CN101859569B - 数字音频信号处理降噪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：包括传送模块传送信号和接收模块接收信号两个过程，本发明的数字音频信号处理降噪的方法，通过对信号的压缩与扩展，用最大的信号幅度传送最简单的信息量，从而提高传输的信噪比，同时原信号中的其余信息可通过相关滤波器恢复，来保证信号的保真度。

Description

数字音频信号处理降噪的方法

技术领域

本发明涉及一种降低音频信号或任何有自相关信号噪声的方法，特别涉及降低音频信号或任何有自相关信号在传输或存储过程中引起的噪声的方法。

背景技术

任何信号在传输过程中(从传送到接收的过程中)或存储记录过程中(从存储到提取的过程中)，总会受到传媒界体引入噪声的侵蚀，造成信噪比降低，信号质量下降。对音频信号而言，信号噪声增加，信噪比降低，心理听觉效果显著下降。例如，在调频式无线麦克风的应用中，由于调频无线传输过程中的噪声，即使麦克风无任何信号输出，在接收端任然可接收到明显的噪声(俗称沙沙的流水声)。再如，在传统的磁带录音中，由于磁带自生的特性，磁带会引入噪声，因而降低了录制信号的信噪比，劣化了信号质量。

传统的杜比降噪系统利用声音的频谱特性，低中频能量较高而高频能量随频率的升高而降低的频谱特性，采用了在存储信号(录音)前对音频信号的高频进行提升。而磁带引入的噪声电平不变，在放音时对信号的高频进行压缩使之恢复至原电平，从而将录制的声音信号恢复还原，同时因磁带引入的高频噪声被放音电路压缩降低，改善了信噪比，达到了降噪的效果。

然而，杜比降噪系统利用了声音的频谱特性，同时，这也是其局限性。由于利用声音的频谱特性，杜比降噪系统无法改善低中频信号的信噪比。此外，杜比降噪系统的降噪能力取决于对高频信号的提升幅度，提升幅度越大，降噪效果越显著(对高频信号一般可达10至20分贝)。然而，此对高频信号的提升幅度受限于信号的频谱特性和信号电平：当信号电平较高时，高频信号提升幅度过大，会造成信号饱和，反而造成信号失真，因此需限制高频信号的提升幅度；反之，当信号电平较低时，也就是信噪比较差时，由于高频信号提升幅度的限制，对信号信噪比的改善受到限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种降低一般模拟信号在传输或存储过程中引起的噪声的方法。

在本发明中，实现降低信号传输噪声的基本原理为：利用相关滤波器对信号的相关进行分析计算，减少信号的时间相关而降低信号的信息量以达到压缩信号的效果；之后，尽可能地扩展信号幅度，以提高传输信号的信噪比来得到最好的传输效果。概括而言，就是用最大的信号幅度传送最简单(少)的信息量，从而提高传输的信噪比。原信号中的其余信息可通过相关滤波器恢复，来保证信号的保真度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：包括传送模块传送信号和接收模块接收信号两个过程，

所述传送模块包括以下步骤：

1)由模数转换器将模拟信号转换成数字信号，送至传送DSP进行处理；

2)在传送DSP的信号相关压缩模块中，用相关自适应滤波器得到的相关信号对以上的数字信号进行相关压缩；

3)在传送DSP的信号对数扩展模块中，对以上的信号进行对数扩展得到输出数字信号；

4)在传送DSP的信号对数压缩模块中，对输出数字信号进行对数压缩；

5)在相关自适应滤波器中，用以上对数压缩后的信号和传送模块的输出数字信号进行自适应相关滤波和修正，并将得到的相关信号送至信号相关压缩模块；

6)由数模转换器将输出数字信号转换为模拟信号供发射或存储；

所述接收模块包括以下步骤：

7)接收或提取的模拟信号由模数转换器转换成数字信号，送至接收DSP进行处理；

8)在接收DSP的对数压缩模块中，对以上的数字信号进行对数压缩；

9)用接收原信号作为参考信号，接受压缩信号为误差信号，利用自适应滤波器原理对自适应滤波器进行自适应修正，并对接收原信号进行相关滤波，供信号相关扩展模块使用；

10)相关扩展模块使用接受压缩信号和相关滤波输出对信号进行相关扩展，将DSP处理的信号复原；

11)由数模转换器将还原数字信号转换成模拟信号。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在传送模块的步骤1)之前还包括提升模块对模拟信号的高频或低频成分进行提升的步骤；对应地，在接收模块的步骤11)之后包括将以上的模拟信号经高频压缩滤波器恢复为原始信号的步骤。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：利用控制接口模块控制对数压缩模块压缩比。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在所述步骤3)中，利用信号能量对信号进行对数扩展，对数扩展比例为2∶1或3∶1，或为任何其他比例。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在所述步骤5)中，相关自适应滤波器使用发送模块的输出信号为参考信号，对数压缩的信号为误差信号，利用自适应滤波器原理对自适应滤波器进行自适应修正，并对输出信号进行相关滤波，供信号相关压缩模块使用。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：所述相关滤波器可使用LS(Least Square，最小二乘法)、LMS(Least Mean Square，平均最小二乘法)、NLMS(Normalized Least Mean Square，均一化平均最小二乘法)或PNLMS(Proportional Normalized Least Mean Square，比例均一化平均最小二乘法)等自适应算法。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：信号的对数压缩比例与信号对数扩展比例是互补的。

前述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在所述步骤6)中，利用控制接口模块控制RF传输模块信号发送工作状态，辐射频带，频率，功率，发送指令，监控信号等。

本发明所达到的有益效果：本发明的数字音频信号处理降噪的方法，通过对信号的压缩与扩展，用最大的信号幅度传送最简单的信息量，从而提高传输的信噪比，同时原信号中的其余信息可通过相关滤波器恢复，来保证信号的保真度。

附图说明

图1为传送信号处理模块的硬件构成图；

图2为接收信号还原模块的硬件构成图；

图3为传送模块中数字信号处理模块的流程示意图；

图4为接收模块中数字信号处理模块的流程示意图；

图5为仿真试验的输入信号，由两个频率和振幅不同的正弦波组成，其振幅分别为16384和65；

图6为假设的传输噪声，为均匀分布的白噪声，其振幅为1000；

图7为仿真输入信号经本发明的传送数字信号处理后得到的发送信号；

图8为发送信号与传输噪声叠加的结果，即为接收信号；

图9为经接收数字信号处理后得到的还原信号；

图10是图9还原信号大幅度信号部分的扩大细节；

图11是图9还原信号小幅度信号部分的扩大细节；

图12是原始信号的小幅度信号部分的扩大细节；

图13是常规调频传输而得到的信号，由原始信号和传输噪声叠加而成；

图14是图13常规调频传输信号的大幅度信号部分的扩大细节；

图15是图13常规调频传输信号的小幅度信号部分的扩大细节。

具体实施方式

传送模块的信号处理

音频信号中高频成分与低中频成分相比，其能量低得多，为改善高频成分的信噪比，使用由运算放大器构成的高频提升电路对输入信号高频成分进行提升，达到提高整个系统的信噪比的目的。通常，对4000Hz频率以上的音频成分作10至20分贝的提升。(此步骤可省略或无提升。此步骤与接收模块的高频压缩滤波器相对应，如该步骤无高频提升，则接收模块的高频压缩应为0。)

经高频提升后的信号由模数转换得到数字信号，送至DSP进行处理。模数转换的采样率视应用信号的频带而定，根据香农采样率定理，采样率至少为信号频带的2倍以上。为达到音频20000Hz的频响要求，采样率应采用44100Hz，48000Hz，或96000Hz等。

根据之前送出的输出信号样本，经自适应相关滤波器计算得到预测的相关信号。计算输入数字信号与此预测相关信号的差，得到相关压缩的信号。由于从原信号中将信号的相关成分除去，降低了信号的时间相关，因而减小信号的幅度，达到了减少信号信息量的目的，起到了对信号信息量压缩的效果。

为了改善信号传输过程中的信噪比，根据本模块输出信号的平均能量对信号进行对数扩展，以尽可能地扩展输出信号的幅度。由于信号幅度的扩展，而信号传输过程中引进的噪声电平不变，从而提高传输信号的信噪比。信号幅度的扩展以系统允许的最大幅度为标准，计算输出信号能量与系统允许的最大能量的差，使此能量差以对数比例减小的方式扩展信号幅度，此能量差对数比可为2∶1，或3∶1，或任何其他比例等等。例如：在选择能量差对数比为2∶1时，如能量差对数为10时，对原信号幅度乘上一个大于1的常数进行扩展；此常数的平方与输出信号能量的积和系统允许最大能量的差的对数应为5(10的一半)。此关系可由下式表示：

S_k＝S*k；(k＞1)

S表示扩展前的信号；S_k表示对数扩展后的信号；k为幅度扩展倍数，由下式决定。

E_sok＝E_so*k^2；

[log(E_max)-log(E_so)]∶[log(E_max)-log(E_sok)]＝2∶1；

E_so表示输出信号的能量；E_sok表示扩展后输出信号的能量；E_max表示系统允许的最大能量。

为了与接收模块的处理一致，以及与前项对数扩展相互补而还原信号，对输出信号进行与前项对数扩展相互补的对数压缩，将输出信号压缩还原，供相关自适应滤波器使用。其具体对数压缩还原处理为：

S_kc＝S_k/k；

S_k表示对数扩展后本模块的输出信号；S_kc表示对数压缩后的压缩还原信号。相关自适应滤波器使用发送模块的输出信号为参考信号，压缩还原的信号为误差信号，利用自适应滤波器原理对自适应滤波器进行自适应修正，并对输出信号进行相关滤波，供信号相关压缩模块使用。自适应滤波器可采用LMS，NLMS，LS，以及各种变化的LMS算法等。

如此处理后的信号经数模转换器转换为模拟信号，送给RF调频发射器送出，或用于存储等。数模转换器需采用与模数转换器同样的采样率。接受模块的信号处理

与传送模块的信号处理相对应，以相反的顺序对信号进行处理，即可将信号还原。

接收到的信号经模数转换后送至接收DSP进行处理。此模数转换器应采用与传送模块相同的采样率。

使用与传送模块相同的对数压缩算法将接收到的接收原信号进行压缩，得到接受压缩信号。

用接收原信号作为参考信号，接受压缩信号为误差信号，利用与传送模块相同的自适应滤波器对自适应滤波器进行自适应修正，并对接收原信号进行相关滤波，供信号相关扩展模块使用。

相关扩展模块使用接受压缩信号和相关滤波输出对信号进行相关扩展，将接收DSP处理的信号复原。

接收DSP复原的数字信号经数模转换器转换为模拟信号。此数模转换器应采用与传送模块相同的采样率。

以上的模拟信号经高频压缩滤波器恢复为原始信号。此高频压缩滤波器特性需与传送模块的高频提升滤波器特性相互补，使信号复原。如传送模块无高频提升，此高频压缩可省略。

控制接口模块用于控制RF传输模块信号发送工作状态，辐射频带，频率，功率，发送指令，监控信号灯；同时，可控制本算法中对数压缩比，以及各参数等达到适应各种不同应用的目的。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：包括传送模块传送信号和接收模块接收信号两个过程，

所述传送信号过程包括以下步骤：

1)由模数转换器将模拟信号转换成数字信号，送至传送DSP进行处理;

2)在传送DSP的信号相关压缩模块中，信号相关压缩模块用从相关自适应滤波器得到的相关信号对以上的数字信号进行相关压缩;

3)在传送DSP的信号对数扩展模块中，对步骤2)得到相关压缩后的信号进行对数扩展得到输出数字信号;

4) 在传送DSP的信号对数压缩模块中，对输出数字信号进行对数压缩;

5)在相关自适应滤波器中，用以上对数压缩后的信号和传送模块的输出数字信号进行自适应相关滤波和修正，并将得到的相关信号送至信号相关压缩模块;

6)由数模转换器将输出数字信号转换为模拟信号供发射或存储;

所述接收信号过程包括以下步骤：

7)接收或提取的模拟信号由模数转换器转换成数字信号，送至接收DSP进行处理;

8)在接收DSP的对数压缩模块中，对步骤7)得到的数字信号进行对数压缩；

9)用接收原信号作为参考信号，接受压缩信号为误差信号，利用自适应滤波器原理对自适应滤波器进行自适应修正，并对接收原信号进行相关滤波，供信号相关扩展模块使用；

10）相关扩展模块使用接受压缩信号和相关滤波输出对信号进行相关扩展，将步骤7)中的接收DSP处理的数字信号复原；

11)由数模转换器将还原数字信号转换成模拟信号。

2.根据权利要求1所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在传送模块的步骤1)之前还包括提升模块对模拟信号的高频成分进行提升的步骤; 对应地，在接收模块的步骤11）之后包括将步骤11）输出的模拟信号经高频压缩滤波器恢复为原始信号的步骤。

3.根据权利要求2所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：利用控制接口模块控制对数压缩模块的压缩比。

4.根据权利要求1所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在所述步骤3）中，利用信号能量对信号进行对数扩展，对数扩展比例为2：1或3：1。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在所述步骤5）中，相关自适应滤波器使用发送模块的输出信号为参考信号，对数压缩的信号为误差信号，利用自适应滤波器原理对自适应滤波器进行自适应修正，并对输出信号进行相关滤波，供信号相关压缩模块使用。

6.根据权利要求4所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：所述自适应相关滤波器使用最小二乘法、平均最小二乘法、均一化平均最小二乘法或比例均一化平均最小二乘法自适应算法。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：信号的对数压缩比例与信号对数扩展比例是互补的。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的数字音频信号处理降噪的方法，其特征在于：在所述步骤6）中，利用控制接口模块控制RF传输模块信号发送工作状态，辐射频带，频率，功率，发送指令，监控信号。

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