麦克风阵列的噪声消除方法及装置
专利汇可以提供麦克风阵列的噪声消除方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种麦克 风 阵列的噪声消除方法，所述麦克风阵列包括一个单 指向性 麦克风和一个全指向性麦克风，包括步骤：对两个麦克风采集的目标方向 信号 的增益进行校准，使两个麦克风采集的目标方向信号的增益相同；将经过校准的两个麦克风采集的信号进行对减处理；根据单指向性麦克风采集的信号和经过对减处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均 能量 ，判断所述单指向性麦克风采集的信号中是否存在目标 语音信号 ；以及当判断结果为存在目标语音信号时，采用固定的频域自适应滤波系数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声；当判断结果为不存在目标语音信号时，采用更新的频域自适应滤波系数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声。，下面是麦克风阵列的噪声消除方法及装置专利的具体信息内容。
1、一种麦克风阵列的噪声消除方法，所述麦克风阵列包括一个单指向性麦克风和一个全指向性麦克风，其特征在于，包括步骤： 对两个麦克风采集的目标方向信号的增益进行校准，使两个麦克风采集的目标方向信号的增益相同； 将经过校准的两个麦克风采集的信号进行对减处理； 根据单指向性麦克风采集的信号和经过对减处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均能量，判断所述单指向性麦克风采集的信号中是否存在目标语音信号；以及 当判断结果为存在目标语音信号时，采用固定的频域自适应滤波系数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声； 当判断结果为不存在目标语音信号时，采用更新的频域自适应滤波系数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行校准处理，具体是 指：以单指向性麦克风采集目标方向信号的增益为标准，调整全指向性麦克风 采集目标方向信号的增益与单指向性麦克风采集目标方向信号的增益相同。
3、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信号的平均能量判断是否存在目标语音信号，具体是指：当单指向性麦克风釆集的信号和经过对减处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均能量的比值大于预先设定的比例阚值时，确定所迷单指向性麦克风采集的信号中存在目标语音信号；当单指向性麦克风釆集的信号和经过对减处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均能量的比值小于等于预先设定的比例阈值时，确定所述单指向性 麦克风采集的信号中不存在目标语音信号； 所述预先设定的比例阈值大于等于1。
4、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括步骤：对所述消除噪声后的信号进行频率补偿处理。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括步骤： 对进行频率补偿处理后的信号进行短时谱调整处理。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括步骤： 对进行短时语调整处理后的信号进行自动增益控制处理。
7、 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对信号进行自动增益控 制处理，具体包括：当所述单指向性麦克风采集的信号中存在目标语音信号时，保持短时谱调 整处理后的信号增益不变；当所述单指向性麦克风采集的信号中不存在目标语音信号时，降低短时语 调整处理后的信号增益。
8、 一种麦克风阵列的噪声消除装置，所述麦克风阵列包括一个单指向性麦克风和一个全指向性麦克风，其特征在于，包括：校准单元，用于对两个麦克风采集的目标方向信号的增益进行校准，使两个麦克风采集的目标方向信号的增益相同；对减处理单元，用于将经过;f交准单元校准的两个麦克风采集的信号进行对减处理；判断单元，用于才艮据单指向性麦克风采集的信号和经过对减处理单元对减处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均能量，判断所述单指向性麦克风采 集的信号中是否存在目标语音信号；以及噪声消除单元，用于当判断单元的判断结果为存在目标语音信号时，采用 固定的频域自适应滤波系数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声；当 判断单元的判断结果为不存在目标语音信号时，采用更新的频域自适应滤波系 数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声。
9、 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述校准单元以单指向性麦克风采集目标方向信号的增益为标准，调整全指向性麦克风采集目标方向信号的增益与单指向性麦克风采集目标方向信号的增益相同。
10、 如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括： 频率补偿处理单元，用于对所述噪声消除单元消除噪声后的信号进行频率补偿处理。
11、 如权利要求IO所述的装置，其特征在于，还包括： 短时语调整处理单元，用于对频率补偿处理单元进行频率补偿处理后的信号进行短时i普调整处理。
12、 如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括：自动增益控制处理单元，用于对短时语调整处理单元进行短时谱调整处理 后的信号进行自动增益控制处理。
麦克风阵列的噪声消除方法及装置
技术领域
背景技术
多应用在笔记本电脑或者具有声音采集功能的摄像头上；还有尺寸较小的，仅 由两个麦克风组成，并且两个麦克风间距离较小，多应用在手机等小型设备上。
小距离的一单一全双麦克风阵列是由一个单指向性麦克风和一个全指向 性麦克风构成，且两个麦克风间距离较小。
目前，麦克风阵列算法被越来越多的应用在噪声消除中。麦克风阵列算法 主要利用目标声源和噪声源在空间域上的差别，即各声源到麦克风的距离和方 向不同，来进行信号分离，从而实现噪声消除。
现有的小距离双麦克风阵列算法能够正常工作的一个前提条件是：两个麦 克风的匹配性很好。但是在实际应用中，这一点是不能完全保证的，即使是同 批次的普通麦克风，其幅频特性有时相差会在3-4db左右，且随着时间的推 移和外界环境温度、湿度的变化，麦克风的幅频特性也会发生改变，因此对于 一单一全双麦克风阵列，两个麦克风的匹配问题尤为突出，当两个麦克风不匹 配时，就会大大影响噪声消除效果，导致影响语音质量。
发明内容
一种麦克风阵列的噪声消除方法，包括步骤：
对两个麦克风采集的目标方向信号的增益进行校准，使两个麦克风采集的
目标方向信号的增益相同；
将经过校准的两个麦克风采集的信号进行对减处理；
根据单指向性麦克风采集的信号和经过对减处理得到的两个麦克风采集
的信号差的平均能量，判断所述单指向性麦克风采集的信号中是否存在目标语 音信号；以及
当判断结果为存在目标语音信号时，采用固定的频域自适应滤波系数消除
所述单指向性麦克风釆集的信号中的噪声；
当判断结果为不存在目标语音信号时，采用更新的频域自适应滤波系数消 除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声。
一种麦克风阵列的噪声消除装置，包括：
校准单元，用于对两个麦克风采集的目标方向信号的增益进行校准，使两 个麦克风采集的目标方向信号的增益相同；
对减处理单元，用于将经过校准单元校准的两个麦克风采集的信号进行对 减处理；
判断单元，用于根据单指向性麦克风采集的信号和经过对减处理单元对减 处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均能量，判断所述单指向性麦克风采 集的信号中是否存在目标语音信号；以及
噪声消除单元，用于当判断单元的判断结果为存在目标语音信号时，采用 固定的频域自适应滤波系数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声；当 判断单元的判断结果为不存在目标语音信号时，采用更新的频域自适应滤波系 数消除所述单指向性麦克风采集的信号中的噪声。
本发明实施例对一单一全两个麦克风釆集目标方向信号的增益进行较准， 使两个麦克风采集目标方向信号的增益相同，从而提高两个麦克风的匹配性， 将经过校准的两个麦克风采集的信号对减，得到一路主要包含噪声的信号，根 据单指向性麦克风采集的信号与主要包含噪声的信号的平均能量判断出单指
向性麦克风采集的信号中存在目标语音信号时，采用固定的频域自适应滤波系
数消除单指向性麦克风采集的信号中的噪声；否则，采用更新的频域自适应滤 波系数消除其中的噪声，因此提高了小距离一单一全双麦克风阵列的噪声消除 效果的稳定性，保证了语音质量。
附图说明
图1为本发明实施例中噪声消除的示意图；
图2为本发明实施例中噪声消除方案的流程图；
图3为本发明实施例中经过校准的两路信号进行对减处理的示意图；
图4为本发明实施例中采用频域自适应滤波消除单指向性麦克风采集的信 号中噪声的示意图；
图5为本发明实施例中对进行频率补偿处理后的信号进行短时谦调整处理 的示意图；
图6为本发明实施例中自动增益控制处理过程中进行帧间平滑时采用的斜 坡函数示意图；
图7为本发明实施例中校准处理过程中训练阶段的示意图； 图8为本发明实施例中校准处理过程中工作阶^a的示意图； 图9为采用本发明实施例中的方案进行噪声消除的效果图； 图10为本发明实施例中麦克风阵列的噪声消除装置图。
具体实施方式
声消除处理，提高了噪声消除效果的稳定性，并保证了语音质量。 下面结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。 本发明实施例中的小距离 一单一全双麦克风阵列是指采用 一个心形的单
指向性麦克风和一个全指向性麦克风组成肩并肩式双麦克风阵列，两个麦克风
间距离小于2cm，其中，单指向性麦克风指向前方，即目标语音方向，作为双 麦克风阵列的主麦克风；全指向性麦克风则作为双麦克风阵列的辅麦克风，采 集各个方向的声音信号。此外，本发明实施例方案采用近讲技术，目标语音与
双麦克风阵列的距离小于5cm。
本发明实施例噪声消除的示意图如图l所示，双麦克风阵列吸收来自前方 近距离的目标信号，消除来自后侧和两侧的噪声信号以及前方远距离的噪声信 号。
参见图2,本发明实施例噪声消除方案的具体流程如下：
步骤201、对两个麦克风采集的目标方向信号的增益进行校准，使两个麦 克风采集的目标方向信号的增益相同。
本步骤中，由于全指向性麦克风采集各个方向信号的增益相同，而单指向 性麦克风采集各个方向信号的增益不同，其采集目标方向信号时的增益最大， 因此，以单指向性麦克风采集目标方向信号的增益为标准，调整全指向性麦克 风采集目标方向信号的增益与单指向性麦克风采集目标方向信号的增益相同。
双麦克风增益的校准是通过自适应滤波器实现的，通过调节自适应滤波器 系数，使全指向性麦克风采集的目标方向信号尽可能的逼近单指向性麦克风采 集的目标方向信号，当两路信号基本一致时，就说明校准完成了。
单指向性麦克风和全指向性麦克风采集的目标方向信号分别为Xl(k)和 X2(k)，经过校准处理后的信号输出为Xl'(k)和X2'(k)。
步骤202、将经过校准的两个麦克风采集的信号进行对减处理。
通过步骤201中的校准过程，使得两个麦克风吸收正前方信号的增益相同。 然后将两个麦克风采集的信号对减，由于单指向性麦克风采集的信号中主要包 含目标方向信号，而全指向性麦克风采集的信号中包含各个方向的声音信号， 即包含目标方向信号和噪声信号，因此，对减后的差值中含有较少的目标方向
信号，主要包含其他方向的噪声信号，如图3所示。 对减处理过程可以用公式表示为： u(k)=X2'(k)-Xl'(k) ( 1 )
此外，令d(k)-Xl'(k) (2)
以经过校准的单指向性麦克风采集的信号d(k)作为主信号，经过对减处理 得到的两个麦克风采集的信号差u(k)作为参考信号。
这样处理之后，单指向性麦克风釆集的一路信号主要包含目标方向信号， 而另 一路信号主要包含噪声信号，从而达到信号分离的作用。
步骤203、 一艮据单指向性麦克风采集的信号d(k)和经过对减处理得到的两 个麦克风釆集的信号差u(k)的平均能量判断d(k)中是否存在目标语音信号。
对于主信号d(k)，其平均能量通过下式计算：
式中： 为主信号的平均能量，M为一帧信号的长度。
对于参考信号u(k)，其平均能量通过下式计算：
A/-1
r咖/c—flvg = Z w(A)2 ( 4 )
式中：reX"vg为参考信号的平均能量，M为一帧信号的长度。 显然，当只存在目才示方向声源时，j9〃'wa^;/m'c — avg应"i亥大于/^y^w'c — avg ; 当 只存在目标方向对立面的噪声时，re/w/c —wg应该大于 因此，
可以通过两路信号的平均能量的比值来判断主信号中是否存在目标语音信号，
即：
如果——一avg〉細涵，则确定单指向性麦克风采集的信号中存在 目标语音信号；否则，单指向性麦克风采集的信号中不存在目标语音信号。其
中，比例阈值Threshold为大于等于1的数值，根据实际需要预先设定。
步骤204、当判断结果为存在目标语音信号时，采用固定的频域自适应滤
波系数消除单指向性麦克风釆集的信号中的噪声；否则，采用更新的频域自适
应滤波系数消除单指向性麦克风采集的信号中的噪声。
参见图4,本步骤中，以d(k)作为主信号，利用u(k)模拟并消除d(k)中的
噪声成分，得到消除噪声后的信号s(k)。本步骤能正常工作的前提条件是u(k)
中主要包含噪声成分，否则会造成目标语音的失真，因此需要对自适应滤波器
的系数更新进行控制，保证只有在目标语音信号不存在时才进行系数更新。 采用频域自适应滤波消除d(k)中的噪声的方法与现有技术相同，这里不再赘述。
为了提高目标语音信号的自然度，进行步骤205。
步骤205、采用一阶无限冲击响应（IIR， Infinite Impulse Response)低通 滤波器对消除噪声后的信号s(k)进行频率补偿处理。
由于本发明实施例采用单指向性麦克风，通过对减处理和频域自适应滤波 处理后的信号，低频对应的幅度响应会有一定的损失，也就是说信号的幅度响 应具有频率依赖性（低频衰减大，高频衰减小），因此需要对信号s(k)进行频率 补偿。
本步骤中，频率补偿采用最简单的一阶无限冲击响应低通滤波器，具体参 见如下式子：
其中，,("为频率补偿后的输出；c邵—/flc为频率补偿因子，其值
0
为了进一步消除？(A:)中的噪声，进行步骤206。
步骤206、对进行频率补偿处理后的信号进行短时谱调整处理。短时谱调整处理的基本原理如图5所示，是利用语音的概率分布，对当前 帧语音的每一个频语分量的幅度值进行约束，即乘以一个系数G(A:):
其中S'("为步骤205的输出信号，S"W表示进一步消除噪声后的信号， G(A:)为估计的增益。
短时镨调整处理后输出的信号为进一步消除了噪声的s，)。
为了进一步抑制噪声强度，进行步骤207。
步骤207、对进行短时谱调整处理后的信号r(Q进行自动增益控制(AGC， Automatic Gain Control)处理。
本发明实施例中自动增益控制处理是在目标语音信号不存在时，通过减小 增益，从而抑制噪声强度，具体是指，若判断结果为单指向性麦克风采集的信 号中存在目标语音信号时，保持短时谱调整处理后的信号的增益不变；否则， 降低短时语调整处理后的信号增益。
比如，当目标语音信号存在时，gain—tmp=l; 当目标语音信号不存在时，gain—tmp=0.3。 gain—tmp表示进行短时谱调整处理后的信号的增益。 考虑到增益gain—tmp突然增大或者减小的时候，信号幅度也会突然增大或 减小，这样就会带来一些人耳能感觉到的噪声，因此，需要对gain—tmp进行帧 间平滑，得到平滑后的增益gain。平滑增益可以緩和增益突变，避免输出信号 幅度的阶越式跳变，能够使人耳基本感觉不到增益变化带来的噪声，如下式所 示：
其中，"是一个平滑因子，需要仔细选择，AGC的理论中，当增益变化在 50ms内完成时，不会产生幅度突变带来的噪声。例如，如果使用8kHz的采样 率，则50ms对应400个样点，当一帧信号为128个样点时，增益的突变只要
能平滑到4帧即可，即平滑因子的最小值为《^=0.75。 另外，考虑到保护语音质量的因素，采取快升慢降的策略，即只要判断出
目标语音信号存在，增益就迅速上升；判断出目标语音信号不存在，增益就緩 慢下降，这也是通过给"设置不同的值实现的，比如：
当目标语音信号存在时，设"=0.75;
当目标语音信号不存在时，设《=0.95。
为了进一步避免自动增益控制引起的幅度突变带来的噪声，在帧间平滑的 基础上，还进行帧内平滑，通过下式实现：
A: = 0~M—1 (9) 其中ga/" — oW为上 一 帧做了帧间平滑后的gain, ga/" — 为当前帧^故了帧 间平滑后的gain, g9iri(k)对应当前帧内做了帧内平滑后的每个样点的增益，M 为帧长。6(A:)-1-A:/M为斜坡函数，如图6所示，由图6可以看出，由于斜坡 函数在当前帧开始时对于上一帧的gain赋予较大权值，对于当前帧的gain赋 予较小权值；而在当前帧末尾时正好相反，因此可以有效地避免增益突变的影 响。
最后用做了帧间平滑和帧内平滑的增益去调整s"(W，得到最终的输出信号
为：
= （10) 步骤201中，校准过程分为两个阶段：训练阶段和工作阶段。 在训练阶段，自适应滤波器的系数更新处于开启状态，也就是说自适应滤 波器通过调节自身系数，补偿两个麦克风釆集的目标方向信号的幅度和相位上 的差异，使得处理后的两路信号基本一致。值得注意的是，在训练阶段，必须 只有目标方向的声源，没有其他方向的噪声，因为是针对目标方向信号增益的 校准。当检测到两路信号基本一致时，通过存储设备保存训练好的自适应滤波 器系数。训练阶段的示意图如图7所示，自适应滤波器h(k)对全指向性麦克风 采集的目标方向信号进行自适应滤波，使其不断逼近单指向性麦克风采集的目 标方向信号，通过能量比较器来判断两路信号是否已经基本一致，判定两路信
号基本一致的条件是：
其中，自适应滤波采用时域归一化最小均方（NLMS)算法：
在工作阶段，校准自适应滤波器的系数更新是被禁止的，因为在实际工作 状态，可能存在各个方向的声源，校准自适应滤波器可能会吸收到目标方向以 外的声源，而只需要对目标方向信号的增益进行校准。此时，只需取得训练阶 段保存的自适应滤波器系数，作为固定的校准自适应滤波器系数，对全指向性
麦克风采集目标方向信号的增益进行校准，工作阶^a的示意图如图8所示。
图7和图8中的延时n是使两路信号保持同步的常系数滤波器。 步骤206中，G(k)可以用下式表示：
其中，A(A:)为估计的噪声方差，4W为估计的语音方差，P(/Z,Wiy(")为
估计的目标语音信号存在概率。（^m为目标语音信号不存在时设置的增益小量，
具体算法与现有技术相同。
显然，信噪比高时，存在目标语音信号的概率大，衰减小（G("大）；反之， 则认为存在目标语音信号的概率小，衰减则增大（G(^)小）。从而实现降低噪 声，增强语音的作用。
值得注意的是，根据信噪比估计目标语音信号存在概率时，可以借助步骤203的判断结果进行加权，具体方式如下：
若判断结果为存在目标语音信号，贝'J:
若判断结果为不存在目标语音信号，贝'J:
其中，y为一个O至l的数，比如0.5。
其中
上述加权处理的好处有两点：
1、步骤203由于借助麦克风阵列多麦克风的优势，因而对于目标语音信 号是否存在的判断更为准确。 2、步骤203可以将目标方向的语音和其他方向的非稳态干扰噪声分辨出 来，因此可以提高短时谱调整处理消除非稳态噪声的能力。
下面用实例说明采用本发明实施例中的方案进行消除噪声的效果，如图9 所示。采用8KHz采样率的白噪声信号，固定声源不动，使小距离一单一全双 麦克风阵列自转一周，声源距离麦克风阵列的旋转半径为5cm。从图9可以看 出，波束宽段在士60。左右，波束以外的噪声抑制在20dB以上。
相应地，本发明实施例还提供一种麦克风阵列的噪声消除装置，其结构如 图10所示，麦克风阵列包括一个单指向性麦克风和一个全指向性麦克风，该 噪声消除装置包括：4交准单元1001、对减处理单元1002、判断单元1003和噪 声消除单元1004。
校准单元1001,用于对两个麦克风采集的目标方向信号的增益进行校准， 使两个麦克风采集的目标方向信号的增益相同；
对减处理单元1002,用于将经过校准单元1001 4交准的两个麦克风采集的
信号进行对减处理；
判断单元1003,用于根据单指向性麦克风采集的信号和经过对减处理单元 1002对减处理得到的两个麦克风采集的信号差的平均能量，判断单指向性麦克 风采集的信号中是否存在目标语音信号；以及
噪声消除单元1004，用于当判断单元1003的判断结果为存在目标语音信 号时，采用固定的频域自适应滤波系数消除单指向性麦克风采集的信号中的噪 声；当判断单元1003的判断结果为不存在目标语音信号时，采用更新的频域 自适应滤波系数消除单指向性麦克风采集的信号中的噪声。
上述噪声消除装置还包括：频率补偿处理单元1005、短时谙调整处理单元 1006和自动增益控制处理单元1007。
频率补偿处理单元1005,用于对噪声消除单元1004消除噪声后的信号进 行频率补偿处理。
短时语调整处理单元1006，用于对频率补偿处理单元1005进行频率补偿 处理后的信号进行短时语调整处理。
自动增益控制处理单元1007，用于对短时谱调整处理单元1006进行短时 谱调整处理后的信号进行自动增益控制处理。
其中，校准单元1001以单指向性麦克风采集目标方向信号的增益为标准， 调整全指向性麦克风采集目标方向信号的增益与单指向性麦克风采集目标方 向信号的增益相同。
本发明实施例通过校准两个麦克风采集目标方向信号时的增益相同的方 法，提高两个麦克风的匹配性，再对校准后的信号进行对减处理，得到主要包 含目标方向信号和主要包含噪声信号的两路信号，通过频谱自适应滤波进行噪 声消除处理，还通过频率补偿提高目标语音信号的自然度，通过短时谱调整以 及自动增益控制处理进一步消除噪声，从而提高噪声消除效果的稳定性，并保 证了语音质量。明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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