语音降噪方法与耳机与流程

本技术涉及语音降噪领域，具体而言，涉及一种语音降噪方法与耳机。

背景技术：

1、麦克风阵列信号处理可以应用于语音降噪，当麦克风阵列信号处理技术应用于一些体积较小的耳机在对语音进行降噪时，存在阵列指向性与降噪效果无法达到预期的问题。

2、目前，会使用广义旁瓣消除算法提高阵列指向性和降噪效果。在广义旁瓣消除算法中，会对麦克风采集到的语音信号做固定波束形成，但是，目前所使用的固定波束形成算法存在缺陷。例如，延迟求和波束形成算法对低频语音信号指向性差。超指向波束形成算法在低频处的白噪声增益低且波束响应随着频率升高而减小，使得降噪效果较差，差分波束形成算法对低频信号具有高通特性，且在全频带具有频率不变波束响应模式，处理后的信号需要进行补偿，且要求麦克风阵元间距应足够小，否则可能发生频谱混叠。

3、因此，目前语音降噪所使用的固定波束形成算法存在阵列指向性较差和/或降噪效果较差的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术旨在提供一种语音降噪方法与耳机，以提高对语音信号降噪的阵列指向性和降噪效果。

2、第一方面，本技术实施例提供一种语音降噪方法，应用于耳机，所述耳机至少包括第一麦克风和第二麦克风，所述第一麦克风指向所述第二麦克风的方向或所述第二麦克风指向所述第一麦克风的方向为端射方向，所述语音降噪方法包括：获取目标语音信号，所述目标语音信号包括所述第一麦克风采集的第一语音信号和所述第二麦克风采集的第二语音信号；计算所述第一语音信号、所述第二语音信号在多种零陷模式下差分波束形成结果；不同所述零陷模式的预设零陷方向不同；取各所述零陷模式对应的差分波束形成结果的最小幅度值作为目标方向性增益结果；使用所述目标方向性增益结果对所述目标语音信号进行降噪。

3、在广义旁瓣消除算法中，主瓣宽度的越大，阵列指向性越差，旁瓣高度越高，噪声抑制能力越差，不同方向对应的差分波束形成结果的主瓣宽度、旁瓣高度不同，本技术实施例中，计算不同零陷模式下差分波束形成结果，并取不同零陷模式对应的差分波束形成结果的最小幅度值作为目标方向性增益结果，由此，可以使得最小幅度值对应的主瓣宽度更窄，旁瓣高度更低，由此，利用该最小幅度值作为目标方向性增益结果进行滤波，可以有效提高对语音信号降噪的阵列指向性和降噪效果。

4、一实施例中，不同所述零陷模式对应的预设零陷方向包括相较于所述端射方向的90°方向、120°方向和180°方向。

5、本技术实施例中，零陷指差分波束形成器对信号进行方向性陷波，其需要计算干扰信号映射到端射方向的值，而cos90°为0，cos180°的绝对值为1，cos120°的绝对值为0.5，因此，选用上述三个方向，可以使得零陷的覆盖面更完整，从而可以有效提高计算得到的差分波束形成结果，可以综合90°至180°方向上的主瓣和旁瓣的特征，以此计算得到的旁瓣高度和主瓣宽度会更小，有效提高降噪的阵列指向性和降噪效果。

6、一实施例中，所述计算所述第一语音信号、所述第二语音信号在多种零陷模式下差分波束形成结果，包括：针对每一所述零陷模式，将所述第二语音信号在该零陷模式对应预设零陷方向上的干扰信号与所述第一语音信号在该零陷模式对应预设零陷方向上的干扰信号对齐；所述干扰信号为所述第一语音信号和所述第二语音信号中非端射方向上的信号；计算所述第一语音信号与对齐后的第二语音信号之差，得到所述差分波束形成结果。

7、第一麦克风和第二麦克风之间存在一定的物理距离，对于同一声源发出的语音信号，第一麦克风和第二麦克风采集的信号会存在差异，本技术实施例中，将第一语音信号和第二语音信号在零陷方向上的干扰信号对齐，由此，计算差分波束形成结果时，可以有效消除干扰信号，以提高差分波束形成结果的准确性。

8、一实施例中，所述方法还包括：获取所述第二语音信号的频率和导向矢量矩阵计算公式；所述将所述第二语音信号在该零陷模式对应预设零陷方向上的干扰信号与所述第一语音信号在该零陷模式对应预设零陷方向上的干扰信号对齐，包括：基于所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的物理距离、该零陷模式对应的预设零陷方向、所述第二语音信号的频率和所述导向矢量矩阵计算公式，计算该零陷模式对应的导向矢量矩阵；将所述第二语音信号与所述导向矢量矩阵相乘，得到第一乘积，所述第一乘积表征所述第二语音信号在该零陷模式对应的预设零陷方向上的干扰信号与所述第一语音信号在该零陷模式对应的预设零陷方向上的干扰信号对齐。

9、本技术实施例中，导向矢量矩阵可以表征相位信息，因此，可以基于第一麦克风和第二麦克风之间的物理距离、该零陷模式对应的预设零陷方向、第二语音信号的频率和导向矢量矩阵计算公式计算得到表征第一语音信号和第二语音信号之间相位信息的导向矢量矩阵，再将第二语音信号与导向矢量矩阵相乘，以使第二语音信号的干扰信号和第一语音信号的干扰信号在预设零陷方向上对齐。

10、一实施例中，所述预设的导向矢量矩阵计算公式，包括：

11、

12、其中，所述steer_vector为导向矢量矩阵，所述d为所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的物理距离，所述θ2为所述预设零陷方向，所述c为所述声音传播速度，所述f为所述第二语音信号的信号频率，j为复数单位，exp为以自然常数e为底的指数函数。

13、本技术实施例所提供的导向矢量矩阵计算公式中，各项参数均为已知值，可以快速获取，由此，可以有效减少计算导向矢量矩阵的时间与功耗。

14、一实施例中，所述取各所述零陷模式对应的差分波束形成结果的最小幅度值作为目标方向性增益结果之后，所述方法还包括：将所述目标方向性增益结果与180°方向零陷模式对应的差分波束形成结果的相位相乘，得到第二乘积；将所述第二乘积送入广义旁瓣消除算法的自适应滤波器部分。

15、本技术实施例中，导向矢量矩阵可以用于表征第一语音信号和第二语音信号之间的相位差信息，将目标方向性增益结果与180°方向的差分波束形成结果的相位相乘得到第二乘积，该第二乘积可以用于降噪，而将上述第二乘积直接送入广义旁瓣消除算法的自适应滤波部分进一步降噪，可以进一步提高基于该第二乘积进行降噪的准确性。，

16、一实施例中，所述计算所述第一语音信号、所述第二语音信号在多种零陷模式下差分波束形成结果之前，所述方法包括：对于任一零陷模式，计算所述目标语音信号在所述端射方向上的信号到达所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的第一时间差；计算该零陷模式对应零陷方向上的干扰信号到达所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的第二时间差矩阵；基于所述第一时间差、所述第二时间差矩阵及预设的截止频率计算式计算得到截止频率；对该零陷模式对应的差分波束形成结果中低于所述截止频率的信号进行补偿，得到补偿后的差分波束形成结果；所述补偿用于放大所述差分波束形成结果中低于所述截止频率的信号的幅度与相位。

17、本技术实施例中，差分波束形成器在截止频率以下存在高通滤波的特性，低于截止频率的信号将被削弱，而差分波束形成结果部分低于截止频率的数据是有效的，应当完整保留。故可以对差分波束形成结果进行补偿，使其在截止频率以下幅度值不低于第一语音信号，从而保证数据的完整性，提高确定的目标方向性增益结果的准确性。

18、一实施例中，所述第一时间差通过如下方式计算得到：第二时间差矩阵通过如下方式计算得到：所述预设截止频率计算式包括：其中，所述d为所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的物理距离，所述θ1为所述端射方向，所述θ2为所述预设零陷方向，所述c为所述声音传播速度，所述τ1为所述第一时间差，所述τ2为所述第二时间差矩阵，所述ωc为所述预设截止频率。

19、本技术实施例中，通过上述方式，可以计算得到第一时间差和第二时间差矩阵，并通过第一时间差和第二时间差矩阵可以计算得到预设截止频率。上述公式中的各参数易于获取，声音传播速度为固定值，第一麦克风和第二麦克风之间的物理距离在设计麦克风阵列时也确定，通过上述公式，计算预设截止频率的方式简单，降低功耗过大的可能性。

20、一实施例中，所述对该零陷模式对应的差分波束形成结果中低于截止频率的信号进行补偿之后，所述方法还包括：限制所述补偿后的差分波束形成结果，使限制后的差分波束形成结果的幅度值不超过所述第一语音信号的幅度值。

21、本技术实施例中，对差分波束形成结果进行补偿后，差分波束形成结果的幅度值可能会超过原第一语音信号的幅度值，则使得数据不准确，故可以对幅度进行限制，使其不超过第一语音信号的幅度值，提高数据的准确性，从而提高目标方向性增益结果的准确性。

22、第二方面，本技术实施例提供一种耳机，包括：麦克风阵列，用于采集目标语音信号，其中，所述麦克风阵列至少包括第一麦克风和第二麦克风，所述第一麦克风指向所述第二麦克风的方向或所述第二麦克风指向所述第一麦克风的方向为端射方向；差分波束形成器；滤波单元；处理单元，与所述麦克风阵列、所述差分波束形成器和所述滤波单元连接；所述处理单元用于获取目标语音信号，所述语音信号包括所述第一麦克风采集的第一语音信号和所述第二麦克风采集的第二语音信号；所述处理单元还用于控制所述差分波束形成器计算所述第一语音信号、所述第二语音信号在多种零陷模式下差分波束形成结果；不同所述零陷模式的预设零陷方向不同；所述处理单元还用于取各所述零陷模式对应的差分波束形成结果的最小幅度值作为目标方向性增益结果；所述滤波单元用于基于所述目标方向性增益结果对所述目标语音信号进行降噪。

23、一实施例中，所述耳机为tws(true wireless stereo，真实无线立体声)耳机。

24、tws耳机的尺寸通常较小，其麦克风之间的距离更短，排列更紧凑，相较于单通道语音增强的方式，在tws耳机中利用上述差分的方式进行降噪，可以有效提高tws降噪的阵列指向性与降噪效果。