CN101061743A - 音频信号增强的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种音频信号增强的方法，包括获得(222)来自第一物理传声器单元的第一音频信号和获得来自第二物理传声器单元的第二音频信号。所述音频信号被阵列处理(226)以产生虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元。所述阵列处理(226)包括合并所述虚拟线性一阶单元和所述虚拟非线性偶次阶单元以产生具有主音频波束的定向音频信号。本发明还公开了一种实现所述方法的设备。

Description

音频信号增强的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请与下述美国申请有关：申请号11/021395，名称“Multielement Microphone(多单元传声器)”，Robert A.Zurek(代理人案号No.CS25131RL)；所述相关申请与此同时申请，被转让给本申请受让人，其全文在本申请中引入作为参考。
技术领域
本申请一般而言涉及音频信号增强，尤其涉及音频信号增强的方法和设备。
背景技术
传声器经常应用于在声场中出现多个音频源和噪声的嘈杂环境中。在这种状况下，音频信号增强被用于获得期望的音频信号。期望音频信号的高质量增强，产生该期望音频信号的音频源的方位的检测以及噪声抑制是音频信号增强的重要问题。
附图说明
现在参考示例性的、非限定性附图，并且其中在几个附图中相似元件具有相同的编号，因此不必在每个附图中做相关描述。
图1是示出音频信号增强的设备的一个实施例的框图。
图2是示出音频信号增强的方法的一个实施例的流程图。
图3示出一阶单向或心型单元的角度响应。
图4示出一阶双向单元的角度响应。
图5示出全向单元的角度响应。
图6示出一阶单向或心型单元的反向角度响应的数学相加。
图7示出一阶单向或心型单元的反向角度响应的数学相减。
图8示出将虚拟线性一阶单元的角度响应数学相加到虚拟非线性偶次阶单元的角度响应以产生合成混合阵列。
图9示出用于具有两个旁瓣的双极n阶的合成混合阵列。
图10示出用于具有三个旁瓣的双极n阶的合成混合阵列。
图11根据本发明的一个实施例示出具有两个一阶单向物理传声器单元的传声器阵列。
图12根据本发明的一个实施例示出具有一个一阶单向物理传声器单元和一个全向物理传声器单元的传声器阵列。
图13根据本发明的一个实施例示出具有四个一阶单向物理传声器单元的传声器阵列。
图14根据本发明的一个实施例示出具有两个一阶单向物理传声器单元和一个全向单元的传声器阵列。
图15根据本发明的一个实施例示出具有六个一阶单向物理传声器单元的传声器阵列。
图16根据本发明的一个实施例示出具有三个一阶单向物理单元和一个全向物理传声器单元的传声器阵列。
具体实施方式
这里公开一种用于音频信号增强的方法和设备。所述方法和设备利用包括角度分离的物理传声器单元的传声器阵列，其可以集成到小的便携的电子设备，例如便携通信设备。所述方法和设备进一步利用从传声器阵列获得的音频信号的线性和非线性处理的混合以产生定向音频信号，该定向音频信号具有的失真对于在可辨识语音通信中将被有效使用的方法和设备而言是足够低的。
一个实施例是一种音频信号增强的方法，其从第一物理传声器单元获得第一音频信号以及从第二物理传声器单元获得第二音频信号。所述音频信号被阵列处理以产生虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元。所述阵列处理包括合并该虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元以产生具有主音频波束的定向音频信号。
另一个实施例是一种音频信号增强的设备。所述设备包括第一物理传声器单元和第二物理传声器单元。第一除法器使用换算因数换算来自第一物理传声器单元的音频信号，以及第二除法器使用换算因数换算来自第二物理传声器单元的音频信号。处理器阵列处理已换算的音频信号以产生虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元，以及合并该虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元以产生包括主音频波束的定向音频信号。乘法器使用换算因数乘以该定向音频信号以保持与输入至该系统的输入电平一致的输出电平。
图1是根据本发明的一个实施例的用于音频信号增强的设备100的框图。该设备100包括第一物理传声器单元102和第二物理传声器单元104。这里进一步详细描述，也可以使用多于两个的传声器单元。来自传声器单元102和104的输出信号被分别地提供给放大器112和114，以校准传声器单元102和104的增益。放大器112和114的输出被分成时间窗口，继而提供给最大信号检测器122和124。最大信号检测器检测并且保持从放大器112和114输出的适用于给定时间窗口的最大信号。具有更大振幅的最大信号检测器在最大信号选择器130处被选择。该信号继而被作为换算因数在除法器132和134中使用以换算来自放大器112和114的输出信号。该处理对放大器112和114的输出进行标准化。该标准化的传声器信号继而被阵列处理器140阵列处理。这里进一步详细描述该阵列处理。继而乘法器150使用与除法器132和134中相同的换算因数对阵列处理的结果进行换算。音频信号增强块190指示利用时间窗口操作的处理部分。
在本发明的实施例中，分隔物理传声器单元102和104的距离少于感兴趣的最小波长的半波长。例如，如果该频率是全波段音频(20-20000Hz)，则感兴趣的最小波长为17.3毫米。如果该频率是电话音频(300-3400Hz)，则最小波长为100毫米。
参见图2，描述出用于每个时间窗口或帧的音频信号增强的方法的流程图被示出。第一步，如步骤222描述的，从传声器阵列获得音频信号，该传声器阵列包括两个或多个物理传声器单元102和104。该音频信号继而在步骤224中被换算(例如，由除法器132和134)。在步骤226，音频信号被阵列处理以产生虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元。该虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元被合并。这里进一步详细描述该阵列处理。步骤228包括换算该音频信号，再一次，这时执行和步骤224中执行的操作相反的操作，即使用换算因数乘以该音频信号(例如，在乘法器150中)。如步骤230中显示的，结果是具有主波束的定向音频信号。
步骤222-230的处理可以由处理器执行，例如处理代码的通用微处理器，数字信号处理器(DSP)，特定用途集成电路(ASIC)，软件、硬件和/或固件的组合等。因此，这里所用的术语处理器意在指具有广泛的含义包括执行所述方法的各种元件。
该传声器阵列包括一阶定向单元或包括一阶定向单元和全向单元的组合。该一阶定向单元是“无因次的(non-dimentional)”。如这里使用的，术语“无因次”是指物理传声器单元，其尺寸与声音波长相比较小。这通常可以通过在传声器的震动膜后径中引入声音延迟元件(例如，隔离板或隔离筛)而在单传声器炭精盒中实现。一阶定向单元的角度响应可以描述为P()并且由等式(1)描述，其中0＜α＜1：
P()＝α+(1-α)*Cosine()。           (1)
图3图示出一阶定向单元的角度响应322。如这里使用的，一阶定向单元包括一阶心型单元，一阶非心型单元，和包括至少上述单元之一的组合。
图4图示出一阶双向单元的角度响应432。当等式(1)中α的值为0时产生该虚拟一阶双向单元。该角度响应432是在在前向和在后向具有相同最大角度响应的响应。
图5图示出全向单元的角度响应542。当等式(1)中α的值为1时产生该虚拟全向单元。该角度响应542是在所有方向具有相同角度响应的响应。
一阶定向单元可以用于产生虚拟一阶双向单元和虚拟全向单元。图6图示出一阶定向物理传声器单元的反向角度响应652和654的数学相加以产生虚拟全向单元的角度响应656。图7图示出一阶定向物理传声器单元的反向角度响应752和754的数学相减以产生虚拟一阶双向单元的角度响应756。对非心型单元，必须使用加权相加和相减来产生虚拟一阶双向和虚拟一阶全向单元。
虚拟线性一阶单元通过将实体或虚拟一阶双向单元和实体或虚拟全向单元线性混合而产生。虚拟非线性偶次阶单元通过将实体或虚拟一阶双向单元提高至偶次幂(n)而产生。
参见图8，在一个实施例中，线性一阶单元的角度响应862被数学加至虚拟非线性偶次阶单元(n值为2)的角度响应864，以产生包括由角度响应866表示的定向音频信号的混合合成阵列信号。该定向音频信号可以具有带有很低的失真的主波束。
用于具有两个旁瓣的双极n阶的混合合成阵列(X)用等式(2)描述：
在等式(2)中，M1表示从第一物理定向传声器单元获得的第一音频信号，M2表示从第二物理定向传声器单元获得的第二音频信号。图9图示出具有两个旁瓣的双极n阶的混合合成阵列(X)的取样角度响应966。
具有三个旁瓣的双极n阶的混合合成阵列(X)用等式(3)描述：
X = M 1 + ( n 2 2 ) ( M 1 - M 2 ) + ( C n ( n - 1 ) 2 2 ( n - 1 ) ) ( M 1 - M 2 ) n 2 ( 1 + ( n 2 ) 2 + C n ( n - 1 ) 2 )
在等式(3)中，M1表示从第一物理定向传声器单元获得的第一音频信号，M2表示从第二物理定向传声器单元获得的第二音频信号。图10图示出具有三个旁瓣的双极n阶的混合合成阵列(X)的取样角度响应1066。
等式2和3假设一阶定向单元是心型模型。如果使用非心型物理单元，则不得不相应地调整等式。在这种情况下，M1是实体或虚拟全向单元与实体或虚拟双向单元的和，该和继而被除以2。M2是实体或虚拟全向单元和实体或虚拟双向单元的差，该和继而被除以2。
如图11图示的，在一个实施例中，传声器阵列1100包括两个物理传声器单元：第一物理传声器单元1110，其是具有从第一物理传声器单元1110获得的第一音频信号的角度响应1112的一阶定向单元；第二物理传声器单元1120，其是具有从第二物理传声器单元1120获得的第二音频信号的角度响应1122的一阶定向单元。该第一物理传声器单元1110和第二物理传声器单元1120互相具有180度角度分隔，与波束轴1192平行。在该实施例中，第一物理传声器单元1110和第二物理传声器单元1120实际上在波束轴1192上。主音频波束沿着波束轴1192定向。
如图12图示的，在一个实施例中，传声器阵列1200包括：第一物理传声器单元1210，其是具有从第一物理传声器单元1210获得的第一音频信号的角度响应1212的全向单元；第二物理传声器单元，其是具有从第二物理传声器单元1220获得的第二音频信号的角度响应1222的一阶定向单元。该第二物理传声器单元1220是与波束轴1292平行定向的。在这个实施例中，第一物理传声器单元1210和第二物理传声器单元1220实际上是在轴1292上的。主音频波束是沿着波束轴1292定向的。
如图13图示的，在一个实施例中，传声器阵列1300包括四个物理传声器单元：第一物理传声器单元1310，其是具有从第一物理传声器单元1310获得的第一音频信号的角度响应1312的一阶定向单元；第二物理传声器单元1320，其是具有从第二物理传声器单元1320获得的第二音频信号的角度响应1322的一阶定向单元；第三物理传声器单元，其是具有从第三物理传声器单元1370获得的第三音频信号的角度响应1372的一阶定向单元；第四物理传声器单元1380，其具有从第四物理传声器单元1380获得的第四音频信号的角度响应1382的一阶定向单元。
第一物理传声器单元1310和第二物理传声器单元1320互相按180度角度分隔并且沿着(或平行于)第一轴1392定向。第三物理传声器单元1370和第四物理传声器单元1380互相按180度角度分隔并且沿着(或平行于)第二轴1394定向。轴1392和1394可以彼此正交，在这种情况下，沿着第一轴1392定向的传声器单元(例如，第一物理传声器单元和第二物理传声器单元)与沿着第二轴1394定向的物理传声器单元(例如，第三物理传声器单元和第四物理传声器单元)之间彼此具有90度的角度分隔。在该实施例中，主音频波束是沿着第一轴1392和第二轴1394的交叉点1396始发的向量定向的，该向量具有可以在第一轴1392和第二轴1394形成的平面中在360度内指引的顶点。
如图14图示的，在一个实施例中，传声器阵列1400包括三个物理传声器单元：第一物理传声器单元1420，其是具有从第一物理传声器单元1420获得的第一音频信号的角度响应1422的一阶定向单元；第二物理传声器单元1480，其是具有从第二物理传声器单元1480获得的第二音频信号的角度响应1482的全向单元；以及第三物理传声器单元1430，其是具有从第三物理传声器单元1430获得的第三音频信号的角度响应1432的一阶定向单元。
第一物理传声器单元1420沿着第一轴1492定向。第三物理传声器单元1430沿着第二轴1494定向。轴1492和轴1494可以彼此正交，在这种情况下，沿着第一轴1492定向的传声器单元(例如，第一物理传声器单元)与沿着第二轴1494定向的物理传声器单元(例如，第三物理传声器单元)之间有90度的角度分隔。在这个实施例中，主音频波束是沿着第一轴1492和第二轴1494的交叉点1496始发的向量定向的，该向量具有可以在第一轴1492和第二轴1494形成的平面中在360度内完全指引的顶点。
如图15图示的，在一个实施例中，传声器阵列1500包括六个物理传声器单元，即，第一物理传声器单元1510，其是具有从第一物理传声器单元1510获得的第一音频信号的角度响应1512的一阶定向单元；第二物理传声器单元1520，其是具有从第二物理传声器单元1520获得的第二音频信号的角度响应1522的一阶定向单元；第三物理传声器单元1570，其是具有从第三物理传声器单元1570获得的第三音频信号的角度响应1572的一阶定向单元；第四物理传声器单元1580，其是具有从第四物理传声器单元1580获得的第四音频信号的角度响应1582的一阶定向单元；第五物理传声器单元1540，其是具有从第五物理传声器单元1540获得的第四音频信号的角度响应1542的一阶定向单元；第六物理传声器单元1550，其是具有从第六物理传声器单元1550获得的第六音频信号的角度响应1552的一阶定向单元。
第一物理传声器单元1510和第二物理传声器单元1520互相以180度角度分隔并且沿着(或平行于)第一轴1592定向。第三物理传声器单元1570和第四物理传声器单元1580互相以180度角度分隔并且沿着(或平行于)第二轴1594定向。第五物理传声器单元1540和第六物理传声器单元1550互相以180度角度分隔并且沿着(或平行于)第三轴1598定向。轴1592，1594和1598可以彼此正交，在这种情况下，沿着第一轴1592定向的传声器单元(例如，第一物理传声器单元和第二物理传声器单元)与沿着第二轴1594定向的物理传声器单元(例如，第三物理传声器单元和第四物理传声器单元)之间彼此以90度的角度分隔，并且也与沿着第三轴1598定向的物理传声器单元(例如，第五物理传声器单元和第六物理传声器单元)之间具有90度角度分隔。在该实施例中，主音频波束是沿着第一轴1592，第二轴1594和第三轴1598的交叉点1596始发的向量定向的，该向量具有可以在第一轴1592，第二轴1594和第三轴1598的交叉点周围形成的球面上完全指引的顶点。
如图16图示的，在一个实施例中，传声器阵列1600包括四个物理传声器单元，即，第一物理传声器单元1620，其是具有从第一物理传声器单元1620获得的第一音频信号的角度响应1622的一阶定向单元；第二物理传声器单元1680，其是具有从第二物理传声器单元1680获得的第二音频信号的角度响应1682的一阶定向单元；第三物理传声器单元1640，其是具有从第三物理传声器单元1640获得的第三音频信号的角度响应1642的一阶定向单元；第四物理传声器单元1630，其是具有从第四物理传声器单元1630获得的第四音频信号的角度响应1632的全向单元。
第一物理传声器单元1620沿着第一轴1692定向；第二物理传声器单元1680沿着第二轴1694定向；第三物理传声器单元1640沿着第三轴1698定向；第四物理传声器单元1630在第一轴1692，第二轴1694和第三轴1698的交叉点1696上。轴1692，1694和1698可以彼此正交，在这种情况下，第一物理传声器单元1620，第二物理传声器单元1680，和第三物理传声器单元1640彼此以90度角度分隔。在这个实施例中，主音频波束是沿着第一轴1692，第二轴1694和第三轴1698的交叉点1696始发的向量定向的，该向量具有可以在第一轴1692，第二轴1694和第三轴1698的交叉点周围形成的球面上完全指引的顶点。
如上所述，公开的实施例通过产生具有低失真的定向音频信号解决了音频信号增强的问题。所公开的方法和装置允许在小器件中的传声器阵列里的区分角度的传声器单元。这样的传声器阵列允许更小的封装，产品集成，并因此减小处理引起的消耗。这样的器件可以嵌入手机，头盔传声器，助听器，便携记录设备，位置和/或定位传感器，自动系统等，以及包括上述至少一个的组合。可以利用这个音频信号阵列处理的可能的应用包括：动画和声音记录，语音备忘系统，免提电话，电话会议系统，来客接待系统，自动系统等。
这里公开的所有范围都是内含的和包括的，意思是范围“一直到大概180”或“大概90至大概180”是包含端点和范围内所有中间值的。这里所用的术语“第一”，“第二”和类似词不表示任何次序，数量或重要性，而是用于元件间彼此区分，这里的术语“一”和“一个”不表示数量的限制，而是相关物的至少一个的表示。
虽然所公开的已经结合实施例描述，但本领域技术人员可以理解，可以做不同的改变并且元件可以做等效替换而不脱离所公开的范围。另外，因此可以做许多修改以适应公开的特定情况或材料，而不脱离本质范围。因此，本发明的目的不是将其限制于作为执行本发明的最佳实施例公开的特定实施例，而是包括落入所附的权利要求范围的所有实施例。

Claims (15)

1.一种音频信号增强方法，该方法包括：
从第一物理传声器单元获得第一音频信号；
从与第一物理传声器单元定向不同的第二物理传声器单元获得第二音频信号；
阵列处理第一音频信号和第二音频信号以产生虚拟线性一阶单元；
阵列处理第一音频信号和第二音频信号以产生虚拟非线性偶次阶单元；以及
合并虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元以产生具有主音频波束的定向音频信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中将虚拟线性一阶单元加到虚拟非线性偶次阶单元以产生定向音频信号。
3.如权利要求2所述的方法，其中阵列处理第一音频信号和第二音频信号以产生虚拟非线性偶次阶单元包括：
提高一阶双向单元至偶次幂。
4.如权利要求3所述的方法，其中一阶双向单元是虚拟一阶双向单元，其通过下述方式产生：
将第一音频信号和第二音频信号做数学相减，
其中第一物理传声器单元是一阶定向单元以及第二物理传声器单元是一阶定向单元。
5.如权利要求2所述的方法，其中阵列处理第一音频信号和第二音频信号以产生虚拟线性一阶单元包括：
线性混合一阶双向单元和全向单元。
6.如权利要求5所述的方法，其中一阶双向单元是虚拟一阶双向单元，其通过下述方式产生：
将第一音频信号和第二音频信号做数学相减，
其中第一物理传声器单元是一阶定向单元以及第二物理传声器单元是一阶定向单元。
7.如权利要求5所述的方法，其中全向单元是虚拟全向单元，其通过下述方式产生：
将第一音频信号和第二音频信号做数学相加，
其中第一物理传声器单元是一阶定向单元以及第二物理传声器单元是一阶定向单元。
8.如权利要求1所述的方法，其中主音频波束沿着与至少第一物理传声器单元的方向平行的波束轴定向。
9.一种音频信号增强的设备，包括：
第一物理传声器单元，其为一阶定向单元；
第二物理传声器单元；
第一除法器，用于使用换算因数换算来自第一物理传声器单元的音频信号，以产生第一换算音频信号；
第二除法器，用于使用换算因数换算来自第二物理传声器单元的音频信号，以产生第二换算音频信号；
处理器，用于阵列处理第一换算音频信号和第二换算音频信号以产生虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元，以及合并虚拟线性一阶单元和虚拟非线性偶次阶单元以产生包括主音频波束的定向音频信号；
乘法器，用于将换算因数乘以定向音频信号。
10.如权利要求9所述的设备，其中换算因数是基于来自第一物理传声器单元和第二物理传声器单元中的最大音频信号的量值的。
11.如权利要求9所述的设备，其中第二物理传声器单元是一阶定向单元。
12.如权利要求9所述的设备，其中第二物理传声器单元是全向单元。
13.如权利要求9所述的设备，进一步包括：
第一放大器，用于校准第一物理传声器单元的增益；以及
第二放大器，用于校准第二物理传声器单元的增益。
14.如权利要求9所述的设备，其中第一物理传声器单元和第二物理传声器单元之间的距离分隔小于感兴趣的最短波长的半波长。
15.如权利要求9所述的设备，其中第一物理传声器单元和第二物理传声器单元定位为大致平行于第一轴并且彼此具有大约180度的角度分隔。
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