次波带指数平滑噪声消除系统技术方案

技术编号:3528497 阅读:207 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
一种用于通过对数字输入信号的次波带进行时域处理来消除噪声的方法和设备。输入信号(102)被分为许多频率被限制的时域次波带(104)。然后每个次波带在波带分离器(106)中被单独处理以消除信号中存在的噪声。噪声处理包括对输入的指数平均、噪声估算和相减处理。噪声相减过程通过产生滤波系数而被简化,该滤波系数被指数平滑、硬限制并乘以输入信号以产生每个次波带的噪声被处理的输出。然后噪声在组合器(108)被处理的波带被组合为数字输出信号(110)。实施能以软件或硬件被实现,并被应用于各种噪声消除和信号处理应用。(*该技术在2021年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及噪声消除和减小,并且更具体地,涉及使用次波带处理和指数平滑的噪声消除和减小。
技术介绍
被附加给语音的环境噪声降低了语音处理算法的性能。这种处理算法可包括口授(dictation)、语音激活、语音压缩和其它系统。环境噪声亦降低声音和语音的质量和可理解性。在这样的系统中,需要不影响语音及其特征而减小噪声并提高信噪比(S/N比)。相近领域的噪声消除话筒提供了令人满意的解决,但需要话筒位于语音源(例如,嘴)附近。在许多情况下,这是通过在耳机的吊杆上安装话筒而实现的,所述耳机使话筒位于佩戴者嘴附近的吊杆末端处。然而,耳机已被证实不是佩戴不舒服,就是对在例如汽车内的操作过于限制。一般的话筒阵列技术和具体的自适应射束形成阵列,以最有效的方式处理严重的定向噪声。这些系统绘制噪声场并生成向噪声源的静音点(null)。静音点的数量由话筒单元的数量和处理能力来限定。这种阵列具有无需耳机而进行不需要手的操作的好处。然而,当噪声源被扩散(diffused)时,自适应系统的性能将被减小到有规律延迟与和(sum)话筒阵列的性能,其不是总令人满意的。当环境相当回响时,如当噪声从房间的墙被强烈反射并且从无限数量的方向到达阵列时,情况是这样的。在汽车环境中,情况也是这样的,这是由于一些噪声从汽车底盘被辐射。阵列解决的另一个不利方面是它需要多个话筒,其对解决的物理尺寸和价格有影响。它亦消除了给现有系统提供噪声减小能力的能力,所述系统已具有一个所实施的话筒并不能被附加另外的话筒。进一步减小噪声的一个所提出的解决是谱相减技术,其估算被污染信号的噪声幅度谱,通过在由语音开关检测的非声音时间间隔期间测量它,然后从该信号减去噪声幅度谱。被具体描述于Suppression ofAcoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction(使用谱线相减的声音中噪声的抑制)(Steven F Boll,IEEE ASSP-27 NO.21979年4月)的这种方法实现了针对不与声音信号相关的静止扩散噪声的好的结果。然而,谱线相减方法生成了有时被描述为音乐噪声的假象,其可降低声音算法(如语音记录或语音激活)的性能,如果谱线相减是不受控制的。另一个问题是FFT结果的幅度计算是相当复杂的。这涉及平方和平方根计算,其就计算负荷来说是很贵的。还有一个问题是为了获得用于IFFT的信息,使相位信息与无噪声的幅度谱的关联。这个过程需要计算相位、存储信息以及将信息应用于幅度数据,所有的一切就计算和存储器要求来说是贵的。缩短FFT结果的长度导致每个元(bin)的较宽的带宽和较好的稳定性,但降低了系统的性能。而且,在时间上的平均抹去了数据并且为了这个原因,不能被扩展到多于几帧。改进的谱线减法技术已被提出于1999年2月18日提交的U.S.专利序列号09/252,874。改进的系统具有阈值检测器,其通过确定输入信号的频谱元素或元是否处于在时间的预设周期上依照频谱元素的最小值设定的阈值内,从而精确地检测噪声元素的位置,即使是在连续的声音段内。更精确的是频谱元素的当前和将来最小值。这样,对于每个音节,噪声元素的能量通过没有整个信号能量检查的分离的阈值确定而被确定,由此提供对噪声好且稳定的估算。另外,该系统优选地连续设定所述阈值,并在例如五秒的时间的预定周期内重设该阈值。为了减小谱线估算的不稳定性,进行二维(2D)平滑过程的改进的谱线相减技术被应用于信号估算。在每个时间帧中使用第一相邻频率元然后应用指数时间平均、导致对每个频率元在时间上的平均,这个两步平滑功能产生了极好的结果。为了减小在相减过程中确定频率元相位的复杂度以由此对准相减元素的相位,改进技术应用了滤波乘法(filter multiplication)以实现所述相减。滤波函数,例如维纳滤波函数,或维纳滤波的近似,被乘以频域音频信号的复(complex)数据。然而,这些谱线相减技术仍需要复杂且在计算上强化的FFT计算,以便于当在频域中时对数据进行运算。附加给计算时间的是等待时间,当在进行计算前等待足够的数据点/采样到缓冲器时,它导致该等待时间。这个等待时间的问题导致整个系统的延迟,其可导致实时应用中的困难。还有,2D平滑过程减少了假象(亦已知为音乐噪声),但它们将仍是可听见的,特别是当语音不存在时。在安静的部分,这个残留噪声在本质上听起来是人为的,并且听上去可以是令人讨厌的。专利技术目的和概述因此,本专利技术的目的是提供次波带时域噪声消除系统,其具有简单而有效的机构以估算并减去噪声,即使是在差的信噪比情况下并且在连续快速声音的情况下。本专利技术的另一目的是提供有效的机构,其通过减小相关技术系统中的等待时间问题而提高处理能力。本专利技术的又一个目的是提供有效的机构,其去除在相关技术系统中的残留(音乐)噪声问题。依照以上目的,本专利技术提供了一种系统,其正确地确定音频信号的非语音段,由此防止错误地处理语音段内的噪声消除信号。为达到以上目的,本专利技术提供了输入,用于输入包括噪声信号分量的数字信号;波带分离器,用于将数字输入信号分为许多频率被限制的时域信号次波带;许多噪声处理器,其对应于每个次波带以使数字输入信号中的噪声信号分量被消除;以及组合器,用于将噪声被处理的次波带组合为数字输出信号。本专利技术的特定方面是,输入射束由波带分离器分为许多有限频率的次波带,优选为16个均匀间隔的波带,以使噪声处理在每个频带上分别进行。通过将波带分为例如16个通道,本专利技术减小了欲由噪声处理器处理所需的采样速率。将理解,不仅是这个系统更加可管理,而且通过例如调节对应于给定波带内期望噪声水平的各个阈值处理参数,噪声处理器可对每个频率而被分别最优化。波带分离器为例如DFT滤波器组(bank),其使用单边带调制以分离数字输入信号。每个噪声处理器均由指数平均器、噪声估算器和相减处理器组成。指数平均器在先前平均值和当前输入值的加权平均的基础上计算滚动平均(rolling average)输入值。噪声估算器通过在先前噪声值和当前输入值的加权平均的基础上进行指数平滑而产生波带噪声值。假定当前输入被考虑为噪声,如果当前输入值比预定倍数的当前最小值大,则噪声估算器不使用该输入来确定新的噪声估算。相减处理器在滚动平均输入值和波带噪声值的基础上产生滤波系数H,并且用滤波系数乘以当前输入值,以产生噪声被消除的值。另外,相减处理器可进行最小滤波系数阈值功能。如果计算值低于特定最小值,则这个特定最小值被用实际的计算值替换。这个阈值可被用于控制噪声减小量。另外,如果当前输入比预定倍数的噪声阈值小,则进行滤波系数的指数平滑。本专利技术可用于各种噪声消除系统,包括但不局限于被描述于在此引入作为参考的U.S.专利申请中的那些系统。例如,本专利技术可用于蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、音频应用、汽车音响、耳机和话筒阵列。另外,本专利技术可被实施为计算机程序,用于驱动作为应用软件被安装或作为硬件的计算机处理器。附图简述参照被与附图一起考虑的以下详述,将容易获得对本专利技术和许多其伴随的优点的较完整理解,在附图中附图说明图1示出本专利技术的次波带噪声消除系统;图2示出本专利技术的波带分离单元;图3示出本专利技术的噪声处理单元;图4示出本专利技术的噪声估算过程;图5示出本专利技术的相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过对数字输入信号的次波带进行时域处理来消除噪声的设备,包括:输入,用于输入包括噪声信号的数字输入信号;波带分离器,用于将所述数字输入信号分为多个次波带;多个噪声处理器,每个用于处理所述多个次波带相应的一个以使被包括于所 述数字输入信号中的所述噪声信号被消除;以及组合器,用于将噪声被处理的多个次波带组合为数字输出信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员:B伯杜戈
申请(专利权)人:安德烈电子公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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