CN101821585A - 自动传感器信号匹配 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种用于匹配第一信号和第二信号的方法包括：在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到相关联的频率区间内，生成与每个频率区间相关联的缩放比，和为这两个信号中的至少一个信号，或为从这两个信号之一导出的至少第三信号，以与每个频率区间相关联的缩放比来缩放与该频率区间相关联的频率分量。所述产生包括在非启动时期，为每个频率区间确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个这种信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，则在计算缩放比时使用该信号比。

Description

自动传感器信号匹配

技术领域

本公开一般地涉及信号的多个版本的匹配，例如，由耳机、耳塞或其它通信设备中的多个麦克风产生的各版本的匹配。

背景技术

在收集同一信号或多个信号的多个不同版本的许多应用中，需要传感器信号的匹配。作为任意设备或系统内的固有变化的结果，各个传感器的灵敏度彼此不同，并且因此即使它们具有相同的输入信号，所产生的电输出信号可能不相同。类似地，多个信号处理电子设备(例如，传感器信号预处理电路)中存在固有变化，它们可能给应当相同的信号添加更多的不同。多传感器或传感器阵列应用的范围从医疗诊断成像系统(超生波成像器、MRI扫描器、PET扫描器)到水下声纳系统、雷达、无线电和蜂窝通信、用于射程检测或语音拾取的麦克风系统。

由于单个麦克风系统，尤其是在高噪声场合中，正迅速接近性能极限，多传感器声音拾取系统正变得愈发常见。多麦克风系统提供显著改进的性能能力，并且因此特别是在操作状态不可预测的移动应用的使用中更受欢迎。出于这个原因，多麦克风拾取系统以及相关联的多麦克风信号调整处理现在被用于诸如耳机、蜂窝手机、汽车和货车行动电话音频接口装置、舞台麦克风、助听器等的许多产品中。

已经开发了依赖麦克风阵列提供相同声学信号的各种空间分离测量的许多系统。例如，除了公知的波束成形方法之外，现在还有广义旁瓣抵消器(GSC)、盲信号分离(BSS)系统、基于相位的降噪方法、Griffiths-Jim波束成形器和大量其它技术，所有这些技术都旨在改进所希望的信号的拾取以及降低或消除不希望的信号。

然而，伴随着多麦克风拾取系统的益处出现了新的挑战。一个主要的挑战是实现这些系统的性能潜力需要良好匹配传感器信号，该处理通常被称为“麦克风匹配”。这是由于，取决于系统的特定细节，幅值失配、相位失配或这两者可能严重降低性能。虽然这些系统中的每个系统对麦克风失配的容限不同，但是大部分系统对即使小量的失配也十分敏感。

在许多应用中，一旦被安装在麦克风壳体内并且被以应用预期的方式放置或佩戴，即使良好匹配的麦克风元件也会具有显著不同的响应特性。甚至与用户相关的变量也可能对麦克风阵列中的各个麦克风的响应特性具有显著不同的影响。

对多麦克风系统的另一个关注是可制造性。预先匹配的麦克风昂贵，并且可能会由于时间(老化)、温度、湿度和本地声学环境的改变而发生特性改变。因此，即使当麦克风出厂时是匹配的，它们在使用中会出现漂移。如果为了遏制成本而使用便宜的麦克风，它们通常具有±3dB的现货灵敏度容限，在两个元件的阵列中，这意味着该对麦克风具有±6dB的灵敏度差异，即，12dB的范围。另外，失配可能随频率而改变，所以简单的宽带增益调整通常不足以纠正整个问题。这对于与频率相关的失配是常见的而不是个别现象的单指向性压力梯度麦克风尤为关键。

使得这些系统以其最高水平操作需要一种能够执行多个传感器信号的与频率相关的实时匹配的自动的、健壮的、准确的并且动作迅速的传感器灵敏度差异校正系统，该系统有时被称为传感器匹配系统。

发明内容

如此处所述，用于匹配第一信号和第二信号的方法包括在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到至少一个相关联的频带内，生成与每个频带相关联的缩放比，并且为这两个信号中的至少一个信号，或为从这两个信号中的至少一个信号导出的至少第三信号，以与每个频带相关联的缩放比来缩放与该频带相关联的频率分量。所述产生包括在非启动时期，为每个频带确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个这种信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，在计算缩放比时使用该信号比。

此处还描述了一种用于匹配第一信号和第二信号的装置。该装置包括用于在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到至相关联的频带内的装置，用于生成与每个频带相关联的缩放比的装置，以及用于为这两个信号中的至少一个信号，或从这两个信号中的至少一个信号导出的至少第三信号，以与每个频带相关联的缩放比缩放与该频带相关联的频率分量的装置。所述产生包括在非启动时期，为每个频带确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，在计算缩放比时使用该信号比。

此处还描述了一种机器可读的程序存储设备，该程序存储设备包含用于执行匹配第一信号和第二信号的方法的机器可执行指令的程序。该方法包括在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到相关联的频带内，生成与每个频带相关联的缩放比，并且为这两个信号中的至少一个信号，或从这两个信号中的至少一个信号导出的至少第三信号，以与每个频带相关联的缩放比缩放与该频带相关联的频率分量。所述产生包括在非启动时期，为每个频带确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，在计算缩放比时使用该信号比。

此处还描述了一种用于匹配与第一输入信号和第二输入信号相关联的特性差异的系统。该系统包括用于确定特性差异的电路，用于基于该特性差异产生调整值的电路，用于确定该调整值何时是可用调整值的电路，以及用于按照可用调整值，调整第一输入信号或第二输入信号中的至少一个，或从第一输入信号或第二输入信号中的至少一个得出的至少第三信号的电路。

此处还描述了一种用于匹配第一信号和第二信号的方法，该方法包括在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到至少一个相关联的频带内，产生与每个频带相关联的校正因子，并且为两个信号中的至少一个信号，或从这两个信号中的至少一个导出的至少第三信号，通过算数地组合与每个频带相关联的所述信号的所述校正因子，校正与每个频带相关联的至少一个频率分量。所述产生包括为每个频带的第一信号和第二信号的信号差异，确定每个信号差异的可用性，并且如果确定该信号差异可用，在计算所述校正因子时使用这种信号差异。

附图说明

结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了实施例的一个或多个例子，并且与对示例实施例的描述一起用于解释这些实施例的原理和实现。

在附图中：

图1是一种常见信号处理系统的前端的方框图，图中示出了可以在该信号处理系统内使用传感器匹配处理30；

图2是示例实施例的第一部分30a的处理流程图；

图3是图2的相同示例实施例的剩余部分的处理流程图30b；

图4是图2的处理部分30a的替换实施例；

图5是一个示例实施例，其中去除了单独的启动/初始化处理，并且以与帧计数相关的时间平滑参数作为取代；

图6是示出了此处描述的系统和方法的内部信号特性的图；

图7示出了相对于赫兹(Hz)频率绘制的帧n＝1500的信号P_n，k；

图8示出了最小追踪之后的信号M_n，k；

图9是频率平滑之后的输出信号MS_n，k的图；和

图10是可用于实现图1所述的处理的各种电路的示意图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将会认识到，下面的描述仅是说明性的，并且不旨在以任何方式作为限制。受益于本公开的本领域的技术人员容易构想其它实施例。现在详细参考附图中示出的示例实施例的实现。在附图和下面的描述中尽可能使用相同的参考指示符指示相同或类似的项目。

为了清楚起见，未示出和描述此处描述的实现的所有常见特征。当然，应当明了，在任意这种实际实现的开发中，必须做出若干特定于实现的决策，以便实现开发者的特定目标，诸如对与应用和商业相关的限制的符合性，并且这些特定的目标将根据实现的不同以及开发者的不同而改变。另外，应当明了，这种研发实践可能是复杂并且费时的，但是对于受益于本公开的本领域的普通技术人员来说，仍然是工程上的例行任务。

根据本公开，可以使用各种类型的操作系统、计算平台、计算机程序和/或通用机器实现此处描述的组件、处理步骤和/或数据结构。另外，本领域的普通技术人员将认识到，还可以使用通用属性较弱的设备，诸如硬布线设备、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路、信号处理器诸如数字信号处理器(DSP)等，而不脱离此处公开的创造性概念的范围和精神。在以计算机或机器实现包括一系列处理步骤的方法，并且这些处理步骤可被存储为一系列机器可读的指令的情况下，它们可被存储在诸如计算机存储器设备(例如，ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪存、JumpDrive等)、磁存储介质(例如，磁带、磁盘驱动器等)、光学存储介质(例如，CD-ROM、DVD-ROM、纸卡、纸带等)和其它类型的程序存储器的有形介质上。

此处，术语传感器(麦克风)信号可以指直接得自传感器(麦克风)或是在发生一系列信号调整之后得自传感器(麦克风)的信号。

在本公开的自动传感器信号匹配方法和装置中，此处其可被称为自动麦克风匹配或“AMM”系统，执行在整个频带或在一个或多个子频带上匹配多传感器系统中的传感器输出信号。此处描述的方法和装置可以补偿各个传感器的额定传感器灵敏度的差异、频率响应特性的差异以及由于感测场的本地干扰引起的差异。当已知传感器输入信号大体相同时，发生对传感器输出信号的调整。根据特定应用的特定已知状态，并且由检测环境状态何时满足可以推断出相等传感器输入的状态的处理来推断对这种情况的识别。

此处，在基于语音的通信设备的示例系统中描述可用于广泛应用的本公开的方法和装置，在该示例系统中，应用自动传感器信号匹配，以便在多个频带中的每个频带内匹配信号幅值。在该示例系统中，用户的声音是期望信号，并且从通信目的的角度看，从周围环境中进入设备的其它声音构成“噪声”。远场声音被认为是噪声，从而与每个传感器元件感测到的声学信号是相等信号一致的条件包括何时远场噪声是仅有的输入(由噪声活动检测器或“NAD”确定)，或语音信号的出现与消失(由声音活动检测器或“VAD”确定)。这些设备，它们中的某些是本领域中已知的，可被统称为信号活动检测器或“SAD”。在事先知道传感器输入信号在几乎所有时刻都固有地满足相等性的必需条件的情况下，诸如在助听器的情况下，可以不使用SAD实现此处公开的基本自动匹配。在另一种情况下，在一个示例实施例中公开并且包括了将NAD整合到当前的自动匹配处理中的一种形式。然而，此处公开的基本匹配方法与任何形式的SAD兼容，并且不限于使用集成SAD技术。因此，还示出了这样的示例实施例，其中外部SAD提供控制信号或以信号通知自动匹配处理何时满足必需的输入条件的“标记”。

为了简单和易于理解起见，此处以匹配两个传感器的信号灵敏度描述示例实施例，但是例如通过简单地将每个传感器的信号与阵列中的公共基准传感器的信号进行匹配，或对于更健壮的系统，将每个传感器的信号与所有或某些传感器的平均进行匹配，就可以考虑任意大小的传感器阵列。本领域的技术人员应当认识到，本发明的方法和装置不限于匹配传感器信号幅值，并且等同地适用于匹配包括相位在内的任意传感器信号特性。对于相位匹配，例如，处理主要在对于相位匹配通过减法确定校正值并且通过线性域中的加法应用校正值的方面有所不同，而不是对于幅值匹配通过减法确定校正值并且通过对数域中的加法应用校正值的方面有所不同。类似地，虽然示例实施例涉及匹配通信类系统中的麦克风阵列，但是本领域的普通技术人员应当明了，此处公开的传感器匹配方法可更一般地应用于其它类型的应用中的其它传感器系统。

此处公开的布置的益处可以包括下列的一个或多个：

·精度(通常0.03dB内的匹配)

·对传感器和本地声学改变的迅速追踪

·低输入SNR条件下并且具有高输入噪声的校正性能

·与电平无关

·连续的实时调整

·使用现货麦克风元件工作

·低计算复杂度和成本

·低功耗

·高可制造性

·兼容广泛的应用-不仅仅是声学应用

虽然此处公开的潜在应用的范围延及使用多种窄带和宽带传感器阵列，但是此处的描述仍使用工作于诸如移动耳机或手机的通信系统设备内的两个麦克风阵列示例实施例来进行。耳机通常配置有双麦克风和一个处理器，通常是数字信号处理器(DSP)，以便通过信号处理方法提供改进的空间拾取模式和/或其它噪声降低。通常麦克风元件自身具有不利地影响所希望处理性能的灵敏度/频率响应容限，并且耳机壳体内的麦克风元件的配置以及壳体在用户身上的放置会不同地影响两个麦克风的频率响应。另外，与声头相关的传递函数(HRTF)在相同耳机的用户之间是不同的，从而戴在用户身上并且在操作中执行的麦克风匹配可以比没有用户参与而调整耳机硬件执行得更好。在耳机的整个寿命期间连续自动地并且透明地更新其匹配状态的诸如本发明的麦克风匹配处理不仅校正硬件组件容限以及由于用户和环境改变而产生的声学配置的短期改变，而且还补偿传感器硬件所固有的各类与时间相关的漂移。

如此处公开的，由运行于耳机系统中的其它信号处理创建输入信号，并且使得可以从该信号处理获得这些输入信号，其中本发明是该耳机系统的一部分。因此，这种信号匹配方法和设备作用于耳机内的可用信号。在一种应用中，关键性输入信号是每个输入信号的STFT幅值的比，并且不能使用每个麦克风信号的各个电平成比例的值。从而，不是必须使用单独的传感器信号幅值，并且匹配系统仅可以对幅值比进行操作。匹配系统还可以获得指示何时幅值比可用于匹配目的的控制信号。

图1是一种类型的信号处理系统的前端的方框图，图中示出了使用传感器匹配处理30的情境。处理30可在通用处理器或微处理器内实现，或在专用信号处理器内实现，或在诸如数字信号处理器(DSP)的专用处理器内实现，或在一个或多个离散电路内实现，其中所述离散电路的每一个执行该处理的一个或多个特定功能。因此，图10中所示的电路方框图相应于图1和2，并且示出了可用于实现图1描述的处理的各种电路。

传感器匹配处理30可作为单频带或多频带处理进行操作，其中单频带版本产生与频率无关的校正，并且其中多频带处理允许进行与频率相关的匹配。处理30是多频带实现，其中时域信号被转换到多个频带内。可以通过使用一组带通滤波器，通过应用诸如傅立叶变换的频域变换处理，或通过用于这种转换的任意其它处理完成这种多频带转换。到频域的转换是本领域公知的，并且可以通过使用图1所示的短时傅立叶变换(STFT)技术或其它频域转换方法实现。由于此处公开的自动匹配处理对其有所帮助的系统很可能已经将STFT方法用于其它系统信号处理任务，诸如波束成形、谱相减、语音活动检测、均衡等等，因此很可能已经能够使用频域转换。在该情况下，此处描述的自动匹配处理需要相对少量的额外处理。

此处公开的示例实施例采用快速傅立叶变换(FFT)，并且在频域中执行自动匹配处理。因此，根据该示例系统，输入信号被在自动匹配处理之前转换到频域。通过傅立叶变换进行的将传感器输入信号转换到频域的处理将该信号划分到与相应的频率区间相关联的小频带内，并且该频带自身在此处可被称为频率区间，或仅出于简短的目的被简称为区间。此处公开的处理被描述为基于区间逐个操作，但是应当理解，这些区间可被分组，并且可在通过对区间分组产生的频带上执行处理。

再次参考图1和图10的系统方框图，来自传感器A和B(或者要匹配的任意两个信号源)的模拟输入信号由模数(A/D)转换器(未示出)从模拟域转换到数字域，以便产生数字输入信号“A传感器信号In”和“B传感器信号In”。然后分别以成帧模块12和14将这些数字化输入信号形成帧；通过窗口模块16创建加权窗口；并且分别通过窗口应用模块18和20应用该窗口。然后分别由傅立叶变换模块22和24将成帧的窗口化数据转换到频域(这可以是公知的FFT或其它适合的变换处理)，并且被标记为FA_n，k和FB_n，k的每个频域信号(其中n是帧或时间索引，并且k是区间或频率索引)被提供给信号活动检测模块26，并且提供给传感器信号比模块28。在图10中，多频带频域变换器102和104进行频域变换，虽然在单频带实现中，可以忽略这些变换。另外，在更一般化的图10的图示中，输入电路的信号A和B可以是作为对数字域中的信号的更上游(图10中未示出)模拟转换的结果的模拟信号，或是来自不需要这种转换的全模拟系统的模拟信号。可替换地，信号A和B可以是数字信号。多频带频域变换器102和104一般旨在是任意频域转换设备，包括模拟滤波器组或数字滤波器组(其可能需要上游到数字域的转换)、数字变换器(傅立叶变换、余弦变换、哈特利变换、小波变换等(也需要可能的上游数字转换))。基本上可以使用用于将宽带信号划分到子频带的任意方法。来自多频带频域变换器102和104的输出被提供给图10中的虚线所示的电路105，使用相同的电路105(串行处理)或使用与每个区间相关联的相应电路105n(并行处理)为每个频率区间重复其操作。

信号活动检测模块26，其可以包含任意数目的公知VAD(语音活动检测)或NAD(噪声活动检测)处理，提供控制信号或“可用性”指示信号，这些信号由对传感器的输入信号符合校正匹配的时段的检测创建。由图10中的电路106提供这些信号。来自模块26(电路106)的控制信号被提供给传感器匹配模块30，传感器匹配模块30如下面所述在适当的时刻使能或禁用匹配处理。当然，如果需要，该控制信号还可用于其它系统处理。传感器比率模块28产生信号FA_n，k和FB_n，k的每对相应相同频带/区间的值的缩放比(图10示出了相应的比率/差异电路108)，并且将这些缩放比作为信号MR_n，k传递给传感器匹配模块30。在示例实施例中，具有8ksps样本速率的一对数字通信音频信号中的每个信号被分成具有50％重叠的512个样本帧，对其使用汉明窗口，使用FFT(快速傅立叶变换)将其转换到频域，并且提供给信号活动检测器26、信号比模块28，并且提供给传感器匹配模块30。

当匹配来自两个传感器的信号时，通常在来自至少一个传感器的信号的路径内进行校正调整。应当理解，可以唯一地在任意一个传感器信号路径内应用校正调整。可替换地，可以按照任意所希望的比例部分地在一个路径内并且部分地在另一个路径内应用校正调整，以便将信号置于匹配状态。

传感器匹配模块30基于每个区间逐个校正频域信号，从而提供特定于频率的传感器匹配。在某些系统内，可以通过应用于一个或两个传感器输出信号的增益调整实施确定的校正；然而，在实际应用中，传感器输出信号通常被输入后续处理步骤，其中会产生作为传感器信号函数的各种中间信号，并且设想对作为各自传感器信号的函数或从各自传感器信号得出的任意信号适当地应用增益调整。如下面进一步详述的，在此处公开的传感器匹配处理中计算并且使用两个频域信号的缩放比。在后续处理使用这些缩放比的情况下，当缩放比和增益在线性域中时，可以通过该缩放比而不是信号自身的乘或除(适当时)，或当缩放比和增益在对数域中时通过加/减，应用由传感器匹配处理确定的校正。更一般地，由传感器匹配处理确定的校正可被与最终用作传感器信号或作为传感器信号函数的任意信号的增益/衰减信号算术地组合(适当时)。

图2是示例实施例的第一部分30a的处理流程图。图3是相同示例实施例的其余部分的处理流程图30b；然而，图3所示的部分对于下面描述的其它示例实施例也是通用的。如此处所示，对数据的每个帧的每个频率区间无关地执行传感器匹配处理的部分30a。从而，图2表示对n的任意一个值以及k的一个值的处理，即，针对每个区间并且对数据的每个帧重复图2表示的处理。

在启动时，当激活了匹配处理但是不存在历史数据时，方框40的处理步骤将帧计数变量N初始化为0，并且将匹配表矩阵64中的校正值MT_n，k全部清0(线性域中的统一的对数域等同物)。匹配表矩阵中的初始校正值不必全部设置为0，而是可被设置为系统设计者认为适当的任意值，这是由于在一小段操作时间之后，该值将自动地调整为产生匹配状态的其适合的值。矩阵64包括一组条目，每个条目用于一个频率区间，按照下面的解释更新这些条目。在将匹配表矩阵64中信号值MT_n，k全部清0之后，在对数步骤42计算来自图1的信号比模块28的输入信号MR_n，k的对数，并且产生对数比信号X_n，k。图10的110示出了用于这个目的的对数电路。

在以现货麦克风组成包括生成信号A和B的麦克风的传感器阵列的示例实施例中，初始失配可能大于6dB。减小这一初始失配量直到实现匹配状态为止所需的时间可能很长，并且会被用户察觉。为了在操作开始时加速匹配获取处理，可以暂时假设传感器(麦克风)的初始输入信号仅是噪声，并且该信号状态应当产生相等的传感器信号。因此，可以通过假设全部仅为噪声的前Q个帧的平均，并且如下面更加完整描述的，将初始匹配表设置为该平均值来实现匹配表64的快速初始化。Q可以是任意大于1或等于1的值。在一个示例实施例中，Q可被选为32，并且低于Q的帧计数指示处理处于初始化时期。

在测试步骤44，检查帧计数变量N的值，以便确定处理是否处于启动/初始化时期。如果是的，将X_n，k值传递到步骤46，其中累加/平均前32个值。因此当N达到Q的值时，为每个FFT区间确定前32个帧值的平均值。然后将该平均值传递到对数域比率表步骤56。对于启动时期的每个新的帧，帧计数变量N在步骤50增加1，从而当在步骤44测试N的当前值时，N最终达到Q的预定值(例如32)，并且对于此后的所有帧，信号X_n，k改为转向步骤48。然后帧计数变量N的值将保持等于Q。

累加/平均前32个值步骤46计算其前Q个帧的输入值的总和/或计算前Q个帧的输入值的平均值。在Q帧启动时期的结尾，该总和被除以Q以便创建平均值，然后该平均值被发送到对数域比率表步骤56，或是然后如此发送最终平均值。回想图2示出了用于任意一个频率区间的处理，并且同时计算所有区间，对数域比率表步骤56将包含特定于频率的缩放比值的集合——即，用于每个频率区间的缩放比。因此，当匹配系统操作时，每种计算平均的方法都将包含在对数域比率表内的该组值初始化为非常接近一种匹配所需的校正值的一组值。

虽然设想在累加/平均前32个值步骤46的处理中在启动时期计算的平均缩放比是算术均值，可以作为替换使用其它数学均值，诸如调和均值。另外，虽然以对数域中的计算描述了示例实施例，可以在线性域中执行等同的处理。例如，线性域中的前32个值的几何均值等同于对数域中前32个值的算术均值。

在示例实施例中，匹配表64中的值保持为0(在对数域，并且在线性域中为1)，直到前32个帧已经完成为止。可替换地，可将中间平均值传递到对数域比率表56，以便用于后续的但是仍然在完成32个帧之前的步骤。32个帧需要略少于1/4秒，并且是可接受的启动延迟。然而，作为替换，可以通过改变所选择的Q值修改启动延迟。由图10中的初始化电路112执行启动程序。

为了确保仅当数据的当前帧表示对于匹配目的来说是可接受数据时才执行匹配处理，必须使用某种形式的辨别处理，以便确定数据的当前帧的“可用性”。即，需要确定何时输入信号是可匹配的，并且该确定基于对预定条件的满足性，它可以是来自SAD(信号活动检测器)的指示，其中SAD可以是VAD或NAD的形式。可替换地，可由可匹配信号确定(MSD)处理提供该指示。

在继续参考图2解释的可匹配信号确定(MSD)处理中，提供了一种用于执行测试步骤48和最小追踪步骤62的功能的电路。由于在当前示例实施例中，在仅有噪声输入期间最佳地实现信号匹配，步骤48和62操作，以便有效地执行VAD功能。例如，对于耳机应用，对于仅有噪声的输入信号状态，已知信号的缩放比值接近0dB，并且对于语音大约为2到4dB。在上述的启动/初始化处理之后，对数域比率表56已被初始化为非常接近用于仅有噪声输入状态的一组值。因此，在测试步骤48，测试信号X_n，k，以便查看对于下一个新的帧值，信号X_n，k是否在存储在对数域比率表内的值左右的小容限内。如果不是，则认为当前帧包含不可用于匹配目的的数据，并且图2的处理保持最后帧的值，并且等待下一个可用数据帧。然而，如果表明该帧是可用的，则信号X_n，k被发送到时间平滑步骤52。

如下计算MIN和MAX测试值。例如，如果对于特定频率对数域比率表值是+3dB，则测试X_n，k的当前值，以便确定其是否在3dB的±T内，其中T是预定的容限值。因此，MAX＝对数域比率表值+T，并且MIN＝对数域比率表值-T。

对于麦克风应用，典型的容限值在0.25和1dB的范围之间，虽然可以为其它应用和实施例使用本领域的普通技术人员容易确定的不同值。另外，在可替换的实施例中，测试可以是不对称的，即，MAX＝对数域比率表值+T，并且MIN＝对数域比率表值-T’，其中T≠T’。

一旦初始化了对数域比率表56，后续的数据帧被发送到测试步骤48，并且如果表明可用，被发送到时间平滑步骤52。可以用任意类型的低通滤波器实现时间平滑，诸如图10的滤波器114，但是一种常用的并且高效的滤波器是以下列公式描述的指数滤波器

P_n，k＝P_n-1，k+α·(X_n，k-P_n-1，k)    (1)

其中α是具有0和1之间的值的预定平滑常数，并且通常在0.001和0.2之间。示例实施例中使用的值为0.05。时间平滑减小匹配校正值的与时间相关的统计波动。已知失配相对慢地发生，即，最迅速的失配是由麦克风附近的声学环境的更改产生的，诸如当用户戴帽子或将电话机放到耳边时。较迅速的改变不是“真实的”，并且是作为电子噪声以及与麦克风失配无关的其它统计现象的结果产生的。因此，适当选择的时间平滑(对α的适当选择)将减小统计波动，而不会影响匹配处理实时地校正实际失配改变的能力。时间平滑步骤52的输出是信号P_n，k，在启动时期之后，信号P_n，k与用于其它区间频率的所有值一起填充对数域比率表56。因此，为测试步骤48已经确定可获得“可用”数据-即，满足可匹配条件的每个帧更新对数域比率表56。

除了两个追踪滤波器常数α_MIN58和β_MIN 60之外，最小化步骤62的输入信号是包含在表步骤56中的对数域比率表值。由适合的电路或可能执行或可能不执行其它功能的DSP(未示出)执行的最小追踪处理基于，如上所述，对于示例的麦克风应用，预期的输入信号集中于2-4dB或0dB的知识。由于输入信号仅对于0dB的情况是相等的，并且这种情况是两个值中最低值，包含在表56中的对数域比率的最小值应当反映针对匹配目的的可用数据。因此，跟踪这些数据值中的最小值将给出最佳匹配，并且应当忽略不可用数据-即，具有较高比率的数据。

追踪最小值步骤62根据如下等式操作：

(2)

其中常数α_MIN和β_MIN具有0和1之间的值。在示例实施例中，α_MIN＝0.25并且β_MIN＝0.00005。追踪最小值步骤62的输出是信号M_n，k，并且在匹配表步骤64中存储以便将来使用。图10中的匹配表存储器116提供了存储功能。在匹配表64(存储器116)中的存储之后，这个帧的匹配表校正值可作为信号MT_n，k用于匹配处理的其余部分。

如以前解释的，图3示出了处理的其余部分，并且表示为每个帧实施的程序。在图3的频率平滑步骤72，通过整个频率带宽上的滤波，对当前帧的匹配表校正值MT_n，k的区间之间的改变进行大幅削减或去除。图10示出了由平滑滤波器118提供的平滑功能。由于该处理被实现为单个宽带处理或被在多个子频带内实施，此处使用术语子频带指示每种完整频带，不论它是覆盖输入的整个带宽的单个宽频带，还是该信号的多个子频带中的任意一个。滤波覆盖每个子频带的带宽，并且因此是在子频带内的所有区间上的滤波。

如此处描述的，使用除了DC和奈奎斯特区间之外的单个完整带宽的子频带。频率平滑是本领域公知的，并且可以获得用于其实现的多种方法。频率平滑步骤72可以使用任意类型的平滑，包括指数滤波，其中：

MS_n，k＝MS_n，k-1+δ·(MT_n，k-MS_n，k-1)    (3)

其中δ是具有在0到1之间的值的平滑常数，并且通常在0.1和0.3之间。可替换地，可以通过应用公知的卷积或样条方法平滑匹配表值的帧。这种平滑的结果是产生准确追踪麦克风信号的失配的对数域内的麦克风灵敏度校正。频率平滑步骤72产生信号MS_n，k。

信号MS_n，k被作为输入信号提供给逆对数步骤74，其中用于每个频率区间的值被转换到线性域，以便应用于一个或(成比例地)所有传感器信号，以便实现这些信号的校正和匹配。图10值的相应电路120执行该功能。在图3中，示例实施例使用来自步骤74的逆对数输出，以便在步骤76乘以传感器B的信号输入FB_n，k的频域版本，从而改变信号FB_n，k以便匹配传感器A的信号输入FA_n，k。为这个目的提供图10中的乘法器/加法器电路122。如前面所述，可以为应用校正选择任意一个传感器输入信号。为了改为将校正应用于传感器A的信号输入FA_n，k，应当在应用步骤74中的逆对数之前首先对信号MS_n，k中的值求反。这与在以这些新的校正值乘以传感器A的输入信号FA_n，k之前，取经逆对数校正后的信号中的值的倒数是相同的。

如上所述，可以在线性域而不是对数域中执行整个匹配处理，这将消除合并步骤74的逆对数处理的需要，而给乘法步骤76提供相同的线性校正因子。同样如前所示，通过在两个传感器信号之间分配校正因子，或通过将其应用于传感器信号比，或通过将其应用于任意其它中间信号或具有一个或两个传感器信号作用的导出信号而不是直接应用于传感器信号的方式应用校正因子与此处的公开完全符合。将校正因子应用于随后用于给一个或两个传感器信号提供增益/衰减，或给具有一个或两个传感器信号作用的另一个中间信号提供增益/衰减的中间信号也符合此处的公开。还应当理解，信号可被与任意基准信号匹配，所述基准诸如是两个或多个输入信号的平均或任意第三个基准。如此处在例子中描述的，基准信号可被认为是“第一个”输入，并且使得“第二个”输入，它可以是传感器输入信号之一，与第一个输入匹配。

在这个示例系统中，匹配校正全部被应用于一对信号中的一个信号，从而乘法步骤76的输出是可用于任意其它处理的匹配的信号。如图1所示，对于这种两个传感器的例子，来自自动传感器匹配步骤30的输出是一对匹配的传感器信号。

为了进一步描述本信号匹配系统的操作，将参考图6描述中间信号。图6的上部曲线是根据A/D转换之后的传感器A的电输出记录的仅有噪声的声学输入的一部分。上部曲线的水平轴是Hz频率(但是未被如此标记)，并且垂直轴是线性伏特。下部曲线的垂直轴是dB，即，对数，并且被相应地标记。对于图6的这种输入信号，校正应当非常接近0dB。图中下部分中的实线示出了当帧计数n从0改变为1573(0到11秒)时，k＝64(1000Hz)的相关联的信号P_n，k。在这个图中，时间上的显著的统计改变是明显的。最小追踪器输出信号M_n，k被以虚线示出，并且以点划线示出了经平滑的输出信号MS_n，k。注意，为这个频率得出的校正值，它是信号MS_n，k，十分平滑并且准确(接近0)。测试表示这种声学匹配系统能够在几百dB内保持匹配的信号。图6中指出的距离0的偏离是由于麦克风阵列本地环境中发生的声学改变引起的实际失配改变。

图7示出了相对于赫兹(Hz)频率绘制的帧n＝1500的信号P_n，k。注意显著的变化性，尤其是在较高频率时。这些细微的改变是由于声学干扰而不是由于失配。然而，一般的总体形式是将被去除的失配。

图8示出了最小追踪后的信号M_n，k。改变的某种减小在自动匹配处理的这个阶段已经是明显的。图9是频率平滑之后的输出信号MS_n，k的图。可以看到，信号非常准确，并且提供了极好的匹配结果。

现在讨论第二个示例实施例。在信号处理应用中，通常需要用于传感器信号匹配之外的目的某些功能，并且这种功能之一是信号活动检测器(SAD)。信号活动检测器，诸如VAD和NAD，通常需要频谱相减和其它噪声减小处理。在可用时，来自这些SAD的输出可被用于此处描述的自动匹配电路，而不必提供实现此功能的专用电路。图4示出了处理部分30a(图2)的替换实施例。与图2相同，图4示出了用于一个区间的替换处理，并且在操作中为每个帧的每个区间重复该处理。从而图4的电路代替图1的方框26的某些程序提供了信号活动检测信号。当可以使用这种信号指示用于匹配目的的可用数据帧时，可以使用图4的结构。这种结构比图2的第一示例实施例简单，并且提供了计算、代码复杂度和能耗方面的某些节省。

在图4中的处理步骤提供与图2相同的功能的情况下，它们被以相同的数字标记，并且不再描述。同样，相同的信号被以相同的名称标记。

如图4所示，在信号活动检测步骤26已经确定当前数据帧可用还是不可用的情况下，在步骤82提供信号活动标记。如果不可用，则忽略当前帧，并且简单地保持在匹配处理中存储的任意值，直到允许下一个可用帧改变它们为止。这具有确保仅对可用帧执行步骤44、46和50的启动处理的效果，并且不再使用图2的实施例中做出的前Q个帧全部是可用的假设。如图2中的实施例，出于一致此处Q也被选择为32，但是这不是限制。在前Q个可用帧之后，在步骤64中匹配表被初始化为由启动步骤确定的该组平均值。在前Q个可用数据帧之后，转向测试步骤44将对数幅值比信号X_n，k发送到时间平滑步骤52，根据图2描述了时间平滑步骤52的操作，并且此处不再重复。应当清楚，从自动匹配处理自身外部接收和使用信号活动标记的能力消除了对图2中的信号测试步骤48和最小追踪步骤62的需要。因此，在图4的实施例中，来自时间平滑步骤52的输出P_n，k被作为一组对数域信号匹配校正值直接提供给匹配表步骤64。如以前一样，存储在匹配表64中的值被作为输入提供给图3所示的自动匹配处理的其余部分。

图5示出了去除了单独的启动/初始化处理，并且以与帧计数相关的时间平滑参数取代的示例实施例。在这个实施例中，以可变速率执行时间平滑，紧接着启动之后相对快，并且随着时间的推进而变慢，直到在帧计数N_MAX处达到最小速度平滑。与图4的实施例相比，步骤40、42、52、64和82的功能未变。与图2的处理相比，删除了步骤56和62。其中图5的实施例与图4的实施例的不同在于去除了步骤46，并且增加了新的步骤92、94和96。对于可用的数据帧，对帧计数变量N进行测试，以便确定它是否超过了预定的最大计数N_MAX。如果未超过N_MAX，则通过增加计数器步骤50为满足这种条件的每个帧增加N。N_MAX可以比Q大得多，通常具有100到200的值。在达到这个最大计数之后，可以停止对N的进一步增加。

在步骤96使用该帧计数，以便根据步骤94的帧计数修改α(N)的值。可以预先确定α(N)的值，并且将其存储在表内以便在需要时取回，或可以根据预定的等式实时地计算。然而一般地，α(N)的值开始相对大，并且随着帧计数的增加向着最小值减小。在N达到N_MAX之后，对α(N)的修改停止，并且此后使用α(N)的最小值。通过这样做，时间平滑步骤52在操作开始时迅速地但是准确性较低地对对数比率数据X_n，k滤波，但是随着时间的改变滤波速度(低通滤波器带宽)减小并且匹配结果的准确性增加。这种处理允许在匹配表步骤64中存储的匹配表快速获得匹配状态，并且然后进入改进匹配的质量。其结果是迅速开始匹配处理而没有单独的启动处理。来自这个部分30a的输出信号由在匹配表步骤64中存储的校正值组成，并且是作为图3所示的匹配处理的其余部分的输入信号的信号MT_n，k。

虽然α(N)的帧到帧的值可以遵从设计者所希望的任意特性，用于实时产生α(N)的一个有用的等式是：

$\mathrm{\α}\left(N\right)=\mathrm{\ϵ}\·\frac{(N_{\mathrm{MAX}}-N)}{N_{\mathrm{MAX}}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{MIN}}---\left(4\right)$

其中ε是速度参数，并且α_MIN是α达到的最终值。例如ε可以大约为0.45，并且α_MIN可以大约是0.05，而N_MAX可以是200。当然，可以应用用于确定α(N)的许多其它等式或值序列，并且可以构想对任意一种的使用。

图2和图3所示的示例系统的一种替换应用可以使用传感器信号之间的相位差作为输入MR，忽略对数/逆对数步骤42和74。因此应当理解，可以如此处所述那样匹配输入信号或从输入信号导出的信号的不同于幅值的特性。可以使用类似的方法匹配传感器信号的相位，从而形成用于每个频带的校正因子，并且提供相应的匹配表值以便进行传感器信号的相位匹配。在相位匹配应用中，最小化或消除两个或多个信号中间的相位差。在该情况下，与电路28和108作为除法模块(即，比率电路)操作的上述幅值匹配相比，类似于电路28、108的比率/差值电路(未示出)作为减法器(即，差值电路)操作。这种差值电路做出关于差异的确定，并且基于该确定提供调整值。类似地，不是使用乘法校正(如果信号，乘以该比率)调整值，对于相位匹配，可以在比率/差值电路108作为加法或减法处理应用与在处理开始时确定的相位差相称的校正值或因子。更一般地，当信号失配是由信号之间的加法差异产生的，在相位失配的情况下，获取该差异，确定校正因子或值，并且通过加法或减法(取决于校正的“符号”)应用校正。当校正增益或灵敏度(乘法性)差异时，获取比率，确定校正值，并且乘法地应用校正。

虽然公开了用于每个区间频率的单独计算，在计算匹配表之前，区间频率可被首先组合为子频带(例如，Bark、Mel或ERB频带)。由于存在较少的子频带，这种修改将减小计算能力需求。在匹配值的计算之后，在被应用到传感器信号(多个)之前，子频带被扩展回原始频率采样分辨率。

频率平滑是可选择的，或可被以多种方法中的任意方法实现，包括卷积、指数滤波、IIR或FIR技术等。

虽然公开了使用限于单频带的输入信号，此处公开的布置还适用于多频带操作，其中使用若干同时分离的、相邻的或重叠的频带，对每个频带使用该创造性的信号匹配处理。“SAD”控制信号类似于多频带。这种系统适用于多频带噪声减小系统，例如，多频带频谱相减。

虽然已经示出并且描述了实施例和应用，从本公开受益的本领域的技术人员应当理解，可以有比上面提及的多得多的修改，而不脱离此处公开的创造性概念。因此，本发明仅限于所附权利要求的精神。

Claims (44)

1.一种用于匹配第一信号和第二信号的方法，该方法包括：

在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到至少一个相关联的频带内；

生成与每个频带相关联的缩放比；和

为这两个信号中的至少一个信号，或为从这两个信号中的至少一个信号导出的至少第三信号，以与每个频带相关联的缩放比来缩放与该频带相关联的频率分量，

其中所述生成包括在非启动时期，为每个频带确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个这种信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，则在计算缩放比时使用该信号比。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述生成包括在启动时期，为每个频带计算Q个第一信号和第二信号的信号比的均值，并且将所述均值指定为该频率区间的缩放比。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述可用性的确定包括确定所述信号比在最小极限和最大极限之内，并且是至少两个信号比中的最小值。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述可用性的确定包括接收来自信号活动检测器(SAD)的指示。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述SAD是噪声活动检测器(NAD)。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述SAD是语音活动检测器(VAD)。

7.如权利要求1所述的方法，还包括对信号比进行时间平滑。

8.如权利要求1所述的方法，还包括对所述缩放比进行频率平滑。

9.如权利要求1所述的方法，其中在对数域进行缩放比的生成。

10.如权利要求1所述的方法，其中在线性域进行缩放比的生成。

11.一种用于匹配第一信号和第二信号的装置，该装置包括：

用于在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到相关联的频带内的装置；

用于生成与每个频带相关联的缩放比的装置；以及

用于为这两个信号中的至少一个信号，或为从这两个信号中的至少一个导出的至少第三信号，以与每个频带相关联的缩放比来缩放与该频带相关联的频率分量的装置，

其中所述生成包括在非启动时期，为每个频带确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，则在计算缩放比时使用该信号比。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述生成包括在启动时期，为每个频带计算Q个第一信号和第二信号的信号比的均值，并且将所述均值指定为该频带的缩放比。

13.如权利要求11所述的装置，其中所述可用性的确定包括确定所述信号比在最小极限和最大极限之内，并且是至少两个信号比中的最小值。

14.如权利要求11所述的装置，其中所述可用性的确定包括接收来自信号活动检测器(SAD)的指示。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述SAD是噪声活动检测器(NAD)。

16.如权利要求14所述的装置，其中所述SAD是语音活动检测器(VAD)。

17.如权利要求11所述的装置，还包括用于对信号比进行时间平滑的装置。

18.如权利要求11所述的装置，还包括用于对所述缩放比进行频率平滑的装置。

19.如权利要求11所述的装置，其中在对数域进行缩放比的生成。

20.如权利要求11所述的装置，其中在线性域进行缩放比的生成。

21.一种机器可读的程序存储设备，该程序存储设备包含用于执行匹配第一信号和第二信号的方法的机器可执行指令的程序，该方法包括：

在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到相关联的频带内；

生成与每个频带相关联的缩放比；并且

为这两个信号中的至少一个信号，或为从这两个信号中的至少一个信号导出的至少第三信号，以与每个频带相关联的缩放比来缩放与该频带相关联的频率分量；

其中所述生成包括在非启动时期，为每个频带确定第一信号和第二信号的信号比，确定每个信号比的可用性，并且如果确定信号比可用，则在计算缩放比时使用该信号比。

22.如权利要求21所述的设备，其中所述生成包括在启动时期，为每个频带计算Q个第一信号和第二信号的信号比的均值，并且将所述均值指定为该频带的缩放比。

23.如权利要求21所述的设备，其中所述可用性的确定包括确定所述信号比在最小极限和最大极限之内，并且是至少两个信号比中的最小值。

24.如权利要求21所述的设备，其中所述可用性的确定包括接收来自信号活动检测器(SAD)的指示。

25.如权利要求24所述的设备，其中所述SAD是噪声活动检测器(NAD)。

26.如权利要求24所述的设备，其中所述SAD是语音活动检测器(VAD)。

27.如权利要求21所述的设备，还包括对在所述启动时期确定的信号比进行时间平滑。

28.如权利要求21所述的设备，还包括对所述缩放比进行频率平滑。

29.如权利要求21所述的设备，其中在对数域进行缩放比的生成。

30.如权利要求21所述的设备，其中在线性域进行缩放比的生成。

31.一种用于匹配与第一输入信号和第二输入信号相关联的特性差异的系统，该系统包括：

用于确定特性差异的电路；

用于基于该特性差异生成调整值的电路；

用于确定该调整值何时是可用调整值的电路；以及

用于按照可用调整值，调整第一输入信号或第二输入信号中的至少一个，或调整从第一输入信号或第二输入信号中的至少一个导出的至少第三信号的电路。

32.如权利要求31所述的系统，其中所述特性差异是相位。

33.如权利要求32所述的系统，其中所述调整值是相加或相减值。

34.如权利要求31所述的系统，其中所述特性差异是幅值。

35.如权利要求34所述的系统，其中所述调整值是乘法性的。

36.如权利要求31所述的系统，其中用于确定调整值何时是可用调整值的电路是SAD(声音活动检测器)。

37.如权利要求31所述的系统，其中对可用性的确定是预定的启动时期的函数，并且在启动时期与在非启动时期有所不同。

38.如权利要求31所述的系统，其中所述系统操作于频域。

39.如权利要求31所述的系统，其中所述系统操作于线性域。

40.如权利要求31所述的系统，其中所述系统操作于对数域。

41.如权利要求1所述的方法，还包括通过对缩放比的对数表示或作为缩放比函数的值的对数表示应用滤波器，在对数域对缩放比进行时间平滑。

42.如权利要求11所述的方法，还包括通过对缩放比的对数表示或作为缩放比函数的值的对数表示应用滤波器，在对数域对缩放比进行时间平滑。

43.如权利要求21所述的方法，还包括通过对缩放比的对数表示或作为缩放比函数的值的对数表示应用滤波器，在对数域对缩放比进行时间平滑。

44.一种用于匹配第一信号和第二信号的方法，该方法包括：

在所选择的频带上将第一信号和第二信号转换到频域，从而将第一信号和第二信号的频率分量分配到相关联的频带内；

生成与每个频带相关联的校正因子；并且

为这两个信号中的至少一个信号，或为从这两个信号中的至少一个信号导出的至少第三信号，通过算数地将所述校正因子与每个频带相关联的所述信号相组合，校正与每个频带相关联的至少一个频率分量，

其中所述生成包括为每个频带的第一信号和第二信号的信号差异，确定每个信号差异的可用性，并且如果确定该信号差异可用，在计算所述校正因子时使用这种信号差异。

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