一种语音主动降噪优化的方法及系统与流程

1.本发明具体涉及一种语音主动降噪优化的方法及系统，属于噪声控制和智能语音技术领域。


背景技术：

2.近年来，耳机作为方便灵活、私密性强的音乐电子产品，受到越来越多的人喜爱。年轻人都喜欢在上班的途中，使用耳机进行通话或听音乐。然而在乘坐公交、地铁等公共交通工具时，普通耳机只能用提高音量来盖过环境噪音，但是这样一来，不仅会影响到别人，还会对我们的耳朵造成伤害。降噪耳机的出现极大地解决了我们的这些困扰。
3.降噪耳机主要分为两类：被动降噪(passive noise-cancelling)和主动降噪(active noise-cancelling)。所谓被动降噪就是利用物理特性将外部噪声与耳朵隔绝开，主要是借助于特殊材料去阻挡噪声，同样由于材料的问题，会导致成本较高、耳机较重、佩戴不舒服等问题；主动降噪是从消除噪音本身出发，主动消除干扰，在耳机内部设置多路滤波器，实现降噪功能。声音都是由一定的频谱和能量组成，我们在测试主动降噪时通过频响和相位去分析声音。主动降噪耳机就是在音频输入，生成一组频谱与噪声一样，而相位正好相反，通过两者的反相叠加，去抵消掉噪音。工业中，一般都是在喇叭中加入滤波器，当音频通过滤波器过滤后，会生成一个与噪声相位相反、振幅相同的声波，然后与源音频接口，把噪声抵消掉(如图2所示)。但是市面上耳机实时调试工具比较少且操作复杂，不能快速有效的调试，从而不能达到降噪的目的。
4.综上所述，耳机的主动降噪实时调试的操作复杂是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种语音主动降噪优化的方法，该工具能实时采集音频数据、并将其时域音频转换成频域音频，通过快速傅里叶变换转换成实时频响和相位波形图，从而通过多次调试以达到最佳降噪效果。
6.针对现有技术存在的自动化程度低，声学测试工程师的工作繁重的问题，本发明实施例提供了一种语音主动降噪优化系统。
7.为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明实施例一种语音主动降噪优化的方法，包括以下步骤：
9.s11：调试电脑通过声卡将白噪声或粉噪声等音频输出，并将其拆分为完全相同的两路音频；
10.s12：所述两路音频中的一路不经处理，直接回灌声卡作为第一路输入，另一路输入到声音芯片并经过所述声音芯片过滤处理后回灌到所述声卡作为第二路输入；
11.s13：测试工具实时采集所述两路音频，将其处理成频响和相位数据实时显示到界面波形图中；
12.s14：通过所述界面波形图分析声音芯片的过滤效果，调整多组ff滤波器和多组fb
滤波器的滤波系数以调试出理想的波形，并将其显示到所述测试工具的界面波形图中；
13.s15：将调试出的滤波器系数发送到声音芯片，声音芯片根据新的设置进行滤波，软件再实时采集声卡输入的音频数据，对比其与理性波形之间的差别，并进行细微调试。
14.优选地，所述声音芯片采用混合型主动降噪技术。
15.优选地，所述测试工具支持串口和蓝牙方式连接。
16.优选地，所述测试工具将采集的数据叠加，多组波形数据进行对比。
17.优选地，所述测试工具将实时采集的这两路音频从时域数据转换成频域数据。
18.第二方面，本发明实施例提供了一种语音主动降噪优化系统，包括调试装置、声卡、声音芯片、测试软件、界面显示器；
19.所述调试装置通过声卡输出音频，所述声音芯片用于过滤处理所述声卡接收的音频，所述测试软件控制所述声卡接收音频，所述测试软件将所述声卡接收的音频并将其转化为频响和相位数据实时显示到所述界面显示器上。
20.优选地，所述声音芯片支持多种滤波算法。
21.优选地，所述测试软件保存多路调试结果，并多次对比调试结果。
22.本发明具有以下效果：
23.1)该方法能积累采集的数据，并且该测试工具能在2-4秒内使采集的波形达到稳定，快速高效；
24.2)该系统能保存多路调试结果，可对比多次调试结果，从而得到最优设置；
25.3)该系统将声音芯片滤波设置和音频波形的实时分析集成与一体，极大地简化了声学测试工程师的工作；
26.4)多次调试的结果，可以进行一些简单的加减运算，得到两组之间数据差异，从而有利于调节出最优的降噪效果；
27.5)该系统支持多种滤波算法，比如bypass、peak、low shelf、low pass等，兼容性强。
28.6)该系统支持多路滤波叠加的波形显示，也支持单个滤波波形的显示，使滤波的波形图多种形态展示，从而使声学测试工程师更加方便的观察音频的波形，有利于其调整降噪效果。
29.7)该系统支持波形数据的实时保存功能，可以将波形以数据的形式保存到本地，可以作为备份数据，从而为以后的测试查验作准备。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的语音主动降噪优化系统示意图；
31.图2为现有技术中的主动降噪工作原理图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
33.实施例1
34.本发明实施例提供了一种语音主动降噪优化的方法，包括以下步骤：
35.s11：调试电脑通过声卡将白噪声或粉噪声等音频输出，并将其拆分为完全相同的两路音频；
36.调试电脑包括声卡、声音芯片、显示器，并且安装有测试软件。
37.白噪声的定义为：用固定频带宽度测量时，频谱连续并且均匀的噪声。白噪声的功率谱密度不随频率改变。或者说，如果在某个频率范围内单位频带宽度噪声成分的强度与频率无关，也就是具有均匀而连续的频谱，则此噪声称为“白噪声”。白噪声不一定是无规噪声。
38.粉噪声：用正比于频率的频带宽度测量时，频谱连续并且均匀的噪声。粉红噪声的功率谱密度与频率成反比。对于粉红噪声而言，满足单位频带宽度的噪声强度以每升高一个倍频程下降3db的变化，在等比带宽内能量分布相等的连续谱噪声。因此，粉红噪声的能量主要分布在中低频段。
39.声音拆分是为了获取相同的两路音频，为了对相同的音频经过过滤和不经过过滤两种情况后的波形图进行对比。
40.s12：两路音频中的一路不经处理，直接回灌声卡作为第一路输入，另一路输入到声音芯片并经过声音芯片过滤处理后回灌到声卡作为第二路输入；
41.声音芯片均为声音芯片，可以存储控制播放语音的ic，将声音信号通过采样转化为数字，存储在ic的rom中，再通过电路将rom中的数字还原成语音信号。
42.s13：测试工具实时采集两路音频，将其处理成频响和相位数据实时显示到界面波形图中；
43.测试工具为一个名为anc tool软件工具，频率响应简称频响，也叫有效频率范围，它体现了音箱工作的主要频率范围，衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。
44.相位数据即为：包含着相同信息的多个信号之间的时间关系，当对包含相同声源的两个音频信号(例如多个对爵士鼓进行拾音的麦克风或者吉他的di和吉他音箱信号)混叠时，如果它们彼此的相位不同，则可能发生相位抵消，从而导致某些频率的信号丢失，甚至是整个信号的丢失。
45.将频响和相位数据，显示到界面的波形图中，使两路音频的波形图一目了然，方便声音测试工程师观察以及调试降噪。
46.s14：通过界面波形图分析声音芯片的过滤效果，调整多组ff滤波器和多组fb滤波器的滤波系数以调试出理想的波形，并将其显示到测试工具的界面波形图中；
47.主动降噪技术分为三类：前馈主动降噪技术ff、反馈主动降噪技术fb、混合型主动降噪技术。ff前馈系统可以消减参考传声器检测到的原始噪声相关的噪声，fb反馈式系统则对窄带噪声十分有效，两者结合使用，可以增强有源噪声控制系统的灵活性，从而比使用单一结构获得更好的降噪效果。
48.s15：将调试出的滤波器系数发送到声音芯片，声音芯片根据新的设置进行滤波，软件再实时采集声卡输入的音频数据，对比其与理性波形之间的差别，并进行细微调试。
49.滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说，凡
是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。多次调整滤波系数即是对声音芯片进行新的设置，使滤波器的滤除干扰噪声的程度大小不同，从而使新的设置有更好的降噪效果。
50.声音芯片采用混合型主动降噪技术。ff前馈系统可以消减参考传声器检测到的原始噪声相关的噪声，fb反馈式系统则对窄带噪声十分有效，因此，当两者结合使用时，即混合型主动降噪技术的声音芯片可以增强有源噪声控制系统的灵活性，从而比使用单一结构获得更好的降噪效果。
51.测试工具支持串口和蓝牙方式连接。anc tool软件的串口和蓝牙方式连接，使得该软件的连接方式兼容性强，从而方便声学工程师选择合适的连接方式，可选择性强。
52.测试工具将采集的数据叠加，多组波形数据进行对比。波形数据的实时保存功能，可以将波形以数据的形式保存到本地，当对调试结果不满意需要对调试过程进行回顾或者查找调试结果比较差的原因时，可以找到保存在本地的波形数据，方便后续的查验。
53.测试工具将实时采集的这两路音频从时域数据转换成频域数据。时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系，例如一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。频域图显示了在一个频率范围内每个给定频带内的信号量，频域表示还可以包括每个正弦曲线的相移的信息，以便能够重新组合频率分量以恢复原始时间信号。对频域数据的分析解决方案是指结合使用探头与频谱分析仪、信号源分析仪和网络分析仪进行探测，可以精确地测量非常低的信号幅度，从而使这两路音频的测量更为精确。
54.实施例2
55.如图1所示，本发明还提供一种语音主动降噪优化系统，包括调试装置、声卡、声音芯片、测试软件、界面显示器；
56.调试装置通过声卡输出音频，声音芯片用于过滤处理声卡接收的音频，测试软件控制声卡接收音频，测试软件将声卡接收的音频并将其转化为频响和相位数据实时显示到界面显示器上。该系统将芯片滤波设置和音频波形的实时分析集成于一体，极大地简化了声学测试工程师的工作。
57.声音芯片支持多种滤波算法。不同的滤波算法具有不同的优点，例如：限幅滤波法(又称程序判断滤波法)的优点是能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，缺点是无法抑制那种周期性的干扰。
58.算术平均滤波法的优点是适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。而缺点是对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，并且比较浪费ram。
59.因此，不同情况下采用优缺点不同的滤波算法，可选择性更高，选择更适合的滤波算法可以使降噪效果进一步得到优化。
60.测试软件保存多路调试结果，并多次对比调试结果。多路调试结果得到保存，综合观察多路调试结果的波形图，选择最合适的调试方法，从而可以得到最优设置。
61.可以理解的是，上述方法及系统中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
62.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，
装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
63.在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
64.此外，存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)，存储器包括至少一个存储声音芯片。
65.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
66.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
67.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
68.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
69.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
70.存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。存储器是计算机可读介质的示例。
71.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备
或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
72.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
73.本领域技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
74.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。
75.需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。