CN103329565B - 音频系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种音频系统包括：超声发射器（111），其被设置成发射超声测试信号；超声传感器阵列（105），其具有多个超声传感器元件；以及音频带阵列（101），其包括多个音频带元件。相同的宽带音频换能器阵列可以用于超声传感器阵列（105）和音频带阵列（101）二者。估计器（107）响应于超声测试信号的特性与接收自超声传感器阵列的超声信号的特性之间的比较而生成用户的存在性特性。存在性特性可以特别地包括对于用户的位置估计。音频阵列电路（103）通过向音频带元件的各音频带信号施加权重而生成音频带阵列（101）的定向响应。权重电路（109）响应于存在性特性而确定所述权重。该系统可以提供音频带阵列（101）的定向性的改进的适应性调节，并且特别地不要求音频带中的声音源激活以用于适应性调节。

Description

音频系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种音频系统及其操作方法，并且特别地但非排他性地涉及一种能够估计用户位置的音频系统。

背景技术

确定与存在性和位置有关的信息在包括例如免提通信和智能娱乐系统的许多音频应用中是令人感兴趣的。用户地点及其运动的知识可以被采用来将视听效果定位在用户地点处以用于娱乐系统中更加个性化的体验。再者，这样的知识可以被采用来例如通过与希望的用户的估计的方向相比衰减来自其他方向的声音而改进免提（话音）通信的性能。

特别地，这样的应用可以使用定向音频再现或捕获以提供改进的效果。这样的定向性可以例如从包括多个音频驱动器或传感器的音频阵列得到。因此，声波束形成在许多应用中（诸如在例如电话会议系统中）是相对常见的。在这样的系统中，将权重施加到各音频元件的信号，从而导致用于阵列的波束图案的生成。该阵列可以依照各种不同的算法适应用户位置。例如，可以依照各种不同的算法不断地更新权重以便得到最大的信号水平或者信噪比。然而，这样的常规方法要求存在音频源，并且因而只能在源激活之后适应性调节声阵列的权重。

这在许多情景下是不利的。例如，当仅仅存在短的声活动脉冲串时，用户跟踪倾向于变得不精确。这样的情景对于包括例如语音应用的许多应用而言是典型的，在语音应用中，说话者典型地仅仅在若干间隔中谈话。此外，波束形成只能在声活动的特定持续时间之后才被有效地采用，因为权重适应花费一定时间才变得足够精确。再者，在存在其他声源的情况下可能出现误检测。例如，如果收音机或计算机在房间中正在产生声音，那么系统可能适应该声音源而不是预期的声音源，或者该适应可能受噪声源损害。

为了解决这样的问题，提出了使用视频照相机执行位置确定并且使用视频信号控制权重的适应。然而，这样的方法倾向于复杂、昂贵且就计算和电力资源使用而言是资源需求型的。

因此，一种改进的音频系统将是有利的，尤其是一种允许提高灵活性、降低资源使用、降低复杂性、改进适应性、提高可靠性、提高精度和/或提高性能的系统将是有利的。

发明内容

因此，本发明寻求优选地单独地或者以任意组合缓解、减轻或者消除上面提到的缺点中的一个或多个。

依照本发明的一个方面，提供了一种音频系统，包括：超声发射器，其被设置成发射超声测试信号；超声传感器阵列，其包括多个超声传感器元件；估计器，其用于响应于超声测试信号的特性与接收自超声传感器阵列的超声信号的特性之间的比较而估计用户的存在性特性；音频带阵列，其包括多个音频带元件；音频阵列电路，其用于通过向音频带元件的各音频带信号施加权重而生成音频带阵列的定向响应；以及权重电路，其用于响应于存在性特性而确定所述权重。

本发明可以提供音频带阵列的定向性的改进的适应。该方法可以例如允许滤波器特性基于超声信号而适应阵列处理。滤波器特性和权重以及因而音频阵列的定向性的适应可以在不存在从目标源生成的声音的情况下执行。特别地，可以基于超声信号设定滤波器特性/权重以便在希望的方向上提供波束或者凹口。

在许多实施例中，本发明可以提供音频定向性的改进的精度和/或其对于音频带阵列的更快速的适应。用于音频带阵列的权重的初始化可以例如基于存在性特性。

在一些实施例中，可以响应于存在性特性而调节音频带阵列的空间定向性图案。例如，如果检测到用户的存在，那么可以生成定向波束，并且如果没有检测到用户，那么可以生成全向波束。

音频带可以被认为与声频带相应。音频带可以是具有低于15kHz且典型地低于10kHz的上频率的频带。超声带可以是具有高于10kHz且经常有利地高于15kHz或20kHz的下频率的频带。

权重可以是由阵列处理器施加到各音频带信号的各滤波器的滤波器权重。这些权重可以是复数值和/或可以等效地为延迟、比例因子和/或相移。

依照本发明的一个可选的特征，存在性特性包括位置估计，并且音频阵列电路被设置成响应于位置特性而确定权重。

这对于许多应用可以提供改进的性能和/或附加的能力。本发明可以例如允许波束形成甚至在用户或音频源不生成任何声音时跟踪用户或音频源。在许多实施例中，它可以提供波束图案对于特定用户位置的更快速的适应。

依照本发明的一个可选的特征，音频带元件为音频传感器，并且音频阵列电路被设置成通过组合来自音频传感器的音频带信号而生成定向输出信号，该组合包括将权重施加到各音频带信号。

本发明可以允许基于音频带传感器阵列对于音频捕获系统的定向性进行有利的控制。所述方法可以允许甚至在目标源不生成声音时适应性调节音频带音频捕获波束。此外，该方法可以降低或者缓解不希望的声音源生成的音频的影响。

依照本发明的一个可选的特征，音频系统包括多个宽带传感器，每个宽带传感器为超声传感器阵列的超声传感器和音频带阵列的音频传感器二者。

同样的宽带传感器因此可以用作音频带元件和超声传感器二者。这在许多情景下可以提供非常成本高效的实现方式。所述方法可以促进和/或改进音频带处理与超声带处理之间的相互配合。例如，该方法在许多情景下可以允许在处理音频带信号时再使用响应于超声信号而确定的参数。特别地，该方法可以促进和/或改进超声和音频带操作和处理之间的同步。

依照本发明的一个可选的特征，所述多个宽带传感器形成超声传感器阵列和音频带阵列二者。

音频带元件和超声传感器中的每一个可以由宽带传感器实现。相同的宽带传感器阵列因此可以用作音频带阵列和超声传感器阵列。超声信号和音频带信号可以是相同物理信号（即宽带传感器元件）的不同频率间隔。

所述方法在许多情景下可以提供非常成本高效的实现方式。该方法可以促进和/或改进音频带处理与超声带处理之间的相互配合。

依照本发明的一个可选的特征，所述音频系统进一步包括：用户运动模型，其被设置成跟踪用户的位置；更新电路，其用于响应于超声信号和音频带信号而更新用户运动模型。

这在许多实施例中可以提供改进的性能并且在许多情景下可以提供充分改进的用户运动跟踪。

依照本发明的一个可选的特征，更新电路被设置成在音频带信号的特性满足一定准则时响应于超声信号而更新用户运动模型。

这在许多情景下可以改进用户运动跟踪。

所述准则可以例如是指示希望的声音源不生成任何声音的准则。作为一个简单的实例，该准则可以是音频带信号的信号水平低于一定阈值的要求。该阈值可以是响应于其他参数而变化的可变阈值。

依照本发明的一个可选的特征，更新电路被设置成在音频带信号的特性满足一定准则时响应于超声信号而不更新用户运动模型。

这在许多情景下可以改进用户运动跟踪。

所述准则可以例如是指示希望的声音源生成声音的准则。作为一个简单的实例，该准则可以是音频带信号的信号水平高于一定阈值的要求。该阈值可以是响应于其他参数而变化的可变阈值。

依照本发明的一个可选的特征，权重电路被设置成确定用于超声信号的超声权重延迟以便与超声源的方向相应；并且确定用于各音频带信号的音频权重延迟以便与超声权重延迟相应。

这在许多情景下可以提供促进和/或改进的性能。

依照本发明的一个可选的特征，超声传感器阵列和音频带阵列在空间上重叠。

这在许多情景下可以提供促进和/或改进的性能。超声传感器阵列和音频带阵列特别地可以是基本上并置的。

依照本发明的一个可选的特征，所述音频系统进一步包括被设置成发射超声测试信号的超声发射器，并且估计器被设置成响应于超声测试信号的特性与接收自超声传感器阵列的超声信号的特性之间的比较而估计存在性特性。

这可以提供改进的性能。超声发射器可以邻近超声传感器阵列，并且可以基本上与其并置。超声发射器在一些情景下可以由与超声传感器中的一个（或多个）相同的超声换能器实现。

依照本发明的一个可选的特征，超声测试信号为脉冲式超声信号，并且估计器被设置成响应于与不同脉冲相应的超声信号的信号段的比较而执行运动估计。

这可以提供特别实用和/或改进的运动检测，其在许多情景下可以改进整个音频系统的性能。

依照本发明的一个可选的特征，估计器被设置成响应于信号段之间的差异而估计运动物体的位置。

这可以提供特别实用和/或改进的运动检测，其在许多情景下可以改进整个音频系统的性能。

依照本发明的一个可选的特征，所述音频带元件为被设置成响应于驱动信号而生成声音信号的音频驱动器，并且各音频带信号为驱动信号。

本发明可以允许改进性能和或促进实现和/或操作提供定向声音复现的音频系统。所述方法可以例如允许优化用于特定倾听位置的音频再现。

依照本发明的一个方面，提供了一种操作包括超声传感器阵列和音频带阵列的音频系统的方法，该超声传感器阵列包括多个超声传感器元件，该音频带阵列包括多个音频带元件，该方法包括：发射超声测试信号；响应于超声测试信号的特性与接收自超声传感器阵列的超声信号的特性之间的比较而估计用户的存在性特性；通过向音频带元件的各音频带信号施加权重而生成音频带阵列的定向响应；以及响应于存在性特性而确定所述权重。

本发明的这些和其他方面、特征和优点根据此后描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照所述实施例进行阐述。

附图说明

将仅仅通过实例的方式参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1图示出依照本发明一些实施例的音频系统的一个实例；

图2图示出用于音频传感器阵列的波束形成器的一个实例；

图3图示出用于音频再现阵列的波束形成器的一个实例；

图4图示出依照本发明一些实施例的音频系统的一个实例；

图5图示出发射的超声信号的一个实例；

图6图示出依照本发明一些实施例的音频系统的一个实例；以及

图7-9图示出去回响应用的性能的实例。

具体实施方式

图1图示出依照本发明一些实施例的音频系统的一个实例。

该音频系统包括音频带阵列101，该音频带阵列包括多个音频带元件/换能器。音频带阵列101可以用来通过单独地处理用于每一个音频带元件的信号而提供音频系统的定向操作。因此，音频带阵列101的组合效果可以与具有定向音频特性的单个音频带元件相应。

音频带阵列101耦合到阵列处理器103，该阵列处理器被设置成通过单独地处理各音频带元件的各信号的信号而根据音频带阵列生成定向响应。

在一些实施例中，音频带阵列101可以用来再现声音，并且音频带元件/换能器可以是音频带驱动器/扬声器。因此，可以向阵列处理器101施加输入信号，该阵列处理器可以通过单独地处理该输入信号而生成用于音频带驱动器的各驱动信号。特别地，可以为每个音频带驱动器单独地设定滤波器特性/权重，使得得到的辐射的音频带信号在不同的方向上不同地相加或相减。例如，可以在希望的方向上产生相干叠加，并且在其他方向上产生非相干（以及因而减小的信号水平）。

在一些实施例中，音频带阵列101可以用来捕获声音，并且音频带元件/换能器可以是音频带传感器。因此，输出信号可以由阵列处理器101通过单独地处理来自音频带传感器的各传感器信号并且随后组合处理的信号而生成。特别地，可以为每个音频带传感器单独地设定滤波器特性/权重，使得所述组合是希望的方向上的或多或少相干的组合。

图2图示出其中从四个音频带传感器接收四个输入传感器信号的一个实例。应当领会的是，所述阵列在其他实施例中可以包括更少或者更多元件。信号中的每一个在单独的低噪声放大器201中被放大，其后，在单独的滤波器203中对每个信号滤波。然后，将得到的滤波的信号馈送至组合器205，组合器可以例如简单地对滤波器输出信号求和。

图3图示出这样的实例，其中输入信号由生成四个信号的分解器301接收，一个信号用于四个音频带驱动器中的每一个。然后，在单独的滤波器303中对每个信号滤波，其后，在适当的输出放大器305中将每个滤波器输出信号放大。因此，输出放大器中的每一个生成用于音频带驱动器的驱动信号。

因此，音频带阵列的定向性可以通过适当地适应性调节各滤波器203、303而加以控制。特别地，可以适应性调节滤波器203、303，从而针对希望的方向实现相干求和。

音频带阵列的定向性相应地可以简单地通过改变滤波器的特性而动态地修改。因此，如技术人员已知的，可以通过修改滤波器的权重来控制音频带阵列的音频带波束/图案。

特别地，滤波器权重的修改可以与增益、相位和延迟中的一个或多个的修改相应。这些参数中的每一个可以针对所有频率是恒定的，或者可以依赖于频率。此外，可以在频域和/或时域中执行滤波器权重的修改。例如，时域适应可以通过调节FIR滤波器的系数（抽头）而执行。作为另一个实例，可以通过快速傅立叶变换将信号转换到频域。接着，可以通过将系数/权重施加到每个频率槽（bin）值而对得到的频域信号滤波。然后，可以通过逆快速傅立叶变换将得到的滤波的频域信号转换回时域。

作为一个低复杂度实例，滤波器203、303可以简单地与可变延迟相应。应当指出的是，简单的延迟相应于在与延迟相应的时间位置处具有与狄拉克（Dirac）脉冲相应的冲激响应的滤波器。因此，引入可变延迟相应于引入其中对系数加权以便提供希望的延迟的滤波器（例如，它等效于其中将与延迟相应的系数设定为1并且将所有其他系数设定为0的FIR滤波器。对于分数延迟（相对于采样时刻）而言，可以考虑FIR插值）。

因此，对于音频带传感器情况而言，所述方法可以与延迟和求和波束形成器（DSB）相应。

在一些实施例中，可以执行更复杂的滤波，并且特别地可以应用依赖于频率的滤波。因此，对于音频带传感器情况而言，所述方法可以与滤波和求和波束形成器（FSB）相应。

应当领会的是，在一些实施例中，可以执行对各信号的进一步处理。例如，可以对于音频带再现系统引入增益调节或补偿。例如，可以执行校准以便补偿音频带驱动器的特性的变化。

作为另一个实例，音频带传感器实例的组合可以考虑到其他信号并且可以例如减去从各信号导出的信号。例如，可以通过减去这样的信号的适当生成的估计而引入旁瓣消除。

已知用于控制音频带波束形成器的权重的各种不同的算法。通常，这些算法基于希望的定向性的知识确定用于音频带波束形成器的权重，并且相应地基于例如使方向与权重有关的预定值（例如使用查找表）确定权重。对于音频带传感器情况而言，典型地基于接收的音频以反馈的方式适应性地调节权重。例如，动态地适应性调节权重以便提供最大的信号水平或者最大的信噪比估计。

然而，在图1的系统中，滤波器特性的适应可替换地或者附加地取决于超声音频环境。所述系统包括超声传感器阵列105，该超声传感器阵列包括生成多个超声信号的多个超声传感器。将超声信号馈送至估计处理器107，该估计处理器被设置成响应于超声信号而生成用于用户的存在性估计。估计处理器107耦合到权重处理器109，该权重处理器进一步耦合到阵列处理器103。权重处理器109被设置成响应于存在性估计而确定用于阵列处理器103的滤波器特性。

所述系统因此使用根据超声音频环境估计的特性控制音频带中的操作。超声带可以被认为从10kHz起，而音频带可以被认为是低于15kHz的频率范围。音频带因此将包括低于15kHz的频率间隔。

在图1的特定实例中，系统进一步包括被设置成辐射超声信号的超声发射器111。这样的信号将被房间中的物体反射，并且反射的信号或回声可以由超声传感器阵列105捕获。

因此，在图1的系统中，对于至少一些时间而言，滤波器特性和权重可以完全或者部分地依赖于接收的超声信号并且特别地依赖于来自辐射的超声信号的回声。估计处理器107接收来自传感器阵列105的超声信号，并且它基于这些信号估计用于用户的存在性特性。该存在性特性在一个简单的实例中可以简单地指示用户是否被估计为存在。然而，在大多数实施例中，存在性特性为用户位置的指示。应当领会的是，无需确定完全的位置估计，但是在一些实施例中，权重处理器107可以例如简单地估计到用户的大致方向。基于确定的存在性特性，权重处理器107继续以确定导致用于特定存在性特性的希望的波束图案的适当的权重。

作为一个简单的实例，可以在这样的环境中建立音频系统，其中超声发射器111不在超声传感器阵列105处生成任何显著的回声（例如在大的空的空间中，其中所有物体距离足够远而不生成显著的回声）。然而，当用户进入超声发射器111和超声传感器阵列105之前的区域中时，可能生成显著的回声。估计处理器107可以通过将超声信号水平与一定阈值进行比较并且在超过阈值的情况下将存在性指示器设定为指示用户的存在，否则将其设定为指示未检测到用户而执行非常简单的检测。然后，权重处理器107可以继续以相应地修改权重。例如，如果没有用户存在，那么可以设定权重以便提供尽可能全向的图案，并且如果检测到用户，则可以将权重设定为在假定用户所在的标称位置的方向上（例如在超声传感器阵列105正前方）提供预定窄波束。这样的方法可以适合于许多应用，并且可以用于音频再现/回放以及用于音频捕获。例如，当没有用户存在时，在所有方向上辐射和/或从所有方向捕获声音。这可以支持不同位置的外围用户。然而，当用户步入系统之前时，音频系统自动地适于聚焦到该特定用户上。

应当领会的是，系统寻求确定用于用户的存在性/位置特性，但是可能不知道超声信号是由用户还是其他物体造成。因此，存在性特性可能被认为是物体的存在性特性。于是，可能假定该物体为用户。

在许多实施例中，存在性特性可以包括用于用户的位置（方向）估计或者由其组成，并且权重处理器107可以被设置成确定提供用于该方向的适当图案的权重（例如通过将波束定向到该方向上）。音频系统因此可以使用超声测量调节音频带波束的定向性。

在许多情景下，超声传感器阵列105和音频带阵列101可以基本上并置，并且可以例如彼此邻近。然而，在许多实施例中，超声传感器阵列105和音频带阵列101可以有利地彼此重叠。因此，对于音频捕获应用而言，超声传感器阵列105和音频带（传感器）阵列101的孔径可以彼此重叠。一个实例是，超声传感器置于音频带传感器之间，使得这些阵列彼此交错。这种方法提供了改进和促进的操作以及提高的精度。特别地，无需复杂的计算以便将相对于超声传感器阵列105的位置转化为相对于音频带阵列101的位置。相反地，如果基于超声信号确定了到用户的估计的方向，那么可以在确定用于音频带信号的适当滤波器权重时直接使用该方向。

在下文中，将描述系统的更特定的实例。该描述将聚焦于朝向希望的声音源适应性调节音频波束图案的音频捕获系统。该音频系统可以例如是电话会议系统。

在该实例中，超声传感器阵列105和音频带阵列101不仅并置或者重叠，而且实际上使用相同的音频带元件。图4图示出示例性音频捕获系统的一个实例。

图4的系统包括宽带音频带传感器401形式的音频带换能器的音频带阵列。宽带音频传感器401中的每一个捕获宽带范围内的声音，该宽带范围覆盖音频带和超声带的至少一部分。事实上，供宽带音频传感器401捕获的激活的频率间隔包括低于2kHz和高于10kHz（或者在许多情景下低于500Hz或1kHz和/或高于15kHz或20kHz）的频率。

因此，宽带音频传感器401中的每一个为音频带传感器和超声传感器二者。因此，相同的传感器用来既提供捕获的音频输入，又提供超声输入。

宽带音频传感器401耦合到阵列处理器403，该阵列处理器如针对图1的阵列处理器103所描述的那样继续以便对音频带信号滤波并且将其组合。然而，在许多情景下，阵列处理器103可以进一步对信号进行低通滤波以便将信号限制到音频带。

类似地，宽带音频传感器401耦合到估计器405，该估计器被设置成沿着与图7的存在性估计器107相同的线路确定用于用户的存在性特性。估计器405耦合到权重处理器407，该权重处理器被设置成与图1的权重处理器107的方法相应地基于存在性特性确定用于阵列处理器403的权重。

在其中相同的换能器信号用于音频带和超声处理的系统中，对应超声信号可以例如通过换能器信号的高通滤波而生成，并且音频带信号可以通过换能器信号的低通滤波而生成。

音频带信号可以具有低于10kHz的总信号能量的至少80%，而超声信号可以具有高于10kHz的总信号能量的至少80%。

所述系统进一步包括居中地位于音频阵列401中的超声发射器409。

图4的系统可以与针对图1的捕获应用描述的系统类似地操作。然而，典型地，该系统可以特别地用来基于超声信号估计用户位置，并且该位置估计可以用来完全地或者部分地控制音频带组合的权重以便提供音频捕获的希望的定向灵敏度。

应当领会的是，权重不仅可以基于根据超声信号生成的存在性或位置估计而确定，而且在一些情景下可以可替换地或者附加地基于音频阵列401捕获的音频带信号而生成（并且典型地通过对这些音频带信号的滤波而生成，或者在一些情况下当执行音频带处理时直接在超声信号分量可忽略时使用）。例如，音频系统可以包括用于适应性调节用于音频阵列的波束形成器的权重的常规功能。然而，在没有声音的间隔期间或者在初始化时，超声信号可以用来确定可以用于波束形成算法的适当权重。因此，音频波束形成算法的初始化可以使用根据超声信号确定的权重而执行。

宽带传感器作为音频带和超声传感器二者的使用提供了若干优点。事实上，它可以促进实现和制造，因为更少的传感器被使用。这可以降低成本并且经常减小音频系统的传感器段的形状因子。它可以例如允许在单个相对较小的封闭空间内使用所描述的方法实现电话会议音频系统。然而，该方法可以进一步提供改进的性能，并且特别地可以提供更高的精度和/或具有降低的复杂度的减少或促进的信号处理。事实上，经常可以充分地促进不同音频带与超声传感器阵列之间的转化。事实上，在许多情景下，被确定为导致超声信号的相干叠加的参数可以直接用作用于音频波束形成的参数。例如，相同的延迟可以用于每个单独的路径。

作为一个特定的实例，所述系统可以用在免提通信中，其中一个或多个用户使用固定的系统与位于远处的用户通信。为了提供高质量的接口，可以执行声波束形成以便定位源并且将声束定向至这些地点。然而，常规上这要求源是（声学上）激活的。在常规系统中，在失活时段期间以及紧接其后，波束形成权重在源移动的情况下需要更新，导致质量的下降。作为一个实例情景，考虑特定地点处的激活的源。该源安静下来并且移到另一个地点，并且然后再次激活。通信在初始时将受影响，因为声波束形成器权重需要更新。再者，如果存在像在环境中操作的TV或笔记本那样的非人类声源，那么计算的波束形成权重可能是不精确的，导致差的质量或者甚至通信中断。

然而，在当前系统中，这样的缺点可以通过用来在没有声活动的间隔期间跟踪和更新权重的超声信号来缓解。此外，外部噪声源不太可能影响超声处理，从而提供可以在过多不希望的噪声的情况下使用的更加可靠的估计。

在许多实施例中，存在性特性因此为位置估计或指示，诸如例如假定的用户的方向。位置估计可以响应于由超声发射器409发射的超声信号而被确定。特别地，超声带中的信号分量可以用来基于渡越时间处理计算用户地点，所述渡越时间处理允许计算范围和/或用于角度信息的到达方向处理。

在下文中，将描述基于发射脉冲式信号的超声发射器的实例，例如诸如图5中所示的实例。在该实例中，T表示包括正弦曲线的脉冲传输的持续时间，并且PRI表示可以接收回声的持续时间。

对于每个脉冲，估计器405可以将来自每个宽带音频传感器的接收的超声信号与发射的脉冲的延迟版本相关。导致最大相关的延迟可以被认为与用于超声信号的渡越时间相应，并且阵列元件之间的相对延迟差异（以及因而渡越时间）可以用来确定朝向反射超声的物体的方向。

在一些实施例中，超声信号也用来提供用于用户的运动估计。特别地，超声位置估计可以基于运动物体，即基于宽带传感器接收的回声的变化。

例如，超声发射器可以发出一系列脉冲，例如图5的那些脉冲。然后，估计器405可以继续以便首先确定运动源仅仅离宽带传感器阵列401的距离，同时丢弃静止物体不予考虑。在该实例中，估计器405继续以考虑来自两个连续发射脉冲的接收的信号的差异，而不是单独地考虑每个响应。来自静止物体的回声在来自连续发射脉冲的接收的信号中导致相同的贡献，并且因此差异将为（接近）零。另一方面，来自运动源的回声导致非零差异信号。接着，基于差异信号计算每距离槽（bin）的信号功率。如果计算的信号功率超过检测阈值，则确定在特定距离槽处存在运动源。检测阈值可以适应外界噪声条件。确定了径向距离之后，可以通过确定运动源的到达方向（DoA）计算角位置。距离连同角度给出每个运动源的瞬时地点。

可以将由超声阵列提供的地点估计（方位）转化成在从该地点发出的音频信号传播至阵列401的音频传感器时发生的相对延迟。为了清楚和简单起见，并且不失一般性，采取元件间间距为d m的均匀线性音频传感器阵列。令 表示音频源（反射超声信号的物体）相对于宽带传感器阵列401的地点的估计。

假定远场模型以及因而平面波传播，阵列的传感器i处以秒为单位的相对于第一传感器的延迟由下式给出：

其中c为声音在空气中的速度。传感器i处接收的信号可以写成：

其中s(t)为希望的声音，并且为传感器i处的噪声信号。

现在，现在可以根据由超声阵列提供的地点估计计算在假定的用户的方向上形成波束所需的相对延迟。特别地，可以补偿来自音频传感器的信号，使得确定的方向的信号在延迟和求和波束形成器（DSB）结构中相干叠加：

。

应当理解的是，上面的方程可以通过适当地延迟输入信号以便确保因果性而实现。

其中音频带阵列和超声阵列靠近地定位的许多系统、尤其是其中相同的传感器提供超声和音频带信号二者的系统的一个特别的优点在于，从超声信号获得的相对延迟的估计可以直接用于音频带信号。

这避免了在必须将延迟转化成相对于超声阵列的地点估计并且然后将该位置转化回用于可能位于别处的音频带阵列的延迟中的潜在精度损失。

因此，在许多实施例中，所述音频系统可以直接地确定与超声源（例如反射物体）的方向相应的超声信号的超声权重延迟。然后，用于各音频带信号的音频带权重延迟可以直接地用来与超声权重延迟相应。在这样的情景下，存在性特性事实上可以由确定的延迟本身代表。

应当指出的是，尽管特别地参照DSB描述了所述方法，但是它也适用于例如更复杂的波束形成器，例如滤波求和波束形成器（FSB）或者旁瓣消除波束形成器。

所述方法可以提供若干优点。例如，在一定的声失活时段之后用户将滤波器重置为与通过超声信号确定的地点相应的延迟并且然后在音频带激活时允许滤波器适应性调节，确保了比其中需要适应性调节与旧的地点相应的滤波器的情况更快速的收敛性。

图1的音频系统可以被设置成跟踪用户的运动，其中使用来自音频带和来自超声带的结果更新估计的运动。然后，音频波束形成可以基于对于用户的当前位置估计。例如，可以将过去的地点信息与运动模型组合以便获得用户运动轨迹，其中可以基于根据音频带信号、超声信号或者根据这二者估计的当前位置连续地更新该模型。用户运动模型可以例如是例如简单地使用最近估计的位置作为当前位置的简单模型，或者可以是更复杂的，并且例如实现可以预测运动并且组合来自超声和音频带二者的位置估计的复杂运动模型。然后，地点和运动轨迹信息可以例如用作声波束形成器的先验输入，即在来自希望的信号源的音频中的暂停之后，可以利用与估计的用户位置相应的权重初始化阵列处理器403。

这例如在音频源为从地点A移动到地点B而不谈话的人时是特别有利的。只有音频的系统由于缺乏可听信号的原因而不能够跟踪该运动，并且一旦该人开始从地点B谈话时需要时间来收敛到正确的权重。使用根据超声阵列估计的地点解决了这个问题，因为它可以在从地点A到地点B的运动期间连续地跟踪用户。

图6图示出可以如何使用运动模型实现图4的音频系统的实例，该运动模型基于根据超声信号和根据音频带信号生成的位置估计进行更新。

在该实例中，估计器405包括超声位置估计器601，该超声位置估计器接收来自宽带音频传感器401的信号并且根据超声信号分量生成位置估计。可以例如使用先前描述的方法。

估计器405进一步包括音频带位置估计器603，该音频带位置估计器接收来自宽带音频传感器401的信号并且根据音频带信号分量生成位置估计。应当领会的是，可以使用任何适当的算法，包括例如确定导致最大的总和信号水平的相对延迟的自适应算法。也应当领会的是，在一些实施例中，位置确定可以例如通过音频系统而与阵列处理器403的波束形成过程集成，包括从阵列处理器403到音频带位置估计器603的反馈路径。

超声位置估计器601和音频带位置估计器603耦合到更新处理器605，该更新处理器进一步耦合到运动模型607。运动模型607为生成对于用户的位置估计的模型。更新处理器605基于来自超声位置估计器601和音频带位置估计器603的位置估计控制运动模型。

作为一个简单的实例，运动模型607可以简单地包括存储器，该存储器存储由更新处理器605提供的最近的位置估计。更新处理器605可以连续地评估超声和音频带位置估计，并且继续以便向前馈送被认为有效的位置估计。如果所述两个估计被认为有效，那么可以转发平均位置估计，并且如果它们中没有一个被认为有效，那么不转发位置估计。

应当领会的是，可以使用用于确定位置估计是否有效的任何适当的方法。例如，如果组合的信号的信号水平高于给定阈值，则位置估计可以简单地被认为有效，否则可以被认为无效。

在一些实施例中，因此可以在音频带信号满足一定准则的情况下使用超声位置估计。例如，如果音频带信号不组合以生成足够高的信号水平，那么不在音频带位置估计的基础上更新用户模型，而是改为在超声位置估计的基础上更新用户模型。因此，如果有可能用户不在说话，那么超声信号用于位置估计。

在一些实施例中，如果音频带信号满足一定准则，则可以不使用超声位置估计。例如，如果音频带信号组合以生成足够高的信号水平，那么不在超声位置估计的基础上更新用户模型，而是改为在音频带位置估计的基础上更新用户模型。因此，如果有可能用户正在说话，那么音频带信号用于位置估计。

因此，在一些实施例中，阵列处理可以在超声与可听声音之间切换，例如以便节省由有源超声传输引起的功率。因此，当检测到可听活动（在人类听力频率范围内）时，系统从超声模式切换到音频带模式。在切换期间，利用由超声信号提供的最近的地点估计初始化音频波束形成权重。只要可听活动持续，则音频带信号用于用户定位。当可听活动水平下降至低于设定的阈值时，系统切换到超声模式。

作为另一个实例，可以如下使用联合的超声和音频带定位实现改进的检测性能。在超声模式下，如果可能地由于在一定持续时间上缺乏显著的运动的原因而没有检测到用户，那么系统可以在可听活动高于设定的阈值的情况下切换到音频带模式。这可以改进总的用户检测。系统可以在检测到运动的情况下返回到超声模式。可替换地，只要可听活动保持高于设定的阈值，那么系统可以停留在音频带模式下。

可以由系统实现的优点的一个实例可以通过考虑去回响应用而证明，在该应用中，波束形成用来减少由阵列捕获的回响的量。回响影响语音的清晰度，清晰度可以通过清晰度指数或者C50来量化，所述清晰度指数或C50是声音生成之后50ms内到达耳朵的声音的能量与50ms之后到达的声音的能量之比（以dB为单位）。执行去回响的波束形成器的性能因此可以通过由处理引起的清晰度指数的改进进行测量。

图7图示出针对不同滤波器长度的由常规波束形成器提供的C50的改进的一个实例。对于前近似10s，用户处于阵列之前，并且对于接下来的10s，处于45度的角度。当用户改变地点时，可以看出存在性能的急剧下降，并且系统尤其是在使用了长滤波器时需要数秒来收敛。这在其中用户在交谈期间自由移动的许多免提通信系统中是个显著的问题。

这样的问题可以在所描述的方法的音频系统中被缓解，因为该系统可以使用超声信号和/或声信号连续地跟踪用户。特别地，如图8中所示，当用户从传感器之前（0度）移动到45度的角度时，可以使用超声信号执行跟踪。

这种地点的变化作为输入提供给波束形成器。然后，可以将波束形成器权重重置为与新地点相应的延迟。图9图示出C50的相应改进。显然，当提供了精确的地点估计时，可以观察到更快速的收敛性。

应当理解的是，为了清楚起见，上面的说明参照不同的功能电路、单元和处理器描述了本发明的实施例。然而，应当清楚的是，可以使用不同功能电路、单元或处理器之间的任何适当的功能分布，而不减损本发明。例如，被图示出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，对于特定功能单元或电路的引用应当仅仅视作对于用于提供所描述的功能的适当装置的引用，而不是指示严格的逻辑或物理结构或组织。

本发明可以以任何适当的形式实现，包括硬件、软件、固件或者这些的任意组合。可选地，本发明可以至少部分地实现为运行在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上的计算机软件。本发明的实施例的元件和部件可以在物理上、功能上和逻辑上以任何适当的方式实现。事实上，所述功能可以在单个单元中、在多个单元中或者作为其他功能单元的部分而实现。同样地，本发明可以在单个单元中实现，或者可以在物理上和功能上分布在不同单元、电路和处理器之间。

尽管已经结合一些实施例描述了本发明，但是本发明并不预期限于本文阐述的特定形式。相反地，本发明的范围仅由所附权利要求书限制。此外，虽然特征可能看起来结合特定实施例而被描述，但是本领域技术人员应当认识到，依照本发明可以组合所描述的实施例的各种特征。在权利要求书中，措词包括并没有排除其他元件或步骤的存在。

此外，尽管单独地被列出，但是多个装置、元件、电路或方法步骤可以由例如单个电路、单元或处理器实现。此外，尽管单独的特征可以包含于不同的权利要求中，但是这些特征可能地可以有利地加以组合，并且包含于不同的权利要求中并不意味着特征的组合不可行和/或不是有利的。同样，特征包含于一种权利要求类别中并不意味着限于该类别，而是表示该特征同样可适当地应用于其他权利要求类别。此外，权利要求中特征的顺序并不意味着其中特征必须起作用的任何特定顺序，并且特别地，方法权利要求中各步骤的顺序并不意味着这些步骤必须按照该顺序来执行。相反地，这些步骤可以以任何适当的顺序执行。此外，单数引用并没有排除复数。因此，对于“一”、“一个”、“第一”、“第二”等等的引用并没有排除复数。权利要求中的附图标记仅仅作为澄清的实例而被提供，不应当以任何方式被解释为限制了权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种音频系统，包括：

超声发射器（111），其被设置成发射超声测试信号；

超声传感器阵列（105），其包括多个超声传感器元件；

估计器（107），其用于响应于超声测试信号的特性与接收自超声传感器阵列的超声信号的特性之间的比较而估计用户的存在性特性；

音频带阵列（101），其包括多个音频带元件；

音频阵列电路（103），其用于通过向音频带元件的各音频带信号施加权重而生成音频带阵列的定向响应；以及

权重电路（109），其用于响应于存在性特性而确定所述权重。

2.权利要求1的音频系统，其中存在性特性包括位置估计，并且音频阵列电路（103）被设置成响应于位置特性而确定权重。

3.权利要求1的音频系统，其中音频带元件为音频传感器，并且音频阵列电路（103）被设置成通过组合来自音频传感器的音频带信号而生成定向输出信号，该组合包括将权重施加到各音频带信号。

4.权利要求3的音频系统，包括多个宽带传感器，每个宽带传感器为超声传感器阵列（105）的超声传感器和音频带阵列（101）的音频传感器二者。

5.权利要求4的音频系统，其中所述多个宽带传感器形成超声传感器阵列（105）和音频带阵列（101）二者。

6.权利要求3的音频系统，进一步包括：

用户运动模型（607），其被设置成跟踪用户的位置；

更新电路（605），其用于响应于超声信号和音频带信号二者而更新用户运动模型。

7.权利要求6的音频系统，其中更新电路（605）被设置成在音频带信号的特性满足一定准则时响应于超声信号而更新用户运动模型（607）。

8.权利要求6的音频系统，其中更新电路（605）被设置成在音频带信号的特性满足一定准则时响应于超声信号而不更新用户运动模型（607）。

9.权利要求1的音频系统，其中权重电路（407）被设置成确定用于超声信号的超声权重延迟以便与超声源的方向相应；并且确定用于各音频带信号的音频权重延迟以便与超声权重延迟相应。

10.权利要求1的音频系统，其中超声传感器阵列（105）和音频带阵列（101）在空间上重叠。

11.权利要求8的音频系统，其中超声测试信号为脉冲式超声信号，并且估计器（107）被设置成响应于与不同脉冲相应的超声信号的信号段的比较而执行运动估计。

12.权利要求11的音频系统，其中估计器（107）被设置成响应于信号段之间的差异而估计运动物体的位置。

13.权利要求1的音频系统，其中所述音频带元件为被设置成响应于驱动信号而生成声音信号的音频驱动器，并且各音频带信号为驱动信号。

14.一种操作包括超声传感器阵列（105）和音频带阵列（101）的音频系统的方法，该超声传感器阵列包括多个超声传感器元件，该音频带阵列包括多个音频带元件，该方法包括：

发射超声测试信号；

响应于超声测试信号的特性与接收自超声传感器阵列的超声信号的特性之间的比较而估计用户的存在性特性；

通过向音频带元件的各音频带信号施加权重而生成音频带阵列的定向响应；以及

响应于存在性特性而确定所述权重。