CN101227761A - 自动消除啸音的声音处理装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可自动消除啸音的声音处理装置。该声音处理装置包括阵列麦克风模块、数字信号处理器、功率放大器、以及扬声器。阵列麦克风模块在不同位置接收一声波并分别转换为多个声音信号，其中这些声音信号带有因声波反馈而产生的啸音。数字信号处理器包含一音束形成模块及一声学回音消除模块，该音束形成模块依据这些声音信号形成来自单一方位的音束信号以降低该啸音，且该声学回音消除模块估计并消除该音束信号带有的啸音。功率放大器放大该消除啸音后的音束信号。扬声器转换该音束信号为声波。

Description

自动消除啸音的声音处理装置与方法
技术领域
本发明涉及声音处理装置，特别是涉及声音处理装置的啸音消除。
背景技术
图1为一声音处理装置100产生啸音的示意图。声音处理器100接收并处理一声波，经过增幅之后将其播放，以形成一放大的声波。举例来说，该声音处理装置可为一声音扩大器。声音处理装置100包括麦克风102、功率放大器104以及扬声器106。麦克风102首先接收一声波并将其转换为声音信号。接着，功率放大器104放大该声音信号，扬声器106则将放大后的声音信号转换为声波。由于声波会往各方向扩散，放大后的声波有部分会反馈到麦克风102，反馈的声波再行放大，如此在短时间内不断反馈放大的结果，形成一大声而尖锐的啸音(howling)，严重影响到声音处理装置100原本放大声音的功能。因此，声音处理装置100需要方法以减低啸音的发生，以免原本放大声音的功能受到干扰。
欲解决上述啸音问题，其中一种方法便是运用指向性麦克风取代图1中的麦克风102。由于指向性麦克风仅接收某一特定方向的声波，因此可用指向性麦克风朝向受到放大后声波干扰最小的方向，可减低啸音的音量。然而，由于声音会往各方向扩散，指向性麦克风仍会收到部分反馈的声波，只是幅度较小，并不能完全消除啸音。现有技术仍有其它处理啸音问题的方法。图2为依据另一已知方法消除啸音的声音处理装置200的方块图。声音处理装置200包括麦克风202、开关模块208、功率放大器204以及扬声器206。开关模块208可将麦克风202与功率放大器204间的耦接变为开路状态。当啸音产生时，声音处理装置200便将开关模块208开路，因此麦克风202收到的啸音便无法经由功率放大器206放大，阻断啸音循环放大的过程，而使啸音自然消失。
图2的方法虽然可以完全消除啸音，然而在开关模块208开路时，连带使麦克风202接收的所有声波均无法经由功率放大器204放大，损害到声音处理装置200放大声音的功能。因此，声音处理装置需要消除啸音的方法，以避免啸音的产生干扰到声音处理装置的正常功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可自动消除啸音的声音处理装置，以解决现有技术存在的问题。该声音处理装置包括阵列麦克风模块(array microphone)、数字信号处理器(digital signal processor)、功率放大器(power amplifier)、以及扬声器。阵列麦克风模块在不同位置接收一声波并分别转换为多个声音信号，其中这些声音信号带有因声波反馈而产生的啸音。数字信号处理器包含一音束形成模块(beam forming module)及一声学回音消除模块(acoustic echocancellation module)，该音束形成模块依据这些声音信号形成来自单一方位的音束信号以降低该啸音，且该声学回音消除模块估计并消除该音束信号带有的啸音。功率放大器放大该消除啸音后的音束信号。扬声器转换该音束信号为声波。
本发明亦提供一种消除啸音装置，用于一声音处理装置。该消除啸音装置包括模拟至数字转换器、减除模块、音束形成模块(beam forming module)、声学回音消除模块(acoustic echo cancellation module)、以及数字至模拟转换器。模拟至数字转换器转换多个声音信号为多个数据流，其中这些声音信号为在不同位置接收一声波而产生，且这些声音信号带有因声波反馈产生的啸音。减除模块自这些数据流消去一声学回音消除模块所估计的啸音。音束形成模块依据这些数据流形成来自单一方位的一音束信号，以降低啸音。声学回音消除模块估计该音束信号带有的啸音。数字至模拟转换器将该音束信号自数字形式转换为模拟形式后输出。
本发明更提供一种可自动消除啸音的声音处理装置。该声音处理装置包括麦克风模块、数字信号处理器、功率放大器、及扬声器。麦克风模块转换一声波为一声音信号，其中该声音信号带有因声波反馈而产生的啸音。数字信号处理器包含一声学回音消除模块(acoustic echo cancellation module)，该声学回音消除模块估计并消除该声音信号带有的啸音。功率放大器放大该消除啸音后的声音信号。扬声器转换该声音信号为声波。
本发明亦提供一种消除声音处理装置的啸音的方法。首先，以阵列麦克风模块(array microphone)，在不同位置接收一声波并分别转换为多个声音信号。接着，运用数字信号处理器(digital signal processor)所包括的一音束形成模块(beam forming module)，依据这些声音信号形成来自单一方位的音束信号，以降低这些声音信号带有的啸音。接着并运用该数字信号处理器所包括的一声学回音消除模块(acoustic echo cancellation module)，估计该音束信号带有的啸音。最后，自该音束信号减除该声学回音消除模块所估计的啸音。
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数个优选实施例，并配合所附图示，作详细说明如下：
附图说明
图1为一声音处理装置产生啸音的示意图；
图2为依据已知方法消除啸音的声音处理装置的方块图；
图3为根据本发明的可自动消除啸音的声音处理装置的方块图；
图4为根据本发明的另一可自动消除啸音的声音处理装置的方块图；以及
图5为依据本发明消除声音处理装置的啸音的方法的流程图。
【主要组件符号说明】
100、200、300、400～声音处理装置；
102、202、302～麦克风模块；
402～阵列麦克风；
104、204、304、404～功率放大器；
106、206、306、406～扬声器；
208～开关模块；
310、410～数字信号处理器；
312、316、412、413、416～模拟至数字转换器；
314、318、414、418～数字至模拟转换器；
322、422～声学回音消除模块；
324、424～线路回音消除模块；
326、328、426、428～减除模块；以及
430～音束形成模块。
具体实施方式
图3为根据本发明的可自动消除啸音的声音处理装置300的区块图。声音处理装置300包括麦克风模块302、数字信号处理器(digital signalprocessor)310、功率放大器(power amplifier)304、以及扬声器306。麦克风模块302首先将外界的一声波转换为一声音信号S1。由于来自扬声器306的放大后声波亦有部分会自外界反馈至麦克风模块302，因此声音信号S1会带有因声波反馈所产生的啸音成分。接着声音信号S1被送至数字信号处理器310以消除啸音。声音处理装置300利用数字信号处理器3 10中的声学回音消除模块(acoustic echo cancellation module)322以自动进行啸音的消除，以减低输送至功率放大器304的信号带有的啸音。
数字信号处理器310包括模拟至数字转换器312及316、数字至模拟转换器314及318、声学回音消除模块322、线路回音消除模块(line echocancellation module)324、以及减除模块326及328。数字信号处理器310包括两个信号处理路径。第一信号处理路径的输入信号经由第一输入端输入数字信号处理器310，接着被模拟至数字转换器312自模拟信号转换为数字信号，经过各式处理后，再经由数字至模拟转换器314自数字信号转换为模拟信号后自第一输出端输出。同样的，第二信号处理路径的输入信号经由第二输入端输入数字信号处理器310，接着被模拟至数字转换器316自模拟信号转换为数字信号，经过各式处理后，再经由数字至模拟转换器318自数字信号转换为模拟信号后自第二输出端输出。
耦接在第一与第二信号处理路径间的有两个回音消除模块，声学回音消除模块322与线路回音消除模块324。声学回音消除模块可通过算法估计第一与第二信号处理路径间的声学回音(acoustic echo)，例如最小平方自适应算法(least-mean-square self-adaptive algorithm)。线路回音消除模块324则用以消除第一、第二信号处理路径上因为声音信号传递线路上的阻抗不匹配产生的回音。
声音信号S1首先经由第一输入端输入数字信号处理器310。接着，模拟声音信号S1被模拟至数字转换器312转换为数字型态的数据流(datastream)S2。减除模块326接着将声学回音消除模块322所产生的啸音估计值S6自数据流S2减除以形成数据流S3，因此此时数据流S3带有的啸音成分便大为减少。数据流S3接着由数字至模拟转换器314转换为模拟型态的声音信号S4后经由第一输出端输出。
由于必须运用声学回音消除模块322估计声音信号带有的啸音成分，而声学回音消除模块322耦接于第一与第二信号处理路径间，因此声音信号S4必须再度输入数字信号处理器310的第二路径。当自第二输入端输入数字信号处理器310后，声音信号S4首先由模拟至数字转换器316转换为数字型态的数据流S5。接着，声学回音消除模块322估计数据流S5所带有的啸音以产生啸音估计值S6，此啸音估计值S6经由减除模块326自数据流S2消去。最后，数字至模拟转换器318将数据流S5转换为模拟型态的声音信号S7后经由第二输出端输出。必须注意的是，为了防止线路回音消除模块324把声音信号当成线路回音而去除，线路回音消除模块324必须全程被关闭。
接着，功率放大器304将声音信号S7放大后输出为声音信号S8。扬声器306接着转换声音信号S8为声波后输出到外界。由于自数字信号处理器310输出的声音信号S7便已不带有啸音成分，此时放大后的声波亦不带有啸音成分。因此，即使放大后的声波再反馈至麦克风模块302，其因而产生的啸音成分亦会再度被数字信号处理器310的声学回音消除模块322所消除。依据实际测试结果，声学回音消除模块322约可造成啸音成分30～35dB的衰减。
虽然声音处理装置300能消除部分啸音成分，但啸音衰减率不够大，造成啸音衰减的速度较慢。因此本发明更运用阵列麦克风(array microphone)与数字信号处理器的音束形成模块(beam forming module)，进一步增加啸音成份的衰减，以除去声音信号带有的啸音。图4为根据本发明的可自动消除啸音的声音处理装置400的区块图。声音处理装置400与声音处理装置300大致相同，但增加了阵列麦克风模块402与音束形成模块430。
阵列麦克风模块402首先在不同位置接收一声波并分别转换为多个声音信号，包括图4中的S1A与S1B，其中声音信号S1A与S1B带有因声波反馈所产生的啸音成分。虽然麦克风403与404接收的是同一声波，但由于在不同位置接收，因此所产生声音信号S1A与S1B会因接收位置空间上差异而有相位与振幅的不同。图4中虽仅绘出403、405两个麦克风以进行说明，但阵列麦克风模块402可包含更多麦克风，以产生带有不同相位差的多个声音信号。接着，声音信号S1A与S1B经由第一输入端分别被送至数字信号处理器410以消除啸音。
同样地，数字信号处理器410亦包括第一与第二两个信号处理路径。首先，模拟声音信号S1A与S1B分别被模拟至数字转换器412、413转换为数字型态的数据流S2A与S2B。减除模块426接着将声学回音消除模块422所产生的啸音估计值S6自数据流S2A减除以形成数据流S2A’，因此此时数据流S2A’带有的啸音成分便大为减少。音束形成模块430接着依据数据流S2A’与S2B相位与振幅的差异，以估计空间中来自某一方位的音束信号S3。由于数据流S2A’与S2B是于不同接收位置的麦克风产生的，两者间的相位与振幅差异可用以估计来自单一方位的音束信号，更可藉此滤除来自另一方向的扬声器406所产生的啸音成分，因此音束信号S3带有的啸音受到进一步的衰减。音束信号S3接着由数字至模拟转换器414转换为模拟型态的音束信号S4后经由第一输出端输出。
接着，模拟音束信号S4再度自第二输入端输入数字信号处理器410。模拟音束信号S4首先由模拟至数字转换器416转换为数字型态的音束信号S5。接着，声学回音消除模块422估计数字音束信号S5所带有的啸音以产生啸音估计值S6，此啸音估计值S6经由减除模块426自数据流S2A消去。最后，数字至模拟转换器418将数字音束信号S5转换为模拟型态的音束信号S7后经由第二输出端输出。同样地，此时线路回音消除模块424必须全程被关闭。
接着，功率放大器404将音束信号S7放大后输出为音束信号S8。扬声器306接着转换音束信号S8为声波后输出到外界。由于自数字信号处理器410输出的音束信号S7便已不带有啸音成分，此时放大后的声波亦不带有啸音成分。因此，即使放大后的声波再反馈至麦克风模块402，其因而产生的啸音成分亦会再度被数字信号处理器410的声学回音消除模块422与音束形成模块430所消除。依据实际测试结果，声学回音消除模块422约可造成啸音成分30～35dB的衰减，而音束形成模块430可额外进一步造成啸音成分20dB的衰减。
图5为依据本发明消除声音处理装置的啸音的方法500的流程图。首先，于步骤502中关闭数字信号处理器所包括的线路回音消除模块。接着，于步骤504中以阵列麦克风模块，在不同位置接收一音波并分别转换为多个声音信号。接着，于步骤506中运用数字信号处理器所包括的一音束形成模块，依据这些声音信号形成来自单一方位的音束信号，以降低这些声音信号带有的啸音。接着，于步骤508中运用数字信号处理器所包括的一声学回音消除模块，估计该音束信号带有的啸音。最后，于步骤510中自该音束信号减除该声学回音消除模块所估计的啸音。因此，经过步骤506与510两次的衰减，原本声音信号带有的啸音会大幅度的消除。
本发明提供一种可自动消除啸音的声音处理装置。该声音处理装置包含一阵列麦克风模块以及包含有音束形成模块与声学回音消除模块的数字信号处理器。由于声音信号带有的啸音可藉由数字信号处理器的音束形成模块与声学回音消除模块进行双重的衰减，而大幅的消除原本声音信号带有的啸音，从而增进声音处理装置的效能。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种可自动消除啸音的声音处理装置，包括：
阵列麦克风模块，在不同位置接收一声波并分别转换为多个声音信号，其中这些声音信号带有因声波反馈而产生的啸音；
数字信号处理器，耦接至该阵列麦克风模块，包含一音束形成模块及一声学回音消除模块，该音束形成模块依据这些声音信号形成来自单一方位的音束信号以降低该啸音，且该声学回音消除模块估计并消除该音束信号带有的啸音；
功率放大器，耦接至该数字信号处理器，放大该消除啸音后的音束信号；以及
扬声器，耦接至该功率放大器，转换该音束信号为声波。
2.如权利要求1所述的可自动消除啸音的声音处理装置，其中该数字信号处理器包括：
多个第一模拟至数字转换器，转换这些声音信号为多个数据流；
减除模块，耦接至这些第一模拟至数字转换器，自这些数据流消去该声学回音消除模块所估计的啸音；
该音束形成模块，耦接至这些第一模拟至数字转换器及该减除模块，依据这些数据流形成来自单一方位的该音束信号，以降低啸音；
该声学回音消除模块，耦接至该音束形成模块，估计该音束信号带有的啸音；以及
第一数字至模拟转换器，耦接至该音束形成模块，将该音束信号自数字形式转换为模拟形式。
3.如权利要求2所述的可自动消除啸音的声音处理装置，其中该数字信号处理器还包括一线路回音消除模块，耦接于该音束形成模块的输出端与该声学回音消除模块的输入端之间，该线路回音消除模块被关闭。
4.如权利要求2所述的可自动消除啸音的声音处理装置，其中该声学回音消除模块及该第一数字至模拟转换器并不直接耦接至该音束形成模块，而该数字信号处理器还包括：
第二数字至模拟转换器，耦接至该音束形成模块，将该音束信号自数字形式转换为模拟形式后输出到该数字信号处理器的一输出端，其中该输出端与该数字信号处理器的一输入端相连；以及
第二模拟至数字转换器，耦接至该数字信号处理器的该输入端，将该音束信号自模拟形式转换为数字形式后输出到该声学回音消除模块及该第一数字至模拟转换器的输入端。
5.一种可自动消除啸音的声音处理装置，包括：
麦克风模块，转换一声波为一声音信号，其中该声音信号带有因声波反馈而产生的啸音；
数字信号处理器，耦接至该麦克风模块，包含一声学回音消除模块，该声学回音消除模块估计并消除该声音信号带有的啸音；
功率放大器，耦接至该数字信号处理器，放大该消除啸音后的声音信号；以及
该扬声器，耦接至该功率放大器，转换该声音信号为声波。
6.如权利要求5所述的可自动消除啸音的声音处理装置，其中该数字信号处理器包括：
模拟至数字转换器，转换该声音信号为一数据流；
减除模块，耦接至该模拟至数字转换器，自该数据流消去该声学回音消除模块所估计的啸音；
该声学回音消除模块，耦接至该减除模块，估计该数据流带有的啸音；以及
数字至模拟转换器，耦接至该减除模块，将该数据流自数字形式转换为模拟形式的声音信号。
7.如权利要求6所述的可自动消除啸音的声音处理装置，其中该数字信号处理器还包括一线路回音消除模块，耦接于该减除模块的输出端与该声学回音消除模块的输入端之间，该线路回音消除模块被关闭。
8.一种消除啸音装置，用于一声音处理装置，包括：
模拟至数字转换器，转换多个声音信号为多个数据流，其中这些声音信号为在不同位置接收一声波而产生，且这些声音信号带有因声波反馈产生的啸音；
减除模块，耦接至该模拟至数字转换器，自这些数据流消去一声学回音消除模块所估计的啸音；
音束形成模块，耦接至该模拟至数字转换器及该减除模块，依据这些数据流形成来自单一方位的一音束信号，以降低啸音；
该声学回音消除模块，耦接至该音束形成模块，估计该音束信号带有的啸音；以及
数字至模拟转换器，耦接至该音束形成模块，将该音束信号自数字形式转换为模拟形式后输出。
9.如权利要求8所述的消除啸音装置，其中该声音处理装置包括一阵列麦克风模块，包含在不同位置的多个麦克风，用以产生这些声音信号。
10.如权利要求8所述的消除啸音装置，其中该声音处理装置包括：
功率放大器，耦接至该消除啸音装置，放大该消除啸音后的音束信号；以及
扬声器，耦接至该功率放大器，转换该音束信号为声波。
11.如权利要求8所述的消除啸音装置，其中该消除啸音装置还包括一线路回音消除模块，耦接于该音束形成模块的输出端与该声学回音消除模块的输入端之间，该线路回音消除模块被关闭。
12.一种消除声音处理装置的啸音的方法，包括下列步骤：
以阵列麦克风模块，在不同位置接收一声波并分别转换为多个声音信号；
运用数字信号处理器所包括的一音束形成模块，依据这些声音信号形成来自单一方位的音束信号，以降低这些声音信号带有的啸音；
运用该数字信号处理器所包括的一声学回音消除模块，估计该音束信号带有的啸音；以及
自该音束信号减除该声学回音消除模块所估计的啸音。
13.如权利要求12所述的消除声音处理装置的啸音的方法，还包括关闭该数字信号处理器所包括的一线路回音消除模块。
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