CN110100453B - 在双边麦克风阵列中控制风噪声 - Google Patents
在双边麦克风阵列中控制风噪声 Download PDFInfo
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Abstract
一对耳机具有各自提供多个麦克风信号的麦克风阵列。处理器接收麦克风信号并且将第一组滤波器应用到来自每个阵列的多个麦克风信号的子组，第一组滤波器在截止频率以下将信号反相，以及将第一滤波信号和来自阵列中的每个阵列的麦克风信号的剩余部分提供到第二组滤波器。处理器使用第二组滤波器来组合信号以生成远场信号，远场信号在截止频率以上相比靠近装置的声音对源自离装置短距离的声音更敏感，并且在截止频率以下是全向的，确定存在于麦克风信号中的风噪声水平，并且根据所确定的风噪声水平的函数调整截止频率，并且将远场信号提供给扬声器以用于输出。
Description
背景技术
本公开涉及一种两用双边麦克风阵列，并且涉及在这种阵列中控制风噪声。
助听器通常包括两个麦克风，该两个麦克风用于形成双麦克风波束形成阵列，波束形成阵列潜在地优化对特定方向的声音的检测，特定方向通常是用户正在看的方向。每个助听器(即，每个耳朵一个)具有这样的阵列，彼此独立地操作。旨在用于通信的听筒，例如蓝牙耳机，还常常包含两个麦克风阵列，不瞄准在远场处，而是在用户自己的嘴部处，以检测用户的声音以用于传送到远端对话伙伴。这样的阵列通常仅提供在单个听筒上，甚至在具有两个听筒的设备中。
在美国专利申请公开2015/0230026中描述了总共四个麦克风(每个耳朵中两个)的使用，通过引用并入本文。在检测到另一个人的声音时，本公开提供了使用用于每个耳朵的单独的成对麦克风的改进的性能，以辅助用户在嘈杂环境中与另一人进行听力和交谈。
发明内容
通常，在一个方面，第一耳机具有第一麦克风阵列，该第一麦克风阵列包括第一前麦克风，提供第一前麦克风信号；以及第一后麦克风，提供第一后麦克风信号；以及第一扬声器。第二耳机具有第二麦克风阵列，包括第二前麦克风，提供第二前麦克风信号；以及第二后麦克风，提供第二后麦克风信号；以及第二扬声器。处理器接收第一前麦克风信号、第一后麦克风信号、第二前麦克风信号和第二后麦克风信号，使用第一组滤波器来组合四个麦克风信号以生成相比靠近装置的声音对源自离装置短距离的声音更敏感的远场信号，以及将远场信号提供给扬声器以用于输出。处理器还使用第二组滤波器来组合四个麦克风信号以生成相比对源自远离装置的声音对来自穿戴耳机的人的声音信号更敏感的近场信号，以及向通信系统提供近场信号。
实施方式可以以任何组合包括以下中的一个或多个。第一麦克风阵列和第二麦克风阵列可以被物理地布置为优化离装置短距离的声音的检测。当耳机被佩戴时两个前麦克风可以面向前方，当耳机被佩戴时两个后麦克风面向后方，并且当被典型的成年人佩戴时，通过第一阵列的麦克风的线在耳机前方约两米的位置处与通过第二阵列的麦克风的线相交。处理器可使用不同于第二组滤波器的第三组滤波器来组合四个麦克风信号以生成相比源自远离装置的声音对来自穿戴耳机的人的声音信号更敏感的第二近场信号，以及将第二近场信号提供到扬声器用于输出。将远场信号提供给扬声器可以包括根据与单独用户相关联的一组用户偏好来对远场信号进行滤波。处理器可由若干子处理器组成，且根据用户组偏好的对远场信号的滤波可由与应用第一组滤波器以组合四个麦克风信号以生成远场信号的子处理器不同的子处理器执行。
处理器可以生成远场信号并且通过使用与第一组滤波器不同的第三组滤波器来将远场信号提供给扬声器，组合四个麦克风信号以生成相比靠近装置的声音对源自离装置短距离的声音更敏感的第二远场信号，将第一远场信号提供给第一扬声器，并且将第二远场信号提供给第二扬声器。向相应的第一扬声器和第二扬声器提供第一远场信号和第二远场信号可以包括根据与个人用户的第一耳朵相关联的用户组偏好来对第一远场信号进行滤波，以及根据与个体用户的第二耳朵相关联的一组用户偏好来对第二远场信号进行滤波。处理器可通过将对应于第一前麦克风和第二前麦克风的信号求和以形成组合前麦克风信号而生成近场信号，将对应于第一后麦克风和第二后麦克风的信号求和以形成组合后麦克风信号，对组合前麦克风信号进行滤波以形成经滤波的组合前麦克风信号，对组合后麦克风信号进行滤波以形成经滤波的组合后麦克风信号，且组合经滤波的组合前麦克风信号与经滤波的组合后麦克风信号以形成定向麦克风信号，近场信号包括定向麦克风信号。处理器可以同时操作第一组滤波器和第二组滤波器。
通常，在一个方面，第一耳机具有第一麦克风阵列和第一扬声器，该第一麦克风阵列包括第一前麦克风，提供第一前麦克风信号；以及第一后麦克风，提供第一后麦克风信号。第二耳机具有第二麦克风阵列和第二扬声器，该第二麦克风阵列包括第二前麦克风，提供第二前麦克风信号；以及第二后麦克风，提供第二后麦克风信号。处理器接收第一前麦克风信号、第一后麦克风信号、第二前麦克风信号和第二后麦克风信号。第一麦克风阵列和第二麦克风阵列被物理地布置为具有相比靠近装置的声音对源自离装置短距离的声音更高的敏感度。处理器使用第一组滤波器来组合四个麦克风信号以生成相比源自远离装置的声音对来自穿戴耳机的人的语音信号更敏感的近场信号，以及向通信系统提供近场信号以用于输出。
通常，在一个方面，第一耳机具有第一扬声器和提供第一多个麦克风信号的第一麦克风阵列。第二耳机具有第二扬声器和提供第二多个麦克风信号的第二麦克风阵列。处理器接收第一多个麦克风信号和第二多个麦克风信号，并且将第一组滤波器应用到来自第一麦克风阵列和第二麦克风阵列中的每个的多个麦克风信号的子组，第一组滤波器在截止频率以下将信号反相，并且将来自第一麦克风阵列和第二麦克风阵列中的每个的麦克风信号的剩余部分和第一滤波信号提供到第二组滤波器。处理器还使用第二组滤波器来组合麦克风信号以生成远场信号，远场信号在截止频率以上对相比靠近装置的声音对源自离装置短距离的声音更敏感，以及在截止频率以下是全向的，确定存在于麦克风信号中的风噪声水平，调整作为确定的风噪声水平的函数的截止频率，并且将远场信号提供给扬声器以用于输出。
实施方式可以以任何组合包括以下中的一个或多个。处理器可以在第二组滤波器中生成远场信号之后，在作为第一截止频率的函数的第二截止频率以下将增益应用到滤波器的输出。在生成第一组滤波器中的远场信号之后，处理器可以将高通滤波器应用到滤波器的输出。处理器可确定存在于麦克风信号中的总低频能量，而且在确定总声音水平低于第一阈值且风噪声水平低于第二阈值时，增加第一组滤波器的截止频率。生成远场信号可以包括确定存在于麦克风信号中的总低频能量，计算麦克风信号的总和，计算麦克风信号的差，将麦克风信号的和与麦克风信号的差值进行比较，并基于比较结果确定截止频率。计算麦克风信号的差可包含计算第一多个麦克风信号中的麦克风信号的第一差，计算第二多个麦克风信号中的麦克风信号的第二差，以及将第一差与第二差的差计算为麦克风信号的差。
通常，在一个方面，第一耳机具有第一扬声器和提供第一多个麦克风信号的第一麦克风阵列。第二耳机具有第二扬声器和提供第二多个麦克风信号的第二麦克风阵列。处理器接收第一多个麦克风信号和第二多个麦克风信号，并且使用第一组滤波器来组合麦克风信号以生成远场信号，远场信号截止频率以上相比靠近装置的声音对源自离装置短距离的声音更敏感，并且在截止频率以下是全向的，确定存在于麦克风信号中的风噪声水平，根据所确定的风噪声水平的函数调整截止频率，并且将远场信号提供给扬声器以用于输出。处理器还使用第二组滤波器来组合麦克风信号以生成相比源自远离装置的声音对来自穿戴耳机的人的语音信号更敏感的近场信号，组合麦克风信号以生成全向信号，使用加权和组合近场信号和全向信号以生成通信信号，加权是所确定的风噪声水平的函数，以及将通信信号提供给通信系统。
实施方式可以以任何组合包括以下中的一个或多个。处理器可以基于麦克风信号的总和与麦克风信号的差的比较来确定用于调整截止频率的风噪声的水平，并且基于近场信号与全向信号的比较来确定用于调整应用到在通信信号中的近场信号的加权的风噪声水平。生成远场信号可以包括将全通滤波器应用到来自第一麦克风阵列及第二麦克风阵列中的每个的多个麦克风信号的子组，全通滤波器在截止频率以下将信号反相，以及将来自第一麦克风阵列和第二麦克风阵列中的每个的麦克风信号的剩余部分和全通滤波信号提供到第一组滤波器。生产近场信号和全向信号可以包括将第三组滤波器应用到来自第一麦克风阵列及第二麦克风阵列中的每个的多个麦克风信号的第一子组，将第四组滤波器应用到来自第一麦克风阵列和第二麦克风阵列中的每个的多个麦克风信号的第二子组，将经滤波的第一子组与经滤波的第二子组组合以生产近场信号，以及对第一子组和第二子组进行求和以生成全向信号。生成近场信号和全向信号还可以包括对第一子组求和，并且将求和的第一子组提供给第三组滤波器，对第二子组求和，并且将求和的第二子组提供给第四组滤波器，对求和的第一子组和求和的第二子组进行求和以生成全向信号。处理器可由若干子处理器组成，且第一子组及第二子组的求和可由与对第三滤波器及第四滤波器的应用及对经滤波的子组的组合不同的子处理器执行。
通常，在一个方面中，第一耳机具有第一麦克风和第一扬声器，第一麦克风提供第一麦克风信号。第二耳机具有第二麦克风和第二扬声器，第二麦克风提供第二麦克风信号。处理器接收第一麦克风信号和第二麦克风信号，并且使用第一组滤波器来组合麦克风信号以生成输出信号。处理器通过将低通滤波器应用到第一麦克风信号和第二麦克风信号中的每个而生成输出信号，将经低通滤波的第一麦克风信号与经低通滤波的第二麦克风信号进行比较，并且确定是否一者可具有比另一者大的噪声含量，以及在确定第一麦克风信号具有比第二麦克风信号更大的噪声含量时，在第一组滤波器中将应用到第一麦克风信号的增益量减小到截止频率以下。在随后确定第一麦克风信号不再具有比第二麦克风信号更大的噪声含量时，处理器恢复应用到第一组滤波器中的第一麦克风信号的增益量。
实施方式可以以任何组合包括以下中的一个或多个。处理器可在确定第一麦克风信号具有比第二麦克风信号大的噪声含量时，在第二组滤波器中将应用到第一麦克风信号的增益量减少到截止频率以下，以及在随后确定第一全向信号不再具有比第二全向信号更大的噪声含量时，恢复应用到第二组滤波器中的第一麦克风信号的增益量，以及使用第二组滤波器来组合麦克风信号以生成第二输出信号，其中第一输出信号被提供给扬声器并且第二输出信号被提供给通信系统。第一组滤波器可生成远场阵列信号，并且第二组滤波器可生成近场阵列信号。第一耳机可以包括第三麦克风，提供第三麦克风信号，第二耳机可以包括第四麦克风，提供第四麦克风信号，并且处理器可以通过从第一麦克风减去对应于第三麦克风的信号以形成第一差信号来比较第一麦克风信号和第二麦克风信号，将对应于第四麦克风的信号与第二麦克风求和以形成第二差信号，且将第一差信号与第二差信号进行比较，且确定是否一者可具有比另一者大的噪声含量。
优点包括在单个设备中改善用于对话辅助的远场声音检测和用于远程通信的近场声音检测。还改进了对风噪声的抑制。
上述所有示例和特征可以以任何技术上可行的方式进行组合。根据说明书和权利要求书，其他特征和优点将是明显的。
附图说明
图1示出了一组头戴式耳机。
图2至10示出了示意性框图。
具体实施方式
在图1所示的新耳机架构中，两个耳机102、104各自包含双麦克风阵列106和108。两个耳机102、104连接到围绕用户颈部佩戴的中央单元110。如图2中示意性地示出的，中央单元包括处理器112、无线通信系统114和电池116。耳机还各自包含扬声器118、120和用于提供基于反馈的主动降噪的附加麦克风122、124。两个阵列106和108中的麦克风标记为126、128、130和132。这些麦克风用于多个目的：它们的输出信号被用于作为环境声音在前馈噪声消除中被消除；作为环境声音(包括本地对话伙伴的声音)被增强以用于对话辅助；作为语音声音通过无线通信系统被发送到远程会话伙伴；并且作为要回放的侧音语音声音，以在用户说话时听到他自己的声音。在图1的示例中，四个麦克风被布置为每个耳朵上的前麦克风向前指向，并且每个耳朵上的后麦克风向后指向。当耳机被典型用户佩戴时，穿过每对麦克风的线通常向前指向，以优化对来自用户正在看的方向的声音的检测。耳机被布置为在佩戴时将它们各自的成对麦克风略微向内指向，因此通过麦克风阵列的线在用户前方一米或两米汇聚。这对于优化面对用户的某人的声音的接收的具有特定益处。
处理器112将多个可配置滤波器应用到来自各种麦克风的信号。从所有四个麦克风126、128、130、132(每个耳朵处两个)到共享处理系统的高带宽通信信道的提供在本地对话辅助和与远程人员或系统的通信中都提供了新的机会。具体地，如图3所示，使用第一组滤波器202使得最佳地使用麦克风的物理布置，并且组合四个麦克风信号以形成远场阵列被优化用于检测来自附近的源的声音，诸如本地会话伙伴。当我们说阵列被优化用于检测来自附近的源的声音时，我们的意思是阵列对源自耳机佩戴者前面的前方在大约1到2米的距离处的信号的敏感度大于对源自更接近或更远离耳机或来自其他方向的声音的敏感度。如美国专利申请公开2015/0230026中所描述的，将所有四个麦克风一起使用可以导致针对每个耳朵使用单独的成对麦克风时改善的性能。另外，阵列可针对两个耳朵而不同地配置，例如以通过使用两个单独的滤波器组202和204来保持双声道空间感知。
第三组滤波器206用于组合四个麦克风信号以形成经优化以用于检测用户自己的声音的近场阵列。当阵列被优化用于检测用户自己的声音时，意思是阵列对源自用户的嘴部的信号的敏感度大于源自于远离耳机的声音的敏感度。即使在麦克风126、128、130、132被物理地布置成优化用户前方的远场拾取的情况下，已经发现所有四个麦克风的组合提供近场声音性能至少与同一耳塞位置中但物理地瞄准用户的嘴部的双麦克风阵列一样好，以及在一些情况下更优。
在一些示例中，又一组滤波器208用于提供用户的声音返回用户自己，通常被称为侧音(side-tone)。侧音声音信号可以与对外声音信号不同地被过滤，以考虑耳机的声学对用户对他或她自己的声音的感知的影响。最后，每个耳朵的主动降噪(ANR)滤波器210、212使用本地麦克风中的至少一个来生成噪声消除信号。ANR滤波器可以使用每个耳朵的一个或两个外部麦克风和反馈麦克风来消除环境噪声。在一些示例中，来自相对耳朵的外部麦克风也可以用于每个耳朵中的ANR。
ANR信号、远场阵列信号、侧音信号以及任何传入通信或娱乐信号(未示出)针对每个耳朵相加。如图4所示，至少一些滤波器在处理器112中被实施，其中处理器处理四个麦克风信号(加上反馈麦克风信号)到各种滤波器的分布。同样地，处理器可处理多个滤波器输出的总和以及它们到适当扬声器的分布。
在一些实例中，如图5中所示，处理器112由单独专用子处理器的组合来提供，例如，左ANR处理器302和右ANR处理器304、左阵列处理器306和右阵列处理器308，以及通信处理器310。在美国专利8,818,822中描述了合适的ANR处理器的示例，其全部内容通过引用并入本文。类似的处理器可用于阵列处理。合适的通信处理器的示例是来自高通公司的CSR8670，该处理器在一些示例中还提供对ANR和阵列处理器的通用处理控制以及提供无线通信系统114。在其他示例中，单个ANR或者阵列处理器可以处理两侧，或者通信处理器还可以具有分离的左侧处理器和右侧处理器。ANR和阵列滤波器可以每侧提供单个处理器，或者所有滤波可以由单个处理器来处理。四个外部麦克风信号可各自直接提供到子处理器中的每一个，或例如阵列处理器的一个或多个子处理器可直接地接收麦克风信号的子组并且经由总线将那些信号传递到其它处理器(如图5所示)。
远场滤波
用于远场麦克风处理的示例拓扑在图6中示出。这表示由前述附图中表示的完整产品执行的处理的子组。在该示例中，四个麦克风信号LF、LR、RF和RR中的每一个被提供给两个阵列处理器306、308中的每一个。如果将相同的远场信号被提供到每个耳朵，则仅需要单个这样的处理器。每个阵列处理器在对滤波后的信号求和之前对每个输入麦克风信号应用特定滤波器，以生成用于相应耳朵的远场信号。基于应用到每个单独的麦克风信号的特定滤波器，相加的信号进而被均衡402、404。
用于生成用于输出到左耳和右耳的远场信号的特定滤波器和相关信号处理在美国专利申请公开2015/0230026中描述，通过引用并入本文。图6中所示的所有滤波、求和、均衡和处理可以在单个处理器中执行，或者在与该示例中使用的处理器不同的处理器组合中执行。在一些示例中，阵列处理器输出被提供作为对ANR处理器的信号输入，而不是直接输出到扬声器，以向ANR系统的透听(hear-through)特征提供方向分量，例如美国专利8,798,283中的那些，其内容通过引用并入本文。
近场通信滤波器
如上所述，即使四个麦克风被物理地布置成优化远场声音拾取，当所有四个麦克风被组合时，它们也生成良好的近场声音信号以用于通信目的。先前的通信耳机已经组合了两个麦克风以改善对用户的声音的检测，例如，在瞄准用户的嘴部的波束形成阵列中。在高水平上，可执行图6中所示的相同类型的处理以使用适当不同的滤波器系数生成近场信号。与图6相比，仅需要一组滤波器来生成对外声音信号。在一些实例中，如图7中所示，阵列处理器306或308中的一者在将两个复合信号提供到实施近场声音滤波的通信处理器310之前组合四个麦克风信号。具体地，阵列处理器308对两个前麦克风信号LF和RF以及两个后麦克风信号LR和RR进行求和，并且将两组求和信号502、504提供给通信处理器310。通信处理器组合两组求和信号以形成近场阵列信号，该近场阵列信号优化用户自己的相对于远场能量的声音。前求和与后求和各自经滤波506、508，且接着组合510两个经滤波的求和以生成近场阵列信号512。通过仅向通信处理器提供两个入站信号，这简化了通信处理器310的设计和处理器之间的信号通路。在图7的特定示例中，无线通信系统114与通信处理器310集成，并且近场信号被直接提供给对外通信链路。利用更强大的通信处理器，可以不需要预求和，并且可以单独地对所有四个麦克风信号滤波以进一步优化用户声音的拾取。
侧音滤波器
在阻挡用户的耳朵的耳机中，听到他们自己的声音回放可以帮助用户控制他们说话的水平，并且感觉更舒适地说话到耳机中，因为收听他们自己的记录的任何人可以涉及，然而，简单地提供对外通信信号到用户的耳朵可能听上去不是自然的。这甚至更明显，因为耳机102、104改变了用户怎样感知他们自己的声音的方式。通过引用并入本文的美国专利9,020,160讨论了对反馈和前馈麦克风信号进行滤波以生成听上去声音更自然的自声音(self-voice)信号的方式。这些技术可以在本架构中被使用，要么使用所有四个麦克风，如图3中的滤波器208所示；或者使用来自对外信号处理步骤的预求和前麦克风信号，如图7中的滤波器514所示。在一些示例中，自声音滤波作为ANR滤波的一部分完成。这可以是特别有利的，因为未修改的基于反馈的降噪可以减轻在佩戴耳机时放大一个人的声音的较低频率分量的闭塞效应的大部分。然后使用外部麦克风信号来重新注入当耳朵被阻挡时丢失的声音的高频分量(而不是将它们作为环境噪声消除)。闭塞效应的消除可以由ANR处理器302、304来处理，而通信处理器310从外部麦克风提供侧音信号。
在简化示例中，诸如在图7的示例中，来自通信路径的求和前麦克风信号被简单地低通滤波和均衡以提供基本侧音信号。然后，将侧音信号与其它本地输出信号求和并提供给扬声器118、120风噪声缓解
如上所述，先前已经将两个麦克风用作波束形成阵列以检测用户的声音。在其它实例中，如通过引用并入本文的美国专利8,620,650中所描述，可组合两个麦克风信号以优化对环境噪声和风噪声的抑制。这可以适用于图7的示例，如图8所示，以从近场阵列去除风噪声。术语“风噪声(wind noise)”在这里用于描述由直接撞击耳机的气流引起的噪声，与“环境(ambient)”噪声相反，环境噪声是指从其它源(其可以包括远风)到达耳机的声学噪声。'650专利的方法是使用对风噪声敏感的一个麦克风信号以及对风噪声较不敏感但是对环境噪声更敏感的一个麦克风信号。使用加权和，其中给予每个信号的加权取决于每个信号中存在的噪声能量的相对量，在图8的特定实例中，阵列信号512倾向于对风噪声敏感。在'650专利的方式下的风噪声优化器556将阵列信号512与全向信号552组合，全向信号552通过对传入的前求和502和后求和504求和(554)而形成。这生成了用于作为对外声音信号的改善的输出信号。在图8的特定示例中，在集成无线通信系统114的通信处理器310中进行处理。
远场阵列信号也容易受到风噪声的影响，但是使用不同的处理来管理它。在一些示例中，如图9所示，基于信号中存在的风噪声，在处于低频率下的全向模式和在处于较高频率下的定向远场阵列模式之间处理衰减。在该示例中，四个麦克风信号被求和，602、604、606，以生成总能量信号608。同时，计算两个左麦克风的差(LF-LB)610，计算两个右麦克风的差(RF-RB)612，并且计算这两个差的差((LF-LB)(RF-RB))614。将最终差信号616与总能量信号608的比率与阈值进行比较618以生成风指示符信号620。风信号620连同总能量信号608一起用作确定两个附加滤波器组622、624的截止频率的计算626的输入。风噪声预滤器622对单独的麦克风信号进行滤波。特别地，风噪声预滤器应用将前麦克风信号的相位反转到所计算的截止频率以下的全通滤波器。这使得阵列在较低频率下具有全向敏感度，并且在较高频率下维持指向性。随着风水平增加，在其以下前麦克风被反转的截止频率被升高，在高风水平中增加全向性能时衰减，定向阵列无论如何都不是特别有用的，因此整个带宽都是全向的。
在远场阵列处理204之后应用第二组风滤波器624。该第二组风滤波器做两件事情：它降低了低频增益，并且它应用高通滤波器。在普通远场阵列处理中，在较低频率处应用高增益以考虑由于阵列的方向性而导致的能量损失。由于较低频率处的敏感度被转移为全向的，所以恢复该能量并且可以减小增益。该低频增益的截止频率是基于全通滤波器622的截止频率，但可能不是完全相同的频率。同时，高通滤波器去除仍然以特别高的风水平拾取的任何残余风噪声，这可能比其它技术更有效。随着风水平增加，低频增益截止频率和高通滤波器截止频率两者都跟随风预滤波器反转频率的升高而上升。图9仅示出了对右耳的处理。对左耳执行相同的处理，并且为了清楚起见，省略了相同的处理。在一些示例中，相同的控制信号620和截止频率被用于两个耳朵，并且它们可以在整个系统被计算一次，或者在单独的阵列处理器中被冗余地计算一次。
低频率下的白噪声增益的缓解
在一些示例中，也在图9中示出，附加的用途由风滤波器622和624制成。当使用定向远场阵列时，由于增加的增益需要弥补阵列中的能量损失，所以低频处的有效噪声基底升高。这对于当用户处于安静环境中时是明显的，但是在这样的环境中，远场阵列的益处比在噪声环境中的益处更小。因此，当环境噪声较低时，风噪声预滤器622也可用于在低频率下衰减到全向敏感度，即使当风噪也较低时，否则它将有利于定向信号。阈值628向截止计算626提供附加输入，并且如果风检测620为低，但是总能量608也低于阈值628，则仍然应用风噪声预滤器622。这降低了低频下的白噪声增益。在这种情况下，通过风滤波器624也恢复低频增益，但是不使用高通滤波器。在低噪声情况下计算的截止频率可以遵循与在高风情况下的总能量信号608不同的函数关系。
双边风缓解
如上文在对近场声音拾取的论述中所提及，而不是结合左麦克风信号和右麦克风信号，用于近场信号的风噪声-环境噪声混合算法也可以适于使用单独的左麦克风信号及右麦克风信号来优化对远场麦克风信号中不对称的噪声的抑制，例如，如果风在一侧上比另一个侧更多地撞击用户。在此实例中，如图10中所示，从每一侧上的前麦克风减去702、704后麦克风以生成左和右差信号706、708。由于两个听筒之间的头部的遮蔽，这些信号并不相同。然后，每个差信号被低通滤波710、712以及被比较714，以确定一侧是否经受比另一个侧更多的风。如果是，则在低频处抑制来自噪声侧的麦克风信号，其中风通过减小由远场滤波器在低频处从该侧应用到麦克风的增益是最大的问题。可选地，前置滤波器级可类似于图9中所示的对称风控制方法来减小该增益。系统缓慢地回到使用所有四个麦克风，并且如果风已经平息，则该衰减继续直到所有麦克风的充分利用在所有频率处恢复。如果再次检测到风，则系统在低频快速回到单侧操作。
求和及比较可以在每个阵列处理器中完成(假设存在两个，如在一些示例中那样)，或者在它们中的一个中进行，并且控制信号被提供给另一个，如果通信处理器被提供所有四个麦克风信号，而不是与预求和的成对前信号和成对后信号，则可以结合图7中所示的全向/定向风噪声控制将类似的左/右风噪声控制应用到近端声音信号。备选地，在图7的实例中，阵列处理器可减小提供到通信处理器的前/后求和中的左麦克风或右麦克风的加权。该方法对于仅有一个麦克风的每个耳朵也是有用的，因为可以比较每侧上的总能量以确定噪声源是否是不对称的，并且以相同的方式平衡信号。
同时操作
在具有足够的处理能力的情况下，可以并行地使用不同组的滤波器以同时生成近场和远场信号。这允许用户同时对着他自己的声音和会话伙伴的声音(即，如果他们彼此交谈)，或者在听另一人的同时在无线连接上说话。除了简单的多任务处理之外，如果会话中的多于一个人正在使用设备，该设备诸如本文所描述的那一个设备，则后者可能是有用的。参见例如美国专利第9,190,043号，其全部内容通过引用并入本文。多个头戴式耳机中的每一者可将其用户本地检测到的声音从近场滤波器传播到其它头戴式耳机，其中其可与头戴式耳机的远场滤波器的结果组合以向用户提供其对话伙伴声音的完整集合。
在近场不用于对话的情况下，近场和远场声音的同时检测也可能是有用的。例如，如果头戴式耳机实施或连接到声音个人助理(VPA)，那么可将近场信号引导到系统，或引导到唤醒字词检测程序。近场信号应当提供比简单地使用环境麦克风更高的信噪比。
还可以将近场和远场信号彼此进行比较。该比较的一个结果可以用于估计主导信号的接近度-如果二者的相关性较高，则，这是用户说话。这可以用于声音活动检测器，或者改变其他降噪算法，以命名两个示例。
在图1的特定示例中，耳机通过在耳机中的麦克风和扬声器与中央单元中的各种处理器之间传递信号的导线连接到中央单元。在其他示例中，处理部件、通信部件和电池部件被嵌入在耳机中，耳机可以通过有线或无线连接彼此连接，取决于架构和通信带宽，组件和任务可在耳机之间拆分，或在两者之间重复。本公开的重要考虑是来自所有四个麦克风(每个耳朵两个)的信号可用于正在生成用于在每个耳朵处回放的声音的处理器中的至少一些，并且所有四个信号最终被提供给处理器生成用于在通信系统上传输的信号，尽管可能存在用于通信路径的中间求和步骤。
上文描述的系统和方法的实施例包括对于本领域技术人员而言将是明显的计算机组件和计算机实现的步骤。例如，本领域技术人员应当理解，计算机实现的步骤可以作为计算机可执行指令存储在计算机可读介质上诸如，例如，闪存ROM、非易失性ROM以及RAM。此外，本领域技术人员应当理解，计算机可执行指令可以在各种处理器上执行诸如，例如，微处理器、数字信号处理器、门阵列等等。为了便于展示，并不是上面描述的系统和方法的每个步骤或元素都被作为计算机系统的一部分在本文描述，但是本领域技术人员将认识到，每个步骤或元件可以具有对应的计算机系统或软件组件。这样的计算机系统和/或软件组件因此通过描述它们相应的步骤或元件(即，它们的功能)来实现，并且在本公开的范围内。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解的是，在不脱离本文所描述的发明构思的范围的情况下，可以进行附加的修改，并且因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。
Claims (22)
1.一种用于信号处理的装置，包括：
第一耳机，具有第一麦克风阵列和第一扬声器，所述第一麦克风阵列提供第一多个麦克风信号；
第二耳机，具有第二麦克风阵列和第二扬声器，所述第二麦克风阵列提供第二多个麦克风信号；以及
处理器，接收所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号，并且被配置为：
将第一组滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的子组，所述多个麦克风信号包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号，所述第一组滤波器在第一截止频率以下将所述子组中的麦克风信号反相，以生成第一滤波信号；
将所述多个麦克风信号中的、除所述子组中的所述麦克风信号的剩余麦克风信号和所述第一滤波信号从所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列提供到第二组滤波器；
使用所述第二组滤波器来组合所述第一滤波信号和所述剩余麦克风信号，以生成远场信号，所述远场信号在所述第一截止频率以上相比靠近所述装置的声音对源自离所述装置1到2米的短距离的声音更敏感，并且在所述第一截止频率以下是全向的；
确定存在于包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的所述麦克风信号中的风噪声水平；
根据所确定的所述风噪声水平的函数来调整所述第一截止频率；以及
向所述第一扬声器和所述第二扬声器提供所述远场信号以用于输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器还被配置为：
在所述第二组滤波器中生成所述远场信号之后，在作为所述第一截止频率的函数的第二截止频率以下将增益应用于所述第二组滤波器的输出端。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器还被配置为：
在所述第一组滤波器中生成所述远场信号之后，将高通滤波器应用到所述第一组滤波器的输出端。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器还被配置为：
确定存在于所述麦克风信号中的总声音水平；以及
当确定所述总声音水平低于第一阈值，并且所述风噪声水平低于第二阈值时，增加所述第一组滤波器的所述第一截止频率。
5.根据权利要求1所述的装置，其中生成所述远场信号包括，在所述处理器中：
确定所述麦克风信号中存在的总低频能量；
计算所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的和；
计算所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号之间的差；
将所述麦克风信号的所述和与所述麦克风信号的所述差以及将所述麦克风信号的所述和与所述总低频能量进行比较；以及
基于所述比较的结果确定所述第一截止频率。
6.根据权利要求5所述的装置，其中计算所述麦克风信号的所述差包括：
计算所述第一多个麦克风信号中的两个麦克风信号之间的第一差，
计算所述第二多个麦克风信号中的两个麦克风信号之间的第二差，以及
计算所述第一差和所述第二差的差作为所述麦克风信号的所述差。
7.一种用于信号处理的装置，包括：
第一耳机，具有第一麦克风阵列和第一扬声器，所述第一麦克风阵列提供第一多个麦克风信号；
第二耳机，具有第二麦克风阵列和第二扬声器，所述第二麦克风阵列提供第二多个麦克风信号；以及
处理器，接收所述第一多个麦克风信号和第二多个麦克风信号，并且被配置为：
使用第一组滤波器来组合包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的多个麦克风信号以生成远场信号，所述远场信号在截止频率以上相比靠近所述装置的声音对源自离所述装置1到2米的短距离的声音更敏感，并且在所述截止频率以下是全向的；
确定存在于包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的多个麦克风信号中的风噪声水平；
根据所确定的所述风噪声水平的函数来调整所述截止频率；
向所述第一扬声器和所述第二扬声器提供所述远场信号以用于输出；
使用第二组滤波器来组合所述麦克风信号以生成相比源自远离所述装置的声音对来自穿戴所述耳机的人的语音信号更敏感的近场信号；
组合所述麦克风信号以生成全向信号；
使用加权和组合所述近场信号和所述全向信号以生成通信信号，加权是所确定的所述风噪声水平的函数；以及
以及向通信系统提供所述通信信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述处理器被配置为：
基于所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的和与所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号之间的差的比较来确定用于调整所述截止频率的所述风噪声水平；以及
基于所述近场信号与所述全向信号的比较来确定用于调整应用到所述通信信号中的所述近场信号的所述加权的所述风噪声水平。
9.根据权利要求7所述的装置，其中生成所述远场信号包括，在所述处理器中：
将全通滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的子组，以生成全通滤波信号，所述全通滤波器在所述截止频率以下将所述子组中的麦克风信号反相；以及将所述多个麦克风信号中的、除所述子组中的所述麦克风信号的剩余麦克风信号和所述全通滤波信号从所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列提供到所述第一组滤波器。
10.根据权利要求7所述的装置，其中生成所述近场信号和所述全向信号包括，在所述处理器中：
将第三组滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的第一子组；
将第四组滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的第二子组；
将经滤波的所述第一子组与经滤波的所述第二子组组合以生成所述近场信号；以及
对所述第一子组和所述第二子组求和以生成所述全向信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其中生成所述近场信号和所述全向信号还包括：
对所述第一子组求和并且将经求和的所述第一子组提供到所述第三组滤波器；
对所述第二子组求和并且将经求和的所述第二子组提供到所述第四组滤波器；
对经求和的所述第一子组和经求和的所述第二子组求和以生成所述全向信号。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器包括多个子处理器，并且执行所述第一子组和所述第二子组的求和的子处理器不同于执行所述第三组滤波器和所述第四组滤波器的所述应用以及执行经滤波的所述子组的组合的子处理器。
13.一种用于信号处理的方法， 包括，在用于信号处理的装置的处理器中：
从具有第一麦克风阵列的第一耳机接收第一多个麦克风信号；
从具有第二麦克风阵列的第二耳机接收第二多个麦克风信号；以及
将第一组滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的子组，所述多个麦克风信号包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号，所述第一组滤波器在第一截止频率以下将所述子组中的麦克风信号反相，以生成第一滤波信号；
将多个麦克风信号中的、除所述子组中的所述麦克风信号的剩余麦克风信号和所述第一滤波信号从所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列提供到第二组滤波器；
使用所述第二组滤波器来组合所述麦克风信号以生成远场信号，所述远场信号在所述第一截止频率以上相比靠近所述装置的声音对源自离所述装置1到2米的短距离的声音更敏感，并且在所述第一截止频率以下是全向的；
确定存在于包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的多个麦克风信号中的风噪声水平；
根据所确定的所述风噪声水平的函数来调整所述第一截止频率；以及
向相应的所述第一耳机和所述第二耳机中的第一扬声器和第二扬声器提供所述远场信号以用于输出。
14.根据权利要求13所述的方法包括，在处理器中：
在所述第二组滤波器中生成所述远场信号之后，在作为所述第一截止频率的函数的第二截止频率以下将增益应用到所述第二组滤波器的输出端。
15.根据权利要求13所述的方法包括，在所述处理器中：
在所述第一组滤波器中生成所述远场信号之后，将高通滤波器应用到所述第一组滤波器的输出端。
16.根据权利要求13所述的方法包括，在所述处理器中：
确定所述麦克风信号中存在的总声音水平；以及当确定所述总声音水平低于第一阈值，而且所述风噪声水平低于第二阈值时，增加所述第一组滤波器的所述第一截止频率。
17.一种用于信号处理的方法，包括，在用于信号处理的装置的处理器中：
从具有第一麦克风阵列的第一耳机接收第一多个麦克风信号；
从具有第二麦克风阵列的第二耳机接收第二多个麦克风信号；
使用第一组滤波器来组合包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的多个麦克风信号以生成远场信号，所述远场信号在截止频率以上相比靠近所述装置的声音对源自离所述装置1到2米的短距离的声音更敏感，并且在所述截止频率以下是全向的；
确定存在于包括所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的多个麦克风信号中的风噪声水平；
根据所确定的所述风噪声水平的函数来调整所述截止频率；
向相应的所述第一耳机和所述第二耳机中的第一扬声器和第二扬声器提供所述远场信号以用于输出；
使用第二组滤波器来组合所述麦克风信号以生成相比源自远离所述装置的声音对来自穿戴所述耳机的人的语音信号更敏感的近场信号；
组合所述麦克风信号以生成全向信号；
使用加权和组合所述近场信号和所述全向信号以生成通信信号，加权是所确定的所述风噪声水平的函数；以及
以及向通信系统提供所述通信信号。
18.根据权利要求17所述的方法包括，在所述处理器中：
基于所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号的和与所述第一多个麦克风信号和所述第二多个麦克风信号之间的差的比较来确定用于调整所述截止频率的所述风噪声水平；以及
基于所述近场信号与所述全向信号的比较来确定用于调整应用到所述通信信号中的所述近场信号的所述加权的所述风噪声水平。
19.根据权利要求17所述的方法，其中生成所述远场信号包括，在所述处理器中：
将全通滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的子组，以生成全通滤波信号，所述全通滤波器在所述截止频率以下将所述子组中的麦克风信号反相；以及将所述多个麦克风信号中的、除所述子组中的所述麦克风信号的剩余麦克风信号和所述全通滤波信号从所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列提供到所述第一组滤波器。
20.根据权利要求17所述的方法，其中生成所述近场信号和所述全向信号包括：
将第三组滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的第一子组；
将第四组滤波器应用到来自所述第一麦克风阵列和所述第二麦克风阵列中的每个麦克风阵列的所述多个麦克风信号的第二子组；
将经滤波的所述第一子组与经滤波的所述第二子组组合以生成所述近场信号；以及
对所述第一子组和所述第二子组求和以生成所述全向信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中生成所述近场信号和所述全向信号还包括：
对所述第一子组求和并且向所述第三组滤波器提供经求和的所述第一子组；
对所述第二子组求和并且向所述第四组滤波器提供经求和的所述第二子组；
对经求和的所述第一子组和经求和的所述第二子组求和以生成所述全向信号。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述处理器包括多个子处理器，并且执行所述第一子组和所述第二子组的求和的子处理器不同于执行所述第三组滤波器和所述第四组滤波器的所述应用以及执行经滤波的所述子组的组合的子处理器。
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