CN105898662B - 配对传声器单元和包括配对传声器单元的听力系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了配对传声器单元和包括配对传声器单元的听力系统，其中配对传声器单元包括：多个输入单元，每一输入单元包括拾取声音的传声器并配置成提供对应的电输入信号，每一电输入信号包括目标信号分量和噪声信号分量；多输入单元降噪系统，用于提供目标信号的估计量并包括多输入波束形成器滤波单元，其连接到多个输入单元并配置成确定滤波器权重以提供波束成形信号，其中来自不同于目标信号源方向的其它方向的信号分量被衰减，而来自目标信号源方向的信号分量保持不被衰减或相对于来自其它方向的信号分量较少地衰减；及用于建立到另一装置的音频链路的天线和收发器电路；其中所述多输入波束形成器滤波单元包括自适应波束形成器。

Description

配对传声器单元和包括配对传声器单元的听力系统
技术领域
本申请涉及包括无线发射器的配对传声器单元及用于增强目标声源(由配对传声器单元拾取)的听力系统。本发明具体涉及配置成从目标声源拾取目标声音的配对传声器单元，目标声音s包括人的话音。
本申请还涉及包括配对传声器单元和听力装置的听力系统。
本发明的实施例如可用在下述应用中：助听器、头戴式耳机、耳麦、有源耳朵保护系统。本发明的实施可进一步用在下述应用中：远程会议系统、广播系统、卡拉OK系统、教室放大系统等。
背景技术
目前，配对传声器通常由具有无线传输能力的单一传声器组成。配对传声器附着到感兴趣的目标人身上，传声器拾取该人的话音信号并将其无线传给用户的一个或多个听力装置。这样，将无线传声器靠近感兴趣的声源放置使富有挑战性的环境中的通信更容易。术语“配对传声器”应理解为与佩戴听力装置如助听器的用户有关，对于该用户，佩戴“配对传声器”的人看作通信配对。在本说明书中，术语“配对传声器”意为附着到充作佩戴听力装置的人的通信配对的人身上的传声器。除了该与使用有关系的指示之外，术语“配对”不用于指任何特定技术含义或者“配对传声器单元”的限制(因而术语“配对”可省略而不会引起任何计划的含义变化)。
发明内容
在本发明中，我们提出由a)两个以上传声器；b)信号处理能力；及c)无线传输能力组成的配对传声器系统。该改进的配对传声器系统的目的与现今的一样：拾取目标信号并将其无线传给听力装置如助听器的用户。
即使该配对传声器系统的传声器放置成相当靠近感兴趣的声源(配对传声器佩戴者的嘴巴)，由传声器拾取的信号的目标信噪比仍可能低于所需要的信噪比，例如在汽车车厢或机舱情形下。为此，在配对传声器系统中可采用波束形成器降噪系统以从噪声背景取回目标话音信号从而增大SNR，在目标话音信号无线传给听力装置的用户之前。如果目标源相对于传声器的位置已知，任何空间降噪系统均可很好地起作用。在助听器系统中，这不太是问题，因为目标信号(假定)位于前向，即在耳后式助听器的(两个接近地间隔开的传声器之间的)传声器轴的方向。然而，在当前情形下，配对传声器系统的传声器轴可能不固定：首先，配对传声器系统可随便连接，使得其不直接“指向”佩戴者的嘴巴；其次，配对传声器系统可连接到佩戴者胸部的可变表面(如衣服)上，使得夹子相对于佩戴者嘴巴的位置/方向可随时间变化。其结果是波束形成器降噪系统不太好地工作，在最坏情形下，SNR降低而不是增大。
配对传声器系统的(两个以上)传声器用于拾取配对传声器佩戴者的话音、处理(可能有噪声的)传声器信号以取回潜在的话音信号，及将取回的话音信号无线传给助听器用户。具体地，在无线配对传声器系统中，我们构建专用波束形成器降噪系统以取回目标话音信号。该任务的技术解决方案通常很难，但在该特定情形下，其由于下述事实而被使得稍微容易：配对传声器相对靠近用户嘴巴定位，使得实际SNR在第一位置相对高；这使得在配对传声器系统处相对容易检测到佩戴者何时在讲话及何时处于安静状态；后一点使提出的降噪系统能估计干扰背景噪声的(通常时变的)噪声功率谱密度(在佩戴者沉默时)。
本申请的目标在于提高目标信号的质量。
本申请的目标由所附权利要求限定的及下面描述的发明实现。
配对传声器单元
在本申请的一方面，本申请的目标由配置成从目标声源拾取目标声音的配对传声器单元实现，目标声音s包括人的话音，该配对传声器单元包括：
-多个输入单元IUi,i＝1,2,…,M，M大于或等于2，每一输入单元包括从配对传声器单元的环境拾取声音的传声器并配置成提供对应的电输入信号，每一电输入信号包括目标信号分量和噪声信号分量；
-多输入单元降噪系统，用于提供包括人的话音的目标信号s的估计量
Figure BDA0000924383350000031
该多输入单元降噪系统包括多输入波束形成器滤波单元，其连接到多个输入单元IUi,i＝1,…,M并配置成确定滤波器权重以提供波束成形信号，其中来自不同于目标信号源方向的其它方向的信号分量被衰减，而来自目标信号源方向的信号分量保持不被衰减或相对于来自其它方向的信号分量较少地衰减；及
-用于建立到另一装置的音频链路的天线和收发器电路；
其中所述多输入波束形成器滤波单元包括固定或自适应波束形成器。
在实施例中，固定波束形成器在配对传声器正常使用之前在离线程序中确定，其中配对传声器安装在仿真模型上或者按相对于仿真模型或人的嘴巴的现实位置和定向安装在计划用户身上。
在实施例中，多输入波束形成器滤波单元包括固定和自适应波束形成器。
在实施例中，多输入波束形成器滤波单元包括MVDR波束形成器。
在实施例中，多输入波束形成器滤波单元为自适应单元。
在实施例中，多输入单元降噪系统为多传声器降噪系统。
在实施例中，“另一装置”包括听力装置如助听器。在实施例中，先前提及的及传声器单元适于将目标声音的估计量
Figure BDA0000924383350000032
传给其的“另一装置”意为“其它装置”并包括听力装置如助听器。在实施例中，另一装置包括配对传声器单元和听力装置之间的(中间)辅助装置，如音频网关或遥控器或通信装置(如智能电话)。
在实施例中，多输入降噪系统配置为自适应系统。
在实施例中，配对传声器单元包括话音活动检测器，用于估计来自环境的当前声音中是否存在人的话音或者存在人话音的概率并配置成提供其指示的话音活动控制信号，或者配置成从另一装置(如听力装置(如助听器)或从电话)接收前述话音活动控制信号。
总的来说，话音活动检测可以本领域已知的任何适当方式实施。在实施例中，听力系统安排成使得输入单元中的至少两个包括电平检测器，用于检测由所涉及输入单元的传声器拾取的声音的输入电平，及其中话音活动检测器配置成使话音活动控制信号基于传声器的相应电输入信号的输入电平之间的差。在配对传声器按计划相对于目标声音定向的实施例中，目标声源越靠近输入单元的传声器，由给定输入单元确定的输入电平越高。基于此，可估计当前是否存在目标声音(人的话音)(例如，前述电平差是高于预定阈值(存在)还是低于预定阈值(不存在))。在配对传声器包括具有三个以上传声器(未安排在直线上)的传声器阵列的实施例中，配对传声器单元配置成在目标声音活动时使用各个传声器检测到的各个电平确定配对传声器单元相对于目标声源的定向。从而，可确定当前视向量的估计量。
在实施例中，配对传声器适于由人佩戴。在实施例中，配对传声器单元包括可配置的颈圈，用于将配对传声器佩戴在人的颈部周围(如胸部上)，及用于调节该人的嘴巴和配对传声器的传声器单元的位置之间的距离。在实施例中，配对传声器单元包括夹子或类似的功能单元，用于将配对传声器单元附着到人的一件衣服上，如衬衫、夹克或领带。在实施例中，配对传声器包括可配置的支撑件，从而使配对传声器能定位在支撑表面上，使得输入单元相对于目标声源(如人的嘴巴)具有可配置的位置(和/或方向)。在实施例中，配对传声器单元配置成具有由多个输入单元的物理排列确定的优选方向，使得当配对传声器单元以其指向目标声源(通常为人的嘴巴)的优选方向安排在人身上时，输入单元的至少一传声器相较任何其它传声器更靠近目标声源。
在实施例中，多输入单元降噪系统配置成在人话音不存在时估计干扰背景噪声的噪声功率谱密度。优选地，噪声功率谱密度的估计量用于更有效率地减少目标信号估计量中的噪声分量(从而改善其估计)。在实施例中，多输入单元降噪系统配置成，当人话音不存在时(即当用户沉默时)，更新传声器间噪声协方差矩阵。从而，波束图的形状适于提供最大空间降噪。
在实施例中，配对传声器单元包括存储器，其包含确定从配对传声器单元到目标声源的参考空间方向的预定参考视向量。在实施例中，预定视向量在使用配对传声器之前在离线程序中确定。默认波束形成器权重(对应于参考视向量)例如在具有头部和躯干模拟器(HATS，来自Brüel &
Figure BDA0000924383350000051
Sound & Vibration Measurement A/S的头部和躯干模拟器4128C)的录音室中进行的离线校准过程中确定，其中从仿真头的嘴巴播放话音信号，及配对传声器单元安装在仿真头的“胸部”上的默认位置。在实施例中，默认波束形成器权重保存在存储器中，例如连同参考视向量一起保存。这样，例如可找到最佳的最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器权重，其被硬连线在配对传声器单元中即保存在存储器中。
在实施例中，多通道可变波束形成器滤波单元包括提供滤波器权重wmvdr(k,m)的MVDR滤波器，所述滤波器权重wmvdr(k,m)基于视向量d(k,m)和噪声信号的输入单元间协方差矩阵Rvv(k,m)。
在实施例中，多输入单元降噪系统配置成针对源自相对于佩戴配对传声器单元的人位于特定位置的目标信号源的目标信号自适应估计波束形成器滤波单元的当前视向量d(k,m)。在优选实施例中，相对于人的特定位置为人嘴巴的位置。
视向量d(k,m)为包括元素(i＝1,2,…,M)的M维向量，第i个元素di(k,m)定义从目标信号源(处于相对于配对传声器单元的输入单元的特定位置处)到第i个输入单元(如传声器)的声学传递函数，或者定义从第i个输入单元到参考输入单元的相对声学传递函数。对于特定频率(k)和时间单位(m)，向量元素di(k,m)通常为复数。当目标信号源位于特定位置(如人的嘴巴)处时，视向量d(k,m)可基于在相应传声器处测得的来自信号源的信号si(k,m),i＝1,2,…,M从传声器间协方差矩阵
Figure BDA0000924383350000052
进行估计。
在实施例中，多输入单元降噪系统配置成在目标声音存在时或者以大于预定值如60％的概率存在时更新视向量。波束形成器的空间方向，例如技术上由所谓的视向量表示，优选在目标声音(人话音)存在时进行更新。该调整用于补偿传声器单元的位置变化(跨时间和在人之间)及补偿配对传声器单元的用户的身体特征(如头部和肩部特征)的差异。优选地，视向量仅在目标声音存在时且环境声音的噪声分量的电平相对低时如低于预定的绝对或相对电平时(即目标信噪比高于某一阈值时)进行更新。优选地，配对传声器单元包括噪声电平估计器或信噪比估计器或配置成在需要时如应要求从另一装置接收前述信息，例如在当前确定的视向量被接受并用在波束形成器中(及保存在存储器中)之前。
在实施例中，配对传声器单元配置成通过将对应于当前视向量的当前确定的波束形成器权重与对应于参考视向量的默认权重比较而限制视向量的更新，及如果当前确定的波束形成器权重与默认权重相差预定的绝对或相对量以上，则限制或忽略当前确定的波束形成器权重。
在实施例中，配对传声器单元包括存储器，其包含配对传声器单元的预定传声器间噪声协方差矩阵。优选地，配对传声器单元按计划相对于目标声源定位，及施加典型的(预期)噪声源/分布，如均质分布的(发散)噪声。在实施例中，预定的传声器间噪声协方差矩阵在使用配对传声器单元之前在离线程序中确定，优选在具有头部和躯干模拟器(HATS，来自Brüel &
Figure BDA0000924383350000061
Sound & Vibration Measurement A/S的Head and TorsoSimulator 4128C)的录音室中进行。
在实施例中，配对传声器单元配置成通过将当前确定的传声器间噪声协方差矩阵与参考传声器间噪声协方差矩阵比较而控制干扰背景噪声的噪声功率谱密度的更新，及如果当前确定的传声器间噪声协方差矩阵与参考传声器间噪声协方差矩阵相差预定的绝对或相对量以上，则限制或忽略干扰背景噪声的噪声功率谱密度的更新。从而，波束形成器的调整被阻止以不受控的方式“逃脱”。
在实施例中，多通道降噪系统包括单通道降噪单元，其连接到波束形成器滤波单元并配置成减少波束成形信号中的残余噪声和提供目标信号s的估计量
Figure BDA0000924383350000062
单通道后滤波处理的目标在于抑制来自目标方向的噪声分量(其尚未被空间滤波处理(如MVDR波束形成处理)抑制)。另一目标在于在目标信号存在或为主期间及目标信号不存在时抑制噪声分量。在实施例中，单通道后滤波处理基于每一时频块(m,k)的目标信噪比的估计量。在实施例中，每一时频块(m,k)的目标信噪比的估计量从波束成形信号和目标消除的信号确定。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括用于从另一装置如通信装置或另一听力装置接收直接电输入信号的天线和收发器电路。在实施例中，听力装置包括(可能标准化的)电接口(例如连接器的形式)，用于从另一装置如通信装置(例如电话)或另一听力装置接收有线直接电输入信号。在实施例中，直接电输入信号表示或包括音频信号和/或控制信号和/或信息信号。在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括用于对所接收的直接电输入进行解调的解调电路，以提供表示音频信号和/或控制信号的直接电输入信号，例如用于设置听力装置的运行参数(如音量)和/或处理参数。总的来说，听力装置的发射器和天线及收发器电路建立的无线链路可以是任何类型。在实施例中，无线链路在功率约束条件下使用。在实施例中，无线链路为基于近场通信的链路，例如基于发射器部分和接收器部分的天线线圈之间的感应耦合的感应链路。在另一实施例中，无线链路基于远场电磁辐射。
优选地，用于在听力装置和传声器单元和/或其它装置之间建立通信链路的频率低于70GHz，例如位于从50MHz到50GHz的范围中，例如高于300MHz，例如在高于300MHz的ISM范围中，例如在900MHz范围中或在2.4GHz范围中或在5.8GHz范围中或在60GHz范围中(ISM＝工业、科学和医学，这样的标准化范围例如由国际电信联盟ITU定义)。在实施例中，无线链路基于标准化或专用技术。在实施例中，无线链路基于蓝牙技术(如蓝牙低功率技术)。
在实施例中，听力装置和配对传声器单元为便携装置，如包括本机能源如电池例如可再充电电池的装置。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括输入变换器(传声器系统和/或直接电输入(如无线接收器))和输出变换器之间的正向或信号通路。在实施例中，信号处理单元位于该正向通路中。在实施例中，信号处理单元适于根据用户的特定需要提供随频率而变的增益。在实施例中，听力装置包括具有用于分析输入信号(如确定电平、调制、信号类型、声反馈估计量等)的功能件的分析通路。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在频域进行。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在时域进行。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括模数(AD)转换器以按预定采样速率如20kHz使模拟输入数字化。在实施例中，听力装置包括数模(DA)转换器以将数字信号转换为模拟输出信号，例如用于经输出变换器呈现给用户。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括用于提供输入信号的时频表示的TF转换单元。在实施例中，时频表示包括所涉及信号在特定时间和频率范围的相应复值或实值的阵列或映射。在实施例中，TF转换单元包括用于对(时变)输入信号进行滤波并提供多个(时变)输出信号的滤波器组，每一输出信号包括截然不同的输入信号频率范围。在实施例中，TF转换单元包括用于将时变输入信号转换为频域中的(时变)信号的傅里叶变换单元。在实施例中，听力装置考虑的、从最小频率fmin到最大频率fmax的频率范围包括从20Hz到20kHz的典型人听频范围的一部分，例如从20Hz到12kHz的范围的一部分。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括电平检测器(LD)，用于确定输入信号的电平(例如基于频带级和/或全(宽带)信号)。从用户声环境拾取的电传声器信号的输入电平是声环境的分类参数。在实施例中，电平检测器适于根据多个不同的(如平均)信号电平对用户当前的声环境进行分类，如分类为高电平或低电平环境。
在特定实施例中，听力装置和/或传声器单元包括话音检测器(VD)，用于确定输入信号(在特定时间点)是否包括话音信号。在本说明书中，话音信号包括来自人类的语音信号。其还可包括由人类语音系统产生的其它形式的发声(如唱歌)。在实施例中，话音检测器单元适于将用户当前的声环境分类为“话音”或“无话音”环境。这具有下述优点：包括用户环境中的人发声(如语音)的电传声器信号的时间段可被识别，因而与仅包括其它声源(如人工产生的噪声)的时间段分离。在实施例中，话音检测器适于将用户自己的话音也检测为“话音”。作为备选，话音检测器适于从“话音”的检测排除用户自己的话音。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元包括自我话音检测器，用于检测特定输入声音(如话音)是否源自系统用户的话音。在实施例中，听力装置的传声器系统适于能够在用户自己的话音及另一人的话音之间进行区分及可能与无话音声音区分。
在实施例中，听力装置和/或配对传声器单元还包括用于所涉及应用的其它适宜功能，如压缩、反馈减少等。
用途
此外，本发明提供上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的配对传声器单元的用途。在实施例中，提供配对传声器单元在助听器系统中用于拾取和降低讲话者或通信配对的话音中的噪声及将噪声降低的信号传给用户佩戴的听力装置的用途。
听力系统
另一方面，本发明提供包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的配对传声器单元及包括听力装置的听力系统。听力装置包括用于建立到配对传声器单元的通信链路及从配对传声器单元接收包括包含人话音的目标声音s的估计量的音频信号的天线和收发器电路。
在实施例中，听力装置包括用于从听力装置的环境拾取声音并提供电听力装置输入信号的输入变换器、用于将一个或多个处理算法应用于电听力装置输入信号并提供处理后的听力装置信号的信号处理单元、及基于处理后的听力装置信号或源自其的信号提供由用户感知为声音的刺激的输出单元、及配置成分析从配对传声器单元接收的音频信号并产生用于控制一个或多个处理算法的一个或多个控制信号的分析单元。在实施例中，一个或多个处理算法包括瞬时减小算法及压缩和放大算法。从输入单元到输出单元的信号通路形成听力装置的正向通路。
在实施例中，正向通路在听力装置中形成为从输入变换器到输出单元，及其中正向通路包括混合单元的选择，其使从配对传声器单元接收的音频信号能添加到正向通路的信号或与其组合或者切换到正向通路内，代替输入变换器拾取的信号。
在实施例中，听力装置包括延迟单元，配置成将从配对传声器单元接收的音频信号延迟预定的或动态确定的延迟时间。
在实施例中，听力装置包括控制单元，用于从配对传声器接收包括人的话音的目标声音s的估计量
Figure BDA0000924383350000101
并配置成动态控制电听力装置输入信号或源自其的信号的瞬时减小或最大增益。
在实施例中，听力装置适于提供随频率而变的增益和/或随电平而变的压缩和/或一个或多个频率范围到一个或多个其它频率范围的移频(具有或没有频率压缩)以补偿用户的听力受损。在实施例中，听力装置包括用于增强输入信号并提供处理后的输出信号的信号处理单元。
在实施例中，听力装置包括用于基于处理后的电信号提供由用户感知为声信号的刺激的输出单元。在实施例中，输出单元包括多个耳蜗植入电极或骨导听力装置的振动器。在实施例中，输出单元包括输出变换器。在实施例中，输出变换器包括用于将刺激作为声信号提供给用户的接收器(扬声器)。在实施例中，输出变换器包括用于将刺激作为颅骨的机械振动提供给用户的振动器(例如在附着到骨头的或骨锚式听力装置中)。
在实施例中，听力装置包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器。在实施例中，听力装置包括定向传声器系统，其适于增强佩戴听力装置的用户的局部环境中的多个声源之中的目标声源。在实施例中，定向系统适于检测(如自适应检测)传声器信号的特定部分源自哪一方向。这可以如现有技术中描述的多种不同方式实现。
在实施例中，听力系统包括多个上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的配对传声器。在实施例中，听力系统包括两个配对传声器。在实施例中，听力系统包括四个以上配对传声器。
在实施例中，该听力系统还包括辅助装置。
在实施例中，该听力系统适于在听力装置和辅助装置之间建立通信链路以使信息(如控制和状态信号，可能音频信号)能在其间进行交换或从一装置转发给另一装置。
在实施例中，辅助装置是或包括音频网关设备，其适于(如从娱乐装置例如TV或音乐播放器，从电话装置例如移动电话，或从计算机例如PC)接收多个音频信号，及适于选择和/或组合所接收音频信号(或信号组合)中的适当信号以传给至少一听力装置。在实施例中，辅助装置是或包括遥控器，用于控制听力装置的功能和运行。在实施例中，辅助装置是或包括移动电话如智能电话。在实施例中，遥控器的功能实施在智能电话中，该智能电话可能运行使能经智能电话控制音频处理装置的功能的APP。优选地，听力装置和配对传声器包括适当的到辅助装置(如智能电话)的无线接口，例如基于蓝牙或一些其它标准化或专有方案)。
在实施例中，听力装置包括听音装置如助听器、听力仪器例如适于位于用户耳朵处或者完全或部分位于耳道中的听力仪器，例如头戴式耳机、耳麦、耳朵保护装置或其组合。
定义
在本说明书中，“听力装置”指适于改善、增强和/或保护用户的听觉能力的装置如听力仪器或有源耳朵保护装置或其它音频处理装置，其通过从用户环境接收声信号、产生对应的音频信号、可能修改该音频信号、及将可能已修改的音频信号作为可听见的信号提供给用户的至少一只耳朵而实现。“听力装置”还指适于以电子方式接收音频信号、可能修改该音频信号、及将可能已修改的音频信号作为听得见的信号提供给用户的至少一只耳朵的装置如头戴式耳机或耳麦。听得见的信号例如可以下述形式提供：辐射到用户外耳内的声信号、作为机械振动通过用户头部的骨结构和/或通过中耳的部分传到用户内耳的声信号、及直接或间接传到用户耳蜗神经的电信号。
听力装置可构造成以任何已知的方式进行佩戴，如作为佩戴在耳后的单元(具有将辐射的声信号导入耳道内的管或者具有安排成靠近耳道或位于耳道中的扬声器)、作为整个或部分安排在耳廓和/或耳道中的单元、作为连到植入在颅骨内的固定结构的单元、或作为整个或部分植入的单元等。听力装置可包括单一单元或几个彼此电子通信的单元。
更一般地，听力装置包括用于从用户环境接收声信号并提供对应的输入音频信号的输入变换器和/或以电子方式(即有线或无线)接收输入音频信号的接收器、用于处理输入音频信号的信号处理电路、及用于根据处理后的音频信号将听得见的信号提供给用户的输出装置。在一些听力装置中，放大器可构成信号处理电路。在一些听力装置中，输出装置可包括输出变换器，例如用于提供空传声信号的扬声器或用于提供结构或液体传播的声信号的振动器。在一些听力装置中，输出装置可包括一个或多个用于提供电信号的输出电极。
在一些听力装置中，振动器可适于经皮或由皮将结构传播的声信号传给颅骨。在一些听力装置中，振动器可植入在中耳和/或内耳中。在一些听力装置中，振动器可适于将结构传播的声信号提供给中耳骨和/或耳蜗。在一些听力装置中，振动器可适于例如通过卵圆窗将液体传播的声信号提供到耳蜗液体。在一些听力装置中，输出电极可植入在耳蜗中或植入在颅骨内侧上，并可适于将电信号提供给耳蜗的毛细胞、一个或多个听觉神经、听觉皮层和/或大脑皮层的其它部分。
“听力系统”指包括一个或两个听力装置的系统。“双耳听力系统”指包括两个听力装置并适于协同地向用户的两只耳朵提供听得见的信号的系统。听力系统或双耳听力系统还可包括“辅助装置”，其与听力装置通信并影响和/或受益于听力装置的功能。辅助装置例如可以是遥控器、音频网关设备、移动电话(如智能电话)、广播系统、汽车音频系统或音乐播放器。听力装置、听力系统或双耳听力系统例如可用于补偿听力受损人员的听觉能力损失、增强或保护正常听力人员的听觉能力和/或将电子音频信号传给人。
附图说明
本发明的各个方面将从下面结合附图进行的详细描述得以最佳地理解。为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在整个说明书中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。每一方面的各个特征可与其他方面的任何或所有特征组合。这些及其他方面、特征和/或技术效果将从下面的图示明显看出并结合其阐明，其中：
图1A示出了根据本发明的包括配对传声器单元和一对听力装置的听力系统的第一示例性使用场景。
图1B示出了根据本发明的包括配对传声器单元和一对听力装置的听力系统的第二示例性使用场景。
图2示出了根据本发明的配对传声器单元的多输入波束形成器-降噪系统的框图。
图3示出了根据本发明的包括配对传声器单元和听力装置的听力系统的实施例的示例性框图。
图4示出了助听器用户处声传播的目标信号晚于无线传输的目标信号接收的典型情形。
图5示出了听力装置的示例性框图，其中无线接收的信号用于提高瞬变检测(用于瞬时减小)和电平估计(用于压缩和放大)。
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本领域技术人员来说，基于下面的详细描述，本发明的其它实施方式将显而易见。
具体实施方式
下面结合附图提出的具体描述用作多种不同配置的描述。具体描述包括用于提供多个不同概念的彻底理解的具体细节。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些概念可在没有这些具体细节的情形下实施。装置和方法的几个方面通过多个不同的块、功能单元、模块、元件、电路、步骤、处理、算法等(统称为“元素”)进行描述。根据特定应用、设计限制或其他原因，这些元素可使用电子硬件、计算机程序或其任何组合实施。
电子硬件可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、选通逻辑、分立硬件电路、及配置成执行本说明书中描述的多个不同功能的其它适当硬件。计算机程序应广义地解释为指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、可执行、执行线程、程序、函数等，无论是称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言还是其他名称。
图1A和1B示出了根据本发明的包括配对传声器单元PMIC和一对(左和右)听力装置HDl,HDr的听力系统的两个示例性使用场景。左和右听力装置(如形成双耳助听器系统的一部分)由用户U分别佩戴在左和右耳处。配对传声器由通信配对或讲话者TLK佩戴，用户希望与其进行讨论和/或听其讲话。配对传声器PMIC可以是由人TLK佩戴的单元，其在给定时间仅用于与用户U通信。在特定场景中，配对传声器PMIC可形成更大的系统(如广播系统)的一部分，其中讲话者的话音传给用户及可能听力装置的其它用户，及也可能经扬声器声传播。根据本发明的配对传声器可用在任一情形中。配对传声器的多输入传声器系统配置成聚焦在目标声源(佩戴者的话音)上，因此使其灵敏度朝向佩戴者的嘴巴，参见从配对传声器单元到讲话者TLK的嘴巴的(理想)锥形波束。因而拾取的目标信号传给用户U佩戴的左和右听力装置HDl,HDr。图1A和1B示出了从配对传声器单元到左和右听力装置HDl,HDr的传输通路的两种可能情形。
图1A示出了包括配对传声器PMIC、一对听力装置HDl,HDr和(中间)辅助装置AD的听力系统。实线箭头指包含佩戴配对传声器单元的人TLK的话音的音频信号PS从配对传声器单元PMIC到辅助装置AD及左和右听力装置HDl,HDr的通路。(中间)辅助装置AD可仅仅是转播站或可包含多个不同的功能，如提供从一链路协议或技术到另一链路协议或技术的变换(如从例如基于蓝牙的远场传输技术到例如基于NFC或ZigBee或专有协议的近场传输技术(如感应))。作为备选，两个链路可基于一样的传输技术，例如蓝牙或类似的标准化或专有方案。
图1B示出了包括配对传声器PMIC和一对听力装置HDl,HDr的听力系统。实线箭头指包含佩戴配对传声器单元PMIC的人TLK的话音的音频信号PS从配对传声器单元PMIC到左和右听力装置HDl,HDr的直接通路。听力系统配置成使能在配对传声器单元PMIC及左和右听力装置HDl,HDr之间建立音频链路。配对传声器单元PMIC包括(至少)使能传输音频信号PS的天线和收发器电路，及左和右听力装置HDl,HDr包括(至少)使能从配对传声器单元PMIC接收音频信号PS的天线和收发器电路。该链路例如可基于远场通信，例如符合标准化(如蓝牙或蓝牙低功率)或专有方案。
图2示出了根据本发明的配对传声器单元PMIC的多输入波束形成器-降噪系统NRS的框图。
更详细的解决方案涉及建立专用波束形成器+单通道降噪(SC-NR)算法，类似于[Kjems and Jensen,2012]中提出的所谓的“MCE系统”，其在该情形下能够适应从有噪声的传声器信号取回配对传声器用户的话音信号的特定问题，及拒绝/抑制任何其它声源(在该特定情形下其可被视为噪声源)。图2示出了这样的系统的概念图。
多输入降噪系统可包括其波束对准一般人的嘴巴的固定波束形成器，当配对传声器定位在预定位置如人的胸部上时。在优选实施例中，自适应波束形成器-单通道降噪(SC-NR)系统提供在配对传声器单元中。
波束形成器以下面描述的两种方式自适应。首先，当配对传声器佩戴者沉默时，例如由配对传声器系统中或听力装置中或另一装置中的VAD算法检测，参见经图2中由符号ANT指明的天线和收发器电路的非必需的连接，例如基于来自远端讲话者的话音活动，其在传声器单元(或听力装置或电话)中容易检测。在该情形下，传声器间噪声协方差矩阵可被更新以调整波束图的形状从而使空间降噪最大。其次，当配对传声器佩戴者讲话时，波束形成器的空间方向(技术上由所谓的视向量d表示)被更新。该调整补偿配对传声器位置(跨时间和在佩戴者间)的变化及补偿配对传声器的佩戴者的身体特征(如头部和肩部特征)的差异。不依赖于精确的传声器位置的波束形成器设计存在，因为它们的目标在于独立于传声器几何结构按最小均方或最小方差无失真响应取回目标信号。换言之，波束形成器并未对任何传声器配置均“尽全力最好地起作用”，而是一些传声器位置显然好于其它位置。
此外，SC-NR系统，其可能(也可不)存在)，适应波束形成器输出中的残余噪声的电平；对于波束形成器已经拒绝大量周围噪声的声情形下，波束形成器输出中的SNR已经明显提高，SC-NR系统可实质上透明。然而，在其他情形下，波束形成器输出中存在可观数量的残余噪声，SC-NR系统可抑制信号的SNR低的时频区域，以提高将传给听力装置用户的话音信号的质量。
VAD算法可使用配对传声器靠近目标讲话者定位的优点。如果传声器阵列指向讲话者的嘴巴，声音强度水平在最靠近嘴巴的传声器处将最高。该电平差可用于确定讲话者何时活跃。
在使用之前，默认波束形成器权重在离线校准过程中确定，其在具有头部和躯干模拟器(HATS，来自Brüel &
Figure BDA0000924383350000161
Sound & Vibration Measurement A/S的头部和躯干模拟器4128C)的录音室中进行，其中从仿真头的嘴巴播放话音信号，及夹子安装在仿真头的“胸部”上的默认位置。这样，例如可找到最佳的最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器权重，其被硬连线，例如保存在配对传声器单元的存储器中。
自适应波束形成器-单通道降噪(SC-NR)系统使能从默认波束形成器权重出发，考虑实际情形(真实的人用户在真实(非声学理想)房间中，可能传声器单元相对于用户的嘴巴处于随便的位置)和默认情形(录音室中的仿制品，理想定位的配对传声器单元)之间的差异。
调整过程可通过将调整后的波束形成器权重与默认权重比较进行监视，如果调整后的波束形成器权重与默认权重相差太多，可能限制调整后的波束形成器权重(或者完全摒弃当前确定的波束形成器权重)。
配对传声器佩戴者的噪声降低的话音信号无线传给助听器用户，参见下面的图3和4。
图3示出了根据本发明的包括配对传声器单元和听力装置的听力系统的实施例的示例性框图。
图3示出了包括适于位于用户耳朵之处或之中或者适于完全或部分植入在用户头部中的听力装置HD及适于位于不同于听力装置用户的人处并拾取该人的话音的分立配对传声器单元PMIC的听力系统。配对传声器单元PMIC包括M个输入单元IUi,i＝1,2,…,M，每一输入单元配置成拾取或接收表示来自配对传声器单元的环境(理想地，来自人TLK，参见图3中的“来自TLK”)的声音PSP’的信号xi(i＝1,2,…,M)及配置成按时频表示提供在多个频带和多个时刻的对应电输入信号Xi。M大于或等于2。在图3的实施例中，输入单元IU1和IUM示为包括相应的输入变换器IT1和ITM(如传声器)，用于将输入声音x1和xM转换为相应的(如数字化)电输入信号x’1和x’M，及每一输入单元包括用于将电(时域)输入信号x’1和x’M转换为相应的按时频表示(k,m)的电输入信号X1和XM的滤波器组AFB。所有M个输入单元可与IU1和IUM一样，或者可个性化，例如包括个别的归一化或均衡滤波器和/或有线或无线收发器。在实施例中，一个或多个输入单元包括配置成从另一装置接收音频信号的有线或无线收发器，从而使能从空间上与配对传声器单元分开的输入变换器提供输入。时频域输入信号Xi,i＝1,2,…,M馈给控制单元CONT和多输入单元降噪系统NRS以提供包括用户话音的目标信号s的估计量
Figure BDA0000924383350000171
多输入单元降噪系统NRS包括多输入波束形成器滤波单元BF，其连接到多个输入单元IUi,i＝1,…,M并配置成确定用于提供波束成形信号Y的滤波器权重w(k,m)，其中来自不同于目标信号源(配对的话音)的方向的其它方向的信号分量被衰减，而来自目标信号源方向的信号分量保持不被衰减或相对于来自其它方向的信号分量较少地衰减。图3实施例的多通道降噪系统NRS还包括单通道降噪单元SC-NR，其连接到波束形成器滤波单元BF并配置成减少波束成形信号Y中的残余噪声并提供目标信号(配对的话音)的估计量
Figure BDA0000924383350000181
配对传声器单元还可包括用于进一步处理目标信号的估计量
Figure BDA0000924383350000182
并提供进一步处理的信号
Figure BDA0000924383350000183
的信号处理单元SPU。配对传声器单元还包括天线和收发器电路ANT,RF-Rx/Tx，用于将配对传声器用户的话音的估计量
Figure BDA0000924383350000184
(或进一步处理的信号
Figure BDA0000924383350000185
)传给另一装置如听力装置(在此由标记“去往HD”指明，实质上包括信号PSP即配对语音)。
配对传声器单元PMIC还包括配置成使得多输入波束形成器滤波单元为自适应单元的控制单元CONT。控制单元CONT包括保存波束形成器的视向量d的参考值(可能及噪声协方差矩阵Cw(k)的参考值)的存储器MEM。控制单元CONT还包括话音活动检测器VAD和/或适于接收关于配对传声器单元的用户的当前话音活动的信息(估计量)。话音活动信息用于控制降噪系统的更新的定时因此提供自适应性。
听力装置HD包括输入变换器如传声器MIC，用于将输入声音转换为电输入信号INm。听力装置可包括定向传声器系统(如结合配对传声器单元所述的多输入波束形成器和降噪系统，未在图3的实施例中示出)，其适于增强佩戴听力装置HD的用户的局部环境中的多个声源中的目标声源如配对的话音。然而，在特定配对运行模式下，听力装置传声器可被禁用或衰减，使得呈现给用户的信号受控于包括从配对传声器接收的包括配对话音的信号。听力装置HD还包括天线ANT和收发器电路Rx/Tx，用于从另一装置如通信装置无线接收直接电输入信号，在此从配对传声器单元接收，由标记“来自PMIC”指明，及接收图1A-1B的场景提及的信号PSP(配对语音)。收发器电路包括适当的解调电路，用于对所接收的直接电输入进行解调以提供表示音频信号(和/或控制信号)的直接电输入信号INw。听力装置HD还包括选择和/或混合单元SEL-MIX，其使能选择电输入信号INw,INm之一或将适当的(如加权的)混合信号提供为合成输入信号RIN。选择和/或混合单元SEL-MIX由检测和控制单元DET经确定听力装置的运行模式的信号MOD控制(具体控制SEL-MIX单元)。检测和控制单元DET例如可包括用于识别运行模式的检测器(例如用于检测用户与佩戴配对传声器单元的特定人进行对话或听其讲话)或配置成例如从外部传感器和/或从用户接口接收前述信息。
听力装置包括用于处理合成输入信号RIN的信号处理单元SPU及适于提供随频率而变的增益和/或随电平而变的压缩和/或一个或多个频率范围到一个或多个其它频率范围的移频(具有或没有频率压缩)，例如以补偿用户的听力受损。信号处理单元SPU提供处理后的信号PRS。听力装置还包括输出单元，用于基于处理后的电信号PRS提供配置成由用户感知为声信号的刺激OUT。在图3的实施例中，输出变换器包括用于将刺激OUT作为声信号提供给用户的扬声器SP(在此由图1A-1B的场景提及的标记“去往U”和信号PSP(配对语音)指明)。作为备选或另外，听力装置包括耳蜗植入物的多个电极或者骨导听力装置的振动器。
图3的实施例例如可例示图1B的场景。
图4示出了助听器用户处声传播的目标信号晚于无线传输的目标信号接收的典型情形。
传输延迟(取决于特定技术选择)可低至3-5ms。该延迟通常低于来自配对传声器佩戴者的声学话音信号到达助听器用户的传声器所花的时间(声波传播一米所需时间约为3ms)。这样，例如，如果配对传声器佩戴者处于8米的距离处(及我们假定传输延迟为5ms)，则无线信号比声信号早8*3-5＝19ms到达助听器。在该情形下，无线接收的信号被延迟19ms，在其混合到声接收的信号内之前(参见图5中的延迟模块和混合模块)。
无线信号通常在其需要播放给助听器用户之前几毫秒在助听器处接收的事实为助听器中的信号处理模块提供优点，参见下述的图5的示例性框图。
图5示出了经无线链路和经声传播通路接收目标信号的听力装置的示例性框图。无线接收的信号例如用于提高瞬变检测(瞬时减小模块)和电平估计(压缩和放大模块)。
例如，知道将来信号(相对于重放时间)的一部分使能提高瞬时减小(可实际上等待并在必须决定是否存在瞬变之前看信号能量的突然增加之后是否突然减小)。此外，任何助听器中的听力损失补偿(HLC)模块将随频率而变且时变的增益应用于输入声音信号。在特定频带中的HLC增益为重放时间时的频带中的信号功率的函数。对于瞬时减小情形，使可获得“将来”信号区域(“将来”无线信号的分析模块)使能更准确地估计特定频区中的信号功率，进而使能更准确地估计将应用的HLC增益。
具有一组以上配对传声器或听者周围的不同位置处的几个传声器将增加接收“将来”无线信号的概率，藉此使可能进行“不受因果律支配的”处理。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的装置的结构特征可与本发明方法的实施结合。
除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。
应意识到，本说明书中提及“一实施例”或“实施例”或“方面”或者“可”包括的特征意为结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一实施方式中。此外，特定特征、结构或特性可在本发明的一个或多个实施方式中适当组合。提供前面的描述是为了使本领域技术人员能够实施在此描述的各个方面。各种修改对本领域技术人员将显而易见，及在此定义的一般原理可应用于其他方面。
权利要求不限于在此所示的各个方面，而是包含与权利要求语言一致的全部范围，其中除非明确指出，以单数形式提及的元件不意指“一个及只有一个”，而是指“一个或多个”。除非明确指出，术语“一些”指一个或多个。
因而，本发明的范围应依据权利要求进行判断。
参考文献
·[Kjems and Jensen；2012]U.Kjems,J.Jensen,“Maximum likelihood basednoise covariance matrix estimation for multi-microphone speech enhancement”,20th European Signal Processing Conference(EUSIPCO 2012),pp.295-299,2012.

Claims (15)

1.一种配对传声器单元，配置成从目标声源拾取目标声音，目标声音s包括人的话音，所述配对传声器单元包括：
-多个输入单元IU i ,i＝1,2,…,M，M大于或等于2，每一输入单元包括从配对传声器单元的环境拾取声音的传声器并配置成提供对应的电输入信号，每一电输入信号包括目标信号分量和噪声信号分量；
-多输入单元降噪系统，用于提供包括人的话音的目标信号s的估计量
Figure FDA0002404732430000011
所述多输入单元降噪系统包括多输入波束形成器滤波单元，其连接到多个输入单元IUi,i＝1,…,M并配置成确定滤波器权重以提供波束成形信号，其中来自不同于目标信号源方向的其它方向的信号分量被衰减，而来自目标信号源方向的信号分量保持不被衰减或相对于来自其它方向的信号分量较少地衰减；及
-用于建立到另一装置的音频链路的天线和收发器电路；
-话音活动检测器，用于估计来自所述环境的当前声音中是否存在人的话音或者存在人话音的概率并提供指示其的话音活动控制信号，或者配置成从另一装置接收所述话音活动控制信号；
其中所述多输入波束形成器滤波单元包括自适应波束形成器；及
其中多输入单元降噪系统配置成
在人的话音不存在时或以低于预定水平的概率存在时估计干扰背景噪声的噪声功率谱密度，或者从另一装置接收相应估计量；及
针对源自相对于佩戴配对传声器单元的人位于特定位置的目标信号源的目标信号自适应估计波束形成器滤波单元的当前视向量d(k,m)，其中，k指频率，m指时间，相对于人的特定位置为人嘴巴的位置。
2.根据权利要求1所述的配对传声器单元，其中多输入波束形成器滤波单元包括MVDR波束形成器。
3.根据权利要求1所述的配对传声器单元，其中输入单元中的至少两个包括电平检测器，用于检测由所涉及输入单元的传声器拾取的声音的输入电平，及其中所述话音活动检测器配置成使话音活动控制信号基于传声器的相应电输入信号的输入电平之间的差。
4.根据权利要求1所述的配对传声器单元，适于由人佩戴。
5.根据权利要求1所述的配对传声器单元，包括存储器，其包含确定从配对传声器单元到目标声源的参考空间方向的预定参考视向量。
6.根据权利要求1所述的配对传声器单元，其中多输入单元降噪系统配置成在目标声音存在时或者以大于预定值的概率存在时更新视向量。
7.根据权利要求6所述的配对传声器单元，配置成通过将对应于当前视向量的当前确定的波束形成器权重与对应于参考视向量的默认权重比较而限制视向量的更新，及如果当前确定的波束形成器权重与默认权重相差预定的绝对或相对量以上，则限制或忽略当前确定的波束形成器权重。
8.根据权利要求1所述的配对传声器单元，包括存储器，其包含配对传声器单元的预定参考传声器间噪声协方差矩阵。
9.根据权利要求8所述的配对传声器单元，配置成通过将当前确定的传声器间噪声协方差矩阵与参考传声器间噪声协方差矩阵比较而控制干扰背景噪声的噪声功率谱密度的更新，及如果当前确定的传声器间噪声协方差矩阵与参考传声器间噪声协方差矩阵相差预定的绝对或相对量以上，则限制或忽略干扰背景噪声的噪声功率谱密度的更新。
10.根据权利要求1所述的配对传声器单元，包括用于将所述传声器单元连接到用户的连接元件。
11.根据权利要求1所述的配对传声器单元，配置成将包括人的话音的目标声音s的估计量
Figure FDA0002404732430000021
传给另一装置。
12.根据权利要求1所述的配对传声器单元，其中所述多输入波束形成器滤波单元包括提供滤波器权重wmvdr(k,m)的MVDR滤波器，所述滤波器权重wmvdr(k,m)基于视向量d(k,m)和噪声信号的输入单元间协方差矩阵，其中视向量d(k,m)为包括元素i＝1,2,…,M的M维向量，第i个元素di(k,m)定义从相对于配对传声器单元的输入单元处于特定位置处的目标信号源到第i个输入单元的声学传递函数，或者定义从第i个输入单元到参考输入单元的相对声学传递函数。
13.一种听力系统，包括根据前面任一权利要求所述的配对传声器单元及包括听力装置，所述听力装置包括用于建立到配对传声器单元的通信链路及从配对传声器单元接收包括包含人话音的目标声音s的估计量的音频信号的天线和收发器电路。
14.根据权利要求13所述的听力系统，其中所述听力装置包括用于从听力装置的环境拾取声音并提供电听力装置输入信号的输入变换器、用于将一个或多个处理算法应用于电听力装置输入信号或源自其的信号并提供处理后的听力装置信号的信号处理单元、及基于处理后的听力装置信号或源自其的信号提供由用户感知为声音的刺激的输出单元、及配置成分析从配对传声器单元接收的音频信号并产生用于控制一个或多个处理算法的一个或多个控制信号的分析单元。
15.根据权利要求13所述的听力系统，其中所述听力装置包括适于提供随频率而变的增益和/或随电平而变的压缩和/或一个或多个频率范围到一个或多个其它频率范围的移频以补偿用户的听力受损的助听器。
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