CN110620973B - 利用空间源分离的通信设备，通信系统和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通信系统、通信设备和相关方法，所述通信设备包括处理器、源接口以及输出接口，所述源接口包括用于第一外部源的第一源接口，其中所述处理器被配置为通过第一源接口获得(例如接收)第一输入信号，获得第一补充信号，将第一输入信号和第一补充信号组合为第一组合信号，将第一滤波函数应用于第一组合信号以提供第一左输出信号和第一右输出信号，第一滤波函数包括一个或多个头部相关传输函数，并通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号和右输出信号基于第一右输出信号。

Description

利用空间源分离的通信设备，通信系统和相关方法
技术领域
本发明涉及通信设备，包括通信设备的通信系统以及包括操作通信设备的方法的相关方法。特别地，本发明涉及利用空间源分离和/或空间源定位的通信设备
背景技术
当通过多话者(multi-talker)通信系统进行电子通信时，来自不同源或信道的音频信号被电子地混合在一起形成通过头戴受话器(headphone)呈现的单个信号。当使用这样的系统与一组人通信时，收听者不能利用由人的不同空间位置产生的双耳线索，并且必须依赖诸如语音或内容的线索。
可能希望收听者能够在通过多话者通信系统进行通信时区分不同的源。
发明内容
因此，需要允许用户在不同音频信号源之间进行分离的通信设备、通信系统和方法。
公开了一种通信设备，该通信设备包括处理器、源接口以及输出接口，该源接口包括用于第一外部源的第一源接口，其中，所述处理器被配置为通过第一源接口获得(例如接收)第一输入信号；获得第一补充信号；将第一输入信号和第一补充信号组合成第一组合信号；将第一滤波函数应用于第一组合信号以提供第一左输出信号和第一右输出信号，第一滤波函数包括一个或多个头部相关传递函数；并且通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号和/或右输出信号基于第一右输出信号。
还公开了一种通信系统，包括如本文所述的通信设备，该通信系统包括左扬声器和右扬声器，用于连接到通信设备的输出接口。
此外，公开了一种操作通信设备的方法，该通信设备包括处理器，源接口和输出接口，该方法包括经由源接口从第一外部源获得第一输入信号；获取，例如提供或产生第一补充信号；将第一输入信号和第一补充信号组合成第一组合信号；将第一滤波函数应用于第一组合信号以提供第一左输出信号和第一右输出信号，第一滤波函数包括一个或多个头部相关传递函数；并且通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号，右输出信号基于第一右输出信号。
本发明允许用户通过将不同音频信号与补充信号组合并添加双耳线索来分离不同音频信号源，其中补充信号允许添加更详细的双耳线索。
本发明的一个重要优点是输入信号的方向性得到改善，例如，反过来在多源通信设备中提供更有效的源空间分离。
附图说明
通过以下参考附图对示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见，其中：
图1是示出无线电信道上的语音的典型功率谱的图，
图2是示出对应于不同方向的HRTF(头部相关传递函数)的四个典型增益谱的图，
图3是示出根据本发明的示例性补充信号的功率谱的图，
图4是头部和以头部为中心的球坐标系的图示，
图5示意性地示出了根据本发明的示例性通信系统，
图6是根据本发明的示例性方法的流程图，以及
图7是通信设备的示例性处理器的框图。
附图标记说明
2 通信系统
4 通信设备
6 左接收器
8 右接收器
9 左耳机
10 左连接
11 右耳机
12 右连接
14 处理器
16 输出接口
18 存储器
20 源接口
21 第一源接口
22 第一外部源
24 第一输入信号
24a 处理后的第一输入信号
25 第一补充信号
26 第一组合信号
27 信号生成模块
28 第一左输出信号
30 第一右输出信号
32 混频器模块
34 存储器
36 左输出信号
37 右输出信号
41 第二源接口
42 第三源接口
43 第四源接口
44 第二输入信号
44a 处理后的第二输入信号
45 第二补充信号
46 第二组合信号
48 第二左输出信号
49 第二右输出信号
50 输入整形模块
50a 第一输入过滤器
50b 第二输入滤波器
53 第一噪声发生器
54 第一音调发生器
55 多路复用器
56 次级信号整形模块
56a 次级第一滤波器
56b 次级第二滤波器
58 第一加法器
59 第二加法器
60 对应于前-下-左的HRTF
62 对应于前-下-右的HRTF
64 对应于前-上-左的HRTF
66 对应于前-上-左的HRTF
70 第一滤波函数
72 第二滤波函数
100 操作通信设备的方法
102 从第一外部源获得第一输入信号
104 获得第一补充信号
104a 生成噪声信号
140b 滤波噪声信号
106 将第一输入信号和第一补充信号组合成第一组合信号
106a 将第一输入信号和第一补充信号相加
108 将第一滤波函数应用于第一组合信号
108a 将第一左头部相关传递函数应用于第一组合信号以提供第一左输出信号
108b 将第一右头部相关传递函数应用于第一组合信号以提供第一左输出信号
110 通过输出接口输出左输出信号和右输出信号
具体实施方式
在下文中，如相关，将参考附图描述各种示例性实施方式和细节。应当注意，附图可以按比例或不按比例绘制，并且在所有附图中相似结构或功能的元件由相同的附图标记表示。还应注意，附图仅旨在便于实施方式的描述。它们不是对本发明的详尽描述或对本发明范围的限制。另外，所示实施方式不需要具有所示的所有方面或优点。结合特定实施方式描述的方面或优点不必限于该实施方式，并且即使没有如此示出，或者如果没有如此明确地描述，也可以在任何其他实施方式中实践。
本文描述的本发明涉及一种通信设备，包括：处理器，被配置为将来自诸如无线电的外部源的输入信号与补充信号组合，并且应用包括头部相关传递函数的滤波函数，用于提供左和右输出信号。滤波函数用于向输入信号添加方向信息，使其看起来来自特定方向。无线电和类似设备上的信号通常受带宽限制，并且无线电信道上的人类语音通常在阈值频率处被切断，例如，大约3-4千赫。头部相关传递函数和类似的滤波函数通常在高于这种阈值频率的频率处包含重要信息(衰减谷(attenuation dips)或峰形式的方向线索)。如果将滤波函数应用于上述受限带宽信号，则该信息将丢失。这是有问题的，因为输入信号可能看起来不是来自任何特定方向，或者因为不同的信号可能看起来来自相似的方向。通过将输入信号与补充信号组合，可以扩展有效带宽，使得将滤波函数应用于组合信号将使信息的丢失减少或不丢失。
当在本发明中提及信号或音频信号时，通常意味着用听觉内容编码的电信号或电磁信号。当在本发明中提及功率谱时，通常意味着信号的听觉内容的时间平均功率谱。语音功率谱的幅度随时间变化很大，它覆盖的频率范围和形状通常变化较小。在本发明中，感兴趣的是整个范围和形状。
处理器被配置为将第一滤波函数应用于第一组合信号，以提供第一左输出信号和/或第一右输出信号。将第一滤波函数应用于第一组合信号可以包括将第一左滤波器(filter)应用于第一组合信号以提供第一左输出信号。第一左滤波器可以是第一左头部相关传递函数(HRTF_1_L)。将第一滤波函数应用于第一组合信号可以包括将第一右滤波器应用于第一组合信号以提供第一右输出信号。第一右滤波器可以是第一右头部相关传递函数(HRTF_1_R)。因此，本通信设备能够有效地控制第一输入信号所源自的感知方向。
在通信设备中，源接口可以包括用于第二外部源的第二源接口，例如第二无线电(radio)或到第二无线电信道的连接(connection)。处理器可以被配置为经由第二源接口获得或接收第二输入信号；获得第二补充信号；将第二输入信号和第二补充信号组合成第二组合信号；将第二滤波函数应用于第二组合信号，以提供第二左输出信号和/或第二右输出信号；第二滤波函数可选地包括一个或多个头部相关传递函数，其中左输出信号基于第二左输出信号和/或右输出信号基于第二右输出信号。因此，左输出信号可以基于第一左输出信号和第二左输出信号两者。左输出信号可以是来自滤波函数的左输出信号的和或加权和。因此，右输出信号可以基于第一右输出信号和第二右输出信号两者。右输出信号可以是来自滤波函数的右输出信号的和或加权和。
将第二滤波函数应用于第一组合信号可以包括将第二左滤波器应用于第二组合信号以提供第二左输出信号。第二左滤波器可以是第二左头部相关传递函数(HRTF_2_L)。将第二滤波函数应用于第一组合信号可以包括将第二右滤波器应用于第二组合信号以提供第二右输出信号。第二次级滤波器可以是第二右头部相关传递函数(HRTF_2_R)。因此，本通信设备提供有效和改进的分离第一输入信号和第二输入信号。
当获得或接收第一输入信号时，左输出信号和右输出信号基于第一左输出信号和第一右输出信号，并且当获得/接收第二输入信号时，左输出信号和右输出信号基于第二左输出信号和第二右输出信号。当并行获得/接收第一输入信号和第二输入信号时，左输出信号和右输出信号可以基于第一左和右输出信号以及第二左和右输出信号两者。在一个或多个示例性通信设备中，处理器可选地被配置为使左和右输出信号基于第一和第二输入信号中所选择的一个，例如先前开始或具有最高优先级的输入信号。
第一滤波函数和第二滤波函数可以是不同的，例如，使得，第一和第二输入信号将看起来或被感知为源自不同的空间位置或方向。因此，第一左滤波器和第二左滤波器可以是不同的，并且第一右滤波器和第二右滤波器可以是不同的，相关的HRTF也是如此。换句话说，第一滤波函数可以与第二滤波函数不同，使得第一输入信号被感知为来自第一方向并且第二输入信号被感知为来自不同于第一方向的第二方向。第一左滤波器可以与第二左滤波器不同。第一个右滤波器可以与第二个右滤波器不同。
可以基于单声道线索，即仅使用一只耳朵，定位源，其中这种定位通常限于上/下和前/后，而左/右位置信息通常丢失。将第一滤波函数应用于第一组合信号可以包括仅应用一个头部相关传递函数以提供相同的第一左和右输出。在这种情况下，第一源看起来起源于前/后-上/下-平面中的位置(对应于图1中的
Figure BDA0002096874530000071
)。如果用户意外地切换左和右扬声器或仅使用一个扬声器，这可能是有利的。将第二滤波函数应用于第二组合信号可以包括仅应用一个头部相关传递函数以提供相同的第二左和右输出信号。在这种情况下，第二源看起来起源于前/后-上/下-平面中的位置(对应于图1中的/>
Figure BDA0002096874530000072
)。如果用户意外地切换左和右扬声器或仅使用一个扬声器，这可能是有利的。
通信设备可以包括存储器，用于存储各种滤波函数和滤波器，以便在应用这些滤波函数和滤波器时由处理器检索。
在一个或多个示例性通信系统中，处理器被配置为接收/获得N个输入信号，其中N是整数，例如，在2到25的范围内，例如2,3,4,5,6,7,8,16,20；获得N个补充信号；并且将N个输入信号和N个补充信号组合成N个组合信号。处理器可以被配置为将相应的滤波函数应用于N个组合信号中的每一个，以提供N个左输出信号和N个右输出信号，每个滤波函数包括一个或多个头部相关传输函数；并且通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于N个左输出信号，例如为其总和，和/或右输出信号基于N个右输出信号，例如为其总和。左输出信号可以是N个左输出信号的和，N个左输出信号分别基于N个输入信号。右输出信号可以是N个右输出信号的和，N个右输出信号分别基于N个输入信号。
通信设备的处理器可以包括输入信号整形模块，其被配置为衰减第一输入信号的大于第一低通频率的频率。例如，输入信号整形模块可以包括第一输入滤波器，用于预处理或以其他方式整形第一输入信号。这用于切断包含很少信息或没有信息或具有波动功率的第一输入信号的部分。第一输入信号的这些部分优选地被第一补充信号去除和补偿，第一补充信号在该范围内可具有足够且可预测的功率。第一低通频率可以在3kHz至-4kHz的范围内。输入信号整形模块可以被配置为衰减第二输入信号的大于第二低通频率的频率。例如，输入信号整形模块可以包括第二输入滤波器，用于预处理或以其他方式整形第二输入信号。这用于切断包含很少信息或没有信息或具有波动功率的第二输入信号的部分。第二输入信号的这些部分优选地被第二补充信号去除和补偿，该第二补充信号在该范围内可以具有足够且可预测的功率。第二低通频率可以在3kHz至-4kHz的范围内。
通信设备，诸如处理器，可以包括信号生成模块，用于生成一个或多个噪声信号和/或由不同音调(tone)组成的信号。来自信号发生器的信号可以被处理器直接用作补充信号，或者它们可以由处理器整形或以其他方式处理以形成补充信号。第一补充信号可以与第二补充信号相同或不同。对不同输入信号和/或不同滤波函数使用不同的补充信号，使得进一步改善用户所感知的输入信号的方向性和/或降低滤波函数的复杂性。信号生成模块可以集成在处理器中或者在通信设备中形成单独的单元。
通信设备的处理器可以包括次级信号整形模块，其被配置为处理来自信号生成模块的信号以形成补充信号。次级信号整形模块可以被配置为衰减来自信号生成模块的一个或多个信号的小于第一高通频率的频率。例如，次级信号整形模块可以包括次级第一滤波器，用于整形，如高通滤波，来自信号生成模块的第一噪声信号，以提供第一补充信号。次级第一滤波器可以是具有第一高通频率的高通滤波器。第一高通频率可以大于1kHz，例如在2kHz至-5kHz的范围内。在一个或多个示例性通信设备中，第一高通频率在3-4kHz的范围内。例如，次级信号整形模块可以包括次级第二滤波器，用于整形，如高通滤波，来自信号生成模块的第二噪声信号，以提供第二补充信号。次级第二滤波器可以是具有第二高通频率的高通滤波器。第二高通频率可以大于1kHz，例如在2kHz至-5kHz的范围内。在一个或多个示例性通信设备中，第二高通频率在3-4kHz的范围内。
这可以用于对补充信号进行整形以匹配相应的(整形的)输入信号具有很小功率或没有功率的位置。补充信号和相应输入信号的功率谱可以重叠，或者在它们之间可以存在无功率或功率低的范围。优选地，补充信号的功率谱与(可选地整形的)输入信号的功率谱匹配，使得相应的组合信号在输入信号和补充信号之间的过渡区域中不会具有大的峰值或谷值。
公开了一种通信系统，该通信系统包括如本文所述的通信设备以及用于连接到通信设备的输出接口的左接收器和右接收器。诸如左接收器和/或右接收器的接收器基于输出信号形成或提供音频信号。用于接收器的输出信号可以是一个或多个输出信号的组合，例如第一左或右输出信号和第二左或右输出信号的组合或之和。左接收器和右接收器优选地是头戴式受话器(headphone)，优选地是耳机(earpiece)或入耳式头戴式受话器(in-earheadphone)。
本发明涉及一种操作通信设备的方法。在该方法中，将第一滤波函数应用于第一组合信号可以包括将第一左滤波器应用于第一组合信号以提供第一左输出信号。第一左滤波器可以是第一左头部相关传递函数(HRTF_1_L)。第一滤波函数应用于第一组合信号可以包括将第一右滤波器应用于第一组合信号以提供第一右输出信号。第一右滤波器可以是第一右头部相关传递函数(HRTF_1_R)。
操作通信设备的方法可以包括：通过源接口从第二外部源获得第二输入信号；获取，例如提供或产生第二补充信号；将第二输入信号和第二补充信号组合成第二组合信号；将第二滤波函数应用于第二组合信号以提供第二左输出信号和/或第二右输出信号；第二滤波函数可选地包括一个或多个头部相关传递函数，并且其中左输出信号基于第二左输出信号和/或右输出信号基于第二右输出信号。因此，左输出信号可以基于第一左输出信号和第二左输出信号两者。左输出信号可以是来自滤波函数的左输出信号的和或加权和。因此，右输出信号可以基于第一右输出信号和第二右输出信号两者。右输出信号可以是来自滤波函数的右输出信号的和或加权和。
第二滤波函数应用于第二组合信号可以包括将第二左滤波器应用于第二组合信号以提供第二左输出信号。第二左滤波器可以是第二左头部相关传递函数(HRTF_2_L)。第二滤波函数应用于第二组合信号可以包括将第二右滤波器应用于第二组合信号以提供第二右输出信号。第二右滤波器可以是第二右头部相关传递函数(HRTF_2_R)。
操作通信设备的方法可以包括处理第一输入信号以衰减大于第一低通频率的频率。
获得补充信号，例如第一补充信号和/或第二补充信号，可以包括生成一个或多个噪声信号和/或由不同音调组成的信号。例如，提供第一补充信号可以包括生成噪声信号或由不同音调组成的信号。获得第一补充信号可以包括：处理(例如滤波)产生的信号，例如衰减小于第一高通频率的频率。第一高通频率可以大于1kHz，例如在2kHz至-5kHz的范围内。在一个或多个示例性通信设备中，第一高通频率在3-4kHz的范围内。
获得第二补充信号可以包括：处理(例如滤波)产生的信号，例如衰减小于第二高通频率的频率。第二高通频率可以大于1kHz，例如在2kHz至-5kHz的范围内。在一个或多个示例性通信设备中，第二高通频率在3-4kHz的范围内。以在第一补充信号和第二补充信号两者处使用公共补充信号。
获得第一补充信号可以包括提供第一补充信号，该第一补充信号具有作为频率的函数的信号功率分布(distribution，广义函数)，其中第一百分比的信号功率位于第一阈值频率之上。第一百分比可以是至少70％，优选80％或优选90％。第一阈值频率可以在3-4kHz的范围内。这用于确保第一补充信号在与第一输入信号可能重叠的范围内具有很小的功率或没有功率。获得第二补充信号可以包括提供第二补充信号，该第二补充信号具有作为频率的函数的信号功率分布，其中第二百分比的信号功率位于第二阈值频率之上。第二百分比可以是至少70％，优选80％或优选90％。第二阈值频率可以在3-4kHz的范围内。这用于确保第二补充信号在与第二输入信号可能重叠的范围内具有很小的功率或没有功率。
操作通信设备的方法，其中第一补充信号具有作为频率的函数的信号功率分布，并且第一滤波函数具有作为频率的函数的衰减分布，并且其中，对于在高通频率和上阈值频率之间的范围内的频率，第一补充信号的功率分布与第一滤波函数的衰减分布重叠。本领域的技术人员知道，只有当要滤波的信号在被滤波函数衰减的频率上具有功率时，滤波函数才能产生效果。如果第一输入信号和第一补充信号均在第一滤波函数具有明显峰或谷的频率范围内都基本上没有功率，则该峰或谷中的信息将不会传递到第一左和右输出信号。第一高通频率和上阈值频率之间的范围，优选地是从第一输入信号具有很少功率或没有功率的频率到人不能再听到输出信号的频率之间的范围，在该范围第一滤波函数不再保持空间信息线索，或者组合信号带宽限制了信号。第一高通频率优选地在2kHz至5kHz的范围内，并且上阈值频率优选地在10-15kHz的范围内，或甚至更高。上阈值频率可以由奈奎斯特频率(Nyquist frequency)给出，即采样频率的一半。
因此，第一补充信号可以具有作为频率的函数的信号功率的分布，并且第一滤波函数具有作为频率的函数的增益分布。对于第一高通频率和上阈值频率之间的范围内的频率，第一补充信号的功率分布可以与第一滤波函数的增益分布重叠。
该方法或其至少部分可以由如本文所公开的通信设备或通信系统来执行。
图1和图3是示出本发明的输入信号和补充信号的各个示例的曲线图。图2是示出示例性头部相关传递函数的增益谱的图。
第一和第二输入信号是用听觉内容编码的信号，通常是语音。时间平均的语音谱(例如一分钟以上谈话)通常覆盖100Hz-5kHz的范围，其中对应于元音的较低(<1kHz)频段具有大部分能量，对应于辅音的较高频段(1-5kHz)具有较少能量。此外，可以产生高达15kHz的高次谐波。
为单声频传输信道分配的带宽(例如在无线电(radio)上)通常是有限的，以便切断3.5kHz以上的频率。这是为了节省带宽，并且因为不需要高次谐波来理解语音内容和区分语音。图1是说明无线电信道上语音的典型功率谱的图，即示例性第一和/或第二输入信号的功率谱。可以看出，功率谱在约3kHz处开始下降。
头部相关传递函数(HRTF)，也称为解剖传递函数(anatomical transferfunction)，示出了人耳如何从空间中的给定点接收声音。当声音碰到收听者时，包括头部、耳朵、耳道的大小和形状，头部密度，鼻腔和口腔的大小和形状等几个因素会使声音变换并影响声音的感知方式，导致传递函数为具有正和负增益两者的频率的增益谱。HRTF是针对特定人的，因此对应于源自相同方向的声音的HRTF对于不同的人将是不同的。仍然，对应于源自方向A的声音的广义的或平均的HRTF，在应用于声学信号时，将导致不同的收听者听起来声音来自总体相同的方向。而且，对应于源自两个不同方向的声音的两个HRTF，在应用于声学信号时将导致不同的收听者听起来声音来自两个不同方向。
图2是示出对应于两个不同方向的左/右耳HRTF的典型增益谱的图。方向可以从图4中得出。从而：
-曲线60是对应于源自后-下-左方向的声音的左耳HRTF
-曲线62是对应于源自后-下-左方向的声音的右耳HRTF
-曲线64是对应于源自后-下-右方向的声音的左耳HRTF
-曲线66是对应于源自后-下-右方向的声音的右耳HRTF。
可以看出，HRTF基本上在3-4kHz以上范围内包含信息。在>3kHz范围内的信息包括与源的垂直位置有关的信息，并且源于耳垂的大小，形状和垂直不对称性。当基于HRTF函数的滤波器被应用于如图5所示的第一或第二输入信号时，由于该信号在此范围内没有功率，因此丢失了3-4kHz以上的信息——换句话说，没有可以对此信息进行编码的信号。因此，将不同的基于HRTF的滤波器应用于不同的声频传输信道(以及带宽限制相似的信道)，只将明显的来源方向置于不同的水平(方位角)方向上，与垂直指向性(仰角或高度)有关的大多数信息将丢失。这是一个缺点，因为用于进一步区分不同信道的有价值信息丢失了。
根据本发明的通信设备、系统和相关方法提供要与第一输入信号组合的第一补充信号，并且允许将不能编码到第一输入信号上的滤波函数的信息编码到组合信号上。图3是示出根据本发明的示例性第一补充信号的功率谱的图。这里，补充信号的功率在图1中输入信号功率下降的范围(3-4kHz)内上升。因此，得到的组合信号将在80Hz-10kHz的范围内具有足够的功率，从而可以在其上编码图2的HRTF中的所有信息。这是有利的，因为这将允许组合信号在水平(方位角)和垂直(仰角或高度)方向上均具有明显的来源方向。
图4示出了以头部为中心的水平或球坐标系，在本发明中用于指定(明显的或可感知的)声音的来源方向。
图5示出了示例性通信系统。通信系统2包括通信设备4和左接收器6和右接收器8。左接收器6可以是包括左连接10的左耳机9的一部分，右接收器8可以是包括右连接12的右耳机11的一部分。连接10和12可以是有线连接或无线连接，例如蓝牙连接。
通信设备4包括处理器14，例如中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP)、输出接口16、存储器18和源接口20，该源接口20包括第一源接口21，例如插座或无线接收器，用于第一外部源22，例如无线电，步话机，电话或能够提供具有听觉内容的信号的其他源。
处理器14被配置为经由第一源接口21从第一外部源22获得或接收第一输入信号24，获得第一补充信号并将它们组合成第一组合信号。此外，处理器14被配置为将包括一个或多个头部相关传递函数的第一滤波函数应用于第一组合信号，以提供第一左输出信号和第一右输出信号。处理器14通过输出接口16输出左输出信号36和右输出信号37。第一滤波函数和一个或多个头部相关传递函数可以由也包括在通信设备4中的存储器34存储，并且处理器14可以配置成在需要时从存储器34检索这些函数。存储器34可以集成在处理器14中。
在通信设备2中，左输出信号36基于第一左输出信号，右输出信号37基于第一右输出信号。然后，左和右输出信号36、37分别通过左和右连接10、12传输到左和右接收器6、8。左接收器6基于左输出信号36形成用于用户左耳的左音频信号38，右接收器8形成用于用户右耳的右音频信号39。
此外，处理器14可选地配置为经由第二源接口41从第二外部源(未示出)获得或接收第二输入信号44，获得第二补充信号，并组合第二输入信号44和第二补充信号形成第二组合信号，将第二滤波函数应用于第二组合信号以提供第二左输出信号和第二右输出信号，并且使左输出信号36基于第二左输出信号，并使右输出信号37基于第二右输出信号。
通信设备可以包括第三源接口42，以及用于接收来自其他外部设备的输入的其他源接口，并且处理器4可以被配置为处理类似于如本文所述的第一和第二输入信号的这些信号。
在一个或多个示例性通信设备中，第一外部源22，例如无线电、步话机、电话或另一个源，可以连接到第一源接口21和第二源41两者，以提供第一输入信号24和第二输入信号44。
图6是操作包括处理器、源接口和输出接口的通信设备的示例性方法的流程图。方法100包括：通过源接口从诸如无线电的第一外部源获得102第一输入信号，例如语音信号；获得104第一补充信号，将第一输入信号和第一补码信号组合106到第一组合信号，将第一滤波函数应用108到第一组合信号，以提供第一左输出信号和第一右输出信号，经由输出接口输出110左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号，右输出信号基于第一右输出信号。
获得104第一补充信号可以包括：合成、处理和/或整形用于第一补充信号的信号，以具有作为频率的函数的信号功率分布，其中第一百分比的信号功率位于第一阈值频率之上。阈值频率优选地在第一输入信号的功率下降的频率范围内，并且第一百分比优选地为至少70，例如至少80％或至少90％。具有这样的功率分配是有利的，因为补充信号因此在输入信号包含信息的范围内具有很小的功率，这意味着它在该频率范围内基本上不会干扰或增加噪声。示例性补充信号可以参见图3。
在方法100中，获得104第一补充信号可以包括：生成104a噪声信号(例如，用信号生成模块)，并且对噪声信号进行滤波或以其他方式整形104b(例如，用第一滤波器)，以提供第一补充信号。滤波104b噪声信号可以包括对噪声信号进行高通滤波。因此，获得104第一补充信号可以使用信号生成模块来生成，选择和/或混合一个或多个噪声信号和/或由不同音调组成的信号，如图1所描述的。另外，获得第一补充信号可以包括整形、滤波或以其他方式处理来自信号生成模块的信号，以获得具有本文所述特征的第一补充信号。
在方法100中，将第一输入信号和第一补充信号组合106成第一组合信号可选地包括：加上106a(可选的，加权相加)，第一输入信号和第一补充信号，以形成第一组合信号。
在方法100中，将第一滤波函数应用108到第一组合信号包括：将第一左滤波器应用于108a第一组合信号以提供第一左输出信号，其中第一左滤波器是第一左头部相关传递函数；将第一右滤波器应用于108b第一组合信号以提供第一右输出信号，其中第一右滤波器是第一右头部相关传递函数。
还如图2和图3所描述的，至少对于第一高通频率(其中第一输入信号功率下降)和上阈值频率(例如组合信号的带宽上限)之间的范围内的频率，第一补充信号的功率分布优选地与第一滤波函数的增益分布重叠。术语“重叠”旨在描述第一补充信号在第一滤波函数增益具有显著峰或谷的频带处具有足够的功率，使得已经编码了这些峰和谷的组合信号的频带具有足以由人耳听到和解释方向线索的功率。
图7是示例性通信设备的所选元件的示意性框图。在第一和第二源接口21、41处获得/接收第一和第二输入信号24、44。通信设备的处理器14可以包括输入整形模块50，用于对相应的输入信号24、44进行滤波，整形或以其他方式处理，以提供经处理的第一和第二输入信号24a、44a。输入整形模块50包括具有第一低通频率的第一输入滤波器50a，其配置为应用低通滤波器以严格定义的频率切断输入信号的上尾，以减少与第一补充信号的重叠。第一低通频率可以在3kHz至-4kHz的范围内。输入整形模块50可选地包括具有第二低通频率的第二输入滤波器50b，并且被配置为应用低通滤波器以严格定义的频率切断输入信号的上尾以减少与第二补充信号的重叠。第二低通频率可以在3kHz至-4kHz的范围内。
处理器14可以包括信号生成模块27，用以生成用于获得或提供补充信号的信号。信号生成模块27可以包括至少第一噪声发生器53和/或至少第一音调发生器54，以及多路复用器55，其可以选择和组合所产生的信号以用作补充信号的基础。信号生成模块27可以被配置为生成诸如白噪声、粉红噪声或合成信号的噪声信号，合成信号包括多个音调并且具有期望的功率与频率谱(power vs.frequency spectrum)。因此，信号生成模块27可以包括若干信号发生器和/或合成器以及输入多路复用器和/或混频器。
通信设备的处理器14可以包括次级信号整形模块56，其包括次级第一滤波器56a和/或次级第二滤波器56b，用于对来自信号生成模块27的信号进行滤波，整形或以其他方式处理，以提供第一补充信号25和可选地提供第二补充信号45。次级第一滤波器56a和次级第二滤波器56b可以具有相应的第一和第二高通频率，并且每个都被配置为应用高通滤波器，以严格定义的频率切断来自信号生成模块27的信号的下部以减少与输入信号的重叠。每个补充信号25、45可以以这样的功率谱提供，该功率谱提供与各个滤波函数的良好重叠，这些滤波函数包括将被应用于相应的组合信号的特定HRTF。不同的HRTF可以在补充信号的范围内具有显著的峰和谷，并且由于要应用于给定的组合信号的HRTF是已知的，因此可以相应地设计相应的补充信号。
处理器14被配置为在第一加法器58中将第一处理输入信号24a(或者如果没有输入信号整形则为第一输入信号24)与第一补充信号25组合以提供第一组合信号26。可以考虑另外将第一处理输入信号24a(或如果没有输入信号整形则为第一输入信号24)和第一补充信号25混合。类似地，处理器14可以在第二加法器59中将第二处理输入信号44a(或者如果没有输入信号整形，则为第二输入信号44)与第二补充信号45组合以提供第二组合信号46。可以考虑另外将经处理的第二输入信号44a(或如果没有输入信号整形，则为第二输入信号44)和第二补充信号45混合。处理器14被配置为将第一滤波函数70应用于第一组合信号26，其中第一滤波函数70包括第一左头部相关传递函数HRTF_1_L和/或第一右头部相关传递函数HRTF_1_R，以分别提供第一左输出信号28和第一右输出信号30。处理器14可选地配置为将第二滤波函数72应用于第二组合信号46，其中第二滤波函数72包括第二左头部相关传递函数HRTF_2_L和/或第二右头部相关传递函数HRTF_2_R，以分别提供第二左输出信号48和第二右输出信号49。
第一左输出信号28和第二左输出信号48在混频器模块32中被组合，例如，相加和/或以其他方式混合，以形成左输出信号36。第一右输出信号30和第二右输出信号49在混频器模块中被组合，例如，相加和/或以其他方式混合，以形成右输出信号37。左和右输出信号36、37由相应的左和右接收器6和8接收，以形成相应的左和右音频信号38、39。
由于通过应用具有不同方向线索的滤波函数来提供第一左/右输出信号28、30和第二左/右输出信号48、49，所以第一和第二输入信号24、44的听觉内容将看起来对于听到左和右音频信号38、39的用户而言来自不同的方向。
以上描述参考第一输入信号24和可选的第二输入信号44描述了图7的示意性框图。通信设备可以被配置为并行处理更多数量的输入信号，例如4个输入信号，6个输入信号或8个输入信号，所有输入信号被补充和处理以具有不同的明显的来源方向，以便用户使用方向线索在空间上分离输入信号。因此，通信设备可以包括与第一和第二源接口21和41类似的更多数量的源接口，如图7中的点和另外的框所示。以相同的方式，通信设备可以包括类似于输入滤波器50a、50b的其他输入滤波器，类似于第一噪声发生器53的其他噪声发生器，类似于第一音调发生器54的其他音调发生器，类似于次级滤波器56a、56b的其他次级滤波器，和/或类似于加法器58、59的其他加法器。还应理解，一个补充信号可以同时用作第一补充信号和第二补充信号。
术语“第一”，“第二”，“第三”和“第四”，“一级”，“次级”，“三级”等的使用并不暗示任何特定顺序，而是包括用于标识各个元件。此外，使用术语“第一”，“第二”，“第三”和“第四”，“一级”，“次级”，“三级”等并不表示任何顺序或重要性，而是使用术语“第一”，“第二”，“第三”和“第四”，“一级”，“次级”，“三级”等用于将一个元件与另一个元件区分开。请注意，此处和其他地方使用“第一”，“第二”，“第三”和“第四”，“一级”，“次级”，“三级”等词语仅用于标注目的，并非用于表示任何特定的空间或时间顺序。此外，标示“第一”元件并不暗示存在“第二”元件，反之亦然。
尽管已经示出和描述了特征，但是应该理解，它们并不旨在限制所要求保护的发明，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对要求保护的发明进行各种改变和修改。相应地，说明书和图仅仅被视为描述性而非限制性。要求保护的发明旨在涵盖所有替代，修改和等同物。

Claims (22)

1.一种通信设备，包括：
处理器；
源接口，包括用于第一外部源的第一源接口；以及
输出接口；
其中所述处理器配置为：
通过第一源接口获得第一输入信号，所述第一输入信号包括语音信息；
获得第一补充信号；
将所述第一输入信号和所述第一补充信号组合以获得第一组合信号；
将第一滤波函数应用于所述第一组合信号，以提供第一左输出信号和第一右输出信号；
通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号，并且其中右输出信号基于第一右输出信号，
其中所述左输出信号和右输出信号包含用于包括所述语音信息的所述第一输入信号的方向线索；
其中包括语音信息的第一输入信号与包含在由处理器输出的左输出信号和右输出信号中的方向线索相比没有方向线索或方向线索更少。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其中，将第一滤波函数应用于所述第一组合信号包括：
将第一左滤波器应用于第一组合信号以提供第一左输出信号，其中第一左滤波器包括第一左头部相关传递函数；和
将第一右滤波器应用于第一组合信号以提供第一右输出信号，其中第一右滤波器包括第一右头部相关传递函数。
3.根据权利要求1所述的通信设备，其中，所述处理器包括输入信号整形模块，所述输入信号整形模块被配置为衰减所述第一输入信号的大于第一低通频率的频率。
4.根据权利要求1所述的通信设备，所述通信设备包括信号生成器，用于生成一个或多个噪声信号和/或具有音调的信号。
5.根据权利要求4所述的通信设备，其中所述处理器包括信号整形模块，所述信号整形模块被配置为衰减小于第一高通频率的来自所述信号生成器的所述一个或多个噪声信号和/或具有音调的信号的频率。
6.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述第一滤波函数包括一个或多个头部相关传递函数。
7.一种通信系统，包括根据权利要求1所述的通信设备，所述通信设备包括耦合到所述通信设备的输出接口的左扬声器和右扬声器。
8.根据权利要求7所述的通信系统，其中，所述处理器被配置为将所述左输出信号输出到左扬声器，并将所述右输出信号输出到右扬声器。
9.一种通信设备，包括：
处理器；
源接口，包括用于第一外部源的第一源接口；以及
输出接口；
其中处理器配置为：
通过第一源接口获得第一输入信号，所述第一输入信号包括语音信息；
获得第一补充信号；
将所述第一输入信号和所述第一补充信号组合以获得第一组合信号；
将第一滤波函数应用于所述第一组合信号，以提供第一左输出信号和第一右输出信号；
通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号，其中右输出信号基于第一右输出信号，
其中，所述源接口包括用于第二外部源的第二源接口；
其中处理器配置为：
通过第二源接口获得第二输入信号；
获得第二补充信号；
将第二输入信号和第二补充信号组合成第二组合信号；
将第二滤波函数应用于第二组合信号，以提供第二左输出信号和第二右输出信号；和
其中左输出信号基于第二左输出信号，其中右输出信号基于第二右输出信号。
10.根据权利要求9所述的通信设备，其中，所述处理器配置为：通过以下方式将第二滤波函数应用于所述第二组合信号：
将左滤波器应用于第二组合信号以提供第二左输出信号，其中左滤波器包括第二左头部相关传递函数；以及
将右滤波器应用于第二组合信号以提供右输出信号，其中第二次级滤波器包括第二右头部相关传递函数。
11.根据权利要求9所述的通信设备，其中所述处理器被配置为通过以下方式将所述第一滤波函数应用于所述第一组合信号：
(1)将第一左滤波器应用于所述第一组合信号以提供所述第一左输出信号，以及
(2)将第一右滤波器应用于第一组合信号以提供第一右输出信号，其中第一右滤波器包括第一右头部相关传递函数；以及
其中所述处理器被配置为：通过以下方式将所述第二滤波函数应用于所述第二组合信号：
(1)将第二左滤波器应用于所二组合信号以提供所述第二左输出信号，以及
(2)将第二右滤波器应用于第二组合信号以提供第二右输出信号，其中第二右过滤器包括第二右头部相关传递函数。
12.一种用于操作通信设备的方法，通信设备包括处理器、源接口和输出接口，所述方法包括：
通过源接口从第一外部源获得第一输入信号，所述第一输入信号包括语音信息；
获得第一补充信号；
将第一输入信号和第一补充信号组合成第一组合信号；
将第一滤波函数应用于第一组合信号，以提供第一左输出信号和第一右输出信号；和
通过输出接口输出左输出信号和右输出信号，其中左输出信号基于第一左输出信号，并且其中右输出信号基于第一右输出信号，其中所述左输出和右输出包含用于包括所述语音信息的所述第一输入信号的方向线索；
其中包括语音信息的第一输入信号与包含在由处理器输出的左输出和右输出中的方向线索相比没有方向线索或方向线索更少。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将第一滤波函数应用于所述第一组合信号包括：
将第一左滤波器应用于第一组合信号以提供第一左输出信号，其中第一左滤波器包括第一左头部相关传递函数；和
将第一右滤波器应用于第一组合信号以提供第一右输出信号，其中第一右滤波器包括第一右头部相关传递函数。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括处理所述第一输入信号以衰减大于第一低通频率的频率。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一补充信号具有作为频率的函数的信号功率分布，其中第一百分比的所述信号功率位于第一阈值频率之上。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，获得所述第一补充信号的动作包括生成噪声信号和/或具有音调的信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述第一补充信号的动作包括处理所生成的噪声信号和/或具有音调的信号以衰减小于第一高通频率的频率。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一滤波函数包括一个或多个头部相关传递函数。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述左输出被输出到左扬声器，并且所述右输出被输出给右扬声器。
20.一种由通信设备执行的方法，所述通信设备包括处理器、源接口和输出接口，所述方法包括：
通过所述源接口从第一外部源获得第一输入信号；
获得第一补充信号；
将第一输入信号和第一补充信号组合以获得第一组合信号；
将第一滤波函数应用于所述第一组合信号以提供第一左输出信号和第一右输出信号；以及
通过所述输出接口输出左输出和右输出，其中所述左输出基于所述第一左输出信号，并且其中所述右输出基于第一右输出信号；
其中所述方法还包括：
通过所述源接口从第二外部源获得第二输入信号；
提供第二补充信号；
将第二输入信号和第二补充信号组合以获得第二组合信号；和
将第二滤波函数应用于所述第二组合信号以提供第二左输出信号和第二右输出信号；以及
其中所述左输出也基于所述第二左输出信号，并且所述右输出也基于第二右输出信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述第二滤波函数应用于所述第二组合信号的方式包括：
将左滤波器应用于第二组合信号以提供第二左输出信号，其中左滤波器包括与左头部相关的传递函数；以及
将右滤波器应用于第二组合信号以提供第二右输出信号，其中所述右滤波器包括右头部相关传递函数。
22.一种由通信设备执行的方法，所述通信设备包括处理器、源接口和输出接口，所述方法包括：
通过所述源接口从第一外部源获得第一输入信号；
获得第一补充信号；
将所述第一输入信号和所述第一补充信号以获得第一组合信号；
将第一滤波函数应用于所述第一组合信号以提供第一左输出信号和第一右输出信号；以及
通过所述输出接口输出左输出和右输出，其中所述左输出基于所述第一左输出信号，并且其中所述右输出基于第一右输出信号；
所述第一补充信号具有作为频率的函数的信号功率分布，所述第一滤波函数具有作为频率的函数的增益分布，并且其中，对于在第一高通频率和上阈值频率之间的范围内的频率，第一补充信号的功率分布与第一滤波函数的增益分布重叠。
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