專利名稱：多采樣率陣列信號消噪法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理與識別，特別是陣列信號消噪法。
背景技術(shù)：
信號消噪在通信及信號識別等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。在眾多的信號消噪方法中，自適應(yīng)噪聲抵消法(Adaptive Noise Cancellation，簡稱為ANC)可以適應(yīng)多種噪聲環(huán)境，對信號損傷小，可以說是一種最重要的信號消噪方法。近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)基于兩個傳感器的ANC消噪系統(tǒng)的實(shí)際消噪性能是相當(dāng)有限的，在寬帶噪聲場合尤其如此，要提高消噪效果，往往靠增加傳感器數(shù)目以組成陣列來獲得，并在陣列信號消噪領(lǐng)域已取得不少研究成果。
陣列信號消噪的性能一般隨著傳感器個數(shù)的增加而提高，而且使用ANC方法時由于各個參考傳感器中不應(yīng)含有有用信號，從而使得主傳感器與參考傳感器之間的距離通常需要很大，這就使得傳感器陣的總體尺寸較大。然而，許多實(shí)際場合要求傳感器陣總體尺寸必須很小，比如在手機(jī)和免提電話中，傳感器陣(此時即麥克風(fēng)陣)應(yīng)能嵌入其中，這就要求陣列中的傳感器個數(shù)不能過多，而且彼此之間的距離必須很小。但是，太少的傳感器個數(shù)會限制信號消噪的效果，很短的距離則導(dǎo)致信號與噪聲的交叉串?dāng)_(Cross-talk)現(xiàn)象十分嚴(yán)重的，致使普通的ANC方法失效。如何通過很少的傳感器個數(shù)達(dá)到多個傳感器的信號消噪效果，以及如何通過計(jì)算量小而穩(wěn)定的算法從串?dāng)_信號中抵消噪聲而提取有用信號，是微型陣列通過ANC法進(jìn)行信號消噪的兩個頗具挑戰(zhàn)性的問題。
迄今為止，針對僅兩路語音信號與噪聲交叉串?dāng)_的場合，已見幾種方案，如發(fā)表于1985年《國際聲學(xué)、語音與信號處理會議論文集》第三卷1253-1256頁，金瑟等人撰寫的、名稱為“一種新的自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)在串?dāng)_場合進(jìn)行噪聲抵消的一些實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果”(R.L.Zinser，G.Mirchandani，J.B.Evans.Some Experimental and Theoretical Results Using a New Adaptive FilterStructure for Noise Cancellation in the Presence of Cross-talk.Proc.ICASSP，Tampa，Vol.3，1253-1256，1985)一文、發(fā)表于1992年的《IEEE電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)》第39卷第10期681-694頁，米闡達(dá)尼等人撰寫的、名稱為“一種新的在串?dāng)_場合的自適應(yīng)噪聲抵消方案”(G.Mirchandani，R.L.Zinser，J.B.Evans.A New Adaptive Noise Cancellation Scheme in the Presence of Crosstalk.IEEETransaction on Circuits and System，Vol.39，No.10，681-694，1992)、發(fā)表于1999年10月的《IEEE信號處理系統(tǒng)文集》605-614頁，由郭等人撰寫的“非對稱抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消器”(S.M.Kuo，W.M.Peng.AsymmetricCrosstalk-Resistant Adaptive Noise Canceler.Proc.IEEE Workshop on SignalProcessing Systems，October，605-614，1999)，但僅兩路信號的噪聲抵消法，其實(shí)際的語音消噪效果是有限的，況且，人們發(fā)現(xiàn)上述方法往往容易導(dǎo)致算法不穩(wěn)定，甚至常常發(fā)散。一個十分穩(wěn)定的方法是由馬哈萬等人撰寫的“抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消”，該文發(fā)表于1990年的《生物醫(yī)學(xué)工程年刊》第18卷57-67頁(G Madhavan，H.D.Bruin.Crosstalk Resistant Adaptive NoiseCancellation.Annals of Biomedical Engineering，Vol.18，57-67，1990)，該方法使用了三級濾波系統(tǒng)進(jìn)行處理，計(jì)算量較大，而且是針對醫(yī)學(xué)信號的。至于針對多于兩路的陣列抗串?dāng)_信號消噪法，尚未見研究成果報(bào)道。
盲源分離法近年也被用于信號消噪，取得了一些理論成果，但計(jì)算量大，不利于實(shí)時實(shí)現(xiàn)，且需要傳感器個數(shù)多于噪聲源個數(shù)，因此盲源分離信號消噪法與許多實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。
此外，對于不使用ANC方法的語音信號消噪系統(tǒng)，已有最早而且相當(dāng)成熟的基于單個麥克風(fēng)的譜相減法，該方法可使語音消噪系統(tǒng)體積最小，運(yùn)算量也不大，可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)。但會出現(xiàn)致命的“音樂噪聲”問題，致使其消噪后的語音信號可懂度下降，甚至難以令人接受，而且，只適用于平穩(wěn)噪聲環(huán)境，適用范圍較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將公開一種僅使用很少的傳感器個數(shù)即可達(dá)到多個傳感器的信號消噪效果的多采樣率陣列信號消噪法，使得通過較少的傳感器來實(shí)現(xiàn)較大的消噪量；本發(fā)明還公開了一種兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法，解決相距很近的傳感器所組成的微型陣列的信號串?dāng)_問題，該方法可以通過計(jì)算量小而穩(wěn)定的算法從串?dāng)_信號中抵消噪聲而提取信號。
本發(fā)明主要是采用陣列信號多采樣率法進(jìn)行信號采樣，然后進(jìn)行信號消噪處理，進(jìn)行消噪處理時可以是采用現(xiàn)有噪聲抵消方法中的任何一種，如ANC法、陣列ANC法、有源消噪法等，而對于傳感器相距很近，陣列中存在噪聲與信號相互串?dāng)_的情況時(微型陣列尤其如此)，應(yīng)采用陣列抗串?dāng)_噪聲抵消法，特別是采用本發(fā)明中的兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法，它與上述的馬哈萬的方法一樣，是一種非常穩(wěn)定的方法，而且比馬哈萬的三級濾波系統(tǒng)少一級，直接從第二級的濾波器送出消噪信號，不僅降低了運(yùn)算量，還常常比三級濾波系統(tǒng)的消噪效果有所提高。
1>陣列信號多采樣率方法如下(1)在由兩個或兩個以上的傳感器組成的傳感器陣列中，選擇一個傳感器或一組傳感器作為主傳感器，其它的作為參考傳感器。
比如對陣列中的N+1(N≥1)個傳感器M0，M1，…，MN，選擇M0為主傳感器，M1，…，MN為參考傳感器。
當(dāng)選擇一組傳感器作為主傳感器時，在隨后進(jìn)行的信號消噪前，需將各個主傳感器采樣獲取的信號進(jìn)行運(yùn)算后形成事實(shí)上的一路主傳感器信號，運(yùn)算方法可以是諸如線性求和等方法。
(2)對從主傳感器獲取的信號，使用較低的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化，一般使用信號通常的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化，(如對語音通常為8KHz)，而對各參考傳感器獲取的信號，則使用較高的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化，最好為整數(shù)倍于主傳感器采樣速率的速率以方便計(jì)算，(如對語音通常用數(shù)倍于普通語音處理的采樣速率，例如24KHz)。
比如對主傳感器M0拾取的信號x0(t)用采樣速率f數(shù)字化得x0(k)，x0(k)＝x0(t)|t＝k/f，k＝0，1，2，…(這里也將離散信號與相應(yīng)的數(shù)字使用相同的記號)；而對參考傳感器Mi拾取的信號xi(t)則用采樣速率f′＝pf數(shù)字化得xi(k′)，p＞1為正整數(shù)，i＝1，…，N，xi(k′)＝xi(t)|t＝k′/f′，k′＝0，1，2，…。
當(dāng)然，對主傳感器信號的采樣速率也可使用與參考傳感器相同甚至更高的采樣速率，但在進(jìn)行信號消噪之前甚至之后，丟棄一些采樣點(diǎn)，形成事實(shí)上的主傳感器其實(shí)較低的采樣速率。
(3)為方便理解，可將每個參考傳感器得到的數(shù)字信號視為等間隔下采樣后與主傳感器具有相同的采樣速率的數(shù)列數(shù)字信號，從而得到數(shù)列參考信號，因此每個參考傳感器猶如是數(shù)個參考傳感器一般。
比如對每個由參考傳感器Mi獲得的xi(k′)，都令xi(j)(k)={xi(j),xi(p+j),···,xi(pk+j),···},]]>j＝0，1，…，p-1i＝1，…，N，則得Np個與主傳感器具有相同的采樣速率的參考信號xi(j)(k)。
2>兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法，具體方法為(1)將初始純噪聲階段的所有參考傳感器的數(shù)字信號輸入第一級系統(tǒng)的濾波器A，調(diào)整濾波器A的系數(shù)，使濾波器A輸出的數(shù)字信號與主傳感器的數(shù)字信號誤差功率最小。
比如調(diào)整下式中濾波器A的系數(shù)w使誤差e1(k)的平方和最小e1(k)＝x0(k)-wx(k)其中w＝(w1，w2，…，wN)wi=(wi(0),wi(1),···,wi(p-1))]]>wi(j)=(wi(-L)(j),···,wi(-1)(j),wi0(j),wi1(j),···,wiL(j))]]>x(k)＝[x1(k)，x2(k)，…，xN(k)]Tx‾i(k)=[x‾i(0)(k),x‾i(1)(k),···,x‾i(p-1)(k)]T]]>x‾i(j)(k)=[xi(j)(k-L),···,xi(j)(k-1),]]>xi(j)(k),xi(j)(k+1),···,xi(j)(k+L)]T]]>而L的取法見下一步。
(2)第一級系統(tǒng)的濾波器A最好使用有限沖擊響應(yīng)濾波器，可采用因果濾波器形式，也可采用非因果濾波器形式以克服噪聲可能先到達(dá)主傳感器后到達(dá)參考傳感器的不利影響，即應(yīng)將各個參考信號及其延遲輸入A(延遲時間可含正與負(fù))，延遲點(diǎn)數(shù)L應(yīng)大于L0=dfc,]]>其中d為主傳感器與參考傳感器之間的最大距離，f為主傳感器的采樣速率，c為信號傳播速度，一般取L＝q·ceil(L0)，這里ceil(L0)為不小于L0的最小整數(shù)，在現(xiàn)有器件條件下，q通常取為10～50的正整數(shù)，濾波器A階數(shù)于是為Np(2L+1)，N為參考傳感器個數(shù).。
(3)在純噪聲隨后具有信號的階段，保持濾波器A的系數(shù)不變，其輸出信號與主傳感器數(shù)字信號相減后的結(jié)果信號，作為第二級系統(tǒng)中濾波器B的輸入，并調(diào)整濾波器B的系數(shù)，使濾波器B輸出的數(shù)字信號與主傳感器的數(shù)字信號誤差功率最小。
比如調(diào)整下式中濾波器B的系數(shù)w使誤差e2(k)的平方和最小e2(k)＝x0(k)-w′e1(k)其中w′＝(w′-L′，…，w′-1，w′0，w′1，…，w′L′)e1(k)＝[e1(k-L′)，…，e1(k-1)，e1(k)，e1(k+1)，…，e1(k+L′)]T而L′的取法見下一步。
(4)濾波器B的階數(shù)中的L′根據(jù)確定濾波器A時的延遲采樣點(diǎn)數(shù)L而確定，在現(xiàn)有器件條件下L′通?？扇?L～4L。
(5)濾波器B的輸出即為需要提取的消噪了的數(shù)字信號。
(6)噪聲或信號環(huán)境改變時，重復(fù)上述(1)～(4)，重新調(diào)整濾波器A和B的系數(shù)以適應(yīng)新的環(huán)境。
(7)該方法假定噪聲與信號不相關(guān)。
上述方法可用于手機(jī)、電話、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等語音通信及語音識別系統(tǒng)，亦可用于水下聲信號接收、陣列天線通信、生物醫(yī)學(xué)信號提取及有源消噪等系統(tǒng)。
由于本發(fā)明采用陣列信號多采樣率法進(jìn)行信號采樣，對參考傳感器使用數(shù)倍于信號通常采樣速率的采樣速率，所以僅使用少數(shù)傳感器，甚至僅兩個傳感器即可取得多個傳感器組成的陣列消噪效果，而采用兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法進(jìn)行信號消噪，可以以簡單的算法、低廉的成本，較好地解決相距很近的傳感器間的信號串?dāng)_問題。而且本發(fā)明不僅是解決兩路信號的串?dāng)_問題，還解決了多路信號的串?dāng)_問題。試驗(yàn)表明本發(fā)明應(yīng)用多速率采樣法(MSR)和兩級陣列抗交叉串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消(ACRANC)方法，可使語音消噪效果大幅提高，而且允許麥克風(fēng)彼此相距很近，以它們?yōu)榛A(chǔ)的系統(tǒng)可以微型化，也易于實(shí)時實(shí)現(xiàn)，并適用于多種噪聲環(huán)境，因此尤其適用用于免提電話、手機(jī)等的語音消噪。


圖1是兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法的示意圖；圖2是本發(fā)明一種實(shí)施方式中麥克風(fēng)1拾取的語音與噪聲的混合信號圖；圖3是本發(fā)明一種實(shí)施方式中麥克風(fēng)2拾取的語音與噪聲的混合信號圖；圖4是本發(fā)明一種實(shí)施方式中用ACRANC法進(jìn)行消噪后的語音信號圖；圖5是本發(fā)明一種實(shí)施方式中用MSR與ACRANC法進(jìn)行消噪后的語音信號圖。
具體實(shí)施方式
圖1是兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法的示意圖，其中x0為主傳感器拾取的數(shù)字信號，x1，x2，…，xN為參考傳感器拾取的數(shù)字信號，A、B分別為第一級和第二級濾波器，y1、y2分別為濾波器A、B的輸出，而e1＝x0-y1，e2＝x0-y2。
為驗(yàn)證本方法的有效性，下面給出一個本發(fā)明的非限定實(shí)施例及其具體試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)中，微型麥克風(fēng)陣僅由兩個中心相距2cm的小紐扣大小的麥克風(fēng)組成，主麥克風(fēng)信號的采樣速率為8KHz，參考麥克風(fēng)信號的采樣速率為24KHz，語音為真實(shí)的語音“本段語音用于測試”，噪聲為收音機(jī)失諧時的噪音(系寬帶噪聲)，語音開始前有1.5秒以上的純噪聲，試驗(yàn)在一個普通的54平方米的室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)擺放有計(jì)算機(jī)、桌椅等眾多設(shè)備。
圖2、圖3分別給出了陣列中兩個麥克風(fēng)M0、M1采集到的含噪語音信號x0、x1，圖中只畫出了從0.5秒至第3.125秒的噪聲與語音的混合信號圖，通過試聽，兩個混合信號中的語音都被噪聲嚴(yán)重污染，聽者聽不清說話人所說的內(nèi)容。
圖4為僅使用兩級陣列抗交叉串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消(ACRANC)方法而獲得的語音消噪信號，圖5為同時使用多采樣率(MSR)方法及ACRANC方法而獲得的語音消噪信號。圖4與圖5中都只畫出了從0.5秒至3.125秒的有關(guān)信號圖，而從0至0.5秒是優(yōu)化濾波器系數(shù)時算法的初始收斂過程。
圖2中的混合信號x0，在有語音階段的語音與噪聲的信噪比為2.970dB；而圖3中的x1相應(yīng)的信噪比為3.879dB；圖4中消噪后語音的相應(yīng)信噪比增加到5.657dB，其提取過程中濾波器A與B均采用因果型有限沖擊響應(yīng)濾波器，階數(shù)分別任取為98與48，若濾波器A的階數(shù)減小為32，所得消噪后語音的信噪比則減小為5.248dB；圖5中所提取語音的相應(yīng)信噪比卻達(dá)到了15.323dB，其消噪過程中，濾波器A與B也均采用因果型有限沖擊響應(yīng)濾波器，階數(shù)同樣分別任取為98與48(若視輸入濾波器A的參考信號為三路下采樣后的信號，則此三路信號輸入A的階數(shù)均為32)，因此其計(jì)算量與獲取圖4中的消噪語音信號的計(jì)算量是相同的，但其語音消噪效果卻有了很大的提高。通過試聽，圖4中噪聲已有所減小，已可以聽懂所說內(nèi)容；而圖5中噪聲更是小得多，所說內(nèi)容清晰好懂。
權(quán)利要求
1.多采樣率陣列信號消噪法，包括信號采樣法和信號消噪處理法，其特征在于所述信號采樣法是陣列信號多采樣率法，它是以下述方法進(jìn)行采樣(1)由兩個或兩個以上的傳感器組成的傳感器陣列中，選擇一個傳感器或一組傳感器作為主傳感器，其它的作為參考傳感器；(2)對從主傳感器或主傳感器組獲取的信號，使用較低的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化，而對各參考傳感器獲取的信號，則使用更高的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列信號消噪法，其特征在于對主傳感器信號使用該信號通常的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列信號消噪法，其特征在于參考傳感器信號的采樣速率為主傳感器信號的采樣速率的整數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列信號消噪法，其特征在于參考傳感器信號的采樣速率為主傳感器信號的采樣速率的整數(shù)倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的陣列信號消噪法，其特征在于所述信號消噪處理法是兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法，具體為(1)若有多于一個的主傳感器，將各路主傳感器采樣所得的數(shù)字信號合成一路主傳感器數(shù)字信號；(2)使用兩級濾波系統(tǒng)共兩個濾波器進(jìn)行信號消噪，并假定噪聲與信號不相關(guān)；(3)將初始純噪聲階段的參考傳感器的數(shù)字信號輸入系統(tǒng)的第一級濾波器A，調(diào)整濾波器A的系數(shù)，使濾波器A輸出的數(shù)字信號與主傳感器數(shù)字信號誤差功率最?。?4)將各個參考信號及其延遲輸入A，延遲點(diǎn)數(shù)根據(jù)主傳感器與參考傳感器之間的最大距離、主傳感器的采樣速率及信號的傳播速度而確定；(5)在純噪聲隨后具有信號的階段，保持濾波器A的系數(shù)不變，其輸出與主傳感器數(shù)字信號相減后的結(jié)果信號，作為第二級系統(tǒng)中濾波器B的輸入，并調(diào)整濾波器B的系數(shù)，使濾波器B輸出的數(shù)字信號與主傳感器的數(shù)字信號誤差功率最小；(6)濾波器B的階數(shù)根據(jù)確定濾波器A的延遲采樣點(diǎn)數(shù)而確定；(7)濾波器B的輸出即為需要提取的消噪了的數(shù)字信號；(8)噪聲或信號所處環(huán)境發(fā)生改變時，重新調(diào)整濾波器A和B的系數(shù)以適應(yīng)新的環(huán)境。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的陣列信號消噪法，其特征在于濾波器A使用有限沖擊響應(yīng)濾波器，采用因果濾波器形式，或者采用非因果濾波器形式以克服噪聲可能先到達(dá)主傳感器后到達(dá)參考傳感器的不利影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陣列信號消噪法，其特征在于濾波器A使用有限沖擊響應(yīng)濾波器，采用因果濾波器形式，或者采用非因果濾波器形式以克服噪聲可能先到達(dá)主傳感器后到達(dá)參考傳感器的不利影響。
全文摘要
本發(fā)明是一通過多采樣率法大幅減少陣列的傳感器個數(shù)，使用少數(shù)甚至僅兩個傳感器來達(dá)到多個傳感器的信號消噪效果，二是通過兩級陣列抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲抵消法使陣列中各傳感器位置可以相當(dāng)靠近，從而使陣列信號消噪系統(tǒng)微型化。試驗(yàn)表明，它可實(shí)用于手機(jī)、電話、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等語音通信及語音識別系統(tǒng)，亦可用于水下聲信號接收、陣列天線通信、生物醫(yī)學(xué)信號提取及有源消噪等系統(tǒng)。
文檔編號H04R3/02GK1529528SQ0314343
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月28日
發(fā)明者曾慶寧 申請人:曾慶寧