專利名稱：一種語音背景噪聲的消除方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于語音通訊領域，尤其涉及一種語音背景噪聲的消除方法和裝置。
背景技術：
隨著通信技術的飛速發展和日益普及，通信已經成為人們日常聯絡交流的一種重 要手段，因此，人們對通話的語音質量也提出了更高的要求，在實際通信中，通信用戶雙方 常常在一個嘈雜的背景環境下進行通話。這時麥克風接收的音頻信號中不僅包括通話者發 出的語音信號，還包括通話者周圍其它聲源發出的聲音信號，如他人語音信號、腳步聲、物 品碰撞聲、音樂、交通工具發出的聲音等噪聲信號，這些噪聲信號嚴重影響了通話者之間的 通話，因此，如何在保持高效去噪的同時使用較少的期間消除語音信號中混雜的噪聲信號 成為了許多公司關注的焦點。現有技術一般是采用模擬濾波器來消除語音背景噪聲，或者采用數字信號處理器 (DSP)來消除語音背景噪聲。但由于模擬濾波器僅僅過濾掉語音信號中不關注的高頻段部 分或者低頻段部分，從而其應用范圍窄，難以消除與語音信號處在近似頻率段的噪聲信號。 而采用數字信號處理器消除語音背景噪聲，其實現復雜、硬件成本高、功耗大。
發明內容
本發明的目的在于提供一種語音背景噪聲的消除方法，旨在消除語音背景噪聲的 同時，以可變的增益增強語音信號的效果的問題。本發明是這樣實現的，一種語音背景噪聲的消除方法，所述方法包括下述步驟A、對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音頻信號調制為占空比變化的脈 沖信號；B、將所述占空比變化的脈沖信號與預設的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生 音頻信號的可變增益信號；C、根據所述音頻信號的可變增益信號，對接收的音頻信號進行消噪處理。本發明的另一目的在于提供一種語音背景噪聲的消除裝置，所述裝置還包括脈沖寬帶調制單元，用于對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音頻信號 調制為占空比變化的脈沖信號；可變增益產生單元，用于將所述脈沖寬帶調制單元輸出的占空比變化的脈沖信號 與預設的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號；消噪放大處理單元，用于根據所述可變增益產生單元產生的音頻信號的可變增益 信號，對接收的音頻信號進行消噪處理。在本發明實施例中，通過采用PWM調制技術將含有語音信號和噪聲信號的音頻信 號的幅度變化轉化為脈沖信號的占空比變化，通過將占空比變化的脈沖信號與具有固定占 空比的脈沖信號進行比較，產生可變增益信號，根據該可變增益信號對音頻信號進行消噪 處理，以消除語音信號中混雜的噪聲信號，同時以可變的增益增強語音信號的效果。
圖1是本發明實施例提供的語音背景噪聲的消除方法的實現流程圖；圖2是本發明實施例提供的對音頻信號及性能幅值處理的示意圖；圖3是本發明實施例提供的語音背景噪聲的消除裝置的結構框圖；圖4是本發明實施例提供的比較單元的電路原理圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。在本發明實施例中，通過采用PWM調制技術將含有語音信號和噪聲信號的音頻信 號的幅度變化轉化為脈沖信號的占空比變化，通過將占空比變化的脈沖信號與具有固定占 空比的脈沖信號進行比較，產生可變增益信號，根據該可變增益信號對音頻信號進行消噪 處理，以消除語音信號中混雜的噪聲信號，從而實現語音背景噪聲的消除。圖1示出了本發明實施例提供的語音背景噪聲的消除方法的實現流程，詳述如 下在步驟SlOl中，對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)，將音頻信號調制為占空比變化的脈沖信號。在本發明實施例中，接收的音頻信號可以為采集的音頻信號，也可以為從其他設 備傳輸過來的音頻信號。由于說話者所處的環境一般較為復雜，存在除說話者以外的多種 發聲源，如周圍其他說話者的聲音、周圍交通工具的聲音等，因此，接收的音頻信號中不僅 包括說話者發出的語音信號，也包括說話者周圍環境其他聲源發出的噪聲信號。其中接收 的音頻信號一般為交流音頻信號，且音頻信號中語音信號與噪聲信號的幅度一般不相同， 經PWM調制后，占空比變化的脈沖信號反映了音頻信號中語音信號與噪聲信號的幅度變 化。由于接收的音頻信號一般為交流音頻信號，為了使調制得到的占空比變化的脈沖 信號可以準確的反映音頻信號中語音信號與噪聲信號的幅度變化，在本發明實施例中，在 對接收的音頻信號進行PWM調制之前，在方法還包括下述步驟對接收 的音頻信號進行全 波整流，將該音頻信號整流為幅值非負的音頻信號。其中全波整流的具體實現步驟屬于現 有技術，在此不再贅述。在本發明實施例中，采用具有固定頻率、恒定峰峰值的調制三角波信號對全波整 流后的音頻信號進行PWM調制，將全波整流后的音頻信號調制為與該調制三角波信號周期 一致的占空比變化的脈沖信號。在本發明實施例中，在噪聲環境下，一般通話者的語音聲壓級明顯大于噪聲聲壓 級，從而使語音信號的幅度一般大于噪聲信號的幅度，由于對包含語音信號和噪聲信號的 音頻信號進行全波整流是將交流音頻信號整流為直流音頻信號，不會改變語音信號與噪聲 信號的幅值，因此，采用調制三角波信號對直流音頻信號進行PWM調制后，即可將音頻信號 中語音信號和噪聲信號的幅度變化轉化為脈沖信號的占空比變化，即調制得到的脈沖信號的占空比的大小反映了直流音頻信號的幅度的大小。在步驟S102中，將產生的占空比變化的脈沖信號與預設的占空比固定的脈沖信 號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號。在本發明實施例中，預先產生一個與調制三角波信號頻率一致且同步的占空比固 定的脈沖信號，將占空比變化的脈沖信號與該占空比固定的脈沖信號進行比較，即可產生 該音頻信號的可變增益信號。其中產生的占空比固定的脈沖信號的占空比由調制三角波信 號的幅值決定。在本發明實施例中，可以通過計數器分別檢測出占空比變化的脈沖信號的占空比 和占空比固定的脈沖信號的占空比，通過將計數器檢測到的兩路脈沖信號的占空比輸入除 法器，得到兩路脈沖信號占空比的比值，該比值即為產生的該音頻信號的可變增益信號。在步驟S103中，根據音頻信號的可變增益信號，對接收的音頻信號進行消噪處理。在本發明實施例中，由于計數器是按照每個脈沖信號的周期清零的，因而計數器 每經歷一個周期輸出一個值，兩路脈沖信號的兩個計數器就輸出兩個值，兩個值同時送入 除法器，得到一個唯一的值，該唯一的值是對應一個周期的，因而得到離散的該音頻信號的 可變增益信號，由于音頻信號是連續的，為了達到較好的消噪效果，在本發明另一實施例 中，在步驟S103之前，該方法還包括下述步驟對音頻信號的可變增益信號進行積分平均處理，將離散的可變增益信號處理成光 滑連續的可變增益信號。在本發明實施例中，通過對音頻信號的可變增益信號進行積分平均處理，即可發 現語音信號的小幅值與噪聲段的小幅值所產生的脈沖信號的區別，即根據積分平均處理得 到的光滑連續的可變增益信號可以合理的判斷出語音信號與噪聲信號。根據光滑連續的可變增益信號，對音頻信號進行消噪處理。其中對音頻信號進行 消噪處理的具體過程是，根據光滑連續的可變增益信號對音頻信號中的語音信號進行放大 處理，對噪聲信號進行消除處理，從而使音頻信號中的語音信號被放大，使音頻信號中的噪 聲信號被衰減甚至消除。為了防止過大的信號引起聽者的不適，同時保護元器件，在本發明另一實施例中， 在根據光滑連續的可變增益信號對音頻信號進行消噪處理之前，該方法還包括下述步驟對接收的音頻信號的峰值進行實時檢測，并在音頻信號的峰值超過預設電平門限 時，對音頻信號的幅值進行衰減。其具體過程如下對接收的音頻信號的峰值進行實時檢測，當音頻信號的峰值超過預設的電平門限 時，立即對音頻信號的幅值進行衰減，直到音頻信號的峰值低于預設的電平門限，同時對音 頻信號的峰值的下限不做控制。請參閱圖2，為本發明實施例提供的對音頻信號及性能幅值處理的示意圖，預先設 置電平門限，實時檢測接收的音頻信號的峰值，當音頻信號的峰值超過該預設的電平門限 時，立即對音頻信號的幅值進行衰減。為了提高聽者的舒適度，在本發明另一實施例中，該方法還包括下述步驟在步驟S104中，對消噪處理后的音頻信號進行濾波處理。由于人體發聲器官發出的聲 音的頻率段大概為80Hz-3.4KHz，為了保留語音的高次諧波和語音的清晰度，在本發明實施例中，在對消噪處理后的音頻信號進行濾波處理時， 對頻率段80Hz-3. 4KHz內的音頻信號保持全通，在高頻處的截止頻率為8KHz，在低頻處的 截止頻率為80Hz。為了更好的增強語音信號的清晰度，使語音信號具有直通能力，在本發明另一實 施例中，該方法還包括下述步驟在步驟S105中，對濾波處理后的音頻信號進行音效處理。其中音效處理包括但不 限于均衡、混響處理。
為了向用戶呈現音效處理后的音頻信號，在本發明另一實施例中，該方法還包括 下述步驟在步驟S106中，輸出音效處理后的音頻信號。圖3示出了本發明實施例提供的語音背景噪聲的消除裝置的結構，為了便于說 明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。該語音背景噪聲的消除裝置可連接于以麥克風 或傳感器接受語音信號的移動通訊終端，如手機的話筒與聽筒、對講機的接收端與發射端、 錄音筆等設備，以消除這些設備接收的語音信號中混雜的背景噪聲。其中脈沖寬帶調制單元13對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制，將音頻信號調制為 占空比變化的脈沖信號。其中脈沖寬度調制單元13包括第一信號產生電路131和PWM調 制電路132。其中第一信號產生電路131產生具有固定頻率、恒定峰峰值的調制三角波信號。該調 制三角波信號作為PWM調制電路132的調制信號。調制三角波信號的產生過程屬于現有技 術，在此不再贅述。PWM調制電路132的其中一個輸入端與第一信號產生電路131連接，另一輸入端與 用于接收音頻信號的裝置連接，其采用第一信號產生電路131產生的調制三角波對接收的 音頻信號進行PWM調制，將音頻信號調制為與調制三角波信號周期一致的占空比變化的脈 沖信號。其中PWM調制的具體過程屬于現有技術，在此不再贅述。在本發明實施例中，接收的音頻信號可以為采集的音頻信號，也可以為從其他設 備傳輸過來的音頻信號。由于說話者所處的環境一般較為復雜，存在除說話者以外的多種 發聲源，如周圍其他說話者的聲音、周圍交通工具的聲音等，因此，接收的音頻信號中不僅 包括說話者發出的語音信號，也包括說話者周圍環境其他聲源發出的噪聲信號。當接收的 音頻信號為采集的音頻信號時，該裝置還包括音頻采集單元11。該音頻采集單元11采集音 頻信號，該音頻信號中包括語音信號和噪聲信號。在本發明實施例中，可以采用全指向駐極 體式麥克風作為音頻采集單元11，該全指向駐極體式麥克風具有-42dBV/Pa的靈敏度。該 音頻采集單元11的輸出端與脈沖寬度調制單元13的輸入端連接。當接收的音頻信號為交流音頻信號，為了使調制得到的占空比變化的脈沖信號可 以準確的反映音頻信號中語音信號與噪聲信號的幅度變化，在本發明另一實施例中，該裝 置還包括全波整流單元12。該全波整流單元12對接收的音頻信號進行全波整流，將音頻信 號整流成幅值非負的音頻信號。當該裝置包括音頻采集單元11時，該全波整流單元12的 輸入端與音頻采集單元11的輸出端連接，其輸出端與PWM調制電路132連接。可變增益產生單元14將脈沖寬度調制單元13輸出的占空比變化的脈沖信號與預 設的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號。該可變增益產生單元14包括第二信號產生電路141、比較電路142。其中第二信號產生電路141產生一個與 調制三角波信號頻率一致且同步的占空比固定的脈沖信號。該占空比固定的脈沖信號的占 空比由調制三角波信號的幅值決定。比較電路142將脈沖寬度調制單元13產生的占空比變化的脈沖信號與第二信號 產生電路141產生占空比固定的脈沖信號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號。該比 較單元16包括將脈沖信號占空比轉化為電壓值的轉化模塊，電壓除法器等，并共同將調制 得到的占空比變化的脈沖信號與固定占空比脈沖信號進行比較，其輸出信號與麥克風裝置 的輸入音頻信號幅值成正比，且輸出信號改變間隔一個調制三角波的周期。請參閱圖4，為本發明實施例提供的電壓除法器的電路原理。由于電壓除法器的結 構和工作原理屬于現有技術，在此不再贅述。
在本發明實施例中，可以通過計數器作為轉化模塊，分別檢測出占空比變化的脈 沖信號的占空比和占空比固定的脈沖信號的占空比，通過將計數器檢測到的兩路脈沖信號 的占空比輸入除法器，得到兩路脈沖信號占空比的比值，該比值即為產生的該音頻信號的 可變增益信號。由于計數器是按照每個脈沖信號的周期清零的，因而計數器每經歷一個周期輸出 一個值，兩路脈沖信號的兩個計數器就輸出兩個值，兩個值同時送入除法器，得到一個唯一 的值，該唯一的值是對應一個周期的，因而得到離散的該音頻信號的可變增益信號，由于音 頻信號是連續的，為了達到較好的消噪效果，在本發明另一實施例中，該可變增益產生單元 14還包括可變增益積分電路143。該可變增益積分電路143對比較電路142產生的音頻信 號的可變增益信號進行積分平均處理，將離散的可變增益信號處理成光滑連續的可變增益 信號。在本發明實施例中，通過對音頻信號的可變增益信號進行積分平均處理，即可發 現語音信號的小幅值與噪聲段的小幅值所產生的脈沖信號的區別，即根據積分平均處理得 到的光滑連續的可變增益信號可以合理的判斷出語音信號與噪聲信號。消噪放大處理單元15根據可變增益產生單元14產生的音頻信號的可變增益信 號，對接收的音頻信號進行消噪處理。其中對音頻信號進行消噪處理的具體過程是，根據 光滑連續的可變增益信號對音頻信號中的語音信號進行放大處理，對噪聲信號進行消除處 理，從而使音頻信號中的語音信號被放大，使音頻信號中的噪聲信號被衰減甚至消除。為了防止過大的信號引起聽者的不適，同時保護元器件，在本發明另一實施例中， 該裝置還包括幅值處理單元16對接收的音頻信號的峰值進行實時檢測，并在音頻信號的峰值 超過預設電平門限時，對音頻信號的幅值進行衰減。其具體過程如下對接收的音頻信號的峰值進行實時檢測，當音頻信號的峰值超過預設的電平門限 時，立即對音頻信號的幅值進行衰減，直到音頻信號的峰值低于預設的電平門限，同時對音 頻信號的峰值的下限不做控制。在本發明實施例中，當該裝置包括音頻采集單元11時，該幅值處理單元的輸入端 與音頻采集單元連接，其輸出端與消噪放大處理單元15連接。為了提高聽者的舒適度，在本發明另一實施例中，該裝置還包括濾波處理單元17。 該濾波處理單元17的輸入端與消噪放大處理單元15連接，對消噪放大處理單元15處理后的音頻信號進行濾波處理。由于人體發聲器官發出的聲音的頻率段大概為80Hz-3.4KHz，為了保留語音的高 次諧波和語音的清晰度，在本發明實施例中，濾波處理單元17在對消噪放大處理單元15處 理后的音頻信號進行濾波處理時，對頻率段80Hz-3. 4KHz內的音頻信號保持全通，在高頻 處的截止頻率為8KHz，在低頻處的截止頻率為80Hz。為了更好的增強語音信號的清晰度，使語音信號具有直通能力，在本發明另一實 施例中，該裝置還包括音效處理單元18。該音效處理單元18對濾波處理單元17處理后的 音頻信號進行音效處理。其中音效處理包括但不限于均衡、混響處理。為了向用戶呈現音效處理后的音頻信號，在本發明另一實施例中，該裝置還包括 音頻信號輸出單元19。該音頻信號輸出單元19輸出音效處理單元18處理后的音頻信號。在本發明實施例中，通過采用PWM調制技術將含有語音信號和噪聲信號的音頻信 號的幅度變化轉化為脈沖信號的占空比變化，通過將占空比變化的脈沖信號與具有固定占 空比的脈沖信號進行比較，產生可變增益信息，根據該可變增益信號對音頻信號進行消噪 處理，從而消除語音信號中混雜的噪聲信號，同時以可變的增益提高語音信號的效果。通過 對接收的音頻信號進行幅值處理后，再根據可變增益信號對音頻信號進行消噪處理，從而 提高了聽者的舒適度。以上所述僅為本發明的 較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種語音背景噪聲的消除方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟A、對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音頻信號調制為占空比變化的脈沖信號；B、將所述占空比變化的脈沖信號與預設的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號；C、根據所述音頻信號的可變增益信號，對接收的音頻信號進行消噪處理。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟A之前，所述方法還包括下述步驟對接收的音頻信號進行全波整流，將所述音頻信號整流為幅值非負的音頻信號。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟A具體包括 A1、產生一個具有固定頻率、恒定峰峰值的調制三角波信號；A2、采用所述調制三角波信號對全波整流后的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音 頻信號調制為占空比變化的脈沖信號。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟B具體包括B1、產生一個與所述調制三角波信號頻率一致且同步的占空比固定的脈沖信號； B2、將所述占空比變化的脈沖信號與所述占空比固定的脈沖信號進行比較，產生離散 的可變增益信號；B3、對所述離散的可變增益信號進行積分平均處理，將離散的可變增益信號處理成光 滑連續的可變增益信號。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟C之前，所述方法還包括下述步驟對接收的音頻信號的峰值進行實時檢測，并在音頻信號的峰值超過預設電平門限時， 對音頻信號的幅值進行衰減處理。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟C之后，所述方法還包括下述步驟對消噪處理后的音頻信號進行濾波處理； 對濾波處理后的音頻信號進行音效處理；和/或 輸出音效處理后的音頻信號。
7.一種語音背景噪聲的消除裝置，其特征在于，所述裝置包括脈沖寬帶調制單元，用于對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音頻信號調制 為占空比變化的脈沖信號；可變增益產生單元，用于將所述脈沖寬帶調制單元輸出的占空比變化的脈沖信號與預 設的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號；消噪放大處理單元，用于根據所述可變增益產生單元產生的音頻信號的可變增益信 號，對接收的音頻信號進行消噪處理。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括全波整流單元，其輸出端與所述脈沖寬度調制單元連接，用于對接收的音頻信號進行 全波整流，將所述音頻信號整流為幅值非負的音頻信號。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述脈沖寬帶調制單元包括第一信號產生電路，用于產生一個具有固定頻率、恒定峰峰值的調制三角波信號；PWM調制電路，用于采用所述第一信號產生電路產生的調制三角波信號對所述全波整 流單元輸出的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音頻信號調制為占空比變化的脈沖信 號。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述可變增益產生單元包括第二信號產生電路，用于產生一個與所述調制三角波信號頻率一致且同步的占空比固 定的脈沖信號；比較電路，用于將所述第二信號產生電路產生的占空比變化的脈沖信號與所述脈沖寬 度調制單元輸出的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生離散的可變增益信號；可變增益積分電路，用于對所述比較電路產生的離散的可變增益信號進行積分平均處 理，將離散的可變增益信號處理成光滑連續的可變增益信號。
11.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括幅值處理單元，其輸出端與所述消噪放大處理單元連接，用于對接收的音頻信號的峰 值進行實時檢測，并在音頻信號的峰值超過預設電平門限時，對音頻信號的幅值進行衰減 處理。
12.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括濾波處理單元，用于對所述消噪放大處理單元處理后的音頻信號進行濾波處理；音效處理單元，用于對所述濾波處理單元處理后的音頻信號進行音效處理；和/或音頻信號輸出單元，用于輸出所述音效處理單元處理后的音頻信號。
全文摘要
本發明適用于語音通訊領域，提供了一種語音背景噪聲的消除方法和裝置，所述方法對接收的音頻信號進行脈沖寬度調制，將所述音頻信號調制為占空比變化的脈沖信號；將所述占空比變化的脈沖信號與預設的占空比固定的脈沖信號進行比較，產生音頻信號的可變增益信號；根據所述音頻信號的可變增益信號，對接收的音頻信號進行消噪處理。本發明實施例提供的語音背景噪聲消除方法不僅消除了語音信號中混雜的噪聲信號，同時以可變的增益增強了語音信號的效果。
文檔編號H03K7/08GK101859567SQ200910106629
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月10日 優先權日2009年4月10日
發明者馮衛, 張禮振, 徐坤平, 楊云, 馬雙雙 申請人:比亞迪股份有限公司