一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法技术

本发明专利技术公开了一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，属于耳机技术领域。所述送话拾音麦克风内置型耳机将送话拾音麦克风设置于耳机内壁的独立密封腔体内，所述的拾音降噪方法，具体包括以下步骤：(1)对语音信号的预处理：包括反混叠、A/D转换、预加重和中心消波过程；(2)信道映射处理：包括基于LPC的特征提取、信道映射、语音合成、去加重的四个阶段；(3)语音聚焦增强处理：所述语音聚焦增强步骤包括功率谱估计和幅值衰减的处理、语音居中、高通滤波、高频增强、动态压缩，及后期增强的处理，实现拾音降噪。本发明专利技术的拾音降噪方法，使语音送话在全频段上的清晰度和可懂度等都得到显著增强；且结构简单，成本低。

A noise reduction method of the built-in earphone of the pickup microphone

【技术实现步骤摘要】
一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法
本专利技术属于耳机
，尤其涉及一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法。
技术介绍
现行具有麦克风送话降噪功能的耳机，已有多种方案。主流的如基于ADI公司的sigmaDSP芯片，装配全向型麦克风、采用beamforming(波束形成)算法的语音降噪耳机，对侧面噪声有一定的抑制作用；BOSE的某些型号耳机采用了4阵元的麦克风阵列结构，亦采用beamforming算法，对信号方向的选择性明显增强，对除语音外的其他方向噪声都有很好的抑制作用；CSR的CVC降噪耳机，采用双麦克风单声道的CVC算法软件消噪方案，提供了一个低成本且相对高端的降噪方案。上述几款主流的送话降噪耳机，算法各有侧重点，也存在独有的和共性的缺点。ADI公司的2颗拾音麦克风方案，对除侧面噪声外的其他方向噪声抑制不够；BOSE的4阵元方案，方向图的方向选择性较好，但成本较高，且对与语音同向的噪声抑制不够；CSR的CVC降噪方案，有一定的降噪效果且成本低，但单声道的通话设置，语音通话质量和可靠性降低，对于一些特殊场合难以满足要求。以上几种主流的降噪方案，其共同点都是将送话麦克风安装在耳机外部，对SNR(SIGNALNOISERATIO，信噪比)大都比较敏感，特别是对风噪抑制不够。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，旨在解决麦克风送话拾音降噪的问题，本专利技术将送话拾音麦克风设置于耳机内壁的独立腔体内，采用接触式封闭式设计，对外界噪声和耳机内喇叭产生的声音信号起到很好的隔离衰减作用，通过信道映射及数字滤波等算法实现送话语音增强的耳机。本专利技术所述送话拾音麦克风内置耳机通过将麦克风安装在耳机内部的独立腔体内，大幅降低了周围环境噪声对通话语音的影响。语音信号因此形成两个信道：第一信道为外部信道，即正常情况下的声门、声道、口唇辐射形成的原始语音信道；这路信号与外界噪声混合后经耳机壳体衰减后被拾音麦克风采集。第二信道为内部信道，即信号经声门、声道、鼻腔、头部腔体，最后由耳廓传导至送话拾音麦克风的内部语音信道；第二信道的信号因为有耳机壳体隔离，对外部噪声信号起到很好衰减作用，信噪比显著增强，对中高频的外部噪音有较深的降噪效果，对风噪也有很好的抑制作用。进入内部语音信道的语音信号是本专利技术重点处理和最终输出的语音信号。由于外部信道的语音信号经耳机壳体衰减后仍会有部分残留，这部分语音信号与内部信道频谱相同，有不同的时延，会形成相干干扰。同时由于拾音麦克风为独立密封腔体设计，会产生一定强度的混响，影响语音的清晰度。这些噪声在预处理阶段需加以抑制，以便对语音信号后续的处理。同时，由于内部信道与外部信道结构上存在很大差别，其语音特征，如共振峰、音调的轮廓等同原始语音信道相比有所改变。这一差别会影响到语音的听觉感受，使语音听起来不那么“自然”，也会使语音的各段频响与原始信道产生差别，如低频能量过大，高频能量相对较低，同样会影响到听觉感受。所以内部信道的语音在输出之前须做相应处理，以恢复到原始语音信道的自然状态。本专利技术针对上述内部信道特点，通过语音信号的预处理(包括反混叠、预加重、中心削波)、信道映射、语音聚焦、后期处理(去加重)的算法，实现语音增强的要求。本专利技术所述的技术方案通过以下方式实现：一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，所述送话拾音麦克风内置型耳机将送话拾音麦克风设置于耳机内壁的独立密封腔体内，对外界噪声和耳机内喇叭产生的声音信号起到很好的隔离衰减作用；所述的拾音降噪方法，具体包括以下步骤：(1)对语音信号的预处理：通过反混叠滤波器实现反混叠后，由A/D转换电路实现A/D转换，通过IIR参数型shelving拓扑滤波器实现预加重，提升语音高频成分，使信号频谱平坦化并提高高频部分的信噪比；通过中心削波降噪方法对进入到送话拾音麦克风的非相关的噪声信号进行抑制降噪；(2)信道映射处理：通过基于LPC(线性预测编码)的特征提取，提取共振峰的频率、带宽及幅度的谱特性；基于共振峰修正的信道映射；采用多阶的AR参数模型进行语音合成；去加重还原语音的原始特性；(3)语音聚焦增强处理：所述语音聚焦增强步骤包括功率谱估计和幅值衰减的处理、语音居中、高通滤波、高频增强、动态压缩，及后期增强的处理，实现拾音降噪。其中：步骤(1)中所述的对语音信号的预处理的目的是使相关语音频段的信噪比达到一定水平，便于后期处理。步骤(1)中所述的反混叠中语音信号采样频率设定为22KHz，12bit量化；这样在预期语音带宽9KHz至11KHz之间的噪声信号则有可能反射到9KHz以下的语音频带中，形成干扰；步骤(1)中所述反混叠滤波器优选为RC模拟滤波器，位于A/D转换电路的前级，阻带频率11KHz，衰减深度-60dB。在语音信号传递过程中，语音高频部分能量在内部信道中被多次吸收，其频谱跌落明显；步骤(1)中所述预加重的目的是提升高频成分，使信号频谱尽量平坦化，并有助与提高高频部分的信噪比；本专利技术中，步骤(1)中所述预加重中采用的一阶传递函数如式1表示：H(Z)＝1-μZ-1式1；式中，z指频域，μ是系数，且μ＜1。步骤(1)中所述中心削波降噪，主要针对通过原始语音信道进入到送话拾音麦克风的残余信号，以及拾音麦克风腔体内产生的混响信号；该两种噪声信号与内部信道的语音信号高度相关，所以应采用非线性的中心消波降噪方法；所述中心消波降噪方法对进入到送话拾音麦克风的非相关的噪声信号同样有抑制作用；为避免在降噪过程中把低幅度的语音同时消去，该算法在频域内进行；所述中心削波降噪方法具体包括STFT(短时傅里叶变换)、中心削波、IDFT(逆傅里叶变换)三步，具体如下：先按帧进行STFT(短时傅里叶变换)，使带噪声的语音信号变换到频域；然后遵循式2所示的频域的中心消波函数实现中心消波(中心消波由一组滤波器实现)；最后再经IDFT(逆傅里叶变换)变换到时域，进而实现语音增强。所述频域的中心消波函数如式2所示：其中，A(w)为语音信号的频率响应幅值，A′(w)为削波后的频响幅值，CL为欲减小的功率谱密度，其设定要考虑噪声功率谱的平均功率，本专利技术设定CL为最大语音功率谱的-15dB，考虑拾音麦克风的降噪设计，这一阈值可使噪声得到充分抑制。其中：步骤(2)中所述基于LPC的特征提取；采用LPC进行语音提取，提取共振峰的频率、带宽及幅度的谱特性；其中语音采样频率22KHz，使用20ms的短时信号组成一帧，采用滑动的hamming窗截取语音信号进行STFT变换，窗间隔10ms；内部信道的语音信号可以简化成声门激励与内部传输通道的卷积如式3所示；其中：x(n)为n时刻内部信道输出的语音信号，x1(n)为n时刻声门激励信号，包含基波周期特征；x2(n)为n时刻内部通道冲击响应，包含有语音共振峰的特征。这些特征如果直接从上式中提取较为复杂，可以从语音信号的外特性即系统函数入手求解相关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：所述送话拾音麦克风内置型耳机将送话拾音麦克风设置于耳机内壁的独立密封腔体内，所述的拾音降噪方法，具体包括以下步骤：/n(1)对语音信号的预处理：通过反混叠滤波器实现反混叠后，由A/D转换电路实现A/D转换，通过IIR参数型shelving拓扑滤波器实现预加重，提升语音高频成分，使信号频谱平坦化并提高高频部分的信噪比；通过中心削波降噪方法对进入到送话拾音麦克风的非相关的噪声信号进行抑制降噪；/n(2)信道映射处理：通过基于LPC的特征提取，提取共振峰的频率、带宽及幅度的谱特性；基于共振峰修正的信道映射；采用多阶的AR参数模型进行语音合成；去加重还原语音的原始特性；/n(3)语音聚焦增强处理：所述语音聚焦增强步骤包括功率谱估计和幅值衰减的处理、语音居中、高通滤波、高频增强、动态压缩，及后期增强的处理，实现拾音降噪。/n

【技术特征摘要】
1.一种送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：所述送话拾音麦克风内置型耳机将送话拾音麦克风设置于耳机内壁的独立密封腔体内，所述的拾音降噪方法，具体包括以下步骤：
(1)对语音信号的预处理：通过反混叠滤波器实现反混叠后，由A/D转换电路实现A/D转换，通过IIR参数型shelving拓扑滤波器实现预加重，提升语音高频成分，使信号频谱平坦化并提高高频部分的信噪比；通过中心削波降噪方法对进入到送话拾音麦克风的非相关的噪声信号进行抑制降噪；
(2)信道映射处理：通过基于LPC的特征提取，提取共振峰的频率、带宽及幅度的谱特性；基于共振峰修正的信道映射；采用多阶的AR参数模型进行语音合成；去加重还原语音的原始特性；
(3)语音聚焦增强处理：所述语音聚焦增强步骤包括功率谱估计和幅值衰减的处理、语音居中、高通滤波、高频增强、动态压缩，及后期增强的处理，实现拾音降噪。


2.根据权利要求1所述的送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：步骤(1)中所述的反混叠中语音信号采样频率设定为22KHz，12bit量化；所述反混叠滤波器为RC模拟滤波器，位于A/D转换电路的前级，阻带频率11KHz，衰减深度-60dB。


3.根据权利要求1所述的送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：步骤(1)中所述预加重中采用的一阶传递函数方式，如式1表示：
H(Z)＝1-μZ-1
式1；
式中，z指频域，μ是系数，且μ＜1。


4.根据权利要求1所述的送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：步骤(1)中所述中心削波降噪方法具体包括STFT、中心削波、IDFT三步，具体如下：先按帧进行短时傅里叶变换，使带噪声的语音信号变换到频域；然后遵循式2所示的频域的中心消波函数实现中心消波；最后再经逆傅里叶变换变换到时域，进而实现语音增强；
所述频域的中心消波函数如式2所示：



其中，A(w)为语音信号的频率响应幅值，A′(w)为削波后的频响幅值，CL为欲减小的功率谱密度，其设定要考虑噪声功率谱的平均功率；本发明设定CL为最大语音功率谱的-15dB，考虑拾音麦克风的降噪设计，这一阈值可使噪声得到充分抑制。


5.根据权利要求1所述的送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：步骤(2)中所述基于LPC的特征提取，其中语音采样频率22KHz，使用20ms的短时信号组成一帧，采用滑动的hamming窗截取语音信号进行STFT变换，窗间隔10ms；内部信道的语音信号简化成声门激励与内部传输通道的卷积如式3所示；



其中：x(n)为n时刻内部信道输出的语音信号，x1(n)为n时刻声门激励信号，包含基波周期特征；x2(n)为n时刻内部通道冲击响应，包含有语音共振峰的特征；
系统模型的频域表示如式7所示：



式中：
G，表示滤波器增益；
ak，表示线性常系数差分方程的系数，其中的k表示离散时间系统的第k时刻；
P，表示系统的阶数；
其中，采用逆滤波法和LMSE准则建立线性预测方程组，并基于自相关法和Levinson-Durbin算法，对G、{ak}进行递推计算。


6.根据权利要求1所述的送话拾音麦克风内置型耳机的拾音降噪方法，其特征在于：步骤(2)中所述基于共振峰修正的信道映射，具体包括以下步骤：
1)按ISOOctave音频分区标准，将语音频谱分成9个分区，其中，频率下限分为22Hz、44Hz、88Hz、177Hz、355Hz、710Hz、1420Hz、2480Hz、5680Hz；
几何平均中心频率分为31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：何敏，王鹏，戴伟彬，陈光勤，
申请(专利权)人：深圳市悦尔声学有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44