CN101682820A

CN101682820A - 广域小阵列麦克风声束形成单元

Info

Publication number: CN101682820A
Application number: CN200780049669A
Authority: CN
Inventors: 张铭; 白宛杰
Original assignee: Fortemedia Inc
Current assignee: Fortemedia Inc
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2010-03-24
Also published as: TW200830924A; TWI355207B; US7848529B2; US20080170715A1; WO2008085561A1

Abstract

一种广域小阵列麦克风声束形成单元，用以调整一声束方向并减低一参考信道的内部噪声，其包括第一全向性麦克风根据输入音源产生信号X1(t)，第二全向性麦克风根据输入音源产生信号X2(t)，第一延迟单元延迟信号X1(t)时间T以产生信号X1(t－T)，第二延迟单元延迟信号X2(t)时间T以产生信号X2(t－T)，第一减法器将信号X2(t)减信号X1(t－T)以产生信号R(t)＝X2(t)－X1(t－T)，第二减法器将信号X1(t)减信号X2(t－T)以产生信号L(t)＝X1(t)－X2(t－T)，第三延迟单元延迟信号R(t)D个取样时间以产生信号R’(t)＝R(t－D)，增益功能单元将信号L(t)和功能函数G(t)卷积以产生信号L’(t)＝L(t)－G*(t－T)，减法器将信号R’(t)减信号L’(t)以产生信号B’(t)＝R’(t)－L’(t)。

Description

广域小阵列麦克风声束形成单元

技术领域

本发明涉及广域小阵列麦克风声束形成单元，特别是涉及低噪声调整声束的广域小阵列麦克风声束形成单元。

背景技术

许多通讯系统和语音辨识装置皆被设计用来抑制噪声，例如应用在车用通讯或移动环境上(例如：街道上)的语音辨识，针对这些应用系统中的麦克风不止录到想要的声音也同时录到噪声，假如没有有效方法处理这些噪声，这些噪声会使通讯质量恶化并降低语音辨识效能。

在许多通讯系统以及语音辨识装置中通常需要藉由抑制噪声来改善通讯质量以及语音辨识效能。噪声抑制可藉由许多不同的技术来实现，这些技术被分类为单麦克风技术以及阵列麦克风技术。

单麦克风噪声降低技术是在频谱中去抑制噪声，若采用频谱噪声降低技术，噪声的总频谱能量可以被估计出来，然后从具有噪声的语音信号中去降低噪声，由于被降低噪声的语音信号的相位与原具有噪声的语音信号的相位相同，所以语音信号失真的情形可以降到最低，频谱噪声降低技术对于降低固定噪声有效，但是对于降低非固定噪声则就不那么有效，并且即使是固定噪声，在低讯号噪声比(SNR)情况下，这些技术往往会使原语音信号失真。

阵列麦克风噪声降低技术是使用设置于不同位置并且彼此分隔最小距离的多麦克风来形成声束。一般来说，该声束是拾波用来降低声束外部拾波噪声的语音。因此，阵列麦克风技术可抑制非定性噪声。然而，多麦克风本身亦会产生更多的噪声。

因此，期望发展出一种可有效抑制通讯系统与语音辨识装置中噪声的方法。

发明内容

本发明将于下述实施例及其参照附图中予以详述。

本发明提供一种广域小阵列麦克风声束形成单元用以调整一声束方向并减低一参考信道的内部噪声，其包括第一全向性麦克风、第二全向性麦克风、第一延迟单元、第二延迟单元、第一减法器、第二减法器、第三延迟单元、增益功能单元和减法器。第一全向性麦克风根据一输入音源产生一第一信号X1(t)，第二全向性麦克风根据输入音源产生一第二信号X2(t)，第一延迟单元延迟第一信号X1(t)一时间T以产生一第三信号X1(t-T)，第二延迟单元延迟第二信号X2(t)时间T以产生一第四信号X2(t-T)，第一减法器将第二信号X2(t)减第三信号X1(t-T)以产生一第五信号R(t)＝X2(t)-X1(t-T)，第二减法器将第一信号X1(t)减第四信号X2(t-T)以产生一第六信号L(t)＝X1(t)-X2(t-T)，第三延迟单元延迟第五信号R(t)D个取样时间以产生一第七信号R’(t)＝R(t-D)，增益功能单元将第六信号L(t)和一功能函数G(t)卷积以产生一第八信号L’(t)＝L(t)-G*(t-T)，减法器将第七信号R’(t)减第八信号L’(t)以产生一第九信号B’(t)＝R’(t)-L’(t)。

本发明提供一种广域小阵列麦克风声束形成单元用以调整一声束方向并减低一参考信道的内部噪声，其包括第一声音变化检测器、第二声音变化检测器、第一延迟单元、第二延迟单元、第一自适应滤波器和第二自适应滤波器。第一声音变化检测器VAD1检测第一信号A(t)和第二信号B’(t)的关联性部份以产生一相关信号V1(t)，第二声音变化检测器VAD2检测第一信号A(t)和第二信号B’(t)的非关联性部份以产生一非相关信号V2(t)，第一延迟单元延迟第二信号B’(t)D1个取样时间以产生第三信号B’(t-D1)，第二延迟单元延迟第二信号B’(t)D2个取样时间以产生一第四信号B’(t-D2)，第一自适应滤波器根据相关信号V1(t)将第一信号A(t)和第三信号B’(t-D1)的相关部份压制并留下不相关部份以产生一第五信号C(t)，第二自适应滤波器根据非相关信号V2(t)将第四信号B’(t-D2)和第五信号C(t)的不相关部份压制以产生一第六信号B”(t)。

附图说明

藉由读取随后的详细说明以及参照其附图的范例，将可完全了解本发明，其中附图包括：

图1示出了根据本发明一实施例的广域小阵列麦克风声束形成的示意图；

图2示出了根据本发明另一实施例的参考信道声束形成单元的示意图；

图3示出了根据本发明另一实施例的参考信道声束形成单元的示意图；

图4示出了根据本发明另一实施例的主信道声束产生单元的示意图；以及

图5示出了根据本发明另一实施例的参考信道声束形成单元的示意图。

具体实施方式

下文为介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围应以本发明的权利要求为准。

图1示出了根据本发明一实施例的广域小阵列麦克风声束形成的示意图，如图1所示，两全向性麦克风10和20并列设置在不同位置以产生双信道以形成一声束，其中一为参考信道，另一为主信道，将两全向性麦克风10和20分别产生的信号相加以提供给具有全向性主叶(Omni-directionallobe)60的主通道使用，全向性麦克风10和20可形成两具有单一主叶40和50的指向性麦克风，其中一主叶指向右边，另一主叶指向左边，具有单一主叶的的两指向性麦克风还可以形成一双指向麦克风以提供给参考信道使用。单音源30设置于距离两单主叶40和50相同距离的交叉点(Cross point)或是相对于双指向麦克风的零点(null point)，在本发明中，双指向麦克风被参考信道使用，其中一全向性麦克风被主信道使用，以形成一窄声束指向音源30。

藉由全向性麦克风形成具有两单主叶的双指向麦克风时，参考信道会产生额外的噪声，尤其是在低频端，这些噪声会耦合至主通道并进而影响到声音的质量和减低噪声抑制的效果，另外双指向麦克风的零点(null point)决定了声束的方向，在一例子中，声束方向是固定的，有可能不适合某一些应用，在本发明中，声束的方向是可以调整以应用于一些特殊的应用。

图2示出了根据本发明另一实施例的参考信道声束形成单元200的示意图，两全向性麦克风211和212形成具有单主叶的两指向性麦克风，其中一主叶指向左边，另一主叶指向右边，全向性麦克风211和212分别设置不同位置并相距d1的距离，分别根据输入声音产生信号X1(t)和X2(t)，延迟单元213接收信号X1(t)并延迟信号X1(t)一延迟时间T以产生信号X1(t-T)，延迟单元214接收信号X2(t)并延迟信号X2(t)一延迟时间T以产生信号X2(t-T)，减法器215将信号X2(t)减X1(t-T)以产生信号R(t)＝X2(t)-X1(t-T)，信号R(t)为指向右边的指向麦克风的信号，减法器216将信号X1(t)减X2(t-T)以产生信号L(t)＝X1(t)-X2(t-T)，信号L(t)为指向左边的指向麦克风的信号，这两指向麦克风的指向图腾(polar pattern)是由延迟时间T来决定的，减法器217将信号R(t)减信号L(t)以产生参考信道信号B(t)＝R(t)-L(t)以供双指向麦克风使用，然而指向麦克风的零点(null)是固定的，也就是指向图腾的方向是垂直于两麦克风的联机，然而，利用上述方法形成的双指向麦克风会造成更多噪声，原因是因为两麦克风的内部噪声是各自独立的噪声，因此在形成双指向麦克风时，内部噪声并不能被抵销，另外，由于形成双指向麦克风时，低频信号会损失，因而常需要在增强低频部份的信号，而同时低频部份的噪声也同时被增强，因此信噪比(SNR)在低频端往往也比较低或较差。

图3示出了根据本发明另一实施例的参考信道声束形成单元200的示意图，图3的参考信道声束形成单元300是将图2的参考信道声束形成单元200修改而来的，参考信道声束形成单元300可以调整声束方向至特定范围以避免压制到想要取得的音源，双全向性麦克风311和312形成两具有单主叶的方向性麦克风，其中一主叶指向左边另一主叶指向右边，全向性麦克风311和312分开设置在不同位置并距离d1并根据输入声音分别产生信号X1(t)和X2(t)，延迟单元313接收信号X1(t)并延迟信号X1(t)一延迟时间T以产生信号X1(t-T)，延迟单元314接收信号X2(t)并延迟信号X2(t)一延迟时间T以产生信号X2(t-T)，减法器315将信号X2(t)减X1(t-T)以产生信号R(t)＝X2(t)-X1(t-T)，信号R(t)为指向麦克风指向右边的信号，D取样(D-sample)延迟单元317延迟信号R(t)D个取样时间以产生信号R’(t)＝R(t-D)，减法器316将信号X1(t)减X2(t-T)以产生信号L(t)＝X1(t)-X2(t-T)，信号L(t)为指向麦克风指向左边的信号，增益功能单元(gain function unit)318将信号L(t)与功能函数G(t)卷积以产生信号L’(t)＝L(t)-G*(t-T)，减法器319将信号R’(t)减信号L’(t)以产生参考信道信号B’(t)＝R’(t)-L’(t)，增益函数G(t)是根据参考信道信号B’(t)并采用适应滤波算法(adaptive filtering algorithm)来得到，在本发明一实施例中，增益函数G(t)的调整是根据参考信道信号B’(t)并且调整到使参考信道信号B’(t)极小化(minimize)，在本发明另一实施例中，加入一些限制至增益函数G(t)上以限制其范围，例如：Th1(i)＜||G(t-i)||＜Th2(i)，其中Th(i)为限制函数，例如：D＝1，增益函数G(t-i)为三个(tap)，Th1(i)＝[0.1，0.5，0.1]和Th2(i)＝[0.2，1.5，0.2]。

图4示出了根据本发明另一实施例的主信道声束产生单元400的示意图，全向性麦克风311和312分别产生信号X1(t)和X2(t)，加法器320将信号X1(t)加信号X2(t)以产生主信道信号A(t)，在另一实施例中，主信道信号可以是信号X1(t)和X2(t)的其中一(图4未显示)。

图5示出了根据本发明另一实施例的参考信道声束形成单元500的示意图，参考信道声束形成单元500在双指向麦克风形成时将内部噪声信号减少以改善参考信道信号B”(t)以利声束形成，主信道信号A(t)被传送至自适应滤波器(adaptive filter)501、声音变化检测器(voice activity detector)VAD1和VAD2，参考信道信号B’(t)被传送至延迟单元503和504以及声音变化检测器VAD1和VAD2，延迟单元503延迟参考信道信号B’(t)D1取样时间，以产生信号B’(t-D1)，然后传送信号B’(t-D1)至自适应滤波器501，延迟单元504延迟参考信道信号B’(t)D2取样时间，以产生信号B’(t-D2)，然后传送信号B’(t-D2)至自适应滤波器502，在本发明一实施例中，延迟取样时间D2比延迟取样时间D1长，声音变化检测器VAD1和VAD2检测参考信道信号B’(t)和主信道信号A(t)彼此之间的关连性，例如：当VAD＝1表示参考信道信号B’(t)和主信道信号A(t)之间有相关，自适应滤波器501接收主信道信号A(t)和信号B’(t-D1)后并根据相关信号V1(t)过滤主信道信号A(t)和信号B’(t-D1)以产生信号C(t)，其中信号C(t)是压制主信道信号A(t)和信号B’(t-D1)的相关的部份，留下其不相关的部份的信号，将限制1加到自适应滤波器501上以减低剩余的期望声音(residual desired voice)，限制1的范围为|C(t)|＜|B’(t-D1)|，因为两麦克风的内部噪声是互不相关连的，而声音(voice)部份是相关连的，因此信号C(t)可以视为压制期望声音而保留内部噪声的信号，信号C(t)和B”(t-D2)皆被送至自适应滤波器502，自适应滤波器502是被声音变化检测器VAD2所传送的非相关信号V2(t)所控制的，这里的声音变化检测器VAD2只负责检测互不关连的噪声部份，将限制2加至自适应滤波器502上以限制过份滤波部份以改善噪声压抑，限制2的范围为W(i)＝W(i)/||W(i)||，自适应滤波器502过滤信号C(t)和B”(t-D2)以产生压制不相关连杂讯的参考信道信号B”(t)。

本发明提供一参考信道声束形成单元以减低参考信道信号的内部噪声，减少噪声耦合并增强声束形成的效能，尤其是在低频方面，并引进参数T以调整声束方向变动在一定范围内，进而增加弹性和减低期望声音被压制。

本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims

1.一种广域小阵列麦克风声束形成单元，用以调整一声束方向并减低一参考信道的内部噪声，包括：

一第一全向性麦克风，根据一输入音源产生一第一信号X1(t)；

一第二全向性麦克风，根据上述输入音源产生一第二信号X2(t)；

一第一延迟单元，延迟上述第一信号X1(t)一时间T以产生一第三信号X1(t-T)；

一第二延迟单元，延迟上述第二信号X2(t)上述时间T以产生一第四信号X2(t-T)；

一第一减法器，将上述第二信号X2(t)减上述第三信号X1(t-T)以产生一第五信号R(t)＝X2(t)-X1(t-T)；

一第二减法器，将上述第一信号X1(t)减上述第四信号X2(t-T)以产生一第六信号L(t)＝X1(t)-X2(t-T)；

一第三延迟单元，延迟上述第五信号R(t)D个取样时间以产生一第七信号R’(t)＝R(t-D)；

一增益功能单元，将上述第六信号L(t)和一功能函数G(t)卷积以产生一第八信号L’(t)＝L(t)-G*(t-T)；以及

一减法器，将上述第七信号R’(t)减上述第八信号L’(t)以产生一第九信号B’(t)＝R’(t)-L’(t)。

2.如权利要求1所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述功能函数G(t)根据上述第九信号B’(t)来作调整。

3.如权利要求2所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述功能函数G(t)是根据上述第九信号B’(t)作调整使上述第九信号B’(t)减到最小。

4.如权利要求1所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，还包括一加法器，上述加法器将上述第一信号X1(t)加上述第二信号X2(t)以产生一第十信号A(t)＝X1(t)+X2(t)。

5.如权利要求4所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，还包括：

一第一声音变化检测器VAD1检测上述第十信号A(t)和上述第九信号B’(t)的关联性部份以产生一相关信号V1(t)；

一第二声音变化检测器VAD2检测上述第十信号A(t)和上述第九信号B’(t)的非关联性部份以产生一非相关信号V2(t)；

一第四延迟单元，延迟上述第九信号B’(t)D1个取样时间以产生一第十一信号B’(t-D1)；

一第五延迟单元，延迟上述第九信号B’(t)D2个取样时间以产生一第十二信号B’(t-D2)；

一第一自适应滤波器，根据上述相关信号V1(t)将上述第十信号A(t)和上述第十一信号B’(t-D1)的相关部份压制并留下不相关部份以产生一第十三信号C(t)；

一第二自适应滤波器，根据上述非相关信号V2(t)将上述第十二信号B’(t-D2)和上述第十三信号C(t)的不相关部份压制以产生一第十四信号B”(t)。

6.如权利要求5所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述第一自适应滤波器具有一第一限制以使上述第十三信号的绝对值小于上述第十一信号的绝对值|C(t)|＜|B′(t-D1)|。

7.如权利要求5所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述第二自适应滤波器具有一第二限制W(i)＝W(i)/||W(i)||。

8.如权利要求1所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述第一全向性麦克风和上述第二全向性麦克风相距一预设距离。

9.一种广域小阵列麦克风声束形成单元，用以调整一声束方向并减低一参考信道的内部噪声，包括：

一第一声音变化检测器VAD1检测一第一信号A(t)和一第二信号B’(t)的关联性部份以产生一相关信号V1(t)；

一第二声音变化检测器VAD2检测上述第一信号A(t)和上述第二信号B’(t)的非关联性部份以产生一非相关信号V2(t)；

一第一延迟单元，延迟上述第二信号B’(t)D1个取样时间以产生一第三信号B’(t-D1)；

一第二延迟单元，延迟上述第二信号B’(t)D2个取样时间以产生一第四信号B’(t-D2)；

一第一自适应滤波器，根据上述相关信号V1(t)将上述第一信号A(t)和上述第三信号B’(t-D1)的相关部份压制并留下不相关部份以产生一第五信号C(t)；

一第二自适应滤波器，根据上述非相关信号V2(t)将上述第四信号B’(t-D2)和上述第五信号C(t)的不相关部份压制以产生一第六信号B”(t)。

10.如权利要求9所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述第一自适应滤波器具有一第一限制以使上述第五信号的绝对值小于上述第三信号的绝对值|C(t)|＜|B′(t-D1)|。

11.如权利要求9所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述第二自适应滤波器具有一第二限制W(i)＝W(i)/||W(i)||。

12.如权利要求9所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中一处理单元接收来自两全向性麦克风的信号产生上述第一信号A(t)和上述第二信号B(t)。

13.如权利要求12所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，

一第一全向性麦克风，根据一输入音源产生一第七信号X1(t)；

一第二全向性麦克风，根据上述输入音源产生一第八信号X2(t)；

一第三延迟单元，延迟上述第七信号X1(t)一时间T以产生一第九信号X1(t-T)；

一第四延迟单元，延迟上述第八信号X2(t)上述时间T以产生一第十信号X2(t-T)；

一第一减法器，将上述第八信号X2(t)减上述第九信号X1(t-T)以产生一第十一信号R(t)＝X2(t)-X1(t-T)；

一第二减法器，将上述第七信号X1(t)减上述第十信号X2(t-T)以产生一第十二信号L(t)＝X1(t)-X2(t-T)；

一第五延迟单元，延迟上述第十一信号R(t)D个取样时间以产生一第十三信号R’(t)＝R(t-D)；

一增益功能单元，将上述第十二信号L(t)和一功能函数G(t)卷积以产生一第十四信号L’(t)＝L(t)-G*(t-T)；以及

一减法器，将上述第十三信号R’(t)减上述第十四信号L’(t)以产生上述第二信号B’(t)＝R’(t)-L’(t)。

14.如权利要求13所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述功能函数G(t)根据上述第二信号B’(t)来作调整。

15.如权利要求14所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述功能函数G(t)是根据上述第二信号B’(t)作调整使上述第二信号B’(t)减到最小。

16.如权利要求13所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，还包括一加法器，上述加法器将上述第七信号X1(t)加上述第八信号X2(t)以产生上述第一信号A(t)＝X1(t)+X2(t)。

17.如权利要求13所述的广域小阵列麦克风声束形成单元，其中上述第一全向性麦克风和上述第二全向性麦克风相距一预设距离。