專利名稱：一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及語音降噪領(lǐng)域，特別涉及一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代化交通工具座艙中的噪聲污染成為人們關(guān)注的話題。如何 在這種相對封閉的環(huán)境中盡量降低由于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、氣流與車身摩擦及空調(diào)風(fēng)扇等所帶來 的噪聲污染，從而得到令人滿意的休息和語音交流的環(huán)境，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前針對車載免提通信設(shè)備中語音增強(qiáng)和識別的需求，采用的降低車內(nèi)噪聲的技 術(shù)分為傳統(tǒng)的信噪分離方法和自適應(yīng)濾波方法。其中傳統(tǒng)信噪分離技術(shù)以提高車內(nèi)語音 SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)為目標(biāo)，先后提出了基于小波的噪聲檢測技術(shù)，基于 噪聲譜相減的信噪分離技術(shù)以及基于麥克風(fēng)陣列的降噪算法等相關(guān)解決方案。小波技術(shù)由 于過于復(fù)雜，難以在當(dāng)前數(shù)字信號處理器上實(shí)現(xiàn)；噪聲譜相減技術(shù)由于需要事先統(tǒng)計(jì)出噪 聲頻譜，故要滿足車內(nèi)噪聲頻譜恒定的理想條件；麥克風(fēng)陣列降噪受限于麥克風(fēng)數(shù)量和陣 列形狀，不適合頭戴式耳機(jī)的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代隨機(jī)數(shù)字信號理論的應(yīng)用，特別是自適應(yīng)濾 波器算法的推廣，出現(xiàn)了自適應(yīng)有源降噪耳罩，它通過初級麥克風(fēng)采集初級環(huán)境噪聲，送入 控制器中的自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生次級信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動次級聲源，產(chǎn)生與初級聲信號 頻率相同、相位相反的次級信號，與初級信號疊加，實(shí)現(xiàn)噪聲的衰減。該方法能夠降低普通 耳罩難以衰減的低頻噪聲，從而在很寬的頻帶上得到較好的綜合降噪效果，如圖1所示，其 中，Hl為初級聲源到誤差麥克風(fēng)傳遞通路的傳輸函數(shù)，H2為初級聲源到初級麥克風(fēng)傳遞通 路的傳輸函數(shù)。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有自適應(yīng)有源降噪耳罩，只是解決了 降噪的問題，并沒有真正解決在噪聲背景下的語音通信。另外，從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分 析，以上降噪方法的效果都是產(chǎn)生一個(gè)相對固定的信噪比增益，但在原本很低輸入信噪比 情況下，輸出就仍然難以達(dá)到滿意的效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠?qū)崿F(xiàn)在噪聲背景下的語音通信，并且在車內(nèi)較低信噪比的情況下也能很 好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信，本發(fā)明提供了一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法與系統(tǒng)，所述方法 包括以下步驟(1)發(fā)送端將語音信號頻譜搬移至高頻段，并將頻譜搬移后的語音信號發(fā)送至空 氣中；(2)接收端通過寬帶麥克風(fēng)采集步驟(1)中的所述頻譜搬移后的語音信號和背景 噪聲疊加所產(chǎn)生的混合信號；(3)接收端對步驟(2)中的所述混合信號進(jìn)行低通濾波，分別獲取到分離的低頻 噪聲與頻譜搬移后的語音信號；(4)接收端以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、步驟(3)中的所述低頻噪聲為輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消；(5)接收端對步驟(3)中的所述頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理，獲取到純 凈語音信號，并將所述純凈語音信號轉(zhuǎn)換成聲信號；(6)接收端將步驟(5)中產(chǎn)生的所述聲信號和步驟(4)中所述自適應(yīng)噪聲抵消的 殘差信號疊加，并傳入人耳。所述接收端以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、步驟(3)中的所述低頻噪 聲為輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消，具體為以空氣中直接傳入人耳的噪聲作為參考信號，將低頻噪聲作為輸入信號，采用自 適應(yīng)濾波器對所述傳入人耳的噪聲進(jìn)行抵消。步驟⑷中的所述自適應(yīng)噪聲抵消和步驟(5)中的所述還原處理是同時(shí)進(jìn)行的。所述系統(tǒng)包括發(fā)送裝置，用于將語音信號頻譜搬移至高頻段，并將頻譜搬移后的語音信號發(fā)送 至空氣中；接收裝置，用于通過寬帶麥克風(fēng)采集所述發(fā)送裝置中的頻譜搬移后的語音信號和 背景噪聲疊加所產(chǎn)生的混合信號；對所述混合信號進(jìn)行低通濾波，分別獲取到分離的低頻 噪聲與頻譜搬移后的語音信號；以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、所述低頻噪聲 為輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消；對所述頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理，獲取到純 凈語音信號，并將所述純凈語音信號轉(zhuǎn)換成聲信號；將所述聲信號和所述自適應(yīng)噪聲抵消 的殘差信號疊加，并傳入人耳。所述接收裝置以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、所述低頻噪聲為輸入信 號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消，具體為以空氣中直接傳入人耳的噪聲作為參考信號，將低頻噪聲作為輸入信號，采用自 適應(yīng)濾波器對所述傳入人耳的噪聲進(jìn)行抵消。所述接收裝置中的所述自適應(yīng)噪聲抵消和所述還原處理是同時(shí)進(jìn)行的。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案的有益效果是通過在發(fā)送端將語音信號頻譜搬移到高頻段，在接收端進(jìn)行信噪分離，采用自適 應(yīng)濾波進(jìn)行降噪并采用頻譜還原，得到語音信號，通過上述方法實(shí)現(xiàn)了在車內(nèi)較低信噪比 情況下也能很好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信的目的。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中提供的自適應(yīng)有源降噪耳機(jī)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的方法框圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的方法流程圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1提供的N0ISEX-92噪聲庫中Volvo汽車內(nèi)噪聲頻譜；圖5是本發(fā)明實(shí)施例2提供的系統(tǒng)示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的降噪效果與麥克風(fēng)陣列降噪效果的對比圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實(shí)施例1為了能夠?qū)崿F(xiàn)在噪聲背景下的語音通信，并且在車內(nèi)較低信噪比的情況下也能很 好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法，參見圖2 和圖3，該方法內(nèi)容如下通過理論模型研究及實(shí)際測量驗(yàn)證，車內(nèi)噪聲具有以下特點(diǎn)第一，車內(nèi)噪聲頻譜 主要集中在IOkHz以下的低頻段，如圖4所示；第二，車內(nèi)環(huán)境噪聲強(qiáng)度一般較大，需要考慮 SNR較低情況下的語音通信問題。101 發(fā)送端將語音信號頻譜搬移至高頻段，并將頻譜搬移后的語音信號發(fā)送至空 氣中；發(fā)送端將語音信號頻譜搬移至高頻段的方法具體為發(fā)送端將語音信號頻譜搬移 至超聲頻段，例如x(k)為語音信號，fm為中心頻率，xm(k)為頻譜搬移后的語音信號，則 xm(k) = x(k) X cos (2 π XfmXk)。102:接收端通過寬帶麥克風(fēng)采集頻譜搬移后的語音信號和背景噪聲疊加所產(chǎn)生 的混合信號；103 接收端對步驟102中產(chǎn)生的混合信號進(jìn)行低通濾波，分別獲取到分離的低頻 噪聲與頻譜搬移后的語音信號；由于寬帶麥克風(fēng)的作用、及低通濾波器的非理想性，使得低頻噪聲nl與背景噪聲 η互為相關(guān)信號但并不相同。利用車內(nèi)噪聲集中在低頻段的特性，例如10kHz以下的低頻段，將語音信號頻譜 搬移到噪聲能量很小的高頻段，得到頻譜搬移后的語音信號，由于車內(nèi)噪聲集中在低頻段， 因此接收端可以很容易的將語音信號與噪聲分離，以達(dá)到在頻譜上分離語音信號與噪聲的 目的。其中，該步驟中的低通濾波器可以采用普通的低通濾波器，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí) 施例對此不做限制。104:接收端以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、低頻噪聲為輸入信號進(jìn)行 自適應(yīng)噪聲抵消；具體地，以空氣中直接傳入人耳的噪聲n2(由于人耳與寬帶麥克風(fēng)的位置不同， η2與η互為相關(guān)信號但并不相同)作為參考信號，將低頻噪聲nl作為輸入信號，采用自 適應(yīng)濾波器對傳入人耳的噪聲進(jìn)行抵消。其中，該步驟中的自適應(yīng)濾波器可以為最小均方 自適應(yīng)濾波器，也可以為其他類型的自適應(yīng)濾波器，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限 制。其中，在自適應(yīng)噪聲抵消的過程中還會產(chǎn)生殘差信號。105 接收端對步驟103中頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理，獲取到純凈語音 信號，并將純凈語音信號轉(zhuǎn)換成聲信號；對頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理具體為步驟102中產(chǎn)生的混合信號和步 驟103中獲取到的低頻噪聲做差，乘以同頻同相的載波信號并濾波。為了提高系統(tǒng)的處理速度，保證實(shí)時(shí)性，優(yōu)選地，步驟104中的自適應(yīng)噪聲抵消和 步驟105中的還原處理是同時(shí)進(jìn)行的。
106 接收端將步驟105中產(chǎn)生的聲信號和步驟104中自適應(yīng)噪聲抵消的殘差信號 疊加，并傳入人耳。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法，該方法通過在發(fā) 送端將語音信號頻譜搬移到高頻段，在接收端進(jìn)行信噪分離，采用自適應(yīng)濾波進(jìn)行降噪并 采用頻譜還原，得到語音信號，實(shí)現(xiàn)了在噪聲背景下的語音通信，并且在車內(nèi)較低信噪比的 情況下也能很好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信。實(shí)施例2為了能夠?qū)崿F(xiàn)在噪聲背景下的語音通信，并且在車內(nèi)較低信噪比的情況下也能很 好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種車內(nèi)降噪語音通訊的系統(tǒng)，參見圖5， 該系統(tǒng)內(nèi)容如下發(fā)送裝置，用于將語音信號頻譜搬移至高頻段，并將頻譜搬移后的語音信號發(fā)送 至空氣中；接收裝置，用于通過寬帶麥克風(fēng)采集發(fā)送裝置中的頻譜搬移后的語音信號和背景 噪聲疊加所產(chǎn)生的混合信號；對混合信號進(jìn)行低通濾波，分別獲取到分離的低頻噪聲與頻 譜搬移后的語音信號；以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、低頻噪聲為輸入信號進(jìn) 行自適應(yīng)噪聲抵消；對頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理，獲取到純凈語音信號，并將純 凈語音信號轉(zhuǎn)換成聲信號；將聲信號和自適應(yīng)噪聲抵消的殘差信號疊加，并傳入人耳。進(jìn)一步地，接收裝置以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、低頻噪聲為輸入 信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消，具體為以空氣中直接傳入人耳的噪聲作為參考信號，將低頻噪聲作為輸入信號，采用自 適應(yīng)濾波器對傳入人耳的噪聲進(jìn)行抵消。進(jìn)一步地，為了提高系統(tǒng)的處理速度，保證實(shí)時(shí)性，優(yōu)選地，接收裝置中的自適應(yīng) 噪聲抵消和還原處理是同時(shí)進(jìn)行的。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種車內(nèi)降噪語音通訊的系統(tǒng)，發(fā)送裝置通過在 發(fā)送端將語音信號頻譜搬移到高頻段，接收裝置進(jìn)行信噪分離，采用自適應(yīng)濾波進(jìn)行降噪 并采用頻譜還原，得到語音信號，實(shí)現(xiàn)了在噪聲背景下的語音通信，并且在車內(nèi)較低信噪比 的情況下也能很好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信。本發(fā)明實(shí)施例以1個(gè)簡單的試驗(yàn)來驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例提供的方法的有效性。本實(shí)驗(yàn)是基于PC機(jī)matlab6. 5環(huán)境下的，實(shí)驗(yàn)所用的測試語音信號χ為單聲道 PCM文件，采樣率96kHz，截止頻率在5kHz以下，噪聲nl為車內(nèi)怠速狀態(tài)下實(shí)錄信號為單聲 道PCM文件，采樣率96kHz，截止頻率約為5kHz，頻譜搬移中心頻率fm為35kHz，讀取語音及 噪聲文件，通過縮放調(diào)整為不同輸入信噪比，低通濾波器采用巴特沃斯50階FIR數(shù)字低通 濾波器，截止頻率為0. 25 π，自適應(yīng)濾波器的參數(shù)為10階，迭代次數(shù)η < 3000時(shí)，收斂系 數(shù) u = 0. 002，η > 3000 時(shí)，u = 0. 001。圖6中給出了采用本發(fā)明實(shí)施例提供的方法和采用麥克風(fēng)陣列降噪方法得到的 輸出信噪比的示意圖，圖6中的曲線1為采用本發(fā)明實(shí)施例提供的方法得到的輸出信噪比， 曲線2為采用麥克風(fēng)陣列降噪方法得到的輸出信噪比，從圖6中可以看出，采用本發(fā)明實(shí)施 例提供的方法可以獲取到較穩(wěn)定的信噪比，尤其是在輸入信噪比較低時(shí)可以獲取到比麥克 風(fēng)陣列降噪方法更高的輸出信噪比，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要。
通過上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出本發(fā)明實(shí)施例提供的方法的可行性，可以獲取到較 穩(wěn)定的信噪比，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例 序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)發(fā)送端將語音信號頻譜搬移至高頻段，并將頻譜搬移后的語音信號發(fā)送至空氣中；(2)接收端通過寬帶麥克風(fēng)采集步驟(1)中的所述頻譜搬移后的語音信號和背景噪聲疊加所產(chǎn)生的混合信號；(3)接收端對步驟(2)中的所述混合信號進(jìn)行低通濾波，分別獲取到分離的低頻噪聲與頻譜搬移后的語音信號；(4)接收端以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、步驟(3)中的所述低頻噪聲為輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消；(5)接收端對步驟(3)中的所述頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理，獲取到純凈語音信號，并將所述純凈語音信號轉(zhuǎn)換成聲信號；(6)接收端將步驟(5)中產(chǎn)生的所述聲信號和步驟(4)中所述自適應(yīng)噪聲抵消的殘差信號疊加，并傳入人耳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端以空氣中直接傳入人耳的噪 聲為參考信號、步驟(3)中的所述低頻噪聲為輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消，具體為以空氣中直接傳入人耳的噪聲作為參考信號，將低頻噪聲作為輸入信號，采用自適應(yīng) 濾波器對所述傳入人耳的噪聲進(jìn)行抵消。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)中的所述自適應(yīng)噪聲抵消和步驟 (5)中的所述還原處理是同時(shí)進(jìn)行的。
4.一種車內(nèi)降噪語音通訊的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括發(fā)送裝置，用于將語音信號頻譜搬移至高頻段，并將頻譜搬移后的語音信號發(fā)送至空 氣中；接收裝置，用于通過寬帶麥克風(fēng)采集所述發(fā)送裝置中的頻譜搬移后的語音信號和背景 噪聲疊加所產(chǎn)生的混合信號；對所述混合信號進(jìn)行低通濾波，分別獲取到分離的低頻噪聲 與頻譜搬移后的語音信號；以空氣中直接傳入人耳的噪聲為參考信號、所述低頻噪聲為輸 入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消；對所述頻譜搬移后的語音信號進(jìn)行還原處理，獲取到純凈語 音信號，并將所述純凈語音信號轉(zhuǎn)換成聲信號；將所述聲信號和所述自適應(yīng)噪聲抵消的殘 差信號疊加，并傳入人耳。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述接收裝置以空氣中直接傳入人耳的 噪聲為參考信號、所述低頻噪聲為輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消，具體為以空氣中直接傳入人耳的噪聲作為參考信號，將低頻噪聲作為輸入信號，采用自適應(yīng) 濾波器對所述傳入人耳的噪聲進(jìn)行抵消。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述接收裝置中的所述自適應(yīng)噪聲抵消 和所述還原處理是同時(shí)進(jìn)行的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種車內(nèi)降噪語音通訊的方法與系統(tǒng)，涉及語音降噪領(lǐng)域，通過在發(fā)送端將語音信號頻譜搬移到高頻段，在接收端進(jìn)行信噪分離，采用自適應(yīng)濾波進(jìn)行降噪并采用頻譜還原，得到語音信號，通過上述方法實(shí)現(xiàn)了在車內(nèi)較低信噪比情況下也能很好的實(shí)現(xiàn)降噪和語音通信的目的。
文檔編號G10L21/02GK101901601SQ20101017347
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者馮硯儒, 劉長滔, 張濤, 李海, 趙亮 申請人:天津大學(xué)