CN102474680A - 音频波束形成 - Google Patents

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CN102474680A CN2010800330069A CN201080033006A CN102474680A CN 102474680 A CN102474680 A CN 102474680A CN 2010800330069 A CN2010800330069 A CN 2010800330069A CN 201080033006 A CN201080033006 A CN 201080033006A CN 102474680 A CN102474680 A CN 102474680A
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Abstract

一种音频波束形成装置包括从至少二维的麦克风阵列（101）接收信号的接收电路（103）。参考电路（105）产生参考波束并且组合电路（107）通过组合参考波束产生对应于期望的波束图的输出信号。估计电路（109）通过确定分别对应于在至少第一角区间和第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的角产生方向估计。该方向估计通过选择这些角之一而产生。组合电路（107）确定组合参数，以提供在对应于方向估计的角中的凹陷以及方向性代价度量的最小化，其中该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与能量平均增益之间的比率。

Description

音频波束形成
技术领域
本发明涉及音频波束形成，且特别地但不排他地涉及使用明显小于被施以波束形成的音频信号的波长的麦克风阵列的音频波束形成。
背景技术
对音频信号的先进的处理在许多领域中已变得日益重要，这些领域例如包括电信、内容分发等。举例而言，在诸如免提式通信和语音控制系统之类的一些应用中，对来自多个麦克风的输入的复杂处理已被用来为包括这些麦克风的麦克风阵列提供可配置的方向敏感性。具体地，对来自麦克风阵列的信号的处理可以产生具有一定方向的音频波束，其中可以简单地通过改变各个麦克风信号的组合的特性来改变该方向。
典型地，波束形成算法设法衰减干扰源（interferer）并同时为期望的声源提供高增益。例如，可以控制波束形成算法以在从主干扰源接收的信号的方向上提供强衰减（优选为零）。
由于实际的原因，所期望的是麦克风阵列相对较小。但是，当感兴趣声音的波长比阵列的大小大得多时，诸如加法式延迟叠加（delay-and-sum）波束形成算法之类的许多波束形成算法并不能提供足够的方向性，这是因为波束宽度对于这类波长而言会大幅度恶化。
一种用于实现改进的方向性的方法是应用所谓的超方向性波束形成技术。这类超方向性波束形成技术基于具有不对称滤波器系数的滤波器，并且该方法基本上对应于信号减法或确定声压场的空间导数。然而，尽管这可以改进方向性，但也已知的是，这是以鲁棒性为代价来实现的，例如对白（传感器）噪声的增强的敏感性以及对麦克风特性中的失配的增强的敏感性。
在R.M.M. Derkx的文章“Optimal Azimuthal Steering of a First-order Superdirectional Microphone Response”（International Workshop on Acoustic Echo and Noise Control, 2008年9月, 西雅图）中分析了一种系统，该系统产生用于二维麦克风阵列的特征波束（Eigenbeam）。随后组合这些特征波束以最大化单点干扰源的衰减。特别地，在单点干扰源的方向上定位零点，同时保持针对期望的方向的适当的增益。
然而，尽管这种方法在许多情境中提供了改进的性能，但是它在一些实践情境中提供非最优性能。此外，它倾向于需要相对复杂且资源要求高的处理。
因此，一种用于音频波束形成的改进的方法将会是有利的，并且特别地，一种对于不同的操作情境而言允许对当前条件及音频环境的适应改进、灵活性增强、实现便利、性能改进和/或执行改进的方法将会是有利的。
发明内容
据此，本发明设法优选地单独地或以任何组合方式减轻、缓解或消除一个或多个上述缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种音频波束形成装置，其包括：接收电路，用于从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列接收信号；参考电路，用于根据麦克风信号产生至少三个参考波束；组合电路，用于通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；估计电路，用于通过下述方式产生所述方向估计：确定对应于在第一角区间内的该输出信号功率度量的局部最小值的第一角，确定对应于在第二角区间内的该输出信号功率度量的局部最小值的第二角，以及将所述方向估计确定为选自与该输出信号功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，这组角包括至少所述第一角和所述第二角；以及其中所述组合电路被设置成确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示第一方向上的增益与平均增益之间的比率。
本发明可以允许改进的性能。特别地，可以实现针对当前音频环境的改进的和/或便利的适应。本发明可以允许一种波束形成方法，其在双向点干扰的消除和漫射噪声衰减方面均提供了高性能。该方法特别适合于音频信号的波长可能明显大于麦克风阵列大小的系统并且可以为此类系统提供特别有利的性能。
本发明可以允许低复杂度的实现方式和/或操作。该方法可以适合于提供改进的方向性且特别地可以适合于麦克风阵列的大小比感兴趣波长小得多的情境。
在许多实施例和情境中，该方法可以实现将零点指向单点干扰，并同时大幅度降低漫射噪声。特别地，该方法在许多情境中可以允许与现有技术中的许多干扰降低技术对应的或比这些技术更好的单点干扰降低，同时提供改进的漫射噪声。
该方法在许多情境中可以基于低复杂度的并行局部最小值提取允许低复杂度但却非常高效且有利的波束操控。在许多实施例中，该方法可以确保至少一个所识别的局部最小值也是全局最小值，并且因此可以允许对干扰角的高效的估计。
参考波束可以是非适应性的并且可以是独立于捕获的信号和/或音频条件的。参考波束可以是恒定的并且可以由来自所述至少三个麦克风的信号的恒定/非适应性的组合产生。参考波束可以具体地为特征波束或正交波束。
第一角区间和第二角区间可以是不相交的区间并且可以是相邻的区间。第一和第二角区间可以一起覆盖整个360°的区间。
干扰声源可以是假设的干扰声源。可以独立于声源是否存在而产生声源的方向估计。因此，即使没有检测到干扰点源，估计电路也可以在干扰声源存在的假设下根据麦克风信号产生方向估计。
根据本发明的可选特征，估计电路被设置成：响应于作为针对分隔第一角区间和第二角区间的角的方向估计的函数的输出信号的功率度量的梯度，将所述方向估计选择为第一角和第二角之一。
这可以提供特别高效且低复杂度的方向估计的确定。所述角可以是第一角区间和第二角区间之间的任何角，其包括这两个角区间的其一或两者的端点。
根据本发明的可选特征，第一角区间包括从0至π的角以及第二角区间包括从π至2π的角。
这可以提供特别有利的性能并且可以特别地允许对干扰声源的所有可能的方向的适应。
根据本发明的可选特征，估计电路被设置成：响应于作为针对π角的方向估计的函数的输出信号的功率度量的梯度，将所述方向估计选择为第一角和第二角之一。
这可以提供特别高效且低复杂度的方向估计的确定。
根据本发明的可选特征，组合电路包括旁瓣消除器。
这可以提供特别有利的性能和/或实用的实现方式。
根据本发明的可选特征，旁瓣消除器被设置成将输出信号生成为至少主信号、第一噪声参考信号及第二噪声参考信号的加权的组合。
这可以提供特别有利的性能和/或实用的实现方式。主信号可以对应于适于在期望的声源的方向上的波束，并且每个参考信号可以对应于适于消除/降低噪声的波束。这些噪声参考信号可以具体地在期望的声源的方向上具有凹陷。
根据本发明的可选特征，组合电路被设置成响应于所述方向估计和方向性代价度量的最小化来计算第一和第二噪声参考信号的权重。
这可以提供特别有利的性能和/或低复杂度的实现方式。特别地，所述权重可以作为所述方向估计的函数来确定，其中该函数被选择成使所述方向性代价度量最小化。
根据本发明的可选特征，估计电路被设置成通过应用于与组合电路的旁瓣消除器相对应且具有角输入变量的旁瓣消除器的梯度搜索来确定所述第一和第二角中的至少一个。
这可以提供特别有利的性能和/或低复杂度的实现方式。特别地，梯度搜索可以提供用于识别潜在最小值的非常高效的方法，其可以优化波束形成操作。可以实现波束形成的高效且低复杂度的适应，其既可以降低漫射噪声又可以降低/消除单点干扰。
在许多实施例中，通过梯度搜索确定单个的第一角。可以使用旁瓣消除器操作来执行该梯度搜索，该操作与被用来产生输出信号的旁瓣消除器操作相同，但却具有可以不同于被用来产生输出信号的相位值（所述方向估计）的角输入变量值（因此其可以独立地改变）。
在一些实施例中，可以使用具有独立的角输入变量的并行旁瓣消除器操作来在两个角区间中并行地应用梯度搜索。组合电路的输出信号可以被选择为对应于第一和第二角中的所选择的角的并行旁瓣消除器的信号。
在一些实施例中，可以使用对应于组合电路的旁瓣消除器的旁瓣消除器来确定针对给定角（具体地为π）的输出信号的功率度量的梯度，并且在第一和第二角之间的选择可以响应于该梯度。
根据本发明的可选特征，依据用于角输入变量的当前相位值的旁瓣消除器的输出信号以及用于该当前相位值的旁瓣消除器的第一和第二噪声参考信号来确定角输入变量的更新值。
这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。
根据本发明的可选特征，依据所述当前相位值来对所述第一和第二噪声参考信号进行加权。
这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式或操作。
根据本发明的可选特征，估计电路被设置成确定所述第一和第二噪声参考信号中的至少一个的功率估计并依据该功率估计来执行对所述更新值的归一化。
这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。
根据本发明的可选特征，所述至少二维的麦克风阵列包括至少四个麦克风，并且所述装置包括在产生所述参考波束之前用于组合来自所述至少四个麦克风的至少两个的信号的电路。
这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。特别地，它可以在许多情境中提供改进的噪声性能。
根据本发明的可选特征，所述装置进一步包括所述至少二维的麦克风阵列，所述至少二维的麦克风阵列包括在所述至少二维的麦克风阵列的周界向外的方向上具有最大响应的方向性麦克风。
这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。
根据本发明的一个方面，提供了一种音频波束形成方法，其包括：从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列接收信号；根据麦克风信号产生至少三个参考波束；通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；通过下述方式产生所述方向估计：确定对应于在第一角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第一角，确定对应于在第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第二角，以及将所述方向估计确定为选自与该输出信号的功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，其中该组角包括至少所述第一角和所述第二角；以及其中组合所述参考波束包括：确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与能量平均增益之间的比率。
本发明的这些和其它方面、特征及优点将根据下文中所描述的一个或多个实施例而清楚明白并且参照这些实施例而被阐明。
附图说明
将参照附图且仅通过举例来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的一些实施例的用于捕获具有可适应的（adaptable）方向特性的音频的系统的实例；
图2示出了用于麦克风阵列的麦克风配置的实例；
图3示出了由图1的系统产生的特征波束的实例；
图4示出了在图1的系统中使用的旁瓣消除器的实例；
图5示出了用于调适图1的系统的代价函数的实例；
图6示出了图5的代价函数的局部最小值的实例；以及
图7示出了图5的代价函数的局部最大值的实例；
图8示出了根据本发明的一些实施例的用于捕获具有可适应的方向特性的音频的方法的实例。
具体实施方式
图1示出了用于捕获具有可适应的方向特性的音频的系统的实例。该系统处理来自多个麦克风的信号以产生适当的、期望的波束图。该处理被具体地调适以使得所产生的输出信号具有明显改进的噪声和干扰特性。该系统提供在单点干扰和漫射噪声性能两方面的联合的改进。此外，该系统还适合于在以下情境中使用：在该情境中，信号的波长明显长于麦克风阵列的尺寸，即长于麦克风之间的距离。
该系统处理接收到的麦克风信号以产生一组恒定的不可适应的参考波束。而后对这些参考波束进行适应性组合以产生期望的波束图。该组合被调适以使得所得的波束形式适于消除或大幅度衰减假设的单点干扰源，并同时最小化或降低漫射噪声的影响。
该系统提供高效的、适应性的波束形成，其中可以朝着期望的声源的方向操控主瓣，同时调适方向性图，以使得来自另一个角度的点干扰源被有效地抵制，并且实现对漫射（各向同性的）噪声的基本最优的抵制。图1的系统具体包括具有多个梯度估计的适应性零点操控方案，用于调节方向性图以使得这种对噪声和干扰的有效抵制能够自动地实现。
图1的系统包括麦克风阵列101，该阵列是二维的麦克风阵列。麦克风阵列101包括未设置在单个一维线上的至少三个麦克风。在大多数实施例中，从一个麦克风到贯穿两个其他麦克风的线的最短距离至少是这两个麦克风间距的五分之一。
在该具体实例中，麦克风阵列101包括如图2所示的圆周上的均匀间隔的三个麦克风。
因此，在该实例中使用在平面几何中至少三个（全向或单向）传感器的圆形阵列。应当理解的是在其他实施例中可以使用麦克风的其他设置。还应当理解的是对于使用了多于三个的麦克风的实施例，这些麦克风可能可以被设置成非平面几何形状，即该麦克风阵列可以是三维的麦克风阵列。然而，下文的描述将集中于设置在方位角平面中的三个等间距的麦克风的圆形阵列。
麦克风阵列101耦合至接收麦克风信号的接收电路103。在图1的实例中，正如本领域技术人员所熟知的那样，接收电路103被设置成放大、过滤以及数字化该麦克风信号。
接收电路103耦合至参考处理器105，该处理器被设置成根据麦克风信号产生至少三个参考波束。所述参考波束是未经调适的恒定波束，而所述参考波束通过对来自接收电路103的数字化麦克风信号进行固定组合而产生。在图1的实例中，由参考处理器105产生三个正交特征波束。
在该实例中，麦克风阵列的三个麦克风是方向性麦克风且具体是单向心型麦克风，其被设置成使得主要增益从由通过连接这些麦克风的位置而形成的周界向外地（且因此在该具体实例中从圆形阵列的圆周向外地）指向。单向心型麦克风的使用提供的优点在于：大大地降低了对传感器噪声及传感器失配的敏感性。然而，应当理解的是在其他情境中可以使用其他麦克风类型，例如全向麦克风。
将三个心型麦克风的响应分别表示为                                                
Figure 2010800330069100002DEST_PATH_IMAGE001
、 和 
Figure 2010800330069100002DEST_PATH_IMAGE003
，并且忽略任何不相关的传感器噪声，那么第i’个心型麦克风的响应理想地由下式给出：
Figure 726020DEST_PATH_IMAGE004
其中
其中θ和Ф是标准的球面坐标角：仰角和方位角，c是声速且x i 和y i 是第i’个麦克风的x和y坐标。
使用：
Figure 630391DEST_PATH_IMAGE006
以及
Figure 2010800330069100002DEST_PATH_IMAGE007
其中r为圆的半径，我们可以写出：
  。
来自三个心型麦克风的三个正交特征波束可以根据下式确定：
  。
对于大于阵列大小的波长，特征波束的响应是频率不变的且理想地等于：
Figure 276191DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure 721823DEST_PATH_IMAGE012
。
这些特征波束的方向性图在图3中示出。
零阶特征波束Em表示对应于球的单极响应，而其他的特征波束则表示如图3中所示的对应于双球的一阶特征波束。因此，那两个一阶特征波束为正交偶极子。
由这三个特征波束中的每一个所产生的信号被馈送给波束形成电路107，该波束形成电路进而适应性地将这些信号组合以提供期望的波束图。
具体而言，通过适当地组合所述一阶特征波束，偶极子可以被操控成任一角度 s。例如，可以产生对正交对角线的加权的求和：
Figure 739588DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 938488DEST_PATH_IMAGE013
s表示对于所产生的偶极子的期望的角。
然后，所操控及缩放的超方向性麦克风响应可以通过将所操控的偶极子与单极子组合而例如构建如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中α≤1是用于控制一阶响应的方向性图的参数，以及S是任意的缩放因子（其也可以有负值）。
因此，波束形成电路107可以通过对参考特征波束的适当的组合来产生适当的波束图。波束形成电路107被设置成在来自任意方位角Ф=
Figure 732001DEST_PATH_IMAGE013
s的期望的讲话者的方向上产生标称（例如单位）增益。假设该期望的讲话者的方向对波束形成电路107而言是已知的。应当理解的是可以使用任何适当的确定期望的方向的方法，而不会损害本发明。例如，可以使用固定方向或者可以使用例如针对期望的讲话者或声源的跟踪算法。应当理解的是许多用于确定期望的声源方向的不同算法将对本领域技术人员来说是已知的。
此外，波束形成电路107被设置成调适所述波束，以使得对漫射噪声的敏感性最小化并且在假设干扰点源的估计的方向上产生凹陷。图1的系统被具体地设置成调适对参考波束的组合，以使得在期望的方向上提供标称增益，在所估计的对应于点源干扰的方向上产生凹陷以及在这些限制下将漫射噪声最小化。这是由一种高效适应算法实现的，该算法将在下文中加以描述。
波束形成电路107被具体地耦合至估计电路109，估计电路109确定对到假设的点源干扰的方向的估计。基于所估计的方向，波束形成电路107产生组合参数用于组合特征波束以使得在所估计的方向上产生凹陷（典型地为零点）。然而，三个特征波束的组合提供了足够的自由度以允许针对在期望的方向上提供标称增益以及在干扰方向上提供凹陷的限制的一系列的解决方案。在系统中，该附加自由度被用来改进漫射噪声的性能。这具体是由被选择用于最小化方向性代价度量的组合参数来实现的，其中该方向性代价度量指示第一方向上的功率/能量增益与平均功率/能量增益之间的比率。具体地，该方向性代价度量可以指示相对于所得到的波束的平均增益的期望方向上的增益，其中该平均化基于在方位角平面中的所有角（即0至2π）或依据三维中的所有方向。因此，该方向性代价度量是指示由波束图提供的均匀空间漫射噪声（即在所有方向上噪声水平相同）的衰减的函数。
估计电路109被具体地设置成通过搜索输出信号的功率度量的局部最小值来确定干扰点的估计角。因此，估计电路109设法最小化输出信号的功率，因为这将对应于最低噪声/干扰。在一些实施例中，该估计可以仅在期望的声源不活动时（例如当期望的讲话者未讲话时）执行，但应当理解的是，对于将所述输出信号功率最小化为指示最优噪声/干扰操作而言，这并不是必需的 （具体而言，期望的信号的存在可以引入对功率度量的偏移，但将不会改变最小值的位置）。
估计电路109通过在至少两个角区间中搜索来确定至少两个局部最小值。典型地，这两个角区间是不相交的，尽管在一些实施例中可以发生一定的重叠。所述局部最小值通过基于不同角的并行处理在不同的角区间中确定。具体而言，估计电路109可以复制波束形成电路107的操作并且评估针对不同角区间内的不同角所得到的输出信号。然后，估计电路109可以选择被认定为对应于输出信号的局部最小值的那些角之一，并且所选择的角然后被用作假设的单点干扰源的估计。然后，所选择的角被馈送给波束形成电路107，波束形成电路107进而执行所述组合，以使得在期望源的方向上提供标称增益并且在主要单点干扰的估计方向上提供凹陷。此外，所述组合使用被选择用于进一步最小化漫射噪声的权重。此限制是由被选择用于最小化方向性代价度量的权重施加的。
所述估计操作和调适独立于实际噪声和干扰条件，并且具体地独立于是否存在显著的单点干扰源或漫射噪声。然而，该方法导致了跨越各种各样的情景的极高效的性能，所述情境包括具有主要单点干扰而无漫射噪声的情景以及不具有单点干扰却有相当大漫射噪声的情景。实际上，该方法及隐含的假设导致了如下操作：其不仅适于噪声的具体特性及单点干扰特性而且适于所经历的噪声/干扰情景的类型。这也降低了复杂度并且便于操作，因为无需针对所经历的音频环境的类型调适算法。这也提供了增大的灵活性以及该方法的更广泛的应用。
在下文中，将描述图1的系统的特定实例。在该实例中，波束形成电路107实现旁瓣消除器，并且所述局部最小值利用在每个角区间内的梯度搜索来确定。一旦指向假设的单点干扰的方向被确定了，在最小化方向性代价度量的限制下确定依据应用到噪声参考信号的权重的组合参数。
图4示出了在图1的系统中使用的通用旁瓣消除器的实例。首先，两个偶极参考波束被组合以生成两个在期望的方向上成角度的偶极子。然后，所得到的偶极子与单极子组合以产生与指向期望的音频源的波束相对应的主信号。
此主响应可以由下式给出
Figure 725365DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 978229DEST_PATH_IMAGE018
以及
  。
该主信号因此对应于期望的音频信号并且包括来自不期望的方向的信号。这些旁瓣的影响通过产生噪声参考信号而被降低，该噪声参考信号被加权且从主信号中减去以产生输出信号。
因此，旁瓣消除器产生由下式给出的噪声参考信号：
Figure 486481DEST_PATH_IMAGE020
其中，B是由下式给出的阻塞（blocking）矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
  。
要注意的是，噪声参考分别是心型和偶极的响应，具有在方位角
Figure 72184DEST_PATH_IMAGE013
s和仰角θ=π/2处朝着主信号操控的零点。
然后，在这两个噪声参考信号被从主信号中减去以提供输出信号之前使用权重w1和w2对其进行加权。因此，来自旁瓣消除器的总体波束图由下式给出：
Figure 65810DEST_PATH_IMAGE022
。
波束形成电路107被设置成在期望的角
Figure 369752DEST_PATH_IMAGE013
s上产生标称增益（下文中为单位增益）以及在由估计电路109确定的假设的单点干扰的方向
Figure 644876DEST_PATH_IMAGE013
n上产生凹陷（具体为零）。
利用在
Figure 412980DEST_PATH_IMAGE013
s方向上的单位增益，朝向角
Figure 748147DEST_PATH_IMAGE013
n操纵零点所需的权重可以通过求解下述方程来计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中
Figure 37920DEST_PATH_IMAGE013
=
Figure 241369DEST_PATH_IMAGE013
s-
Figure 801663DEST_PATH_IMAGE013
n。
对该等式求解产生：
Figure 199408DEST_PATH_IMAGE024
或者可替代地：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
  。
可以看出，单位增益以及零值方向的限制并不唯一限定所需的权重，而是提供了额外的自由度。
在系统中，该自由度被用来优化漫射噪声性能。特别地，选择噪声参考权重以使得方向性代价度量被最小化。
适当的方向性代价度量由下式给出：
Figure 274681DEST_PATH_IMAGE026
。
因此，方向性代价度量表示在期望的方向上的增益与在整个球体上取平均的总（功率）增益之间的比率。应当理解的是，在其他实施例中，该增益平均化可以例如仅在诸如方位角平面之类的二维平面内。
对于由下式给出的响应
Figure DEST_PATH_IMAGE027
这可以被显示为对应于：
Figure 718038DEST_PATH_IMAGE028
  。
在方向性代价度量中插入由下式给出的输出信号响应：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
并插入由下式给出的w1的值：
Figure 132839DEST_PATH_IMAGE030
并且相对于w2进行区别和将结果设置成零值允许该方向性代价度量相对于w2的最小值被确定。因此，用于令方向性代价度量最小化且因此令漫射噪声敏感性最小化的w2的值可以被确定。这具体产生：
  。
利用这个w2值，还可以将w1计算为：
Figure 200021DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE033
  。
因此，可以计算w1和w2，以使得在期望的方向上提供单位增益，在假设的干扰源的方向上形成零值，以及在这些限制下最大化漫射噪声衰减。
因此，一旦估计电路109已经确定了对于假设的点源干扰的适当的角估计，所导出的等式可以被用来计算还将最小化方向性代价度量并因而优化漫射噪声性能的适当的权重。
代替使用先前导出的用于w1的等式，可以使用补偿设计参数效果的值：
Figure 201737DEST_PATH_IMAGE034
  。
可以显示出，w2之后可以由下式导出：
Figure 684671DEST_PATH_IMAGE036
  。
因此，输出信号y[k]由下式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
其中
Figure 219558DEST_PATH_IMAGE038
Figure DEST_PATH_IMAGE039
Figure 956176DEST_PATH_IMAGE040
其中是对假设的不期望的干扰源的角的估计，以及 s是期望的声源的角。
估计电路109进而通过最小化在不同角区间内的输出信号的功率度量来确定方向估计。
具体地，估计电路109设法最小化由下式给出的代价函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
其中指示了预期的值。
图5示出了用于一种场景的这个代价函数的一些实例，在此场景中，存在分别等于1、2和3弧度的
Figure 292665DEST_PATH_IMAGE013
方向上的单点干扰源（即期望的方向与实际干扰源间的方向之间的角度差
Figure 917944DEST_PATH_IMAGE013
分别为1、2和3弧度）。该代价函数被作为估计的方向的函数示出，即作为借助参考信号的权重所执行的对零点的操控的函数。图6示出了噪声存在时的代价函数，其可以是球形的（来自所有方向）或圆柱形的（来自二维平面的所有方向）。球形噪声的情形以实线示出，而圆柱形噪声的情形以虚线示出。
可以从图5进行一些观测。首先，清楚的是在所有情形中，对于正确的估计（即当
Figure 202295DEST_PATH_IMAGE042
时）存在凹陷（且具体为零点）。然而，清楚的是虽然这个零点确实是代价函数的局部最小值，但是它并非仅有的局部最小值。特别地，在一些情况中会找到不对应于零点的局部最小值，并且在一些情况中存在其他的零点。因此，可以看出，仅仅通过找到局部最小值来确定角估计的方法并不充分。
这可以在图6中进一步看出，图6示出了对于实际点源干扰的不同方向的代价函数的局部最小值。再有，可以看出，存在对于正确的值的局部最小值（即对于如对角线所指，存在最小值
Figure 705137DEST_PATH_IMAGE042
）。然而，此外还可以看出，存在至少一个和可能两个其他局部最小值。例如，对于在1弧度的角处的干扰源而言，代价函数最小值存在于1弧度的正确值处但也存在于约3.8弧度的错误值处。此外，对于干扰源的角介于约2弧度至4.3弧度之间的情况而言，存在两个错误的局部最小值。
然而，进一步观测到的是正确的最小值总是在从0至π或从π至2π的相位区间内仅有的局部最小值。因此，对于干扰源的角处于区间[0;π]内的情况而言，该区间[0;π]中仅有的局部最小值为正确的值。相似地，对于干扰源的角处于区间[π;2π]内的情况而言，该区间[π;2π]中仅有的局部最小值为正确的值。
这种实现在图1的系统中被利用。具体地，估计电路109被设置成确定角区间[0;π]中的局部最小值以及角区间[π;2π]中的局部最小值。因此，估计电路109确定两个角，对于这两个角，对应于输出信号功率的代价函数被最小化。这种方法确保了所确定的局部最小值中的一个将对应于正确估计的角。
然后，估计电路109进而选择两个所估计的值中的一个作为用于控制由波束形成电路107执行的波束形成操作的估计角。因此，局部最小值中的一个被选择且被用于使用也会优化漫射噪声性能的等式来计算用于噪声参考信号的权重。
应当理解的是可以使用用于在所确定的局部最小值之间进行选择的不同标准。例如，在一些实施例中，简单的波束形成可以应用于麦克风信号，从而使得在两个方向中的每一个方向上形成波束以便测量在那些方向上的干扰级别。然后选择具有最高级别的方向，因为它对应于最主要的干扰。
然而，在特定的实例中，对正确的局部最小值的选择基于在将两个角区间分隔开的特定角（即其介于两个角区间之间且具体地可以为一个或两个角区间的端点）处的代价函数的梯度。在该特定的实例中，π处的梯度被确定且被用于选择合适的局部最小值。具体地，如果该代价函数对于
Figure DEST_PATH_IMAGE043
具有正梯度，则区间[0;π]中的局部最小值被选择，否则区间[π;2π]中的局部最小值被选择。实际上，已经发现这种选择提供了对正确的局部最小值的非常可靠的指示并因此提供了低复杂度但却高效的选择方法。
直观而言，可以做如下理解。对于
Figure 572206DEST_PATH_IMAGE043
的方向性波束图产生心型的、仅有单个零点的响应。对于
Figure 761879DEST_PATH_IMAGE043
的代价函数的梯度因此产生朝向真值
Figure 724019DEST_PATH_IMAGE013
的方向。如果梯度是负的，真值位于区间[π;2π]中。如果梯度是正的，真值位于区间[0;π]中。
还应当注意的是，在一些实施例中，所述函数的所有局部最小值可以被确定且被分隔成两个角区间。实际上，在这种实施例中，对一个区间内的两个局部最小值的探测可以自动地导致对另一个最小值（即另一个角区间内的最小值）的选择。该方法基于以下实现：（如图6所示）正确的局部最小值将为该角区间内的仅有的局部最小值。还应当理解的是这会导致如下结论：没有必要识别每个角区间内的多于一个的最小值，这是因为由于处于具有多于一个最小值的角区间内，任何未经识别的局部最小值在本质上将不会是正确的最小值。
在图1的系统中，对局部最小值的确定通过在每个角区间内执行梯度搜索来执行。
因此，估计电路109执行与波束形成电路107所执行的相对应的旁瓣消除操作，同时使用在减小代价函数的方向上不断更新且偏置的输入角值。该方法将导致以局部最小值结束的角变量。
具体地，对于
Figure 77006DEST_PATH_IMAGE044
的最陡峭的下降式更新等式可以通过在与代价函数表面相反的方向上相对于
Figure 27906DEST_PATH_IMAGE044
步进导出：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
其中梯度由下式给出：
Figure 460025DEST_PATH_IMAGE046
并且其中μ是更新的步长，其中0＜μ＜1。
在实践中，均值是不可获得的并且因此使用梯度的瞬时估计：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
通过插入先前导出的针对y[k]的公式并执行该推导，这一点可以被显示出以导致：
Figure 98423DEST_PATH_IMAGE048
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Figure 957795DEST_PATH_IMAGE050
Figure DEST_PATH_IMAGE051
。
因此，对于梯度搜索的角输入变量的更新值是旁瓣消除器的输出信号以及第一和第二噪声参考信号的函数。
在以上的实例中，该更新值依赖于噪声参考的功率。为了对此做出补偿，估计电路109可以确定对于所述噪声参考信号之一或两者的功率估计并且相应地归一化该更新值。
相应地，可以使用以下对于梯度搜索的更新等式：
其中ε是阻止零分割的小值并且是第i'个噪声参考信号的功率估计。这可以具体地通过递归平均来计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
其中β是适当的设计参数。
因此，对于每个角区间，估计电路109操作应用到与波束形成电路107的旁瓣消除器的相同信号的旁瓣消除器。然而，这些旁瓣消除器是基于输入角变量来操作的，该输入角变量对应于对到假设的点源干扰的角的当前估计。使用梯度搜索方法来连续地更新该输入角变量，以使得它将收敛于该角区间内的局部最小值。
然后，估计电路109在输入角变量的各当前值之间进行选择并且使用该结果作为对假设的点源干扰的估计角。该选择基于对于π的输入变量的代价函数的梯度。估计电路109可以具体地通过对输入信号操作另一个旁瓣消除器过程但却利用固定的角值π来对此做出确定。具体地，对于
Figure 490855DEST_PATH_IMAGE044
=π，估计电路109可以连续地评估该更新值：
Figure 501537DEST_PATH_IMAGE054
所导出的值可以在时间上取平均，并且平均值的符号（即在π处的代价函数的梯度）随后被用于选择使用由梯度搜索所确定的哪个角。
应当理解的是，虽然先前的讨论通过谈及四个旁瓣消除器的使用（一个用于波束形成电路107，一个用于每个梯度搜索，以及一个用于确定在π处的梯度）说明了原理，但是这仅仅用来说明原理。事实上，在许多实施例中，相同的旁瓣消除器可以被实现（例如作为子例程）且用于不同的目的及具有不同的输入角。
还应当理解的是，典型地，波束形成电路107将不会重复针对估计角的旁瓣消除器操作，但将在执行估计时直接使用针对所选角计算的输出信号。
在该实例中，梯度搜索被设置成在角输入变量的值移出了相应的角区间的情况下重新初始化该梯度搜索。具体地，如果两个梯度搜索达到其中这两者都具有在相同角区间内的角度值的情境，可以执行梯度搜索的重新初始化。例如，如果在区间[0;π]内的梯度搜索期间，更新的角度值移入了区间[π; 2π]内，从而使得两个梯度搜索都具有在此区间内的当前值，那么该梯度搜索被重新初始化。具体地，该重新初始化是通过将两个梯度搜索之一的输入角变量的值重设为初始值来执行的。该初始值可以例如是诸如区间中点（即π/2和3π/2）之类的固定值。
从图6中我们可以看出，区间[0;π]内的梯度搜索的相关象限是左下象限。对于区间[π; 2π]内的梯度搜索，右上象限是相关的。
接着来看针对区间[0;π]内的梯度搜索的左下象限，我们可以从图6和图7中（分别示出了代价函数的最小值和最大值）看出在该重新初始化将在范围[0;η]内完成（其中η≈2.55）的情况下，在此区间内的重新初始化将仅导致正确的收敛，即
Figure DEST_PATH_IMAGE055
。
当重新初始化将大于η时，存在梯度搜索再次以错误的象限（即左上象限）结束的风险。特别地，当
Figure 531809DEST_PATH_IMAGE013
等于或接近零时，重新初始化在范围[0;η]内完成是强制性的，其中η≈2.55。
因此，对于该重新初始化，选择区间[0;η]内的中点（即η/2）是安全的，其中η≈2.55。
可用的方法的一个特定实例被示于图8中。在步骤801中，参数值被初始化。
步骤801之后是步骤803，其中确保
Figure 188793DEST_PATH_IMAGE056
小于
Figure DEST_PATH_IMAGE057
（如果不是两个变量值简单地互换）。
步骤803之后是步骤805，其中确定两个梯度搜索是否导致处于同一角区间的角度值
Figure 962714DEST_PATH_IMAGE056
,
Figure 827902DEST_PATH_IMAGE057
。如果是，适当的值被重新初始化以确保每个角区间内有一个角。
步骤805之后是步骤807，其中计算用于噪声参考信号的权重、所得到的输出信号以及代价函数梯度。
步骤807之后是步骤809，其中计算梯度搜索的角输入变量
Figure 29076DEST_PATH_IMAGE056
,
Figure 612505DEST_PATH_IMAGE057
的新值。此外，计算在π处的经过滤的代价函数梯度。
步骤809之后是步骤811，其中基于在π处的经过滤的代价函数梯度选择适当的角度值。
步骤811之后是步骤813，其中在确定更新值过程中使用的噪声参考信号的功率估计被更新。
步骤813之后，该方法返回至步骤803以处理下一个样本。
对应于图1的算法的伪代码可以被表示为：
Figure 862220DEST_PATH_IMAGE058
在该具体的实例中，麦克风阵列101中麦克风的数目对应于参考波束的数目（即三个）。然而，在一些实施例中，麦克风阵列可以包括多于参考波束的麦克风。
具体地，麦克风阵列101可以包括至少四个麦克风。该系统可以仍然仅产生三个参考波束并且可以具体地被设置成在产生参考波束之前组合来自至少两个麦克风的信号。因此，参考处理器105可以仍然仅接收三个输入信号并且由此产生三个参考波束。然而，这些输入信号中的至少一个可以通过组合（且具体地，求平均或求和（例如通过加权求和））来自至少两个麦克风的信号而产生。这种方法可以在许多情境中提供改进的噪声性能，因为不相关的噪声级可以取平均。此外，在特定的区域上使用更多的麦克风具有以下优点：空间混叠将以更高频率发生。
应当理解的是，以上为了清楚的描述已参考不同的功能电路、单元及处理器描述了本发明的实施例。然而，显然，可以在不同的功能电路、单元或处理器之间的使用任何适当的功能分布，而不会损害本发明。例如，已说明的将由单独的处理器或控制器执行的功能可以由相同的处理器或控制器执行。因此，对特定的功能单元或电路的引用将仅仅被视作对用于提供所描述的功能的适当装置的引用，而非指代严格的逻辑或物理的结构或组织。
可以利用任何适当的形式实现本发明，其中包括硬件、软件、固件或这些形式的任何组合。可选地，本发明可以被至少部分地实现为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明实施例的元件和部件可以利用任何适当的方式物理地、功能地及逻辑地实现。事实上，所述功能可以在单个单元中、多个单元中或作为其他功能单元的一部分而实现。因此，本发明可以在单个单元中实现或可以物理地和功能地分布在不同的单元、电路和处理器之间。
虽然已经结合一些实施例描述了本发明，但这并非意图将其限制于本文所阐述的特定形式。相反，本发明的范围仅由所附权利要求限定。此外，虽然特征可能看起来是结合特定的实施例来描述的，但本领域技术人员将会认识到可以依据本发明对所描述的实施例的各种特征加以组合。在权利要求中，术语包括并不排除其他元件或步骤的存在。
另外，虽然多个装置、元件、电路或方法步骤被单独地列出，但它们可以通过例如单个电路、单元或处理器来实现。此外，虽然单独特征可以被包含在不同的权利要求中，但这些特征可能可以被有利地组合，而包含在不同的权利要求中并不意味着这些特征的组合是不可行和/或无利的。同样，将特征包含在一类权利要求中并不意味着限制于该类，而是指示该特征同样可以适用于其他恰当的权利要求类别。另外，权利要求中的特征的顺序并不意味着这些特征必须按其工作的任何特定的顺序，并且特别地，方法权利要求中的各个步骤的顺序并不意味着这些步骤必须要按照该顺序执行。相反，这些步骤可以按照任何适当的顺序执行。此外，单数引用并不排除多个。因此，“一”、“一个”、“第一”、“第二”等引用语并不排除多个。权利要求中的附图标记仅作为澄清实例被提供，而不应当被解释为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种音频波束形成装置，包括：
接收电路（103），用于从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列（101）接收信号；
参考电路（105），用于根据麦克风信号产生至少三个参考波束；
组合电路（107），用于通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；
估计电路（109），用于通过下述方式产生所述方向估计：
     确定对应于在第一角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第一角，
     确定对应于在第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第二角，以及
     将所述方向估计确定为选自与该输出信号功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，其中这组角至少包括所述第一角和所述第二角；以及
其中所述组合电路（107）被设置成确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与平均增益之间的比率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述估计电路（109）被设置成：响应于作为对分隔所述第一角区间和所述第二角区间的角的方向估计的函数的、输出信号的功率度量梯度，将所述方向估计选择为所述第一角和所述第二角之一。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一角区间包括从0至π的角以及所述第二角区间包括从π至2π的角。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述估计电路（109）被设置成：响应于作为对π角的方向估计的函数的、输出信号的功率度量梯度，将所述方向估计选择为所述第一角和所述第二角之一。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述组合电路（107）包括旁瓣消除器。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述旁瓣消除器被设置成将输出信号产生为至少主信号、第一噪声参考信号及第二噪声参考信号的加权的组合。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述组合电路（107）被设置成响应于所述方向估计和所述方向性代价度量的最小化来计算所述第一和第二噪声参考信号的权重。
8.根据权利要求5所述的装置，其中所述估计电路（109）被设置成通过应用于与组合电路的旁瓣消除器相对应且具有角输入变量的旁瓣消除器的梯度搜索来确定所述第一和第二角中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的装置，其中依据用于所述角输入变量的当前相位值的旁瓣消除器的输出信号以及用于该当前相位值的旁瓣消除器的第一和第二噪声参考信号来确定所述角输入变量的更新值。
10.根据权利要求9所述的装置，其中依据所述当前相位值来对所述第一和第二噪声参考信号进行加权。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述估计电路（109）被设置成确定所述第一和第二噪声参考信号中的至少一个的功率估计以及依据该功率估计来执行对所述更新值的归一化。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少二维的麦克风阵列包括至少四个麦克风，并且所述装置包括在产生所述参考波束之前用于组合来自所述至少四个麦克风中的至少两者的信号的电路。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括所述至少二维的麦克风阵列（101），该至少二维的麦克风阵列（101）包括在此阵列周界向外的方向上具有最大应答的方向性麦克风。
14.一种音频波束形成的方法，包括：
从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列接收信号；
根据麦克风信号产生至少三个参考波束；
通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；
通过下述方式产生所述方向估计：
     确定对应于在第一角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第一角，
     确定对应于在第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第二角，以及
     将所述方向估计确定为选自与该输出信号的功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，其中这组角至少包括所述第一角和所述第二角；以及
其中组合所述参考波束包括：确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷以及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与能量平均增益之间的比率。
15.一种包括使得处理器能够执行权利要求14所述的方法的计算机程序的计算机程序产品。
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