信号估计值与经过自适应滤波处理获得的噪声信号估计值之和。

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