追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统和方法，包括声源定位模块、延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，声源定位模块的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，对目标声源及噪声源的方向进行判断计算后输出；估算模块与前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列以及声源定位模块分别连接，根据三者的输出估算出前向目标信号。本发明专利技术能据外部环境，实时追踪噪声源与目标声源的方向，进行定向降噪。

Double microphone noise reduction system and method for tracking noise source and target sound source

The invention discloses a dual microphone noise reduction system and method for tracking noise source and target sound source, including sound source positioning module, delay adder, forward backward differential microphone array, differential microphone array, estimation module and Wiener filter, sound source localization module input for forward and backward the two frequency signal of the microphone, the target sound source and noise source direction judgment calculation output; estimation module with forward and backward differential microphone array differential microphone array and the sound source localization module is respectively connected, according to the output of the three estimate to the target signal. The invention can track the direction of the noise source and the target sound source according to the external environment in real time, and carry out the directional noise reduction.

【技术实现步骤摘要】
追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统和方法
本专利技术属于信号处理领域，特别涉及一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统和方法。
技术介绍
目前的人工耳蜗降噪技术一般是基于一个全向麦克风，即单麦克风降噪技术或两个全向麦克风，也就是双麦克风降噪技术。其中，单麦克风降噪技术的效果一般很难得到保证。比如传统的谱减法或维纳滤波，会产生语音信号的畸变以及“音乐噪音”，很难提升耳蜗植入者在噪声环境下的言语识别率。而一些最新的基于单麦克风的降噪技术，往往需要很大的运算资源，这都是人工耳蜗或助听器的DSP所无法承受的。而传统的双麦克风技术，比如延时相加(DS，delayandsum)方法，是根据正前方的语音信号抵达两个麦克风的时间差而进行处理的。可是，考虑到用户体验，人工耳蜗体外机的发展趋势是越做越轻薄，因此两个麦克风的物理距离往往不超过两厘米，这也导致了语音信号抵达两个麦克风的时间差非常短，甚至不到一个采样点的差别。所以传统的DS方法只能稍微提升语音信号的信噪比，效果微乎其微。在此基础上进行改进的差分麦克风阵列(DMA,differentialmicrophonearray)的方法，可以有效提升信号的信噪比，但是只能用来消除提前设定好的方向的噪声(如侧向90度或后向180度)，而不能根据外部环境变化来实时地消除噪声。这样结果很有可能会导致噪声不能被有效地消除，而使得耳蜗植入者不能在噪声环境中感知语音信号。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统和方法，据外部环境，实时追踪噪声源与目标声源的方向，进行定向降噪。为达到上述目的，本专利技术提供了一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，包括声源定位模块、延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，其中，所述声源定位模块的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，对目标声源及噪声源的方向进行计算后输出；所述延时相加器的输入为声源定位模块输出的目标声源方向、前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经方向识别和延时相加后，信噪比提升的混合信号；所述前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别与所述延时相加器连接，二者的输入均为延时相加器输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；所述估算模块与前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列以及声源定位模块分别连接，根据三者的输出估算出前向目标信号；所述维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。优选地，所述声源定位模块输出的目标声源方向记为θt，噪声源方向记为θn由如下公式获得：Xθ(ω)＝X1(ω)+e-jωτcos(θ)X2(ω)；θt(ω)＝θ,当Xθ(ω)＝max(Xθ(ω))，且θ＝-60°到60°；θn(ω)＝θ,当Xθ(ω)＝max(Xθ(ω))，且θ＝120°到240°；其中，Xθ(ω)为不同延时叠加后的混合信号、θ为信号不同的入射角度、θt为目标声源的方向、θn为噪声源的方向、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小，0°定义为正前方。优选地，所述延时相加器的输出由如下公式获得：其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、θt为目标声源即前向声源的方向、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。优选地，所述前向差分麦克风阵列输出的前向信号由如下公式获得：Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。优选地，所述估算模块输出的前向目标信号由如下公式获得：XS(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数，由噪声源的方向所决定、Xs(ω)为前向目标信号。优选地，所述维纳滤波器输出的目标语音信号由如下公式获得：其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。基于上述目的，本专利技术还提供了一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪方法，包括以下步骤：前向和后向麦克风的两路频域信号输入声源定位模块，声源定位模块对目标声源及噪声源的方向进行计算后输出；目标声源方向、前向和后向麦克风的两路频域信号输入延时相加器，进行延时相加及信噪比提升处理，输出混合信号；混合信号和后向麦克风的频域信号同时输入前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列，而后分别输出前向信号和后向信号；前向信号、后向信号及噪声源的方向一同输入估算模块，估算出前向目标信号；维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。优选地，所述声源定位模块输出的目标声源方向记为θt，噪声源方向记为θn，由如下公式获得：Xθ(ω)＝X1(ω)+e-jωτcos(θ)X2(ω)；θt(ω)＝θ,当Xθ(ω)＝max(Xθ(ω))，且θ＝-60°到60°；θn(ω)＝θ,当Xθ(ω)＝max(Xθ(ω))，且θ＝120°到240°；其中，Xθ(ω)为不同延时叠加后的混合信号、θ为信号不同的入射角度、θt为目标声源的方向、θn为噪声源的方向、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小，0°定义为正前方。优选地，所述延时相加器的输出由如下公式获得：其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、θt为目标声源即前向声源的方向、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。优选地，所述前向差分麦克风阵列输出的前向信号由如下公式获得：Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。优选地，所述估算模块输出的前向目标信号由如下公式获得：XS(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数，由噪声源的方向所决定、Xs(ω)为前向目标信号。优选地，所述维纳滤波器输出的目标语音信号由如下公式获得：其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xs(ω)为前向目标信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、S(ω)为目标语音信号。本专利技术的有益效果在于：有效提升前向信号(目标语音信号)的信噪比，同时抑制侧向或后向干扰(噪声)信号的强度，使得耳蜗植入者可以在噪声环境中感知和理解语音信号。并且，此技术可以根据周围环境，实时追踪噪声源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，包括声源定位模块、延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，其中，所述声源定位模块的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，对目标声源及噪声源的方向进行计算后输出；所述延时相加器的输入为声源定位模块输出的目标声源方向、前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经方向识别和延时相加后，信噪比提升的混合信号；所述前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别与所述延时相加器连接，二者的输入均为延时相加器输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；所述估算模块与前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列以及声源定位模块分别连接，根据三者的输出估算出前向目标信号；所述维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。

【技术特征摘要】
1.一种追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，包括声源定位模块、延时相加器、前向差分麦克风阵列、后向差分麦克风阵列、估算模块和维纳滤波器，其中，所述声源定位模块的输入为前向和后向麦克风的两路频域信号，对目标声源及噪声源的方向进行计算后输出；所述延时相加器的输入为声源定位模块输出的目标声源方向、前向和后向麦克风的两路频域信号，输出为两路频域信号经方向识别和延时相加后，信噪比提升的混合信号；所述前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列分别与所述延时相加器连接，二者的输入均为延时相加器输出的混合信号加后向麦克风的频域信号，输出分别为前向信号和后向信号；所述估算模块与前向差分麦克风阵列和后向差分麦克风阵列以及声源定位模块分别连接，根据三者的输出估算出前向目标信号；所述维纳滤波器与所述估算模块连接，将前向目标信号进行维纳滤波，输出目标语音信号。2.根据权利要求1所述的追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述声源定位模块输出的目标声源方向记为θt，噪声源方向记为θn由如下公式获得：Xθ(ω)＝X1(ω)+e-jωτcos(θ)X2(ω)；θt(ω)＝θ,当Xθ(ω)＝max(Xθ(ω))，且θ＝-60°到60°；θn(ω)＝θ,当Xθ(ω)＝max(Xθ(ω))，且θ＝120°到240°；其中，Xθ(ω)为不同延时叠加后的混合信号、θ为信号不同的入射角度、θt为目标声源的方向、θn为噪声源的方向、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小，0°定义为正前方。3.根据权利要求1所述的追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述延时相加器的输出由如下公式获得：其中，X1(ω)为前向麦克风的频域信号、X2(ω)为后向麦克风的频域信号、θt为目标声源即前向声源的方向、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小，Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号。4.根据权利要求1所述的追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述前向差分麦克风阵列输出的前向信号由如下公式获得：Xf(ω)＝Xm(ω)-e-jωτX2(ω)其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xf(ω)为前向信号；后向差分麦克风阵列输出的后向信号由如下公式获得：Xb(ω)＝Xm(ω)-ejωτX2(ω)其中，X2(ω)为后向麦克风的频域信号、ω为角频率、τ为后向麦克风的延时大小、Xm(ω)为延时相加器输出的混合信号、Xb(ω)为后向信号。5.根据权利要求1所述的追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述估算模块输出的前向目标信号由如下公式获得：XS(ω)＝Xf(ω)-CXb(ω)其中，Xf(ω)为前向信号、Xb(ω)为后向信号、C为介于0.1到1之间的常数，由噪声源的方向所决定、Xs(ω)为前向目标信号。6.根据权利要求1所述的追踪噪声源和目标声源的双麦克风降噪系统，其特征在于，所述维纳滤波器输出的目标语音信号由如下公式获得：其中，Xm(ω)为延时相加器输出的混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁远，孙晓安，田春，平利川，黄穗，
申请(专利权)人：浙江诺尔康神经电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33