專利名稱：用于聲束形成的設備和方法
用于聲束形成的設備和方法本發(fā)明涉及用于聲束形成的設備和方法，并且尤其涉及但不是唯 5—涉及用于語音源的波束形成。音頻到電信號的轉(zhuǎn)換是很重要的過程，今天在許多應用中都有所 使用并且目的各有不同。例如，音頻信號到采樣的數(shù)字化信號的轉(zhuǎn)換 已經(jīng)成為很多通信服務和應用的基礎(chǔ)。例如，由諸如固定的傳統(tǒng)電話 10系統(tǒng)、蜂窩通信系統(tǒng)或基于分組的網(wǎng)絡(例如因特網(wǎng))之類的通信系 統(tǒng)支持的語音通信在大多數(shù)國家已經(jīng)成為通信服務規(guī)定的重要部分。為了實現(xiàn)高質(zhì)量的通信服務，必不可少的是實現(xiàn)希望的具有高信 噪比的信號的轉(zhuǎn)換。然而，通信終端越來越多地在艱難的環(huán)境和有挑戰(zhàn)性的條件下使用。例如，日益流行的移動通信已經(jīng)導致在嘈雜和快15速變化的環(huán)境中發(fā)生的電話通話的大量增加。作為典型的示例，在汽 車環(huán)境中可能經(jīng)常使用免持操作進行移動語音呼叫。顯然，在這些環(huán)境中對想要的語音信號而不是背景噪聲的高質(zhì)量 產(chǎn)生轉(zhuǎn)換信號是有挑戰(zhàn)性的任務。已經(jīng)提出的一種方法是使用多個麥 克風并且處理該多個信號以產(chǎn)生朝向希望的音頻源的聲束形成。這種20 波束形成可以有效地增加希望的信噪比，因為希望的信號可以被放大 而來自其他源和方向的背景噪聲可以被減小。已經(jīng)提出了各種方法和算法用于聲束形成。然而，這些算法面臨 的問題是如何提供精確的音頻源跟蹤，同時保證只跟蹤希望的音頻源。 具體地，由于音頻源可以相對麥克風移動，聲束形成算法必須跟25隨這種移動，以確保最佳性能。然而，由于可能存在干擾噪聲源，波 束形成濾波器的適應只跟隨希望的音頻源是很重要的，并且希望減小 波束形成算法鎖定到強噪聲源的風險。對于諸如人類語音的非連續(xù)音 頻源，這個問題甚至更具有挑戰(zhàn)性，因為即使當希望的語音源是安靜 的，波束形成算法也必須跟隨希望的語音源而不是千擾源。30 解決該問題的一種方法是將更新限制到小的、緩慢的變化，并且拋棄大的、突然的變化。具體來說，波束形成算法可以包括一種標準，該標準只有當存在相當大的波束內(nèi)信號時才允許更新波束形成特性。 因此，如果沒有波束內(nèi)信號存在時可以阻止更新，因為假設任何波束 外部的音頻源都是噪聲源。然而，這種方法具有許多缺點并且具體來 說限制了波束形成算法跟蹤希望的音頻源的大的或突然移動和/或鎖 5定到新音頻源的能力。此外，難以設計用于可靠地檢測波束內(nèi)音頻的用是主要障礙。" 、 、 ； 、、々二 ；因此， 一種用于聲束形成的改進系統(tǒng)將是有利的，并且特別地， 一種允許具有在采集和跟蹤性能之間的改進的權(quán)衡、改進的波束形成 10精度、對希望的音頻源的大的和/或突然變化的改進的適應性、改進的 采集性能、改進的波束內(nèi)檢測、簡化的實施、改進的跟蹤性能和/或改 進的波束形成性能的系統(tǒng)將是有利的。因此，本發(fā)明旨在分別地或者以任意組合優(yōu)選地減輕、緩和或消 15除上面提及的缺點中的一個或多個。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于聲束形成的設備，該設備包括用于從第一音頻輸入產(chǎn)生第一輸入信號的裝置；用于從第二 音頻輸入產(chǎn)生第二輸入信號的裝置；波束形成裝置，包括用于對第一 和第二輸入信號進行濾波以產(chǎn)生組合的波束形成信號的波束形成濾波 20器；更新裝置，用于當滿足更新標準時更新波束形成濾波器；自適應濾波器，用于對第一輸入信號進行濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；用于對 第二輸入信號和第一濾波信號產(chǎn)生差分信號的裝置；用于調(diào)整自適應濾波器以最小化差分信號的裝置；以及用于響應于歸一化的差分信號 而修改更新標準的修改裝置。25 本發(fā)明可以允許改進的聲束形成。特別地，本發(fā)明可以允許對新音頻源和/或具有重大和/或突然變化的位置的音頻源的改進的適應。 本發(fā)明可以允許其中可以實現(xiàn)有效跟蹤和采集性能的波束形成算法。 可以實現(xiàn)高效和/或低復雜性的實施。組合的波束形成信號可以具體地對應于語音信號。波束形成裝置30可以包括用于對第一輸入信號進行濾波的第一自適應濾波器，用于對 第二輸入信號進行濾波的第二自適應濾波器以及用于通過組合(例如求和)得到的經(jīng)過濾波的信號產(chǎn)生組合的波束形成信號的組合裝置。 差分信號可能是歸一化的差分信號。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，波束形成裝置被配置成產(chǎn)生第 一輸入信 號和第二輸入信號的至少其中 一 個相對于組合波束形成信號的噪聲參5 考信號》這可以允許改進的性能并且允許用于控制設備操作的額外信息。 例如可以通過從第一和/或第二輸入信號中減去對應于希望的信號的 分量來產(chǎn)生噪聲參考信號。例如，噪聲參考信號可以是第一輸入信號和/或第二輸入信號與對應于時間反轉(zhuǎn)(t ime inver se)的濾波的組合波 10束形成信號的差分的指示，其中時間反轉(zhuǎn)濾波對應于波束形成裝置的濾波。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，更新標準包括波束形成信號的功率量度 高于響應于噪聲參考信號而確定的閾值這一標準。這可以允許波束形成信號更新的高效而且實際的控制并且提供了15 可以由修改裝置有效而且實用地進行改變的更新標準。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，修改裝置被配置為響應于差分信號而修 改所述閾值。這可以允許對波束形成信號的更新的高效而且實際的控制，并且 提供了可以由修改裝置有效而且實用地進行改變的更新標準。當差分 20信號的幅度減小時，修改裝置可以具體地修改閾值以放寬更新標準。 例如，如果差分信號低于給定值時，可以減小閾值。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，更新標準包括第 一輸入信號的功率量度 高于響應于第二輸入信號而確定的閾值這一標準。這可以改進波束形成操作并且尤其可以允許改進的適應性能。 25 根據(jù)本發(fā)明的可選特征，修改裝置被配置為響應于差分信號而修改閾值。這可以允許對波束形成信號的更新的高效而且實際的控制，并且 提供了可以由修改裝置有效而且實用地進行改變的更新標準。修改裝 置可以具體地減小閾值，以減小差分信號的幅度。例如，如果差分信鄧號低于給定值時，可以減小閾值。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，修改裝置被配置為如果差分信號低于閾值，則放寬更新標準。這允許改進的波束形成設備的性能并且可以允許改進的對新的音 頻源或者發(fā)生相當大移動的音頻源的采集。通過允許更多數(shù)量的參數(shù) 組合以更新波束形成裝置來放寬更新標準。 5 根據(jù)本發(fā)明的可選特征，響應于第一輸入信號和第二輸入信號的至少其中一個相對于組合的波束形成信號的噪聲參考信號而確定閾 值。這可以允許波束形成設備的改進性能并且可以具體地允許采集和 跟蹤性能之間的改進的、動態(tài)變化的權(quán)衡。 10 根據(jù)本發(fā)明的可選特征，響應于第一輸入信號而確定閾值。這可以允許波束形成設備的改進性能并且可以具體地允許采集和 跟蹤性能之間的改進的、動態(tài)變化的權(quán)衡。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，該設備進一步包括用于確定組合的波束 形成信號的可靠性指示的裝置并且用于修改的裝置被配置為響應于可 15靠性指示而修改更新標準。這可以允許改進的而且更靈活的操作。例如，該設備可操作以工 作在跟蹤模式和采集模式，并且可以包括用于響應于可靠性指示而在 這些模式之間切換的裝置。修改裝置可以被配置為在采集模式而不是 跟蹤模式來修改更新標準?？煽啃灾甘究梢员硎舅霾ㄊ纬僧a(chǎn)生包 20括希望的音頻源的聲束的可能性。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，修改裝置被配置為僅當可靠性指示低于 閾值時修改更新標志。這可以允許波束形成設備的改進性能并且可以具體地允許采集和 跟蹤性能之間的改進的、動態(tài)變化的權(quán)衡。 25 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于通信系統(tǒng)的通信單元，包括用于從第一音頻輸入產(chǎn)生第一輸入信號的裝置；用于從第二音 頻輸入產(chǎn)生第二輸入信號的裝置；波束形成裝置，包括波束形成濾波 器，其用于對第 一和第二輸入信號進行濾波以產(chǎn)生組合的波束形成信 號；更新裝置，用于如果滿足更新標準，則更新波束形成濾波器；自 30適應濾波器，用于對第一輸入信號進行濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；用 于對第二輸入信號和第一濾波信號產(chǎn)生差分信號的裝置；用于調(diào)整自適應濾波器以最小化差分信號的裝置；以及用于響應于差分信號而修 改更新標準的修改裝置。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了聲束形成的方法，該方法包括 從第一音頻輸入產(chǎn)生第 一輸入信號；從第二音頻輸入產(chǎn)生第二輸入信 5號；波束形成濾波器對第一和第二輸入信號進行濾波，以產(chǎn)生組合的 波束形成信號；如果滿足更新標準，則更新波束形成濾波器；自適應 濾波器對第一輸入信號進行濾波，以產(chǎn)生第一濾波信號；為第二輸入 信號和第一濾波信號產(chǎn)生差分信號；調(diào)整自適應濾波器以最小化差分信號；以及響應于差分信號而修改更新標準。 io從以下描述的實施例將明了本發(fā)明的這些以及其他方面、特征和 優(yōu)勢，并且將參照這些實施例對其加以闡述。參考附圖，僅以示例的方式來描述本發(fā)明的實施例，在附圖中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的聲束形成設備； 15 圖2示出了一種移動電話的示例，其包括根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于聲束形成的裝置；圖3示出了用于產(chǎn)生用在根據(jù)本發(fā)明一些實施例的聲束形成設備 中的信號的拓樸結(jié)構(gòu)的示例的框圖；以及圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的聲束形成方法。20以下描述集中在適用于語音信號的本發(fā)明的實施例，所述語音信號用于蜂窩通信系統(tǒng)的通信單元(諸如全球移動通信系統(tǒng)(GSM)的移 動電話)。然而，應當理解本發(fā)明并不限于這個應用，而是可以應用到 包括例如免持的頭戴式設備的許多其他器件和設備。25 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的聲束形成設備。該設備包括第一和第二輸入元件101、 103。在這個具體示例中， 每個輸入元件101、 103包括麥克風以及用于對信號進行采樣和數(shù)字化 以產(chǎn)生形式為數(shù)字值的比特流的第 一和第二信號的功能。第一和第二輸入元件耦合到波束形成處理器105,波束形成處理器 30被配置為產(chǎn)生組合的波束形成信號z。具體來說，波束形成處理器105 包括波束形成濾波器，其對第 一和/或第二輸入信號進行濾波并且組合這些信號以產(chǎn)生對應于朝向希望的音頻源的聲束的組合信號。然后可以按照單個應用的要求進一步處理波束形成信號Z。對于蜂窩通信單元的具體示例而言，波束形成信號z可以饋入到語音編碼器，用于語音編碼并且隨后通過空中接口傳送到基站，或者在將其饋入到5語音編碼器之前，可以由頻譜后處理器進行處理以進一步減小噪聲。隨著希望的音頻源的移動，調(diào)整波束形成處理器105的濾波使得所得到的聲束跟隨希望的音頻源。為此，所述波束形成設備包括耦合到波束形成處理器105的更新處理器107。更新處理器107可以使用任何合適的算法來更新波束形成處理器 io 105的濾波，并且可以具體地使用本技術(shù)領(lǐng)域/^知的標準自適應濾波優(yōu) 化技術(shù)，其例如來自波束形成設備或者來自諸如回波消除的類似應用。 更新處理器107耦合到評價更新標準的標準處理器109。如果滿足 更新標準，則標準處理器109為更新處理器107產(chǎn)生控制信號，該控 制信號指示更新處理器107可以更新波束形成處理器105。然而，如果 15不滿足更新標準，則標準處理器109為更新處理器107產(chǎn)生控制信號， 該控制信號指示更新處理器107可以不更新波束形成處理器105。更新標準通?？梢允钱斍坝糜诟虏ㄊ纬商幚砥?05的信號確 實是希望的信號的概率的評價。具體地，更新處理器107可以響應于 波束內(nèi)信號而更新波束形成處理器105(即假設主波束內(nèi)的信號確實是 20希望的信號)。因此，標準處理器109可以評價指示波束形成處理器105 目前是否跟蹤活動(active)音頻源的標準。標準處理器109可以有效防止波束形成處理器105被更新到位于 聲束之外的不希望的(潛在較強的)語音源。它因此可以提供增加的 可靠性并且例如在來自主音頻源的音頻暫停期間可以減小波束被錯誤 25地引導至不希望的語音源的概率。然而，這個方法也會減小波束形成 設備對主波束之外的音頻源形成新波束的能力。因此，不僅波束形成 設備會具有減小的對新音頻源的采集性能，而且如杲現(xiàn)有的音頻源突 然移動到聲束之外，它還會松開現(xiàn)有的音頻源。圖1的波束形成設備包括可以緩和該問題的功能。 30該波束形成設備包括耦合到第二輸入元件103的自適應濾波器 111。自適應濾波器111還耦合到差分處理器113，差分處理器113又耦合到第一輸入元件111。因此，差分處理器113接收第一麥克風的信 號以及第二輸入信號的濾波信號。具體地，差分處理器113可以產(chǎn)生 差分信號作為這些信號之間的直接差，但是應理解的是，在一些實施 例中，在確定差分信號之前，可以進一步地處理(例如濾波)輸入信5號。差分處理器113耦合到適應處理器115，適應處理器115配置為調(diào) 整自適應濾波器以最小化差分信號。因此，適應處理器115調(diào)整自適 應濾波器lll,以便最小化濾波的輸出和來自其他麥克風的輸入信號之 間的差分。通過這種方式可以調(diào)整自適應濾波器以補償從主要音頻源 io到兩個麥克風的聲道的差異。實際上，在理想情況下以及對于單個音 頻源來說，可以調(diào)整自適應濾波器lll使得差分信號基本為零。此外， 其他音頻源以及尤其是噪聲和干擾源可以導致增強功率的千擾信號。因此，可能歸一化的差分信號提供了麥克風當前是否正在采集來 自強音頻源的信號的指示。典型地，如果例如揚聲器接近麥克風放置，15就可能發(fā)生這樣的情況。例如，如果波束形成設備是移動電話的一部分，那么可能歸一化的差分信號會是用戶當前是否正從近距向麥克風 說話或者當前的音頻是否主要為背景噪聲的良好指示。在圖1的示例中，差分處理器113耦合到標準處理器109，并且將 差分信號饋送到標準處理器109。標準處理器109配置為響應于差分信 20 號而纟務改更新標準。具體地，標準處理器109可以被配置為如果差分信號非常接近于 零，表示存在強的、接近的音頻源，則放寬更新標準。例如，在正常操作期間，標準處理器109可以忽略差分信號并且 使用預定的標準用于確定是否可以更新波束形成處理器105。然而，如 25果失去了當前音頻源，例如由于用戶快速改變了相對于設備的位置(例 如移動電話的用戶可以從一個耳朵到另一個耳朵來切換位置)，那么標 準處理器109可以進入采集模式，其中響應于差分信號而控制更新標 準。如果差分信號足夠低，那么標準處理器109可以控制更新處理器 30 107,以便執(zhí)行波束形成處理器105的更新，而如果差分信號不是足夠 ^f氐，那么標準處理器109可以阻止這樣的更新。因此通過響應于差分信號而修改更新標準而不是只使用固定的更 新標準，可以實現(xiàn)改進的采集性能同時保持有效的跟蹤。作為具體示例，如果波束形成處理器105產(chǎn)生的組合波束形成信 號在相對較長的時間段內(nèi)幅度較低，那么這也許是因為例如在那個時5間段內(nèi)語音源保持沉默，或者因為語音源已經(jīng)相對于麥克風發(fā)生了移動，使得語音源當前位于主波束之外。在這種情況下，如果差分信號足夠高，由此表示在麥克風處沒有接收到主要的音頻源，那么標準處理器109可以阻止更新。因為當說 話者長時間只是保持沉默時最可能發(fā)生這種情況，這種方法可以允許 io 波束保持在相同的位置，因此當用戶再次開始說話時允許有效地捕獲信號。然而，如果差分信號足夠高，由此表示存在主要音頻源但是在主 波束之外，那么標準處理器109可以允許更新波束形成處理器105。因 為當說話者已經(jīng)相對于麥克風發(fā)生了移動時最可能發(fā)生這種情況，這15種方法可以允許波束移動到新位置。下文中，將說明使用具體波束形成算法的示范性實施例的更詳細 描述。特別地，將描述使用稱為噪聲消除算法(noise voidalgorithm) 的波束形成算法的實施例。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的包括用于聲束形成的裝置的20 移動電i舌的示例。圖2的移動電話包括兩個麥克風210、 203。麥克風201、 203耦合 到第一和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器205、 207,第一和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器205、 207 對來自麥克風201、 203的信號進行采樣和數(shù)字化，以產(chǎn)生第一和第二 輸入信號ul、 u2。噪聲消除算法由波束形成器209和后處理器211實25 施。波束形成器209是濾波總和波束形成器(Filtered-Sum Beamformer (FSB)),如在例如歐洲專利號EP0954850-B "Audio Processing arrangement with multiple sources" 中描述的。后處 理器211是動態(tài)非平穩(wěn)噪聲抑制器(Dynamic Non-statio證y Noise Suppressor (DNNS))，如在PCT專利申請?zhí)朩O0358607: "Audio30 Enhancement system having a spectral power dependent processor" 中描述的。更具體地，F(xiàn)SB 209用濾波器/1和/2對麥克風信號Ml和m2進行濾波，并將這些濾波信號求和得到FSB輸出z。在頻域中，F(xiàn)SB的輸出z(uu， 0由下式給出 z(叫,/)=《(叫，(叫，/) +尸2 (0)t, /)w2 (0)*, /).5其中F,和F2是波束形成濾波器的頻率響應，并且1表示FFT塊。更新濾波器，這樣最大化輸出Z(Wk, 1)，同時對濾波器的權(quán)值進行限制，使得<formula>formula see original document page 12</formula>具體地，可以如在濾波聲信號領(lǐng)域中對自適應濾波器眾所周知的io那樣更新濾波器。除了波束形成信號，F(xiàn)SB209還產(chǎn)生兩個參考信號，其是波束形成信號的補充。具體地，這些參考信號試圖最小化希望的語音，并且因此可以被認為是噪聲參考信號，因為它們表示除了麥克風201、 203采集的希望的音頻源之外的其他音頻信號分量的存在。15 可以按下式計算參考信號<formula>formula see original document page 12</formula>其中An (wk)是N樣本的延時，以補償濾波器中的延時。在該具體示 20例中，只使用了第二噪聲參考信號。這個信號可以被表示為<formula>formula see original document page 12</formula>其可重寫為<formula>formula see original document page 12</formula>應理解的是，噪聲參考信號x,和X2表示第一和第二麥克風201、2 03相對采集的不是來自希望源的音頻源的幅度。例如，假設只存在單個希望的音頻源并且其由麥克風信號U,和U2代表。在這種情況中，山和仏產(chǎn)生于相同的單一源，但是從單一源到 麥克風201、 203可能經(jīng)歷了不同的聲道。執(zhí)行操作和波束形成以便濾 5波器L和f2補償這些不同的聲道，這樣接收直接對應于來自音頻信號 的信號的組合信號z。通過用濾波器fl的時逆濾波器F/對組合信號z進行濾波，產(chǎn)生了 在這種理想情況下基本等同于由第一麥克風201產(chǎn)生的信號的信號。 換言之，調(diào)整fl使其具有從音頻源到第一麥克風201的聲道的時逆濾 io 波器響應，并且因此fl的時逆濾波器固有地對應于從音頻源到第一麥 克風201的聲道的傳遞函數(shù)。由于z對應于來自音頻源的原始音頻信 號，時逆濾波器F,'的輸出在理想情況下將等于ih并且x,將為零。然而，對于其他音頻源，時逆濾波器F,將不對應于它們經(jīng)歷的聲 道，因此它們將對x,貢獻信號分量。此外，實際中，fl不會完全匹配 聲道響應，這或者是由于信道估計不準確(濾波器的非理想適應)或 者由于實施不準確，并且這個偏差還會給參考信號x!引入信號分量。上述原理同樣適用于X2，并且應理解的是，x，和X2是噪聲參考信 號，其指示組合波束形成信號z中存在的噪聲。在所述系統(tǒng)中，希望當接收的聲信號主要是來自希望源的語音時僅僅更新濾波器。這提高了跟蹤性能，并且減小了通過形成新波束錯誤鎖定到不希望的音頻源的風險。因此，對于描述的移動電話而言， 希望可以檢測想要語音的存在的檢測器。不幸的是，穩(wěn)健的檢測器的 設計并不容易，這對實際產(chǎn)品中自適應波束形成器的應用是個主要障礙。 在示例中，移動電話包括用于將FSB 209的更新限制到當期望的說話者講話時的功能。期望的說話者的這個檢測也稱為波束內(nèi)檢測， 并且其檢測期望的說話者是否在波束形成器的(主)波束內(nèi)。因此， 后處理器211可以評價更新標準并且僅當滿足這個標準時才更新FSB 209。
在這個具體示例中，通過將FSB 209的輸出z與參考信號x2進行 比較來在后處理器211中進行波束內(nèi)檢測。具體地，更新標準包括波束形成信號的功率量度高于響應于噪聲參考信號而確定的闊值這一標準。更詳細地，后處理器211要求Pz〉WbTh一。,J^，其中Pz是組合波束形成信號z的功率，Px2是噪聲參考信號x2的功率，WbThw是固定參 數(shù)。WbThWd依賴于具體應用以及希望的性能，但是其值通常設為2到 5 3之間。此外，更新標準包括第一輸入信號的功率量度高于響應于第二輸 入信號而確定的閾值這一標準。這個評價可以對應于直接考慮麥克風 201、 203采集的信號的功率。例如，對于手持應用或頭戴式應用，通?？梢约僭O第一麥克風比 io第二麥克風離期望說話者的嘴要近得多。當期望的說話者講話時，第 一麥克風的信號的功率因此大于第二麥克風的信號的功率。因此，其他考慮包括麥克風功率并且對于波束內(nèi)檢測尤其要求P"〉M—es,Pu2，其中P^是第一麥克風201的信號的功率，Pw是第二麥克風203的信號的功率，MpThresh。,d是固定參數(shù)。M一re由'd的優(yōu)選值依賴于具體應用以及要求15的性能，但是其值通常設為2到10之間。當然更新標準可以依賴于具體應用。例如，對于手持或頭戴式應用，在可以更新FSB 209之前必須滿足這兩個要求。然而，對于免持 應用，滿足波束內(nèi)檢測要求就足夠了。然而，雖然將FSB 209的更新限制到其中檢測器指示希望的音頻 20源在主波束之內(nèi)的情況提供了改進的跟蹤性能并且減少了錯誤鎖定的 變化，但是如前所述其仍具有多個缺點。具體地，如果希望的說話者 在與波束形成器的期望不同的位置，那么波束形成器也許永遠不會適 應。在啟動時，例如，用對應于在希望的說話者的期望位置方向上形 成的波束的濾波器來初始化波束形成器。然而，如果希望的說話者在25另一位置，那么波束形成器也許永遠不會適應到這個位置。而且，如果希望的說話者例如在打電話期間移動電話(并且因此改變他相對于 移動電話的位置)，那么波束內(nèi)檢測器和/或功率檢測器不會檢測到語音源確實是希望的語音源并且因此FBS 209不會被更新，也不會適應 到這個新位置。30 在圖2的示例中，通過引入其他功能克服了這些缺陷。具體地，移動電話包括自適應濾波器213，其耦合到減法器215和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器205。減法器215還耦合到第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器207。使用頻域標記，減法器215的輸出信號因此產(chǎn)生差分信號，由下式給出<formula>formula see original document page 15</formula>5 其中H(Wk, 1 )代表自適應濾波器213的頻域傳遞函數(shù)。調(diào)整自適應濾波器213以最小化u,和U2之間的相關(guān)，并且尤其調(diào) 整到最小化差分信號r。可以認為差分信號是接近的音頻源是否存在的良好指示。例如， 在只有單一音頻源的理想情況下，在麥克風201、 203處接收的信號只 io作為音頻源和相應麥克風201、 203之間的聲道之間的差異的函數(shù)而不 同。這個差異可以由自適應濾波器213補償，并且可以得到基本等于 零的差分信號r。然而，如果不存在主要音頻源，那么來自相應麥克風 的信號不能被抵消，而且會導致幅度相當大的差分信號r。通?？梢约僭O接近的語音源確實是希望的語音源，并且差分信號r 15因此可以提供希望的語音源是否存在的單獨指示。此外，這個指示獨 立于FSB 209的跟蹤性能并且不受后處理器209實施的更新標準的影 響。圖3示出了用于產(chǎn)生所描述的信號的拓樸結(jié)構(gòu)的示例的框圖。 在圖2的系統(tǒng)中，減法器215耦合到接收差分信號的修改處理器 20 217。修改處理器217被配置為確定后處理器211的檢測算法所使用的 閾值。具體地，修改處理器217確定用以確定閾值的值W bthreshold 和M bthreshold 所述閾值用以確定是否更新FSB 209。在示例中，修改處理器217響應于差分信號而修改值Wbt^sh。ni和 Mbuuw，因此導致用于波束內(nèi)檢測和用于麥克風功率4企測的閾值祐:修 25 改。修改處理器217具體地考慮相對于第二噪聲參考信號的功率P"的 差分信號的功率Pr。例如，可以確定下值<formula>formula see original document page 15</formula>應理解的是在一些實施例中，在比較Pr和Px2之前可以補償Pr或30 Px2。例如，比較r和x2的方程，可以看出u2(wk, 1 )乘以因子A4wO-F2(Wk， 1) F2 '(Wk, 1)。為了校正該因子，Pr可以被修改為1雖然這不是準確的近似，但是在實際中發(fā)現(xiàn)可以提供希望的性能。 應理解的是，PP。d是FSB 2 07的波束形成性能和自適應濾波消除的 5相對噪聲水平的指示。因此，對于低值的P—來說，自適應濾波器能夠 有效地消除麥克風201、 203之間的信號，而FSB 209則不能這樣做。 這表示存在強音頻信號但是位于FSB 209的聲束之外。在圖2的示例中，修改處理器217在這種情況下可以放寬后處理 器211的更新標準，由此允許改進的采集性能。標準的放寬可以認為 io是標準的修改，這樣在放寬之前本不能允許更新的波束形成設備的至 少一個參數(shù)組合現(xiàn)在將允許更新。因此，在FSB 209由于波束內(nèi)不存 在信號而不能正常更新的情況中，如果差分信號的獨立指示表明確實 存在接近的音頻源，則可以放寬更新標準。這可以允許FSB 209捕獲 這個音頻源。15 另一個有用量度是自適應濾波器中的消除量。它的合適量度被標i己為PPCdz，由下式確定 尸-A"*pcdz p 廠wl應理解的是，可以認為Pp^是差分信號功率的歸一化量度，并且P一的值越小，消除越好，而且更接近的音頻源存在的指示更強烈。20在示例中，修改處理器217評《介兩個參數(shù)。具體地，如果P—和Ppcciz都足夠小，那么減小W bthreshold 和W btlireshold 的值。如果這些值足夠小，那么將滿足波束內(nèi)和麥克風功率檢測器要求，因此滿足更新標準，導致 FSB 209 ^皮更新并且適應于強音頻源。在更新FSB 209之后，可以再增加Wbthreshold和W bthreshold 的值。當FSB 209已經(jīng)收斂時，波束對準希望的25說話者，并且更新標準回到標稱值，這樣波束形成器對其他音頻源不 敏感。因此，可以自動實現(xiàn)跟蹤性能和采集功能之間權(quán)衡的暫時變化。 下列程序段(使用c語言)給出了修改處理器217的操作的具體 示例if( Ppcd < PpcdThr) M ( Ppcdz <■ PpcdzThr )WbThreshold - MAX(麗hreshold _ 0.1, 1); MpThreshold = MAX(MpThreshold - 0.1, 0,5);else if( ( UpdateOnOff!=0 ) II((Ppcd > 0) M ( Ppcdz< PpcdzThr )))WbThreshold = MIN(WbThreshold +0.02， W跳resholdMax ); MpThreshold - MIli(MpThreshold +0.02, MpThresholdMax );應理解的是，更新標準的修改可以限于其中認為波束形成不可靠的情況。例如，相對于組合參考信號的功率的噪聲參考信號X2的功率 可以被認為是波束形成信號的可靠性指示。這個值越小，波束形成信5號越可靠。在簡單實施例中，可以將這個可靠性指示與預定閾值進行比較。 如果可靠性指示低于閾值，那么可以認為波束形成器在有效跟蹤希望 源的跟蹤狀態(tài)，并且因此可以將更新標準保持在標稱值。然而，如果可靠性指示增加到閾值之上(或者第二闊值之上，由 10此在檢測中引入滯后)，那么可以認為波束形成器已經(jīng)失去信號并且因 此可能處于采集狀態(tài)，其中可以放寬更新標準以提高檢測希望源的變 化。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的聲束形成方法。 該方法開始于步驟401，其中在一個時間間隔中從第一音頻輸入產(chǎn) 15生第一輸入信號，并且從第二音頻輸入產(chǎn)生第二輸入信號。步驟401之后是步驟403，其中波束形成濾波器對第一和第二輸入 信號進行濾波以產(chǎn)生組合波束形成信號。步驟403之后是步驟405,其中自適應濾波器對第一輸入信號進行濾波以產(chǎn)生第一濾波信號。 20 步驟405之后是步驟407,其中產(chǎn)生第二輸入信號和第一濾波信號之間的差分信號。步驟407之后是步驟409,其中調(diào)整自適應濾波器以最小化差分信步驟409之后是步驟411，其中響應于差分信號而修改更新標準。步驟411之后是步驟413，其中評價更新標準并且如果滿足更新標 準，則更新波束形成濾波器。在步驟413之后，該方法返回步驟401，進行下一個時間間隔的處理。5 應理解的是，為清楚起見上述描述參考不同功能單元和處理器對本發(fā)明的實施例進行了說明。然而顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的 前提下可以使用不同功能單元或處理器之間的任何合適的功能分配。 例如，示為由分開的處理器和控制器執(zhí)行的功能可以由同一的處理器 或控制器執(zhí)行。因此，對具體功能單元的引用只能被看作是對用于提 (> 供所述功能的適當裝置的引用，而不是表示嚴格的邏輯或物理結(jié)構(gòu)或 構(gòu)造。可以以包括硬件、軟件、固件或其任意組合的任何合適的形式來 實施本發(fā)明?？蛇x地，本發(fā)明可以至少部分地實施為在一個或多個數(shù) 據(jù)處理器和/或數(shù)字信號處理器上運行的計算機軟件。本發(fā)明實施例的15 元件和部件可以以任何適當形式從物理上、功能上和邏輯上實施。實 際上，可以在單個單元、多個單元或作為其他功能單元的一部分來實 現(xiàn)所述功能。同樣，可以在單個單元中實施本發(fā)明，或者本發(fā)明可以 從物理上、功能上分配在不同單元和處理器之間。雖然結(jié)合一些實施例對本發(fā)明進行了描述，但這并不意味著將本20發(fā)明限于此處所述的具體形式。相反，本發(fā)明的范圍僅由隨附的權(quán)利 要求所限定。另外，雖然好像結(jié)合特定實施例描述了特征，本領(lǐng)域技 術(shù)人員應認識到，可以根據(jù)本發(fā)明組合所描述實施例的各個特征。在 權(quán)利要求書中，術(shù)語包括并不排除其他元件或步驟的存在。此外，雖然單獨列出，但是可以通過例如單個單元或處理器來實25 施多個裝置、元件或方法步驟。另外，雖然單個特征可以包舍在不同 的權(quán)利要求中，這些可能有利地結(jié)合，并且在不同權(quán)利要求中的包含 不意味著這些特征的組合不是可行的和/或有利的。而且，在一類權(quán)利 要求中包含一特征并不意味著限于該類，而是表示該特征同樣適用于 其他權(quán)利要求類。此外，權(quán)利要求中的特征的順序并不意味這些特征30 必須按照任何具體順序來實施，特別地，方法權(quán)利要求中的各個步驟 的順序不意味著必須以這樣的順序執(zhí)行這些步驟。相反，這些步驟可以按任何合適的順序來執(zhí)行。此外，單數(shù)引用并不排除多數(shù)。因此對 "一"、"第一"、"第二"等的引用不排除多數(shù)。提供權(quán)利要求中的參 考標記僅僅是為了闡明示
權(quán)利要求
1.一種用于聲束形成的設備，該設備包括用于從第一音頻輸入產(chǎn)生第一輸入信號的裝置(101)；用于從第二音頻輸入產(chǎn)生第二輸入信號的裝置(103)；波束形成裝置(105)，包括波束形成濾波器，該波束形成濾波器用于對第一和第二輸入信號進行濾波以產(chǎn)生組合波束形成信號；更新裝置(107)，用于如果滿足更新標準，則更新波束形成濾波器；自適應濾波器(111)，用于對第一輸入信號進行濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；用于產(chǎn)生針對第二輸入信號和第一濾波信號的差分信號(113)的裝置；用于調(diào)整自適應濾波器以最小化差分信號的裝置(115)；以及修改裝置(109)，用于響應于差分信號而修改更新標準。
2.權(quán)利要求1的設備，其中波束形成裝置(105)被配置為產(chǎn)生第 一輸入信號和第二輸入信號的至少其中 一 個相對于組合波束形成信號的噪聲參考信號。
3.權(quán)利要求2的設備，其中更新標準包括波束形成信號的功率量 度高于響應于噪聲參考信號而確定的閾值這一標準。 20
4.權(quán)利要求3的設備，其中修改裝置(109)被配置為響應于差分信號而修改閾值。
5. 權(quán)利要求l的設備，其中更新標準包括第一輸入信號的功率量 度高于響應于第二輸入信號而確定的閾值這 一標準。
6. 權(quán)利要求5的設備，其中修改裝置(109)被配置為響應于差 25 分信號而修改閾值。
7. 權(quán)利要求1的設備，其中修改裝置(109)被配置為如果差分 信號低于閾值，則放寬更新標準。
8. 權(quán)利要求7的設備，其中響應于第一輸入信號和第二輸入信號 的至少其中一個相對于組合波束形成信號的噪聲參考信號而確定閾30 值。
9. 權(quán)利要求7的設備，其中響應于第一輸入信號而確定閾值。
10. 權(quán)利要求1的設備，其中該設備進一步包括用于確定組合波 束形成信號的可靠性指示的裝置并且用于修改的裝置(109)被配置為 響應于可靠性指示而修改更新標準。
11. 權(quán)利要求10的設備，其中修改裝置(109)被配置為如果可 5靠性指示低于閾值，則僅僅修改更新標準。
12. —種用于通信系統(tǒng)的通信單元，包括 用于從第一音頻輸入產(chǎn)生第一輸入信號的裝置(201， 205 ); 用于從第二音頻輸入產(chǎn)生第二輸入信號的裝置(203, 307 ); 波束形成裝置(209 ),包括波束形成濾波器，該波束形成濾波器用于對第一和第二輸入信號進行濾波以產(chǎn)生組合波束形成信號；更新裝置(211)，用于如果滿足更新標準，則更新波束形成濾波器；自適應濾波器(213)，用于對第一輸入信號進行濾波以產(chǎn)生第一 濾波信號； 用于產(chǎn)生針對第二輸入信號和第 一 濾波信號的差分信號的裝置(215);用于調(diào)整自適應濾波器(213)以最小化差分信號的裝置(213, 215);以及修改裝置(217),用于響應于差分信號而修改更新標準。
13. —種聲束形成方法，該方法包括從第一音頻輸入產(chǎn)生(401)第一輸入信號； 從第二音頻輸入產(chǎn)生(401)第二輸入信號；波束形成濾波器對第一和第二輸入信號進行濾波(403 )以產(chǎn)生組 合波束形成信號； 如果滿足更新標準，則更新(405)波束形成濾波器；自適應濾波器對第一輸入信號進行濾波(407 )以產(chǎn)生第一濾波信產(chǎn)生針對第二輸入信號和第一濾波信號的差分信號(409 ); 調(diào)整(4U)自適應濾波器以最小化差分信號；以及 30 響應于差分信號而修改(413)更新標準。
14. 一種用于執(zhí)行權(quán)利要求13的方法的計算機程序產(chǎn)品。
全文摘要
一種用于聲束形成的設備包括用于從兩個音頻輸入產(chǎn)生波束形成信號的波束形成處理器(105)。如果滿足更新標準，那么更新處理器(107)更新波束形成處理器(105)的波束形成濾波器。自適應濾波器(111)對來自其中一個信號的信號進行濾波，并且產(chǎn)生濾波信號和來自另一個音頻輸入(101)的信號之間的差分信號。適應處理器(115)調(diào)整自適應濾波器(111)以最小化差分信號。標準處理器(109)響應于(可能歸一化的)差分信號而修改更新標準。具體來說，如果差分信號指示在波束形成處理器(105)的波束之外的強信號，則放寬更新標準以改進采集性能。
文檔編號H04R3/00GK101218848SQ200680024834
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者I·L·D·M·默克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司