主动降噪处理方法、系统、可读存储介质及计算机设备

技术领域

本发明涉及音频信号处理技术领域，特别涉及一种主动降噪处理方法、系统、可读存储介质及计算机设备。

背景技术

随着科技的飞速发展和高技术信息化综合水平的提高，人们对于视频/音频服务的需求呈指数地增长。当人们进行视频/音频服务，例如：语音通话、视频通话、听音乐等，通常会佩戴耳机，随着耳机的使用率的增加，耳机的音频优化效果也变得越来越重要。

当人们在佩戴耳机进行视频/音频服务时，若处于嘈杂的环境下，会影响视频/音频服务的使用舒适度，现有技术中，噪声控制技术包括隔声和降噪两种控制方法，随着电子技术的发展，降噪技术也逐渐成熟，目前的降噪技术主要采用前馈式主动降噪的方式，其通过将前馈麦克风检拾到的噪声信号，进行滤波、移相处理，获得反相信号，经功率放大后的电压信号经受话器又转变为声压，并将声压与初级噪声声压在降噪空间彼此相消干涉，就形成了噪声抑制区，达到消音或降噪的效果。

由前馈式控制原理可知，由于放大器的增益、频带宽度一经设计就已确定，从而使受话器还原的声波幅度、有效的频率范围固定，其降低噪声的有效幅度和适合的频率范围，即已固定，当噪声幅度或频率发生变化后，均将影响降噪效果。因此，该方案只适合于噪声幅度和频率相对稳定的场合。对于噪声源噪声特性变化较大或随机噪声环境，容易引起降噪效果变差或系统失控紊乱。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种主动降噪处理方法、系统、可读存储介质及计算机设备，以至少解决上述相关技术中的不足。

本发明提出一种主动降噪处理方法，包括：

实时获取当前环境的第一音频信号以及所述第一音频信号经物理隔声后的第二音频信号；

分别将所述第一音频信号和所述第二音频信号依次进行信号放大以及信号转换处理，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号；

将所述第一数字音频信号和所述第二数字音频信号进行组合，以得到组合音频信号；

对所述组合音频信号进行噪声抑制消除处理，以得到符合要求的目标音频信号。

进一步的，分别将所述第一音频信号和所述第二音频信号依次进行信号放大以及信号转换处理，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号的步骤包括：

将所述第一音频信号通过PGA放大器进行信号放大，并将所述第二音频信号通过PGA放大器进行误差放大；

将信号放大后的第一音频信号和误差放大后的第二音频信号分别通过数模转换，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号。

进一步的，对所述组合音频信号进行噪声抑制消除处理的步骤包括：

对所述组合音频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的组合音频信号进行相位补偿，以得到补偿后的组合音频信号；

将所述补偿后的组合音频信号进行功率放大，并将功率放大后的组合音频信号进行噪声消除，以得到所述目标音频信号。

进一步的，对所述组合音频信号进行滤波处理的计算公式为：

；

；

其中，E(z)表示第二数字音频信号，Y(z)是滤波器产生的信号，S(z)表示滤波器参数，Z表示域，

进一步的，将功率放大后的组合音频信号进行噪声消除的步骤包括：

基于所述功率放大后的组合音频信号输出反相信号，并将所述反相信号与所述功率放大后的组合音频信号进行反相叠加，以降低所述功率放大后的组合音频信号的噪声。

本发明还提出一种主动降噪处理系统，包括：

音频信号获取模块，用于实时获取当前环境的第一音频信号以及所述第一音频信号经物理隔声后的第二音频信号；

第一处理模块，用于分别将所述第一音频信号和所述第二音频信号依次进行信号放大以及信号转换处理，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号；

信号组合模块，用于将所述第一数字音频信号和所述第二数字音频信号进行组合，以得到组合音频信号；

噪声抑制模块，用于对所述组合音频信号进行噪声抑制消除处理，以得到符合要求的目标音频信号。

进一步的，所述第一处理模块包括：

音频信号处理单元，用于将所述第一音频信号通过PGA放大器进行信号放大，并将所述第二音频信号通过PGA放大器进行误差放大；

数模转换单元，用于将信号放大后的第一音频信号和误差放大后的第二音频信号分别通过数模转换，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号。

进一步的，所述噪声抑制模块包括：

相位补偿单元，用于对所述组合音频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的组合音频信号进行相位补偿，以得到补偿后的组合音频信号；

噪声消除单元，用于将所述补偿后的组合音频信号进行功率放大，并将功率放大后的组合音频信号进行噪声消除，以得到所述目标音频信号。

进一步的，所述噪声消除单元还用于：

基于所述功率放大后的组合音频信号输出反相信号，并将所述反相信号与所述功率放大后的组合音频信号进行反相叠加，以降低所述功率放大后的组合音频信号的噪声。

本发明还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的主动降噪处理方法。

本发明还提出一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的主动降噪处理方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过拾取外部环境噪声，即第一音频信号，并对第一音频信号进行物理隔声得到第二音频信号，并将获取到的第一音频信号和第二音频信号进行信号放大及信号转换处理，以得到对应的数字音频信号，通过将两数字音频信号进行组合，并对组合后的音频信号进行噪声抑制消除，以达到降噪的效果；具体的，通过利用前馈控制回路对第一音频信号进行声波干涉相消，并对第二音频信号进行反馈控制，实现稳定平衡，通过将两音频信号进行汇总、并进行综合运算，计算出与噪声相反的波进行抵销，从而达到降噪的效果。

附图说明

图1为本发明第一实施例中主动降噪处理方法的流程图；

图2为图1中步骤S102的详细流程图；

图3为本发明第一实施例中主动降噪处理方法的整体方案示意图；

图4为图1中步骤S104的详细流程图；

图5为本发明第一实施例中滤波器的模型图；

图6为本发明第一实施例中FIR滤波器的组成图；

图7为本发明第二实施例中主动降噪处理系统的结构框图；

图8为本发明第三实施例中计算机设备的结构框图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的主动降噪处理方法，所述方法具体包括步骤S101至S104：

S101，实时获取当前环境的第一音频信号以及所述第一音频信号经物理隔声后的第二音频信号；

其中，主动降噪也称主动噪声控制（ANC）技术，是基于声波相消性干涉或声波辐射抑制原理，通过控制电路在降噪空间（耳道内）产生一个与被抵消噪声（初级声源）大小相等、相位相反的次级声源，和初级噪声源在降噪空间相互干涉，从而达到消除或降低降噪空间噪声的目的。

本实施例应用于主动降噪耳机，在主动和降噪耳机的耳壳后腔处和耳道入口处设计安装两个小型拾音器（即前馈麦克风和反馈麦克风），前馈麦克风拾取外部环境噪声，通过前馈控制回路在耳道内进行声波干涉相消；反馈麦克风拾取干涉相消后的误差声音信号，进行反馈控制，实现稳定平衡。两个拾音器同时发挥作用，实现对噪声尤其是低中频噪声的消除；

在该主动降噪耳机上还设有用于物理隔声的隔声腔，反馈麦克风设置在隔声腔内，通过隔声腔能够初步降低第一音频信号的噪声量值，进而降低耳道内的全频段噪声，在具体实施时，利用前馈麦克风实时获取当前环境中的噪声信号（即第一音频信号），并通过反馈麦克风实时获取该第一音频信号通过隔声腔进行物理隔声后的初步噪声信号（即第二音频信号）。

S102，分别将所述第一音频信号和所述第二音频信号依次进行信号放大以及信号转换处理，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号；

进一步的，请参阅图2，所述步骤S102具体包括步骤S1021~S1022：

S1021，将所述第一音频信号通过PGA放大器进行信号放大，并将所述第二音频信号通过PGA放大器进行误差放大；

S1022，将信号放大后的第一音频信号和误差放大后的第二音频信号分别通过数模转换，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号。

在具体实施时，如图3所示，第一音频信号通过PGA放大器进行信号放大，并将该信号放大后的第一音频信号通过数模转换(D/A)，将其音频信号转换成数字信号，即第一数字音频信号；

同时，将第二音频信号通过PGA放大器进行误差放大，将第二音频信号中符合噪声要求的信号进行放大，并将信号放大后的第二音频信号通过数模转换(D/A)，将其音频信号转换成数字信号，即第二数字音频信号，将音频信号转换成数字信号能够便于前馈及反馈电路进行处理。

S103，将所述第一数字音频信号和所述第二数字音频信号进行组合，以得到组合音频信号；

在具体实施时，将上述得到的数字音频信号进行组合，以得到组合音频数据，以便于对组合音频信号进行噪声抑制处理。

S104，对所述组合音频信号进行噪声抑制消除处理，以得到符合要求的目标音频信号。

进一步的，请参阅图4，所述步骤S104具体包括步骤S1041~S1042：

S1041，对所述组合音频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的组合音频信号进行相位补偿，以得到补偿后的组合音频信号；

S1042，将所述补偿后的组合音频信号进行功率放大，并将功率放大后的组合音频信号进行噪声消除，以得到所述目标音频信号。

在主动降噪系统中，将数模转换(D/A)、信号方法电路、模数转换（A/D）、滤波电路、受话器、麦克风等电子设备以及受话器到麦克风之间的实际管道等物理通道的组合称之为次级通道。主动降噪系统中的自适应滤波器对次级通道进行估计。当传递函数为时变函数时，采用在线辨识算法，即在主动降噪系统运行的同时对次级通道进行估计。自适应滤波器的输出引入线辨识系统，作为LMS 算法的输入。同时将系统中的残余噪声信号经次级通道的估计之后得到的值相比较，将所得到的误差也用作 LMS 算法的激励，调节参数，不断逼近次级通道传递函数，完成对次级通道的实时在线辨识；

在具体实施时，受话器与拾音器近距离内置在耳机中，正常的声音信号可以直接进入受话器，拾音器采集正常播放的声音信号和穿透过耳机进入人耳的环境噪声信号，反馈到具有增益和相位补偿功能的数字滤波器G，如果单采用数字滤波器G，对声音信号的低频部分会带来损伤，因此增加了能够进行增益补偿的滤波器M，从而使G滤波器产生的信号是环境噪声的真正反向信号。滤波器选用自适应滤波器，可针对任何信号或噪声，通过调整脉冲响应自动过滤掉输入中的相关信号，同时具有在非稳态条件下自适应信号处理的能力。

自适应滤波器模型如图5所示，环境噪声作为滤波器的参考输入x(n)，在Z域中表达为：

其中，E(z)表示拾音器采集的耳机中的音频信号（第二数字音频信号），S(z)表示滤波器参数，Z表示域，Y(z)是滤波器产生的信号，采用FXLMS算法，x(n)参考信号可以综合为：

其中Sm是M阶FIR滤波器的系数，

FIR滤波器的实现主要由延时单元、乘法器、加法器三种部件组成，如图6所示：

在主动降噪方法中，除了使用自适应滤波算法外，还增加了保护机制，增强稳定性。在本实施例中，自动分析评估一段时间内降噪的效果，备份当前使用的数字滤波器参数，如果在下一阶段，降噪效果比前段时间的好，则自动更新存储的滤波器参数，如果效果差，则重新加载已经存储的参数，如果稍长一段时间，降噪效果不好，会复位及重置当前滤波器参数。

本实施例采用前馈+反馈混合模式主动降噪（ANC）控制技术，基于声波相消性干涉或声波辐射抑制原理，利用附加次级声源产生控制声场，和原有噪声场相互作用，以达到降低空间噪声。

在本实施例中，MIC_FF（前馈麦克风）拾取环境噪声后，经PGA调理和滤波放大后，经功率放大由受话器输出，与环境噪声声波在耳壳腔体内反相叠加，形成降噪声场，实现主动消音功能，此为前馈控制。

进一步的，为了获得高消音量、宽频率范围、高响应速度、高稳定性的降噪效果，采用了前馈+反馈双模控制电路来实现。反馈控制回路由MIC_FB（反馈麦克风）拾取降噪后的声音信号，经滤波和误差放大后，反馈给信号处理器进行自适应处理，形成闭环控制，从而实现高效、宽频、稳定可靠的降噪功能，达到最优的降噪效果。

请参阅图3，本实施例中，环境噪声透过耳机底壳的阻尼孔、回音孔、导声孔及ABS隔声结构传入耳机后腔，前馈Mic拾取混合声波信号后，经AGC放大进行幅度自适应调整处理，再经可编程放大（PGA）实现用户编程调试，然后再对处理后的信号通过滤波网络进行相位补偿，使200Hz～4KHz频率范围信号的相位满足ANC控制的要求（相位相反），归一化处理的信号通过加法器，经功率放大后，通过SPK还原成与透射到耳机前腔的噪声声波幅度近似相等，相位近似相反的声波，使其与透射到耳机前腔的噪声声波在前腔相加，达到抵消或减弱噪声的目的。

消减后的前腔声波再经反馈Mic拾取后，同样通过AGC、PGA、误差放大、相位补偿、混合叠加、功率放大送SPK进一步消减噪声，并使其达到稳定的闭环控制，反馈控制可实现50Hz～800Hz的主动降噪性能。

本实施例采用了前馈+反馈双模控制电路来实现。在混合降噪模式下，可以在更宽的频率范围内抑制噪声并纠正误差，获得高消音量、宽频率范围、高响应速度、高稳定性的降噪效果。MIC_FF拾取环境噪声，处理的信号通过加法器，经功率放大后，通过SPK还原成与透射到耳机前腔的噪声声波幅度近似相等，相位近似相反的声波，使其与透射到耳机前腔的噪声声波在前腔相加，达到抵消或减弱噪声的目的。经PGA调理和滤波放大后，经功率放大由受话器输出，与环境噪声声波在耳壳腔体内反相叠加，形成降噪声场，实现主动消音功能，此为前馈控制。反馈控制回路由MIC_FB拾取降噪后的声音信号，经滤波和误差放大后，反馈给信号处理器进行自适应处理，形成闭环控制，从而实现高效、宽频、稳定可靠的降噪功能，达到最优的降噪效果。

综上，本发明上述实施例当中的主动降噪处理方法，通过拾取外部环境噪声，即第一音频信号，并对第一音频信号进行物理隔声得到第二音频信号，并将获取到的第一音频信号和第二音频信号进行信号放大及信号转换处理，以得到对应的数字音频信号，通过将两数字音频信号进行组合，并对组合后的音频信号进行噪声抑制消除，以达到降噪的效果；具体的，通过利用前馈控制回路对第一音频信号进行声波干涉相消，并对第二音频信号进行反馈控制，实现稳定平衡，通过将两音频信号进行汇总、并进行综合运算，计算出与噪声相反的波进行抵销，从而达到降噪的效果。

实施例二

本发明另一方面还提出一种主动降噪处理系统，请查阅图7，所示为本发明第二实施例中的主动降噪处理系统，所述系统包括：

音频信号获取模块11，用于实时获取当前环境的第一音频信号以及所述第一音频信号经物理隔声后的第二音频信号；

第一处理模块12，用于分别将所述第一音频信号和所述第二音频信号依次进行信号放大以及信号转换处理，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号；

进一步的，所述第一处理模块12包括：

音频信号处理单元，用于将所述第一音频信号通过PGA放大器进行信号放大，并将所述第二音频信号通过PGA放大器进行误差放大；

数模转换单元，用于将信号放大后的第一音频信号和误差放大后的第二音频信号分别通过数模转换，以得到第一数字音频信号和第二数字音频信号。

信号组合模块13，用于将所述第一数字音频信号和所述第二数字音频信号进行组合，以得到组合音频信号；

噪声抑制模块14，用于对所述组合音频信号进行噪声抑制消除处理，以得到符合要求的目标音频信号。

进一步的，所述噪声抑制模块14包括：

相位补偿单元，用于对所述组合音频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的组合音频信号进行相位补偿，以得到补偿后的组合音频信号；

噪声消除单元，用于将所述补偿后的组合音频信号进行功率放大，并将功率放大后的组合音频信号进行噪声消除，以得到所述目标音频信号。

在一些可选实施例中，所述噪声消除单元还用于：

基于所述功率放大后的组合音频信号输出反相信号，并将所述反相信号与所述功率放大后的组合音频信号进行反相叠加，以降低所述功率放大后的组合音频信号的噪声。

上述各模块、单元被执行时所实现的功能或操作步骤与上述方法实施例大体相同，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的主动降噪处理系统，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，系统实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

实施例三

本发明还提出一种计算机设备，请参阅图8，所示为本发明第三实施例中的计算机设备，包括存储器10、处理器20以及存储在所述存储器10上并可在所述处理器20上运行的计算机程序30，所述处理器20执行所述计算机程序30时实现上述的主动降噪处理方法。

其中，存储器10至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器10在一些实施例中可以是计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘。存储器10在另一些实施例中也可以是外部存储装置，例如插接式硬盘，智能存储卡（Smart MediaCard, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器10还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储装置。存储器10不仅可以用于存储安装于计算机设备的应用软件及各类数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

其中，处理器20在一些实施例中可以是电子控制单元 (Electronic ControlUnit，简称ECU，又称行车电脑)、中央处理器（Central Processing Unit, CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器10中存储的程序代码或处理数据，例如执行访问限制程序等。

需要指出的是，图8示出的结构并不构成对计算机设备的限定，在其它实施例当中，该计算机设备可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

本发明实施例还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的主动降噪处理方法。

本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。