專利名稱：處理信號的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及處理在設備中接收到的信號。
背景技術：
設備可具有用來從周圍環(huán)境接收傳輸信號的輸入裝置。例如，設備可具有諸如麥克風的音頻輸入裝置，其可被用來從周圍環(huán)境接收音頻信號。例如，用戶設備的麥克風可接收主要音頻信號(諸如來自用戶的語音)和其他音頻信號。其他音頻信號可以是在設備的麥克風接收到的干擾音頻信號，可以是從干擾源接收到的或者可以是環(huán)境背景噪聲或麥克風的自身噪聲。干擾音頻信號可擾亂在設備中接收到的主要音頻信號。設備可出于許多不同的目的而使用接收到的音頻信號。例如，在接收到的音頻信號是從用戶處接收到的語音信號的情形下，設備可處理語音信號以將其用于通信事件，例如，通過網(wǎng)絡傳輸語音信號到可以與通信事件的另一個用戶相關聯(lián)的另一個設備?？商鎿Q地，或附加地，接收到的音頻信號可被用于本領域公知的其他目的。在其他例子中，設備可具有用于接收其他類型的傳輸信號(諸如雷達信號、聲納信號、天線信號、無線電波、微波和一般寬帶信號或窄帶信號)的接收裝置。對于這些其他類型的傳輸信號也會發(fā)生同樣的情況，其中在接收裝置中接收主要信號和干擾信號。以下所提供的描述主要涉及設備中對音頻信號的接收，但是相同的原理將適用于設備中對其他類型的傳輸信號(諸如以上所述的一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達信號、聲納信號、天線信號、無線電波和微波)的接收。為了提高接收到的音頻信號(例如從用戶處接收到的用于在呼叫中使用的語音信號)的質量，希望抑制在用戶設備的麥克風中接收到的干擾音頻信號(例如背景噪聲和從干擾音頻源接收到的干擾音頻信號)。其中多個麥克風操作為單個音頻輸入裝置的立體聲麥克風和其他麥克風陣列的使用已經(jīng)變得越來越普遍。在設備上使用多個麥克風使得能夠除了使用從由單個麥克風接收到的音頻信號提取出的信息之外，還能夠使用從接收到的音頻信號中提取出的空間信息。當使用這樣的設備時，一種用于抑制干擾音頻信號的方法是向由多個麥克風接收到的音頻信號應用波束成型器(beamformer)。波束成型是通過應用信號處理來聚焦由麥克風陣列接收到的音頻信號的一種處理，從而相比較于麥克風陣列中接收到的其他音頻信號增強麥克風陣列中從一個或多個期望位置(也就是方向和距離)接收到的特定音頻信號。出于簡明的目的，此處我們將描述僅有單個期望方向的情況，但是相同的方法也可應用到具有多個感興趣方向的情況。在波束成型處理之前可以確定或設置被稱為到達方向(Directionof Arrival (DOA))信息的在麥克風陣列中接收期望的音頻信號的角度(和/或距離)。將期望的到達方向設置為固定的是有益的，這 是因為到達方向的估計可能很復雜。然而，在可替換的情況中，使期望的到達方向適應變化的條件是有益的，所以在使用波束成型器時實時估計期望的到達方向也是有益的。自適應波束成型器對接收到的音頻信號應用多個加權(或波束成型器系數(shù))。這些加權可考慮DOA信息來適配以處理由多個麥克風接收到的音頻信號從而形成“波束”，從而高增益被應用到麥克風從期望位置(也就是期望的方向和距離)接收到的期望的音頻信號，而低增益被應用到任何其他(例如干擾)信號源的方向?？稍谠O備中通過與處理來自單個麥克風的接收到的音頻信號的相同方式進一步處理波束成型器的輸出，例如用于作為通信事件的一部分傳輸?shù)搅硪粋€設備。例如，波束成型器的輸出可被作為輸入信號提供到設備中的自動增益控制(AGC)處理階段和單通道噪聲降低階段中的至少一個。最小方差無失真響應(MVDR)波束成型器(也被稱為Capon波束成型器)是適配應用到音頻信號的波束成型器系數(shù)，在不失真在到達設備的主到達方向接收到的主要音頻信號(也就是從波束成型器的聚焦方向接收到的音頻信號)的約束下，基于輸入信號而最小化輸出信號的能量的一類波束成型器的一部分?？墒褂名溈孙L陣列中接收到的音頻信號的協(xié)方差矩陣的逆來計算波束成型器加權。當向接收到的音頻信號應用不同的延遲時(相應于音頻信號到達麥克風陣列的不同的到達方向)，協(xié)方差矩陣提供麥克風陣列的不同麥克風中接收到的音頻信號的相關性的指示。特別地，互協(xié)方差指示多個麥克風中接收到音頻信號的到達方向相關度最高，并且這可以被當做主要音頻信號的主到達方向。盡管基于輸入信號的波束成型器適配有益于最小化輸出信號的能量，但是通過這樣的方式適配波束成型器趨向于在隨時間變化時會導致輸出信號的失真。特別是，波束成型器的任何不規(guī)則性或突然變化可導致波束成型器的輸出的可聽失真(當波束成型器的波束圖案突然變化時)。在計算協(xié)方差矩陣之前可向接收到的音頻信號應用頻譜規(guī)則化(regularization)。例如,可通過增加縮放的單位矩陣到協(xié)方差矩陣來增加白噪聲到音頻信號，從而在求逆之前降低矩陣的條件數(shù)以用于避免對潛在的病態(tài)矩陣求逆的問題。此外，在協(xié)方差矩陣中注入白噪聲可被用來保證波束成型器不會放大能量，并且保證實現(xiàn)環(huán)境噪聲抑制，其代價是更強干擾源的衰減。這個方法提供一種方式來規(guī)則化波束成型器的適配以獲得稍好的波束成型器性能，但它沒有提供充分的手段來防止波束成型器輸出中的失真。

發(fā)明內容
然而，發(fā)明人認識到波束成型器的進一步規(guī)則化是有益的。具體而言，其認識到，當干擾源在空間中移動時，以及當干擾源隨時間改變信號頻譜時，以上所描述的MVDR和LCMV波束成型器趨向于導致從主到達方向之外的其他方向到達的信號失真。此外，以上所描述的MVDR和LCMV波束成型器可導致與接收到的信號的主頻率內容分離的頻率失真。波束成型器的波束圖案可作為角度、距離和頻率的函數(shù)而變化，并且可以自適應地優(yōu)化波束成型器以降低當前輸入信號的能量(例如，在不導致聚焦方向的信號失真的給定約束下)。然而，作為波束圖案在主到達方向之外的其他方向上隨時間波動的結果，設備中從這些其他方向接收到的信號可能發(fā)生失真。此外，因為可以執(zhí)行無期望約束的波束成型器優(yōu)化，該優(yōu)化可能導致從特定方向到達設備的低功率輸入信號分量的不希望的放大。有利的是，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，識別干擾信號的方向，對接收到的信號應用被用來適配波束成型器濾波器系數(shù)(可據(jù)此計算波束成型器的波束圖案)的定向規(guī)則化，從而保證在仍然將衰減應用到干擾信號的同時極少或不會出現(xiàn)干擾信號的失真。根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種處理設備中的信號的方法，該方法包括在設備的多個傳感器中接收一個角度范圍上的信號，接收到的信號包括從干擾源位置接收到的干擾信號；確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案；生成具有匹配所確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號；使用所生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器所要應用的波束成型器系數(shù)，并且波束成型器向由多個傳感器接收到的信號應用所確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。在一些實施方式中，所生成的規(guī)則化信號和接收到的信號的組合被用來確定要由波束成型器應用的波束成型器系數(shù)。例如，該方法可以進一步包括確定接收到的信號的修改版本，其中多個規(guī)則化信號包括在由多個傳感器接收到的相應信號中，其中基于接收到的信號的修改版本確定波束成型器系數(shù)。有利的是，基于具有相應于在傳感器中從干擾源位置接收到的信號的干擾延遲圖案的延遲圖案的規(guī)則化信號(例如人工信號的特定混合)來適配波束成型器。當向輸入信號增加規(guī)則化信號時，結果信號(也就是接收到的信號的修改版本)可被稱為“規(guī)則化信號”(regularized signals)。還可以基于這樣的規(guī)則化信號來適配波束成型器。通過這樣的方式，當波束成型器處理接收到的信號時，它將應用更大等級的衰減到傳感器中從干擾源位置(也就是從干擾源的位置和距離)接收到的信號。這也意味著干擾信號中的變化不會影響波束成型器很大，這是因為即使干擾信號暫時具有低功率，但由于正規(guī)化信號的存在，應用到從干擾源位置接收到的信號的衰減等級仍然保持較高。換句話說，波束成型器的波束圖案在干擾音頻信號的方向更加穩(wěn)定。在干擾音頻信號的方向中的這樣的穩(wěn)定性，也就是波束圖案變化的速度的降低，減少了波束成型器輸出中干擾音頻信號的失真。在優(yōu)選實施方式中，完全基于人工生成的規(guī)則化噪聲信號來適配波束成型器，該規(guī)則化噪聲信號類似于接收信號中的失真，但其變化更加平滑，并處于更加可控的方式。在這樣的情況中，僅在規(guī)則化信號發(fā)生變化時才需要更新波束成型器濾波器系數(shù)，有利地，其以平滑的方式發(fā)生。實際上，在優(yōu)選實施方式中，該方法包括選擇多個規(guī)則化信號以使得波束成型器系數(shù)的變化足夠緩慢，例如從而防止波束成型器系數(shù)的變化引發(fā)波束成型器輸出的可察覺的不希望的失真。本發(fā)明的實施方式允許對于確定的任何角度控制波束成型器的行為，其將受益于更少的隨時間的波動和/或隨頻率的變化。受益于本發(fā)明的實施方式的干擾源示例是不位于波束圖案的主波瓣的中央的揚聲器。根據(jù)優(yōu)選實施方式，可通過在每個角度注入可變數(shù)量的噪聲來控制波束成型器，從而保證波束圖案較慢演化，以使得波束成型器提供令人滿意的聲音輸出。信號可以是音頻信號，傳感器可以是用于接收音頻信號的麥克風?？商鎿Q地，信號可以是其他類型的傳輸信號(諸如一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達信號、聲納信號、天線信號、無線電波或微波)。由多個傳感器接收到的音頻信號可包括從主要源位置接收到的主要信號。在優(yōu)選實施方式中，適配波束成型器以最小化被用來在特定約束下確定波束成型器系數(shù)的信號中的功率。這些約束例如可以包括波束成型器不會導致主要信號失真的約束。規(guī)則化信號可以是彼此不相關的噪聲信號。在一個實施方式中，噪聲信號具有預先確定的頻譜形狀。這意味著在接收到的音頻信號中包括噪聲信號的效果對頻域中的波束圖案具有可預測影響。例如，噪聲信號可以是具有平坦頻譜的統(tǒng)計獨立采樣，也就是白色譜。通過這種方式，在接收到的音頻信號中包括噪聲信號對于所有頻率的波束圖案具有類似的效果。此外，在噪聲信號優(yōu)選地包括統(tǒng)計獨立的采樣從而保證僅在完美對齊(也就是說，在干擾方向上)時噪聲信號才相關的情況下，在不同角度的定向規(guī)則化變得統(tǒng)計獨立。規(guī)則化噪聲信號的頻譜形狀可以是白噪聲和接收到的信號中的實際背景噪聲的任意頻譜形狀之間的一些頻譜形狀。在完全基于人工生成的規(guī)則化信號適配波束成型器的情況下，這特別有益于保證對干擾的更強抑制。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用于處理信號的設備，該設備包括波束成型器；用于接收一個角度范圍上的信號的多個傳感器，接收到的信號包括從干擾源位置接收到的干擾信號；用于確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案的裝置；用于生成具有匹配所確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號的裝置；用于使用所生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器所要應用的波束成型器系數(shù)的裝置，其中波束成型器被配置為向由多個傳感器接收到的信號應用所確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。波束成型器例如可以是最小方差無失真響應波束成型器。根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供了一種用于處理在設備的多個傳感器中在一個角度范圍上接收到的信號的計算機程序產(chǎn)品，接收到的信號包括從干擾源位置接收到的干擾信號，該計算機程序產(chǎn)品包含在非瞬態(tài)計算機可讀媒介上，并且被配置為當在設備的處理器上執(zhí)行時，執(zhí)行以下步驟確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案；生成具有匹配所確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號；使用所生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器所要應用的波束成型器系數(shù)；并且實現(xiàn)波束成型器以便向由多個傳感器接收到的信號應用所確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。


為了更好地理解本發(fā)明以及為了顯示本發(fā)明如何實施，現(xiàn)在將通過示例的方式參考以下附圖，其中
圖1顯示了根據(jù)優(yōu)選實施方式的設備的示意 圖2顯示了根據(jù)優(yōu)選實施方式的系統(tǒng)；
圖3顯示了根據(jù)優(yōu)選實施方式的設備的元件的功能框 圖4顯示了如圖3所示的設備的一部分的功能框 圖5是根據(jù)優(yōu)選實施方式的用于處理音頻信號的過程的流程 圖6a是顯示了在沒有應用定向規(guī)則化時作為時間和角度的函數(shù)的MVDR波束成型器的波束圖案的圖示；
圖6b是顯示了在應用了定向規(guī)則化時作為時間和角度的函數(shù)的MVDR波束成型器的波束圖案的圖不;
圖7顯示了表示在一個實施方式中如何估計到達方向信息的圖。
具體實施例方式以下將僅以示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
在本發(fā)明的以下實施方式中，描述了一些技術，其中在波束成型器濾波器系數(shù)的適配期間定向地規(guī)則化到自適應波束成型器的輸入。以下所描述的實施方式涉及信號是音頻信號的情況。然而，其他實施方式涉及信號是其他類型的傳輸信號(諸如一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達信號、聲納信號、天線信號、無線電波或微波)的情況。任意特定的頻譜形狀的噪聲的相同實現(xiàn)方式(也就是規(guī)則化信號)(在一個優(yōu)選實施方式中可以例如是白噪聲)被注入到麥克風輸入信號的拷貝中，麥克風輸入信號之間的信號延遲差(或延遲圖案)與為來自干擾源的干擾音頻信號所識別的信號延遲差是相同的。這保證了規(guī)則化噪聲信號在延遲方面的相應于干擾方向的高相關性，進而保證基于具有注入的噪聲的拷貝而適配的波束成型器被訓練為最小化來自干擾方向的信號。注入的噪聲減少波束成型器輸出中干擾音頻信號的失真。這還有助于防止對從干擾音頻信號的方向到達的低功率輸入信號分量的不期望放大。有利的是，在本發(fā)明優(yōu)選實施方式中應用的定向規(guī)則化為波束成型器提供隨時間緩慢演化的平滑的波束圖案，從而提供令人滿意的聲音波束成型器輸出。首先參見圖1，其示出了設備102的示意圖。設備102可以是固定或移動設備。設備102包括CPU 104、連接到CPU 104的有用于接收音頻信號的麥克風陣列106、用于輸出音頻信號的揚聲器110、用于向設備102的用戶輸出可視數(shù)據(jù)的諸如屏幕的顯示器112和用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器114?，F(xiàn)在參見圖2，其示出了設備102在其中操作的示例環(huán)境200。設備102的麥克風陣列106從環(huán)境200接收音頻信號。例如，如圖2所示，麥克風陣列106接收來自用戶202的音頻信號(圖2中標示為屯)、來自另一個用戶204的音頻信號(圖2中標示為d2)、來自風扇206的音頻信號(圖2中標示為d3)和來自墻208反射的用戶202的音頻信號(圖2中標示為d4)。本領域技術人員清楚麥克風陣列106還可接收除了圖2所示的音頻信號之外的其他音頻信號。在如圖2所示的場景中，來自用戶202的音頻信號是期望的音頻信號，麥克風陣列106中接收到的所有其他音頻信號都是干擾音頻信號。在其他實施方式中，麥克風陣列106中接收到的超過一個的音頻信號可以被認為是“期望的”音頻信號，但是出于簡明 的目的，在此處描述的實施方式中，僅有一個期望的音頻信號(也就是來自用戶202的音頻信號)，其他音頻信號都被認為是干擾。圖2顯示了作為干擾源的另一個用戶204、風扇206或來自墻208的反射。其他不希望的噪聲信號源可包括例如空調系統(tǒng)和播放音樂的設備。當在麥克風陣列106接收到音頻信號后對其進行處理時識別期望的音頻信號。在處理期間，基于語音類特征的檢測識別期望的音頻信號，并且確定主揚聲器的主方向。圖2顯示了從主方向Cl1到達麥克風陣列106的作為期望的音頻信號源的主揚聲器(用戶202)?，F(xiàn)在參見圖3，其示出了設備102的元件的功能表示。麥克風陣列106包括多個麥克風302^3022和3023。設備102進一步包括包含波束成型器304和處理裝置306的波束成型模塊303?？梢栽贑PU 104上執(zhí)行的軟件方式或在設備102內的硬件方式來實現(xiàn)波束成型器304和處理裝置306。麥克風陣列106中的每個麥克風的輸出耦合到波束成型模塊303的相應輸入。具體而言，麥克風陣列106的每個麥克風的輸出耦合到波束成型器304的相應輸入，并且也耦合到處理裝置306的相應輸入。本領域技術人員將明了需要多個輸入以實現(xiàn)波束成型。圖3中所示的麥克風陣列106具有三個麥克風(302^3022和3023)，但是將理解的是這些數(shù)量的麥克風僅是示例，并不以任何方式作為限制。
波束成型模塊303包括用于從麥克風陣列106的麥克風302^3022和3023接收并處理音頻信號XpX2和X3的裝置。例如，波束成型模塊303可包括語音活動檢測器(VAD)和DOA估計塊(未在圖3中示出)。在操作中，波束成型模塊303確定由麥克風陣列106接收到的音頻信號的特性，并且基于由VAD和DOA估計塊檢測的語音類質量檢測，可以確定主揚聲器的一個或多個主方向。在其他實施方式中，在波束成型模塊303中可預先設置主揚聲器的主方向，以使得波束成型器304聚焦到固定方向。在圖2所示的例子中，從用戶202接收到的音頻信號的方向((I1)被確定為主方向。波束成型器304使用DOA信息以便通過形成在麥克風陣列106接收到期望信號的主方向(Cl1)上具有較高增益，而在任何其他信號源的方向上(例如d2、d3和d4)具有較低增益的波束而處理音頻信號。波束成型模塊303還能確定干擾到達方向(d2、d3和d4)，有利的是，可適配波束成型器304以使得對從那些干擾到達方向接收到的音頻信號應用特別低的增益，從而抑制干擾音頻信號。波束成型模塊303區(qū)別音頻信號到達麥克風陣列106的到達方向，還可以區(qū)別音頻信號到達麥克風陣列106的到達距離。從中接收到音頻信號的方向和距離確定從中接收到音頻信號的位置。在麥克風陣列106的多個麥克風(302^3022和3023)中，從不同的源位置接收到的音頻信號將具有不同的延遲圖案。雖然以上已經(jīng)描述了波束成型模塊303可以確定任意數(shù)量的主方向，但是確定的主方向數(shù)量影響波束成型器的性能，例如，對于大數(shù)量的主方向，波束成型器304將應用比僅僅確定單個主方向的情況更少的衰減到在麥克風陣列從其他(不希望的)方向接收到的信號上。波束成型器304的輸出以將被處理的單通道的形式提供給設備102的進一步處理裝置。本領域技術人員清楚的是，可在設備102中以多種不同方式使用波束成型器304的輸出。例如，波束成型器304的輸出可被用作通信事件的一部分，其中用戶202使用設 備102參與該通信事件。波束成型器304的輸出可遭受到進一步的信號處理(諸如自動增益控制和噪聲抑制)。這些進一步的信號處理的細節(jié)超出了本發(fā)明的范圍，因此在此處沒有給出進一步的信號處理的詳情，但是本領域技術人員可意識到可以在設備102中處理波束成型器304的輸出的多種方式。在操作中，處理裝置306被設置為接收來自麥克風陣列106的麥克風302^3022和3023的音頻信號Xl、x2和x3，并且適配將要應用到音頻信號Xl、x2和X3的波束成型器304。處理裝置306修改音頻信號，從而在基于修改后的音頻信號更新波束成型器之前，在音頻信號中包括噪聲信號。在音頻信號中包括具有匹配干擾音頻信號的源位置(也就是到達方向和距離)的延遲圖案的噪聲信號(也就是規(guī)則化信號)。通過這樣的方式，在干擾音頻信號的方向上，噪聲信號高度相關，從而使得在更新波束成型器304時，其將對來自干擾音頻信號的位置(也就是方向和距離)的音頻信號應用高等級的衰減。如圖4所示，處理裝置306包括三個混合塊402^4(^和4023以及一個處理塊404。每個混合塊402^4(^和4023被設置為分別接收來自麥克風302^3022和3023的音頻信號Xl、x2和X3中相應的一個。每個混合塊402^4022和4023還被設置為分別接收多個噪聲信號I^n2和n3中相應的一個?；旌蠅K402^4(^和4023使相應的音頻信號χι、χ2和X3分別與相應的噪聲信號I^n2和n3相力口。在其他實施方式中，混合塊可對音頻信號和噪聲信號執(zhí)行其他操作，例如，混合塊可以使音頻信號和噪聲信號相乘。在一些實施方式中，在將音頻信號XpX2和X3和噪聲信號叫、n2和n3輸入到相應的混合塊402^4022和4023之前縮放音頻信號Xl、X2和X3和噪聲信號Iipn2和113。在縮放中應用的加權是可變的(例如在O和I之間)，從而調整混合塊402^402^和4023的輸出中來自接收到的音頻信號XpX2和X3的比例和來自噪聲信號Iipn2和n3的相對應比例。在一些實施方式中，縮放中應用的加權可使得混合塊402^4022和4023的輸出完全基于噪聲信號I^njPn3 (因此并不基于音頻信號Xl、X2和x3)。通過這樣的方式，混合塊402^402；^和4023的輸出可完全基于人工生成的規(guī)則化信號，也就是噪聲信號Iipn2和n3o這有益于以可控的方式控制混合塊402^4022和4023的輸出的變化?；旌蠅K402^402^和4023的輸出耦合到處理塊404的輸入。處理快404被配置為基于從混合塊402^4022和4023接收到的信號計算用于波束成型器304的濾波器系數(shù)。處理塊404的輸出濾波器系數(shù)耦合到波束成型器304作為輸入，以用于提供在處理塊404中的適配期間得到的波束成型器304的特性。參見圖5，其描述了根據(jù)優(yōu)選實施方式的處理音頻信號的方法。在步驟S502，在麥克風陣列106的麥克風(302^3022和3023)中接收音頻信號。例如可從如圖2所示的用戶202、用戶204、風扇206和墻208接收音頻信號。在麥克風陣列106的麥克風(302^3(^和3023)中還可接收諸如背景噪聲的其他干擾音頻信號。由麥克風陣列106的每個麥克風(302^3022和3023)接收到的音頻信號被傳遞到波束成型模塊303。當以增強一個或多個音頻信號(例如來自用戶202的語音信號)為目的而分析多麥克風輸入信號時，識別音頻信號從空間中的哪里到達。正如以下將聯(lián)系圖7更詳細地描述的，可從具有最高相關性的 麥克風陣列106的每個麥克風302^3022和3023的信號之間的延遲來確定到達方向。即使例如麥克風陣列106的麥克風302^3022和3023之間的距離對于要清楚確定的到達方向來說太遠，也可應用本發(fā)明的實施方式。實際上，任何(即使它是含糊不清的)源位置(也就是到達方向和距離)都可被用來生成用于注入到音頻信號中的噪聲信號。波束成型模塊303確定在麥克風陣列106的麥克風302^3022和3023接收到的音頻信號的到達方向。具體而言，在步驟S504，確定干擾音頻信號(例如來自用戶204)的干擾到達方向?？赏ㄟ^分析音頻信號而實現(xiàn)步驟S504的操作。本領域技術人員可意識到用于確定干擾音頻信號的干擾到達方向的多種方法。例如，可基于麥克風302^3022和3023接收到的音頻信號具有最高的相關性的方向的確定(例如，如以下聯(lián)系圖7對更詳細地描述的)而確定音頻信號的到達方向。一旦確定了干擾到達方向，接著在步驟S506中選擇噪聲信號叫、112和113，并且在步驟S508中，將選擇的噪聲信號包括到相應混合塊402^4022和4023的相應音頻信號Xl、X2和X3中。噪聲信號被選擇為具有特定頻譜形狀。例如，噪聲信號可代表白噪聲。可選擇噪聲信號以使得這些噪聲信號包括僅在完全對齊時才相關的統(tǒng)計獨立采樣。選擇噪聲信號以使得這些噪聲信號具有匹配麥克風陣列106中從步驟S504所確定的干擾到達方向接收到的音頻信號的延遲圖案的延遲圖案。在音頻信號Xl、X2和X3中的值之間的延遲圖案相應于麥克風陣列106的相應麥克風302^3022和3023接收音頻信號的特定方向(可選的還有距離)。因此通過包括具有特定延遲圖案的噪聲信號叫、n2和n3，這相應于向音頻信號增加噪聲，就如同噪聲是在麥克風陣列106的麥克風302^3022和3023處從干擾到達方向接收的。因此從混合塊402^4022和4023輸出的音頻信號Xl、x2和X3的修改版本包括在干擾到達方向上相關的噪聲信號。音頻信號的這些修改版本可被認為是在麥克風陣列106的麥克風302^3022和3023處接收到的音頻信號的定向規(guī)則化版本。如上所述，在一些實施方式中，來自混合塊402^4(^和4023的輸出可以只包括噪聲信號Ii1、n2和n3。在步驟S510，處理塊404處理從混合塊402^4(^和4023輸出的修改后的音頻信號以更新波束成型器304濾波器系數(shù)?？稍诙喾N約束下更新波束成型器。例如，當波束成型器是MVDR波束成型器時，其被適配為在不導致麥克風陣列106中從主到達方向(例如O度)接收到的期望的音頻信號失真的約束下最小化波束成型器輸出的能量。其他類型的波束成型器可具有更新波束成型器的其他波束成型約束。包括在混合塊402^4(^和4023中的音頻信號Xl、X2和X3中的噪聲信號叫、n2和n3在步驟S504所確定的干擾到達方向上高度相關，使得在已經(jīng)更新波束成型器304時，其將處理接收到的音頻信號Xl、X2和X3，并生成的輸出，其中高等級的衰減被應用到具有到達麥克風陣列106的干擾到達方向的音頻信號。波束成型器濾波器系數(shù)向波束成型器304描述了如何處理音頻信號Xl、X2和X3以生成波束成型器輸出。在步驟S512，波束成型器304向音頻信號Xl、x2和X3應用在步驟S510確定的波束成型器濾波器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。在步驟S514，波束成型器輸出從波束成型模塊303輸出，以用于在設備102中做進一步處理。在更新波束成型器濾波器系數(shù)之前的音頻信號Xl、X2和X3的定向規(guī)則化通過降低從干擾方向接收到的干擾音頻信號的振幅以及通過減少那些干擾音頻信號的失真而提高了波束成型器輸出的質量。因此，根據(jù)以上所述的方法，基于定向規(guī)則化后的輸入信號(例如從混合塊402ρ4022和4023輸出的修改后的音頻信號)來適配波束成型器的系數(shù)。波束成型器304使用這些系數(shù)(在步驟S510中確定的)對原始麥克風輸入信號(未經(jīng)定向規(guī)則化)，也就是信號Xl、X2和X3進行濾波以生成最終波束成型器輸出。在以上所述的優(yōu)選實施方式中，該方法使用白噪聲的統(tǒng)計獨立采樣注入規(guī)則化噪聲到音頻信號Xl 、X2和X3中，從而保證噪聲信號僅在完全對齊時才相關。在其他實施方式中，規(guī)則化噪聲可能不是白噪聲，但是作為代替可以具有彩色頻譜。在一些場景中，將彩色頻譜用于規(guī)則化噪聲可能是有利的，并且可以具體選擇規(guī)則化噪聲的特定頻譜以提供波束成型器304的最佳性能。例如，干擾音頻信號的干擾源可具有這樣的到麥克風陣列106的干擾到達方向，使得音頻信號在兩個相鄰麥克風(例如麥克風3021和3022)之間具有δ個音頻信號采樣的延遲。在優(yōu)選實施方式中，δ是分數(shù)，但在一些其他實施方式中，δ可以是整數(shù)。也就是說，可能有我們從中得到或者已經(jīng)得到高相關性的延遲δ，例如由協(xié)方差矩陣中的高相關性系數(shù)所指示的那樣。通過向xl(t)和向x2(t+S)增加統(tǒng)計獨立白噪聲的相同實現(xiàn)而在干擾源方向規(guī)則化音頻信號Xl、X2和&。當S是分數(shù)時，可以應用麥克風信號的再采樣，尤其是上采樣從而以整數(shù)索引結束。圖6a是顯示了在沒有應用定向規(guī)則化時作為時間和角度的函數(shù)的MVDR波束成型器的波束圖案的圖示。圖6b是顯示了在應用了定向規(guī)則化時作為時間和角度的函數(shù)的MVDR波束成型器的波束圖案的圖示。在圖6a和圖6b的兩種情況下麥克風陣列106都接收相同的音頻信號。在這兩種情況下，都有多個干擾音頻信號源從多個不同方向到達麥克風陣列106。通過對比圖6a和圖6b，當如圖6b所示那樣進行定向規(guī)則化時，可清楚的看到波束圖案的平滑特性。如圖6a所示的波束圖案(當沒有應用定向規(guī)則化時)在遠離主到達方向(這個例子中是O度)的角度處快速變化。此外，對于遠離主到達方向的角度，波束圖案的振幅提升到較大值。這可能是有害的，因為作為波束成型處理和對來自遠離主到達方向的方向的音頻信號的不期望放大的結果，從遠離主到達方向的角度接收到的音頻信號可能遭受失真。自適應波束成型器的特性總是稍微落后于當前條件，極端波動可導致波束成型器輸出中干擾源的可聽失真。這與圖6b所示的波束圖案相反，圖6b中遠離主到達方向的角度(也就是遠離O度)的波束圖案的振幅比在O度的波束圖案的振幅要低。此外，在遠離主到達方向的角度的波束圖案的波動緩慢演進，從而減少從遠離主到達方向的角度接收到的音頻信號的失真。因此，相比于圖6a所示的波束圖案所提供的波束成型器輸出，如圖6b所示的波束圖案提供更高質量的波束成型器輸出。這是如上所述向音頻信號應用的定向規(guī)則化的結果，也就是通過如上所述包括噪聲信號以修改音頻信號，接著基于修改后的音頻信號計算波束圖案。此夕卜，作為防止不期望的快速波動的重要方面，可以將注入的噪聲縮放到相比于麥克風輸入信號噪聲處于支配角色的程度。在來自混合塊402^402；^和4023的輸出僅基于規(guī)則化噪聲信號Iipn2和n3的實施方式中，可通過適當選擇規(guī)則化噪聲信號A、n2和n3而精確控制波束成型器304的行為以便以平滑的方式變化。現(xiàn)在將參照圖7更詳細地描述由波束成型器304和/或處理裝置306執(zhí)行到達方向(DOA)估計以確定來自用戶204的干擾音頻信號的干擾到達方向的操作。由波束成型器304通過如下操作來估計DOA信息例如使用相關方法來估計在麥克風陣列106的多個麥克風中接收到的音頻信號之間的時間延遲，以及關于麥克風陣列106的多個麥克風302^3022和3023的位置的先驗知識來估計音頻信號的源。作為一個例子，圖7顯示了從干擾音頻源204接收兩個單獨輸入通道的音頻信號的麥克風陣列106的麥克風3021和3022。為了便于理解，圖7顯示了一個點源204，其中聲波以圓周運動方式遠離源204傳播。在真實情況下就是這樣的，但是以下所示的公式假設接收到的音頻信號在麥克風302i和3022中是作為平面波接收的。當點源204離麥克風3021和3022足夠遠時，這樣的假設是好的假設。然而，應當注意的是，平面波假設僅是為了簡化計算，無論如何不是當前發(fā)明的前提條件，本發(fā)明沒有平面波假設也可良好地工作。生成規(guī)則化噪聲并不需要實際的角度Θ，這是因為在麥克風(3021和3022)中信號接收之間的時間延遲足夠用于生成具有正確延遲圖案的規(guī)則化信號?？墒褂霉?I)來估計音頻信號到達由距離為d分離的麥克風和3022的到達方向
權利要求
1.一種在設備中處理信號的方法，所述方法包括 在所述設備的多個傳感器中接收一個角度范圍上的信號，接收到的信號包括來自干擾源位置的干擾信號； 確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案； 生成具有匹配所述確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號； 使用所述生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器將要應用的波束成型器系數(shù)；和 所述波束成型器向由所述多個傳感器接收到的所述信號應用所述確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中僅基于所述生成的規(guī)則化信號來確定所述波束成型器系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中基于所述生成的規(guī)則化信號和所述接收到的信號的組合來確定所述波束成型器系數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其進一步包括確定所述接收到的信號的修改版本，其中在由所述多個傳感器接收到的相應信號中包括所述多個規(guī)則化信號，并且其中基于所述接收到的信號的所述修改版本來確定所述波束成型器系數(shù)。
5.根據(jù)以上任一權利要求所述的方法，其中由所述多個傳感器接收到的信號進一步包括從主要源位置接收到的主要信號。
6.根據(jù)以上任一權利要求所述的方法，其中，所述波束成型器系數(shù)被如此確定，以便最小化被用來確定所述波束成型器系數(shù)的信號中的功率，并且在所述波束成型器的波束成型約束內。
7.當權利要求6引用權利要求5時，根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述波束成型器的波束成型約束包括所述波束成型器系數(shù)的應用不會導致所述主要信號在感知上失真的約束。
8.根據(jù)以上任一權利要求所述的方法，其中所述規(guī)則化信號是彼此不相關的噪聲信號。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述噪聲信號具有預先確定的頻譜形狀。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述噪聲信號代表白噪聲。
11.根據(jù)權利要求8至10任一所述的方法，其中所述噪聲信號包括統(tǒng)計獨立的采樣。
12.根據(jù)以上任一權利要求所述的方法，其進一步包括選擇所述多個規(guī)則化信號以使得所述波束成型器系數(shù)足夠緩慢地變化，從而防止引起所述波束成型器輸出的失真的所述波束成型器系數(shù)的變化。
13.根據(jù)以上任一權利要求所述的方法，其進一步包括使用所述波束成型器輸出來代表在所述多個傳感器接收到的信號，以供在所述設備中做進一步處理。
14.根據(jù)以上任一權利要求所述的方法，其中所述信號是以下信號中的一種(i)音頻信號，( ) 一般寬帶信號，(iii) 一般窄帶信號，(iv)雷達信號，(V)聲納信號，(vi)天線信號，(vii)無線電波和(viii)微波。
15.一種用于處理信號的設備，所述設備包括 波束成型器；用于接收一個角度范圍上的信號的多個傳感器，接收到的信號包括從干擾源位置接收到的干擾信號； 用于確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案的裝置； 生成具有匹配所述確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號的裝置；和 使用所述生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器將要應用的波束成型器系數(shù)的裝置； 其中所述波束成型器被配置為向由所述多個傳感器接收到的所述信號應用所述確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。
16.根據(jù)權利要求15所述的設備，其中所述信號是音頻信號，并且所述傳感器是用于接收所述音頻信號的麥克風。
17.根據(jù)權利要求15或16所述的設備，其中所述波束成型器是最小方差無失真響應波束成型器。
18.一種用于處理設備的多個傳感器中在一個角度范圍內接收到的信號的計算機程序產(chǎn)品，所述接收到的信號包括來自干擾源位置的干擾信號，所述計算機程序產(chǎn)品包含在非瞬態(tài)計算機可讀媒介上，并被配置為當在所述設備的處理器中執(zhí)行時執(zhí)行以下步驟 確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案； 生成具有匹配所述確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號； 使用所述生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器將要應用的波束成型器系數(shù)；和 實現(xiàn)所述波束成型器以便向由所述多個傳感器接收到的所述信號應用所述確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。
全文摘要
一種用于在設備中處理信號的方法、設備和計算機程序產(chǎn)品。在設備的多個傳感器中接收一個角度范圍的信號，接收到的信號包括從干擾源位置接收到的干擾信號。確定與從干擾源位置進行的信號接收相對應的傳感器中的信號接收之間的干擾延遲圖案。生成具有匹配所確定的干擾延遲圖案的延遲圖案的多個規(guī)則化信號。使用所生成的規(guī)則化信號來確定波束成型器所要應用的波束成型器系數(shù)，并且波束成型器向由多個傳感器接收到的信號應用所確定的波束成型器系數(shù)，從而生成波束成型器輸出。
文檔編號G10K11/34GK103065639SQ20121036822
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者K.索倫森, P.阿格倫 申請人:斯凱普公司