CN110169083A - 麦克风阵列波束形成 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种系统，所述系统包括麦克风阵列，所述麦克风阵列包括位于不同位置的多个麦克风，其中所述麦克风输出麦克风信号。波束形成器被施加到所述麦克风输出信号，并且被配置为控制施加到所述麦克风输出信号的增益。所述增益是频率相关的，并且与两个或更多个所述麦克风之间的灵敏度失配相关。
Description
背景技术
本公开涉及麦克风阵列波束形成。
波束形成可以控制施加到单个麦克风或阵列中的麦克风的输出的增益。虽然在一些应用中，优选的是最大化来自波束形成的麦克风阵列增益，但是增加增益也可能增加系统的内部噪声或自噪声，特别是在麦克风彼此非常接近的应用中。这种噪声也称为空间不相关噪声。在语音通信应用中，噪声降低了通信的有效性。
发明内容
下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。
在一个方面，系统包括麦克风阵列，该麦克风阵列包括位于不同位置的多个麦克风，其中麦克风输出麦克风信号。波束形成器被施加到麦克风输出信号，并且被配置为控制施加到麦克风输出信号的增益，其中增益是频率相关的，并且与两个或更多个麦克风之间的灵敏度失配相关。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。麦克风可以是耳机的一部分。在一个非限制性示例中，耳机包括入耳式耳麦，并且麦克风被构造和布置成检测耳麦外部的声场。波束形成器可以被配置为在较低的输入频率下比在较高的输入频率下更大地降低施加到麦克风输出信号的增益。增益可以有助于麦克风的白噪声增益，并且所降低的增益可能导致白噪声增益的降低。在一个非限制性示例中，白噪声增益降低在可以高达约300Hz的输入频率范围内至少为约4dB。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。波束形成器可以是超定向的。波束形成器可以由多个频域系数来表征。频域系数可以基于扩散噪声场的相干函数和非扩散噪声场的功率谱密度(PSD)矩阵中的至少一个。相干函数可以基于阵列的麦克风的麦克风灵敏度失配参数。在一个非限制性示例中，麦克风灵敏度失配参数可以在大约0.1dB和大约0.3dB之间。波束形成器可以是近场波束形成器或远场波束形成器。波束形成器可以是最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器。
在另一个方面，系统包括麦克风阵列，该麦克风阵列包括位于不同位置的多个麦克风，其中麦克风输出麦克风信号。波束形成器被施加到麦克风输出信号，并且被配置为在较低的输入频率下比在较高的输入频率下更大地降低施加到麦克风输出信号的增益，其中该增益有助于阵列白噪声增益，并且其中所降低的增益导致白噪声增益的降低。
实施方案可包括上面和/或下面的特征中的一个，或它们的任何组合。麦克风可以是耳机的一部分。波束形成器可以是超定向的。波束形成器可以由多个频域系数来表征。频域系数可以基于扩散噪声场的相干函数和非扩散噪声场的功率谱密度中的至少一个。相干函数可以基于阵列的麦克风的麦克风灵敏度失配参数。波束形成器可以是最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器。
附图说明
图1是包括麦克风阵列波束形成器的音频设备的示意性框图。
图2是将现有技术麦克风阵列波束形成器的阵列增益与示例性麦克风阵列波束形成器的阵列增益进行比较的阵列增益与频率关系的曲线图。
图3是白噪声增益(WNG)与频率关系的曲线图，比较了现有技术麦克风阵列波束形成器的WNG与示例性麦克风阵列波束形成器的WNG。
图4是将另一个现有技术麦克风阵列波束形成器的阵列增益与示例性麦克风阵列波束形成器的阵列增益进行比较的阵列增益与频率关系的曲线图。
图5是将另一个现有技术麦克风阵列波束形成器的WNG与示例性麦克风阵列波束形成器的WNG进行比较的WNG与频率关系的曲线图。
图6是包括示例性麦克风阵列波束形成器的耳机的示意图。
具体实施方式
语音通信应用通常使用麦克风的阵列来捕获语音。麦克风阵列可以是例如耳机或耳麦或扬声器的一部分。在许多使用情况下，麦克风也会捕获不需要的噪声。波束形成可以用于将阵列聚焦在语音源上，从而提高信噪比。某些类型的波束形成器对内部麦克风噪声特别敏感，内部麦克风噪声是空间不相关噪声。麦克风阵列增益是作为频率函数的波束形成器性能的指标。波束形成器的一个目标是最大化阵列增益。另一个目标是最小化空间不相关噪声或系统噪声，同时保持高阵列增益。在文献中，这被称为最小化白噪声增益(WNG)。
波束形成器抑制空间相关噪声，但是可以放大空间不相关噪声，这是不希望的。本文所述的麦克风阵列波束形成器被配置为实现依赖于频率的麦克风增益控制，其中增益控制与麦克风阵列中麦克风之间的灵敏度失配相关。结果是在至少某些频率上存在空间不相关噪声(或系统噪声)情况下的最佳波束形成，从而改善了语音通信结果。术语“白噪声增益”(WNG)在本文中有时用来描述与波束形成器抑制空间不相关噪声的能力相关的量。
图1是音频设备10的示意性框图，其包括本发明的麦克风阵列波束形成的示例。为了清楚起见，音频设备(诸如无线耳机和扬声器)的标准部件和功能(例如，A/D、D/A、放大和音频信号处理)没有包括在图1中。音频设备10具有多个麦克风——在该非限制性示例中，为两个麦克风，即麦克风14和16。数字信号处理器(DSP)12接收数字化和放大的麦克风输出。DSP12包括实现波束形成器20的代码，该波束形成器被施加到麦克风输出信号。波束形成在本领域中是公知的。超定向麦克风阵列波束形成描述于：Joerg Bitzer,K.U.Simmer,“Superdirective Microphone Arrays,”in Microphone Arrays,Springer BerlinHeidelberg,2001,chapters 2and 4on pp.19-38and 61-85(Joerg Bitzer、K.U.Simmer，“超定向麦克风阵列”，《麦克风阵列》，柏林海德堡施普林格出版社，2001年，第19-38页和第61-85页的第2章和第4章)，其公开内容全文通过引用方式并入本文。超定向波束形成器可以通过将最小方差无失真响应(MVDR)原理应用于扩散噪声场来导出。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，波束形成的输出通常经受进一步的处理22。这种进一步的处理可包括但不限于混合、音频调整、声学回声消除、噪声抑制、均衡和/或增益补偿。经处理的音频输出信号可以被提供给一个或多个电声换能器，如由输出25所指示，例如耳机的电声换能器。对于无线音频设备，波束形成的、经处理的麦克风输入可以被提供给具有天线26的无线通信模块24，天线26适于经由无线连接(诸如连接)发送(并且根据需要从诸如智能手机的音频源接收)无线信号。虽然使用作为无线连接的示例，但是也可以使用其他通信协议。一些示例包括低功耗(BLE)、近场通信(NFC)、IEEE802.11或者其他局域网(LAN)或个域网(PAN)协议。出站通信和入站通信也可以通过有线或任何其他通信介质或技术提供。
阵列增益指示波束形成器在信噪比(SNR)方面的性能，信噪比是相对于单个阵列麦克风的频率的函数。在一些应用中，波束形成器的目标是相对于在与阵列相同位置的单个麦克风最大化阵列增益。MVDR波束形成器是约束最小化问题的解决方案，其中约束是在试图最小化波束形成的输出能量的同时，在观察方向(例如，将麦克风阵列转向耳机上的嘴或者扬声器上的特定观察方向)上的未失真信号响应。这使给定观察方向的SNR最大化。作为非限制性示例，MVDR波束形成器的目标可以是抑制扩散噪声环境中的扩散噪声场，或者抑制风环境中的风噪声；对于这两种情况，波束形成系数将不同，并且将是特定于设计的。由现有技术MVDR波束形成器施加到麦克风14和16的输出的增益的示例由图2的曲线40示出。如图所示，在较低频率下的阵列增益为约25dB，阵列增益开始逐渐减小，直到约1kHz，然后保持相对恒定(在约5dB内)，直到约10kHz。图2所示的阵列增益经由一系列波束形成器系数或权重(W)来控制。
用于具有至少两个麦克风的麦克风阵列的现有技术MVDR波束形成器的波束形成器系数或权重是阵列几何形状、阵列与源的距离以及麦克风在噪声场中的相干性(Γ)的函数。波束形成器系数(W)可以如上文通过引用并入的“Superdirective Microphone Arrays(超定向麦克风阵列)”一书第2章第25页的等式2.26所述来计算，并在下面复制为等式(1)：
其中，Γvv是主题书第2章第22页的等式2.11中定义的相干矩阵，d是主题书第2章第20页的等式2.2中阐述的频域延迟和衰减的表示，并且算子H表示埃尔米特算子。波束形成系数是“复数”，这意味着它们具有量值和相位两者。
实际上，由于制造偏差和公差，多麦克风阵列中每个麦克风的灵敏度并不相同。在本系统中，在计算修改的MVDR波束形成器系数时考虑了麦克风之间灵敏度的失配。在N麦克风阵列的情况下，其中γ是相应的麦克风灵敏度失配参数，修改的扩散噪声相干矩阵(Γmm)计算为：
对于两个麦克风(N＝2)，该式简化为：
项ξij是复相干函数，适用于球形各向同性噪声和全向接收器，给出如下：
其中，k是波数，并且r是麦克风之间的距离，如上文通过引用并入的“Superdirective Microphone Arrays(超定向麦克风阵列)”一书第4章第66页的等式4.14中所述，并且该等式复制如上。此外，与参考书中的类似，相干矩阵被归一化为具有等于阵列中麦克风数量的迹线。
扩散噪声相干矩阵格式的推导不同于参考书章节中的推导，因为考虑了麦克风之间的失配。下面列出的等式4(对应于该参考书第2章第20页的等式2.2)给出了N麦克风阵列系统的新信号模型：
其中，υi(ω)是在麦克风处的空间噪声(参考书第20页的图2.1)。麦克风之间的失配被建模为在每个麦克风处接收的信号的频率相关调制，并且适用于周围场的信号和噪声分量两者。失配可能是复数，这意味着它可能具有相位分量，指定失配可能导致信号延迟。然而，对于本发明的波束形成器设计，该值是实数，这意味着仅施加增益而不施加延迟。利用等式4中的模型，在球形各向同性场的假设下(参考书，第66页第4.3节)，我们推导出等式2中修改的扩散噪声相干矩阵。使用该结果，我们可以计算一组新的波束形成系数，其反映了扩散噪声相干矩阵的校正：
麦克风灵敏度失配参数(γ)可以基于麦克风阵列中使用的特定麦克风、麦克风对之间的间距以及生产中校准阵列之后可接受的可变性来估计。麦克风的环境漂移可以被测量；这可以适用于麦克风阵列中使用的特定麦克风，或者更一般地适用于麦克风的类型或麦克风制造商。失配数据端点可以用于运行模拟，模拟可以用于优化输出，以在阵列增益和麦克风失配和漂移保护之间获得可接受的折衷。所得的麦克风灵敏度失配参数(γ)估计在约0.1dB和约0.3dB之间，并且可能高达约1dB。
图2和图3示出了使用如上所述修改的MVDR波束形成器系数的结果。图2是增益与频率关系的曲线图，比较了现有技术麦克风波束形成器(MVDR)增益(曲线40)和使用示例性麦克风阵列的本发明的改进的MVDR麦克风阵列波束形成器(曲线42)。图3是白噪声增益与频率关系的曲线图，比较了同一现有技术MVDR波束形成器的阵列白噪声增益(曲线44)与用于计算图2的曲线42的数据的改进的MVDR麦克风阵列波束形成器的阵列白噪声增益(曲线46)。为了计算所修改的MVDR波束形成器系数，麦克风失配参数γ1被设置为0dB，并且γ2被设置为0.225dB。应注意，如图3所示的WNG的负值表示白噪声的不希望的放大。
图2和图3证明，在从约250Hz(这大约是语音处理中关注的最低频率，因为在该频率以下几乎没有能量)到约400-500Hz的频率下，与现有技术的MVDR波束形成器相比，当使用本发明的改进的MVDR麦克风阵列波束形成器时，白噪声增益降低了约4dB。对于本发明的改进的MVDR波束形成器，白噪声增益在从约500Hz到约1.2kHz的范围内的频率下继续减小。与现有技术的MVDR波束形成器相比，改进的MVDR波束形成器的阵列增益降低，但仅在较低频率下。改进的MVDR波束形成器在约2,000Hz和更高的频率下几乎没有增益降低，其中白噪声在约20dB的较低水平。图3中的点，其中原始WNG和降低的WNG匹配可以通过选择麦克风失配参数来控制。
本发明的改进的波束形成器技术可以应用于多于两个麦克风的阵列，如本领域技术人员从上述等式中显而易见的。
图4和图5分别是阵列增益和WNG的曲线图，与图2和图3的曲线图相似，比较了本发明的波束形成的示例与现有技术。图4的曲线70绘出了使用约束WNG计算的现有技术MVDR波束形成器的阵列增益，如通过引用并入本文的书第2章第28页的等式2.33中所述，其中添加的标量值(μ)被设置为0.8e-5(或约-100dB)。曲线72等同于图2的曲线42，其中使用0.225dB的失配计算了本发明的改进的MVDR波束形成器权重。阵列增益在从100Hz到7kHz的几乎整个频率范围内显著增加。图5绘出了WNG，其中曲线80代表图4的曲线70的相同现有技术波束形成器，而曲线82代表图4的曲线72的相同改进波束形成器。在这里所示的情况中，阵列可以从WNG降低中受益，应注意，文献推荐的卸载方法(曲线70和80)在阵列增益和WNG中产生了大的偏差，即使当使用约0.8e-5的非常小的μ时也是如此。另一方面，采用本发明的波束形成系统和方法提供了更可控的调谐参数或失配(这里，建立为0.225dB)，这允许音频设备设计者更好地调谐/控制WNG和SNR之间的折衷。
确定本公开的修改的波束形成器系数的另一种方法是建立期望的最大白噪声增益，然后使用上述等式确定麦克风灵敏度失配参数。
本发明的系统以及系统中使用的波束形成器可以应用于许多波束形成方法，包括自适应和非自适应波束形成方法。另外，它可以应用于近场和远场波束形成器两者。此外，本文所述的波束形成器修改方法可以用于超定向波束形成器，诸如线性约束最小方差(LCMV)波束形成器和MVDR波束形成器，以及其他基于相干的波束形成器。
图6是耳麦50的示意图，耳麦50包括本发明的系统和本发明的麦克风阵列波束形成器。在一个示例中，耳塞52和54通过电线53和55从控制和功率模块56被馈送音频信号。有源元件58包括波束形成的麦克风阵列。有源元件58可以用于经由麦克风阵列拾取用户的声音，并且还可包括用户界面元件，以控制诸如音量控制和无线连接的音频源(诸如智能手机(未示出))的功能之间的切换的方面，耳麦50与音频源可操作地、无线地连接，使得用户可以例如拨打或接听电话或听音乐。虽然图6示出了耳塞52和54经由电线连接到控制和功率模块的示例，但是在一些示例中，耳塞52和54可以是完全无线的，两者间没有系绳。
本发明的系统和波束形成器可以用在具有两个或更多个麦克风的阵列的其他类型的音频设备中，这些麦克风可以用来检测用户的声音。例如，其他类型的耳机形状因素，诸如带有耳朵上或耳朵周围的耳罩(其中麦克风阵列的麦克风通常在耳罩上)的耳机，或者带有在领口上的麦克风的耳机，可以采用本发明的改进的波束形成器。另外，改进的波束形成器可以与便携式扬声器、智能扬声器和家庭影院系统一起使用，以列举可以包括麦克风阵列并且可以使用本发明的改进的波束形成器的硬件平台的几个非限制性示例。
附图的元件在框图中示出并描述为离散元件。这些元件可以实现为模拟电路或数字电路中的一者或多者。作为另外一种选择或除此之外，它们可用执行软件指令的一个或多个微处理器来实现。软件指令可包括数字信号处理指令。操作可以由模拟电路或由执行软件的微处理器执行，该软件执行等效模拟操作。信号线可被实现为离散的模拟或数字信号线，具有能够处理单独信号的适当信号处理的离散数字信号线，和/或无线通信系统的元件。
当在框图中表示或暗示过程时，步骤可以由一个元件或多个元件执行。步骤可一起执行或在不同时间执行。执行活动的元件可在物理上彼此相同或靠近，或者可在物理上分开。一个元件可执行不止一个框的动作。音频信号可被编码或不编码，并且可以以数字或模拟形式发射。在一些情况下，从图中省略了常规音频信号处理设备和操作。
上述系统和方法的实施方案包括对于本领域技术人员来将显而易见的计算机部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，软盘、硬盘、光盘、闪存ROM、非易失性ROM和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。为了便于说明，上述系统和方法并不是每一个步骤或元件在本文中都被描述为计算机系统的一部分，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部件。因此，通过描述其对应的步骤或元件(即，它们的功能)来实现此类计算机系统和/或软件部件在本公开的范围内。
已描述了多个实施方式。然而，应当理解，在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下，可进行附加修改，并且因此，其他实施方案在以下权利要求书的范围内。
Claims (22)
1.一种系统，包括：
麦克风阵列，所述麦克风阵列包括位于不同位置的多个麦克风，其中所述麦克风输出麦克风信号；和
波束形成器，所述波束形成器被施加到所述麦克风输出信号，并且被配置为控制施加到所述麦克风输出信号的增益，其中所述增益是频率相关的，并且与两个或更多个所述麦克风之间的灵敏度失配相关。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述麦克风是耳机的一部分。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述耳机包括入耳式耳麦，并且其中，所述麦克风被构造和布置成检测所述耳麦外部的声场。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束形成器被配置为在较低的输入频率下比在较高的输入频率下更大地降低施加到所述麦克风输出信号的增益。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述增益有助于麦克风白噪声增益，并且其中，所降低的增益导致白噪声增益的降低。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述白噪声增益降低在输入频率的范围内至少为约4dB。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述输入频率的范围为高达约300Hz。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束形成器是超定向的。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束形成器由多个频域系数来表征。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述频域系数基于扩散噪声场的相干函数和非扩散噪声场的功率谱密度矩阵中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述相干函数基于所述阵列的所述麦克风的麦克风灵敏度失配参数。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述麦克风灵敏度失配参数在大约0.1dB和大约0.3dB之间。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束形成器是近场波束形成器或远场波束形成器。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束形成器是最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述麦克风灵敏度失配在大约0.1dB和大约0.3dB之间。
16.一种系统，包括：
麦克风阵列，所述麦克风阵列包括位于不同位置的多个麦克风，其中所述麦克风输出麦克风信号；和
波束形成器，所述波束形成器被施加到所述麦克风输出信号，并且被配置为在较低的输入频率下比在较高的输入频率下更大地降低施加到所述麦克风输出信号的增益，其中，所述增益有助于阵列白噪声增益，并且其中，所降低的增益导致白噪声增益的降低。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述麦克风是耳机的一部分。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述波束形成器是超定向的。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述波束形成器由多个频域系数来表征。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述频域系数基于扩散噪声场的相干函数和非扩散噪声场的功率谱密度矩阵中的至少一个。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述相干函数基于所述阵列的所述麦克风的麦克风灵敏度失配参数。
22.根据权利要求16所述的系统，其中，所述波束形成器是最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器。
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