專(zhuān)利名稱：用于產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及對(duì)聲音信號(hào)的處理，特別涉及適宜雙耳輔助性收聽(tīng)設(shè)備，如，助聽(tīng)器、 護(hù)耳(earmuff)和耳蝸植入裝置(cochlear implants)等的雙向波束形成策略。
背景技術(shù)：
當(dāng)來(lái)自頭部的每一側(cè)的至少一個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)有效時(shí)，可以優(yōu)化地合并麥克風(fēng)輸出以產(chǎn)生超級(jí)定向響應(yīng)(super-directional response)。大多數(shù)已知的獲得定向響應(yīng)的雙耳定向處理器是基于寬邊天線陣(broadside array)配置、自適應(yīng)最小平方(Least Minimum Square, LMS)或者更復(fù)雜的盲源分離(Blind Source Separation, BSS)策略。當(dāng)聲源的波長(zhǎng)相對(duì)大于麥克風(fēng)之間的間隔時(shí)，寬邊天線陣配置產(chǎn)生有效的定向響應(yīng)。結(jié)果，當(dāng)在雙耳陣列配置中使用時(shí)，寬邊天線陣技術(shù)只對(duì)于聲音的低頻率分量有效。與寬邊天線陣設(shè)計(jì)不同，最小平方(LMS)系統(tǒng)獨(dú)立于頻率或麥克風(fēng)之間間隔，有效地產(chǎn)生定向性，在這樣的系統(tǒng)中，需要話音有源檢測(cè)器(Voice Active Detector, VAD)以在信號(hào)等級(jí)與噪聲等級(jí)之比相對(duì)較大的那些時(shí)刻捕捉期望信號(hào)。這種被捕捉的期望信號(hào)， 典型地被稱為估計(jì)期望信號(hào)，因此與來(lái)自麥克風(fēng)的濾波輸出相比較，會(huì)產(chǎn)生估計(jì)誤差信號(hào)。 LMS的目的是通過(guò)迭代地改善施加給麥克風(fēng)輸出信號(hào)的濾波器權(quán)重，使估計(jì)誤差信號(hào)的平方最小化。然而，估計(jì)期望信號(hào)不可能完整地反映真實(shí)的期望信號(hào)，因此，濾波器權(quán)重的自適應(yīng)不可能總是使系統(tǒng)的真正誤差最小化。這種優(yōu)化很大程度上依賴于所采用的VAD的效率。不幸的是，大多數(shù)VAD在相對(duì)高的信噪比的環(huán)境中工作良好，而它們的性能隨著信噪比的降低而顯著惡化。盲源分離(BSQ方案通過(guò)有效地計(jì)算在聲源存在的所有空間位置上產(chǎn)生定向響應(yīng)的一組相位消除濾波器來(lái)工作。結(jié)果，該系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出與所存在的不是專(zhuān)門(mén)以形成期望聲源為目的的聲源一樣多。BSS方案還需要后置濾波(post-filtering)算法，以便選擇具有期望目標(biāo)信號(hào)的輸出。使用BSS方案的問(wèn)題在于為了有效地計(jì)算相位消除濾波器需要過(guò)多的計(jì)算負(fù)荷，濾波器對(duì)于混響和源或收聽(tīng)者的微小移動(dòng)的依賴，以及對(duì)一個(gè)輸出的識(shí)別是與目標(biāo)信號(hào)有關(guān)的，而這在大多數(shù)情況下是未知的，并且需要預(yù)先識(shí)別環(huán)境中存在的聲源數(shù)量，以保證聲源之間的分離。目前仍需要提供改進(jìn)的或可替代的用于產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
—種獲得雙耳波束形成器設(shè)計(jì)的可替代方法是，以利用頭部的自然空間聲學(xué) (natural spatial acoustics)，直接使用耳間時(shí)間和等級(jí)差來(lái)產(chǎn)生定向響應(yīng)。耳間時(shí)間差，是由頭部?jī)蓚?cè)的麥克風(fēng)之間的間隔(從18至觀(^的范圍內(nèi))引起的，可被用于消除如在寬邊天線陣配置中的取決于到達(dá)方向的頻率相對(duì)低的聲音。另一方面，頭部遮蔽提供了對(duì)于對(duì)側(cè)聲音(即，從頭部的每一側(cè)呈現(xiàn)的聲音)的自然等級(jí)抑制，通常導(dǎo)致一只耳朵上的信噪比比另一只耳朵上大得多。結(jié)果，耳間等級(jí)差(從0至ISdB的范圍內(nèi))，可被用于消除取決于它們?cè)诩訖?quán)求和的配置中的到達(dá)方向的高頻率聲音。這種低通和高通的雙耳波束形成器拓?fù)湟獌?yōu)于單獨(dú)的常規(guī)寬邊天線陣和依賴于VAD的LMS系統(tǒng)，并且比大多數(shù)BSS技術(shù)所要求的計(jì)算量更少。此外，由于設(shè)計(jì)新穎，雙耳波束形成器工作在，例如，低信噪比的復(fù)雜的收聽(tīng)環(huán)境中，并且提供對(duì)于諸如風(fēng)噪聲等的復(fù)雜的不想要的聲音的舍棄。在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的方法，包括以下步驟檢測(cè)人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音，以產(chǎn)生左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)；確定左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度；基于左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度來(lái)調(diào)整這些信號(hào)；以及合并經(jīng)調(diào)整的左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)，以產(chǎn)生輸出信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)衰減和/或時(shí)間位移來(lái)調(diào)整左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)。衰減和/或時(shí)間可以是頻率特定的。衰減和/或時(shí)間位移可以通過(guò)濾波器模塊來(lái)執(zhí)行，并且濾波器模塊的濾波器權(quán)重是基于左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度。確定左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度的步驟可以包括，比較它們的互功率和自功率，或者比較它們的互相關(guān)和自相關(guān)的步驟。比較步驟可以包括，將互功率與自功率相加，并且用互功率除以相加的結(jié)果的步
馬聚ο比較步驟可以包括，將互相關(guān)與自相關(guān)相加，并且用互相關(guān)除以相加的結(jié)果的步
馬聚ο本方法可進(jìn)一步包括在確定左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度之前，處理右側(cè)信號(hào)和左側(cè)信號(hào)，從而控制定向輸出信號(hào)的方向的步驟。處理步驟可以包括，應(yīng)用與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)或者與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)的逆函數(shù)的步驟。檢測(cè)人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音的步驟可以使用定向麥克風(fēng)或定向麥克風(fēng)陣列來(lái)執(zhí)行。左側(cè)和右側(cè)的定向麥克風(fēng)或者麥克風(fēng)陣列的方向可以從頭部的側(cè)向平面指向外側(cè)。在調(diào)整步驟期間發(fā)生的調(diào)整的程度可以隨著時(shí)間而變平滑。調(diào)整步驟可以進(jìn)一步包括，進(jìn)一步增強(qiáng)左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)之間的相似度的步馬聚ο在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種用于產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的系統(tǒng)，包括檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)在人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音，以產(chǎn)生左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)；確定設(shè)備， 用于確定左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度；調(diào)整設(shè)備，用于根據(jù)左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度來(lái)調(diào)整這些信號(hào)；以及合并設(shè)備，用于合并經(jīng)調(diào)整的左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)，以產(chǎn)生輸出信號(hào)。每個(gè)檢測(cè)設(shè)備可以包括至少一個(gè)麥克風(fēng)。確定設(shè)備可以包括計(jì)算設(shè)備。調(diào)整設(shè)備可以包括濾波器模塊。合并設(shè)備可以包括加法模塊。本系統(tǒng)可進(jìn)一步包括處理設(shè)備，其用于產(chǎn)生左側(cè)或右側(cè)信號(hào)，并且其中，處理設(shè)備被布置成應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)或者與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)的逆函數(shù)。本發(fā)明利用了空間上分離的聲源的耳間時(shí)間和等級(jí)差。該系統(tǒng)工作在低頻率中時(shí)作為最佳寬邊波束形成器，本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的一種技術(shù)。在高頻率中，該系統(tǒng)作為最佳的加權(quán)求和配置工作，其中權(quán)重是基于頭部周?chē)穆曇舻南鄬?duì)布置來(lái)選擇的。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)檢查來(lái)自頭部相反側(cè)的麥克風(fēng)輸出信號(hào)的互相關(guān)(cross-correlation)與來(lái)自該頭部相同側(cè)的麥克風(fēng)輸出信號(hào)的自相關(guān)(auto-correlation)之比來(lái)計(jì)算最佳濾波器權(quán)重。這樣，在任意頻率，當(dāng)互相關(guān)等于自相關(guān)輸出時(shí)，聲源非?？赡苁窍嗟鹊卮嬖谟陬^部的兩側(cè)，因此位于相對(duì)于收聽(tīng)者頭部的中間平面的附近或接近于收聽(tīng)者頭部中間平面。 另一方面，當(dāng)任意一個(gè)自相關(guān)高于互相關(guān)輸出時(shí)，聲源非?？赡苁俏挥陬^部的一側(cè)。也就是說(shuō)，相對(duì)于收聽(tīng)者的頭部在側(cè)面放置。本發(fā)明涉及將這些相關(guān)函數(shù)合并成估計(jì)定向?yàn)V波器權(quán)重的新穎且有效的方法。依據(jù)本發(fā)明的電路被用于聲學(xué)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)具有位于頭部每一側(cè)的產(chǎn)生麥克風(fēng)輸出信號(hào)的至少一個(gè)麥克風(fēng)、產(chǎn)生輸出信號(hào)的信號(hào)處理路徑，以及將該輸出信號(hào)呈現(xiàn)給聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的可選裝置。優(yōu)選地，該信號(hào)處理路徑包括多信道處理模塊，用于高效地計(jì)算在不同頻率波段上的最佳濾波器權(quán)重；加法模塊，用于合并左側(cè)和右側(cè)麥克風(fēng)的濾波后的輸出；以及后置濾波器模塊，用于產(chǎn)生輸出信號(hào)。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了用于增強(qiáng)聲音清晰度的方法和系統(tǒng)中，例如，可應(yīng)用于國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/AU2007/00764(W02007/137364)的申請(qǐng)中描述的那些系統(tǒng)和方法中，其內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在本文中。


現(xiàn)在將僅通過(guò)舉例的方式，參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中圖1是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的系統(tǒng)的框圖；圖2是對(duì)聲源的空間表現(xiàn)的示圖；圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的應(yīng)用實(shí)例；圖4是由本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例產(chǎn)生的二維測(cè)量的定向響應(yīng)；圖5是對(duì)基于頭部的左側(cè)和右側(cè)之間的無(wú)線連接的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示圖； 以及圖6是對(duì)基于指向遠(yuǎn)離頭部中心或在自由空間中任意指向的定向麥克風(fēng)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示圖。
具體實(shí)施例方式以下參考所有附圖來(lái)討論本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解， 在此給出的關(guān)于所有附圖的詳細(xì)描述是為了解釋性的目的，本發(fā)明保護(hù)范圍并不限于所公開(kāi)的有限的實(shí)施例。雙耳波束形成器被用來(lái)在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中工作。參考圖1，電路100包括至少一個(gè)以麥克風(fēng)101、102的形式位于頭部每一側(cè)的檢測(cè)設(shè)備、以處理模塊107、108的形式的用來(lái)計(jì)算定向?yàn)V波器權(quán)重的確定設(shè)備、以濾波器模塊111、112形式的用于對(duì)麥克風(fēng)輸出進(jìn)行濾波的調(diào)整設(shè)備、以加法模塊115形式的用于合并經(jīng)濾波的麥克風(fēng)輸出的合并設(shè)備，和將經(jīng)合并的輸出呈現(xiàn)給聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的呈現(xiàn)裝置117、116。使用快速傅立葉變換(FFT)解析103、104將麥克風(fēng)輸出X1, Xr變換到頻域。然后這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)以轉(zhuǎn)向矢量模塊105、106形式的處理設(shè)備的處理，產(chǎn)生經(jīng)轉(zhuǎn)向的信號(hào)
如等式1中所示。轉(zhuǎn)向矢量模塊包括與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)(HRTF)的反函數(shù)，被記為『丄『丄，對(duì)應(yīng)于來(lái)自與優(yōu)選地位于頭部周?chē)柠溈孙L(fēng)輸入端口等效的期望點(diǎn)源位置的符號(hào)化的或被預(yù)先記錄的脈沖響應(yīng)測(cè)量值，如圖2中的200進(jìn)一步指示的。Ii(k) = Xl(k).H,'1 (k)...等式 1XR(k) = XR(k)-HdR-l(k)...等式 2經(jīng)轉(zhuǎn)向的信號(hào)之,之被合并107，108，以計(jì)算最佳的定向?yàn)V波器權(quán)重組Wl，Wk。對(duì)濾波器權(quán)重的計(jì)算需要估計(jì)隨著時(shí)間變化的互功率(cross-power)(等式3)和自功率 (auto-power)(等式4- ，此處E { }指示累加運(yùn)算。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是， 累加功率譜估計(jì)值之比等價(jià)于時(shí)間相關(guān)性估計(jì)值之比，因此，這些可替代運(yùn)算得到相同的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的方法，包括以下步驟檢測(cè)人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音，以產(chǎn)生左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)； 確定所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度； 基于所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度來(lái)調(diào)整這些信號(hào)；以及合并經(jīng)調(diào)整的左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)，以產(chǎn)生輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)衰減和/或時(shí)間位移來(lái)調(diào)整所述信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述衰減和/或時(shí)間位移是頻率特定的。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中所述衰減和/或時(shí)間位移是通過(guò)濾波器模塊來(lái)執(zhí)行的，并且所述濾波器模塊的濾波器權(quán)重是基于所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中確定所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度的步驟包括，比較它們的互功率和自功率，或者比較它們的互相關(guān)和自相關(guān)的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述比較步驟包括，將互功率與自功率相加，并且用互功率除以相加的結(jié)果的步驟。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述比較步驟包括，將互相關(guān)與自相關(guān)相加，并且用互相關(guān)除以相加的結(jié)果的步驟。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括，在確定所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度之前，處理所述右側(cè)信號(hào)和左側(cè)信號(hào)，從而控制所述定向輸出信號(hào)的方向的步馬聚ο
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述處理步驟包括，應(yīng)用與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)或者與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)的逆函數(shù)的步驟。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述檢測(cè)人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音的步驟是使用定向麥克風(fēng)或定向麥克風(fēng)陣列來(lái)執(zhí)行的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中左側(cè)和右側(cè)的定向麥克風(fēng)或者麥克風(fēng)陣列的方向是從正面方向指向外側(cè)的。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述調(diào)整步驟期間發(fā)生的調(diào)整的程度是隨著時(shí)間而變平滑的。
13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述調(diào)整步驟進(jìn)一步包括，進(jìn)一步增強(qiáng)所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)之間的相似度的步驟。
14.一種用于產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的系統(tǒng)，包括檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)在人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音，以產(chǎn)生左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)；確定設(shè)備，用于確定所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度； 調(diào)整設(shè)備，用于根據(jù)所述左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度來(lái)調(diào)整這些信號(hào)；以及合并設(shè)備，用于合并經(jīng)調(diào)整的左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)，以產(chǎn)生輸出信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)檢測(cè)設(shè)備包括至少一個(gè)麥克風(fēng)。
16.如權(quán)利要求14或15所述的系統(tǒng)，其中所述確定設(shè)備包括計(jì)算設(shè)備。
17.如權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)整設(shè)備包括濾波器模塊。
18.如權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述合并設(shè)備包括加法模塊。
19.如權(quán)利要求14至18中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括處理設(shè)備，其用于產(chǎn)生所述左側(cè)信號(hào)或右側(cè)信號(hào)，并且其中，所述處理設(shè)備被布置成應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)或者與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)的逆函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生定向輸出信號(hào)的系統(tǒng)和方法，包括以下步驟檢測(cè)人的頭部的左側(cè)和右側(cè)處的聲音，以產(chǎn)生左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)；確定左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度；基于左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)的相似度來(lái)調(diào)整這些信號(hào)；以及合并經(jīng)調(diào)整的左側(cè)信號(hào)和右側(cè)信號(hào)，以產(chǎn)生輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H04R5/00GK102204281SQ200980144004
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者喬治·P·梅吉亞, 哈維·A·狄龍 申請(qǐng)人:希爾Ip有限公司