组合至少两个音频信号的方法和包括至少两个麦克风的麦克风系统的制作方法

专利名称：组合至少两个音频信号的方法和包括至少两个麦克风的麦克风系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及组合至少两个音频信号的方法，以产生增强的系统输出信号。此外，本 发明涉及具有系统输出信号并且包括如下元件的麦克风系统第一麦克风，用于收集声音 并布置在第一空间位置，所述第一麦克风具有第一音频信号作为输出，所述第一音频信号 包括第一目标信号部分和第一噪声信号部分；第二麦克风，用于收集声音并布置在第二空 间位置，所述第二麦克风具有第二音频信号作为输出，所述第二音频信号包括第二目标信 号部分和第二噪声信号部分。最后，本发明涉及利用所述方法或包括所述麦克风系统的头 戴耳机。
背景技术：
近年来，诸如移动电话和蓝牙 头戴耳机的无线通信设备的普及性相比其他产品 增长显著，这是由于这些类型的通信设备可便携，这意味着实际上在任何地方都能使用这 些设备。因此，经常在嘈杂环境下使用这些通信设备，噪声例如涉及其他人的谈话、交通、机 器或风噪声。因此，这对于远端接收者或收听者而言，将使用者的声音与噪声区分开是一个 问题。本领域公知的是用指向性麦克风将噪声产生的问题最小化。这种指向性麦克风对 噪声有变动的灵敏度，作为相对于给定源的角度的函数，通常这称为指向性图案。这种麦克 风的指向性图案经常被提供多个低灵敏度方向，又称为指向性图案零点，并且典型地，指向 性图案被布置为使得峰值灵敏度的方向指向期望的声音源，诸如指向性图案的使用者，并 且指向性图案零点指向噪声源。因此，用这种指向性麦克风可以将系统的语音与背景噪声 比或信噪比最大化。EP 0 652 686公开了一种增强麦克风阵列的信噪比的设备，其中自适应性地调节 指向性图案。US 7，206，421涉及一种听觉系统成束器，并公开了一种增强语音与背景噪声比的 方法和设备，以提高在噪声环境中对语音的理解，并减轻使用者的听觉疲劳。

发明内容
本发明的目的是提供一种通过组合至少两个音频信号来增强系统输出信号的改 进的方法和系统。根据本发明的第一方面，通过一种方法实现上述目的，所述方法包括步骤a)使 用第一换能器测量第一空间位置的声音信号，以便生成包括第一目标信号部分和第一噪声 信号部分的第一音频信号，第一换能器诸如是第一麦克风；b)使用第二换能器测量第二空 间位置的声音信号，以便生成包括第二目标信号部分和第二噪声信号部分的第二音频信 号，第二换能器诸如是第二麦克风；C)对第一音频信号进行处理以便将预定频率范围内的 第一目标信号与第二目标信号进行相位匹配和幅度匹配，并生成第一处理输出；d)计算第二音频信号与第一处理输出之间的差，以便生成减法输出；e)计算第二音频信号与第一处 理输出的和以便生成求和输出；f)对减法输出进行处理以便将噪声信号部分对系统输出 信号的作用最小化，并生成第二处理输出；以及g)计算求和输出与第二处理输出之间的差 以生成系统输出信号。步骤a)至C)旨在从期望的声音源或目标声音源拾取声音。因此，第一音频信号 和第二音频信号的目标信号部分可例如与来自利用该方法的麦克风系统的使用者的语音 信号有关。步骤c)中对第一音频信号的处理保证了基本上准确的匹配，即预定频率范围内 的第一目标信号部分与第二目标信号部分的相位匹配和幅度匹配两者。该预定频率范围例 如仍然与使用者的语音信号有关。通过保证两个目标信号部分基本上准确的匹配，就能保 证将目标信号部分消除，不带入步骤d)的减法输出。因此在步骤f)处理减法输出的处理 中只将音频信号的噪声部分(或者非预期的部分)对系统输出的作用最小化。此外，由于 相长干涉，保证了目标部分最大限度地出现在步骤e)的求和输出中，由此，在有些情况下 音频信号的噪声信号部分(或者非预期的部分)可以达到平衡，因为它们不必匹配。特别 是对于不相关的噪声，诸如风噪声，情况就是这样。所述方法使得能够根据噪声的方向或指向性衰减背景噪声3_12dB(或更高)。在 步骤c)的过程中也可以或者代之对第二麦克风进行滤波以便与音频信号的目标信号部分 匹配，。所述方法特别适合于其中目标声音信号即来自头戴耳机使用者的语音信号的源 的空间位置被很好地限定并靠近第一麦克风和第二麦克风的通信系统，例如头戴耳机。在 这种情况下，即便当头戴耳机使用者在移来移去时，麦克风与目标声音源或语音源的几何 关系保持相对稳定。因此，可以以高准确度进行步骤C)中目标信号部分的频率相关相位匹 配和幅度匹配。此外，希望大多数情况下，例如当头戴耳机使用者在移动时，某些预先得知 (或者预校准)的相位匹配和幅度匹配是准确的。因为目标声音源被设置为靠近麦克风， 所以即使从目标声音信号源分别到第一麦克风和到第二麦克风的传播距离有小变动，那么 对目标声音信号的幅度和相位也会有相对较大的影响。此外，麦克风可具有不同的灵敏度。 因此，为了补偿传播长度和麦克风灵敏度的变动，在步骤C)中匹配两个目标信号部分的相 位和幅度是系统的要件。此外，这意味着非期望噪声源进行相同的幅度匹配，从而使得噪声信号部分在减 法输出中更加突出。但是，这仅仅使得更容易在步骤f)中将噪声的作用最小化。换能器可包括前置放大器和/或A/D转换器。因此，来自第一换能器和第二换能 器的输出可以是模拟的或数字的。根据优选实施例，通过将减法输出的噪声信号部分与求和输出的噪声信号部分匹 配，进行减法输出的处理。因此，因为从求和输出中减去了减法输出，在步骤g)中减法输出 的噪声信号部分抵消了求和输出的噪声信号部分。根据优选实施例，在步骤f)中的减法输出的处理经由系统输出信号控制，例如通 过经由负反馈回路将系统输出信号的噪声信号部分最小化，如果系统是数字的，则负反馈 回路可以是迭代的。在另一优选实施例中，在步骤f)中通过调节指向性图案进行减法输出 的处理。因此，可将低灵敏度的角度方向，例如指向性图案零点，指向噪声源，从而将该噪声 源对系统输出信号的作用最小化。
优选地，使用频率相关的空间匹配滤波器来处理第一音频信号，从而根据预定频 率范围内的频率来对相位变动和幅度变动这两者进行补偿。根据本发明的优选实施例，空间匹配滤波器适合于将第一目标信号部分与第二目 标信号部分朝向第一麦克风和第二麦克风的近场中的目标点进行匹配，该目标点例如是使 用者的嘴。根据另一优选实施例，目标点与第一麦克风和第二麦克风之间的距离分别是 15cm或更小。该距离也可以是IOcm或更小。典型地，因为第一麦克风和第二麦克风的特定相互空间位置都是系统相关和使用 者相关的，并且目标信号部分之间的匹配关于预定频率范围内的幅度和相位必须基本上准 确，所以将空间匹配滤波器对于要使用空间匹配滤波器的特定系统进行预校准。预校准可 经由仿真或校准的测量结果进行。根据本发明的另一优选实施例，在步骤f)中减法输出使用低音增强滤波器进行 滤波。在步骤f)中低音增强提供有用的预处理操作，因为几乎同相的两个低频信号的减法 产生较低功率的信号。相反，两个高频信号之间的差具有与信号本身大致相同的功率。因 此，低音增强滤波器可用于至少在预定频率范围内将差声道的功率与和声道的功率匹配。 低音增强滤波器的要求频率响应取决于第一麦克风与第二麦克风之间的空间距离以及到 目标点的距离。在根据本发明的一个实施例中，在步骤f)的处理中，将减法输出相移频率相关的 相位常数。通过选择正确的相位常数，可以更简单地进行步骤f)的处理，因为可以将用于 调节指向性图案的自适应参数保持为实数。否则，自适应参数变为复数，复数明显使指向性 图案的优化复杂化。因为在近场系统中将经常采用所述方法，所以为了获得最佳的频率相 关的相位常数，需要经由测量或仿真将滤波器预校准。在目标在远场中并且麦克风表现出 确切的全方位指向性图案的系统中，可以利用常数相位滤波器，例如将所有频率的相位移 动 pi/2 (π/2)。根据另一实施例，在步骤g)之前，将求和输出乘以倍增因子。优选地，该倍增因子 等于0. 5从而使输出为第一音频信号和第二音频信号的平均值。因此，在进行步骤g)之前， 将求和输出和减法输出对应地进行加权。根据另一实施例，在步骤e)中，以第一加权常数对第一音频信号进行加权，并且 以第二加权常数对第二音频信号进行加权。优选地，第一加权常数和第二加权常数应当总 计为一。在有些情况下优选对两个音频信号采用不同的加权常数。例如如果噪声在第一麦 克风中比在第二麦克风中更强，那么有用的是将第二加权常数设定为更高，例如为0.9，将 第一加权常数设定为更低，例如为0. 1。根据优选实施例，利用最小均方技术调节减法输出，也就是利用随机梯度方法将 求和输出与减法输出之间的二次误差最小化。可利用归一化最小均方技术进行最小化。可根据下面的算法进行对噪声信号部分的作用的最小化，其中将系统输出Sout 定义为Sout = Zs-K(n) · Zd其中，&和&分别是对应于求和输出和第二处理输出的复数信号。由于实际上这 些信号是信号的离散傅里叶变换的输出，所以它们是复数(不是实数)。因此，上述方程式 包含频率指数，为了简化符号起见频率指数被省略。1^)是在步骤f)中变动或自适应的实参数，其中η是算法迭代指数。在算法的第η次迭代时，使用辅助参数茇⑷，根据以下公式更新Κ(η)
权利要求
1.一种组合至少两个音频信号以生成增强的系统输出信号的方法，其特征在于所述方 法包括步骤a)使用第一换能器测量第一空间位置的声音信号以生成包括第一目标信号部分和第 一噪声信号部分的第一音频信号，所述第一换能器诸如是第一麦克风；b)使用第二换能器测量第二空间位置的声音信号以生成包括第二目标信号部分和第 二噪声信号部分的第二音频信号，所述第二换能器诸如是第二麦克风；c)对所述第一音频信号进行处理以将预定频率范围内的第一目标信号与第二目标信 号进行相位匹配和幅度匹配，并生成第一处理输出；d)计算所述第二音频信号与所述第一处理输出之间的差以生成减法输出；e)计算所述第二音频信号与所述第一处理输出的和以生成求和输出；f)对所述减法输出进行处理以将噪声信号部分对所述系统输出信号的作用最小化，并 生成第二处理输出；以及g)计算所述求和输出与所述第二处理输出之间的差以生成所述系统输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤f)，通过将所述减法输出的噪声信号部分 与所述求和输出的噪声信号部分匹配，进行所述减法输出的处理。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤f)，经由所述系统输出信号来控制所 述减法输出的处理，可选择地通过调节指向性图案来执行所述减法输出的处理。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，在步骤c)，使用频率相关的空间匹配 滤波器处理所述第一音频信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述空间匹配滤波器适合于将所述第一目标信 号部分与所述第二目标信号部分朝向所述第一麦克风和所述第二麦克风的近场中的目标 点进行匹配。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述目标点与所述第一麦克风之间以及与所述 第二麦克风之间的距离分别是15cm或更小。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，在步骤f)，使用低音增强滤波器对所 述减法输出进行滤波。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，在步骤f)的过程中，使用频率相关的 相位常数对所述减法输出进行相移。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，在步骤g)之前，将所述求和输出乘以 倍增因子，或者使用加权因子对所述第一音频信号和所述第二音频信号进行加权。
10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，在步骤f)，利用最小均方技术调节所 述减法输出。
11.一种麦克风系统，具有系统输出信号(Sout)，并包括第一麦克风O)，用于收集声音并布置在第一空间位置，所述第一麦克风(2)将第一音 频信号作为输出，所述第一音频信号包括第一目标信号部分和第一噪声信号部分；以及第二麦克风G)，用于收集声音并布置在第二空间位置，所述第二麦克风(4)将第二音 频信号作为输出，所述第二音频信号包括第二目标信号部分和第二噪声信号部分，其特征 在于所述系统还包括第一处理装置(6)，用于将预定频率范围内的所述第一目标信号部分与所述第二目标信号部分进行相位匹配和幅度匹配，所述第一处理装置(6)将所述第一音频信号作为输入 并具有第一处理输出；第一减法装置(10)，用于计算所述第二音频信号与所述第一处理输出之间的差，并具 有减法输出；求和装置(8)，用于计算所述第二音频信号与所述第一处理输出的和，并具有求和输出；第一前向模块(12)，具有第一前向输出并将所述求和输出作为输入；第二前向模块(18)，将所述减法输出作为输入并具有第二处理输出，所述第二前向模 块(18)适合于将噪声信号部分对所述系统输出信号的作用最小化；第二减法装置(M)，用于计算所述第一前向输出与所述第二处理输出之间的差，并将 所述系统输出信号(Sout)作为输出。
12.根据权利要求11所述的麦克风系统，其中，所述第二前向模块包括适合于调节指 向性图案的自适应模块。
13.根据权利要求11或12所述的麦克风系统，其中，经由所述系统输出信号(Sout)控 制所述第二前向模块。
14.根据权利要求11至13任一项所述的麦克风系统，其中，使用最小均方技术控制所 述第二前向模块。
15.根据权利要求11至14任一项所述的麦克风系统，其中，所述第一麦克风(2)和所 述第二麦克风(4)是全方位麦克风。
16.根据权利要求11至15任一项所述的麦克风系统，其中，所述第一处理装置(6)包 括频率相关的空间匹配滤波器。
17.根据权利要求11至16任一项所述的麦克风系统，其中，所述第二前向模块(18)包 括低音增强滤波器。
18.根据权利要求11至17任一项所述的麦克风系统，其中，所述第二前向模块(18)包 括相移模块，用于将来自所述第一减法装置(10)的输出进行相移。
19.根据权利要求11至18任一项所述的麦克风系统，其中，所述第一前向模块(12)包 括倍增装置(16)，用于将所述求和输出乘以倍增因子(14)，或者，所述求和装置(8)包括加 权装置，用于通过第一加权系数将所述第一音频信号进行加权，并且通过第二加权系数将 所述第二音频信号进行加权。
20.一种头戴耳机，包括至少第一扬声器(151、251、351)、拾取单元(154、254、354)以 及根据权利要求11至19任一项所述的麦克风系统，所述第一麦克风(102、202、302)和所 述第二麦克风(104、204、304)布置在所述拾取单元(154、254、354)上，所述拾取单元(154、 254、354)诸如麦克风伸臂。
21.根据权利要求20所述的头戴耳机，其中，所述麦克风系统的指向性图案包括当所 述使用者佩戴所述头戴耳机时定向朝着使用者的嘴的峰值灵敏度的至少第一方向。
22.根据权利要求21所述的头戴耳机，其中，所述指向性图案包括当所述使用者佩戴 所述头戴耳机时定向远离所述使用者的至少第一零点。
23.根据权利要求22所述的头戴耳机，其中，所述至少第一零点的定向是可调节的。
24.根据权利要求20至23任一项所述的头戴耳机，其中，所述头戴耳机包括用于滤波器装置的多个独立使用者设定。
25.根据权利要求M所述的头戴耳机，其中，所述头戴耳机适合于基于所述拾取单元 的位置自动改变所述使用者设定。
26.根据权利要求20至25任一项所述的头戴耳机，其中，所述第一麦克风(102、202、 302)和第二麦克风(104、204、304)布置为相互间隔在3mm到40mm之间、或者在4mm到30mm 之间、或者在5mm到25mm之间。
全文摘要
描述了一种组合至少两个音频信号的方法，用于生成增强的系统输出信号。所述方法包括步骤a)使用第一换能器测量第一空间位置的声音信号以生成包括第一目标信号部分和第一噪声信号部分的第一音频信号，第一换能器诸如是第一麦克风；b)使用第二换能器测量第二空间位置的声音信号以生成包括第二目标信号部分和第二噪声信号部分的第二音频信号，第二换能器诸如是第二麦克风；c)对第一音频信号进行处理以将预定频率范围内的第一目标信号与第二目标信号进行相位匹配和幅度匹配，并生成第一处理输出；d)计算第二音频信号与第一处理输出之间的差以生成减法输出；e)计算第二音频信号与第一处理输出的和以生成求和输出；f)对减法输出进行处理以将噪声信号部分对系统输出信号的作用最小化，并生成第二处理输出；以及g)计算求和输出与第二处理输出之间的差，以生成系统输出信号。
文档编号G10L21/02GK102077607SQ200880130166
公开日2011年5月25日 申请日期2008年5月2日 优先权日2008年5月2日
发明者马丁·朗格 申请人:Gn奈康有限公司