CN1289508A - 产生自适应波束形成器校准信号 - Google Patents

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Abstract

校准波束形成器,以便在具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中用作回声消涂器。为了进行所述校准,与每一个微音器对应地设置多个自适应滤波器并训练每一个所述滤波器;使之模拟所述微音器中对应的一个感受到的所述环境的回声特性。激励目标信号源,使之产生由微音器接收的声信号。利用训练后的自适应滤波器产生人为干扰信号;例如通过使每一个滤波器具有伪噪声信号。然后把相应的各个人为干扰信号与由微音器提供的对应的信号组合;从而产生组合信号。然后利用所述组合信号使波束形成器适合于消除人为干扰信号。在本发明的另一方面,可以通过使自适应滤波器对每一个准备提供给校准后的波束形成器的信号进行回声消除操作而在正常操作中利用自适应滤波器。

Description

产生自适应波束形成器校准信号
本发明涉及自适应波束形成器，更具体地说，涉及为在回声消除器中使用自适应波束形成器而产生校准信号。
自适应波束形成器在诸如天线或声学等若干种学科中应用。波束形成器在这些不同的学科中的共同用途是形成某种类型的朝向目标的代表有用信号的空间波束。另一个共同的用途是在无用信号、这里称作“人为干扰”的方向上形成波束的对立物，亦即凹口。这两个功能并不是相互排斥的；波束形成器可以设计成同时既形成波束又形成凹口。
波束形成器一种特殊的用途是用外部的扬声器和微音器代替典型的电话手机内置的耳机和微音器的免提通信环境。传统的扬声器电话和免提移动电话都是实例。免提移动电话往往用于汽车环境，因为它使司机可以腾出双手，不是控制电话，而是控制汽车，故可改进司机的安全性。
免提电话的一个问题是扬声器发出的声音被微音器检拾，使得这种检拾的声音以回声的形式被所述连接的另一端的用户听见。这种回声至少是使人讨厌的，而且不断出现时，会扰乱到使正常对话无法进行的程度。因此，人们非常希望提供一种抑制这种回声的机制。
已知使用一种自适应波束形成器装置来抑制回声。一种联系汽车驾驶室环境描述的已知的技术使用多个微音器。其基本思路是使用波束形成器来消除从扬声器方向发出的声音，而同时加强来自人话音方向的声音。在波束形成器能够有效工作之前，必须校准，在先有技术中，这是分两步进行的。
现将参照图1,2和3描述先有技术的两步校准过程。在示范性的实施例中，第一和第二微音器101,103以及免提扬声器105安排在诸如汽车驾驶室的环境中。为了简单起见，这里只示出和讨论两个微音器。但是，这些技术很容易用来适应两个以上的微音器。由于它们在物理上彼此接近，所以，第一和第二微音器101,103检拾从扬声器105发出的声音107。因此，在这个应用中，扬声器105被视为人为干扰。首先参见图1，先有技术校准过程的第一步包括激励人为干扰(亦即免提扬声器105)来产生声音107。这种激励可以从伪噪声(PN)信号或语音信号导出。这些声音107被第一和第二微音器101,103中的每一个检拾，它们分别产生被采样并且被存储在相应的人为干扰存储器109,111中的信号。因此，这两种存储的信号代表分别由第一和第二微音器101和103接收的无用的干扰信号。
现参见图2，其中示出先有技术校准过程第二步中用的硬件。第一微音器101被连接成将其信号提供给第一加法器113的第一输入端。第一人为干扰存储器109将其输出信号提供给第一加法器113的第二输入端，第一加法器113的合成输出信号提供给波束形成器117的一个输入端。类似地，第二微音器103被连接成将其信号提供给第二加法器115的第一输入端。第二人为干扰存储器111将其输出信号提供给第二加法器115的第二输入端，第二加法器115的合成输出信号提供给波束形成器117的第二输入端。
在先有技术校准过程的第二步中，扬声器105保持寂静。代之以激励目标声源114(例如，诸如汽车司机等正在谈话的人)(例如这个人开始谈话)。这使得可以把“纯净的”语音信号提供给加法器119的求反(negating)输入端。来自第一和第二人为干扰存储器109和111的存储的人为干扰信号与来自第一和第二微音器101,103的相应的信号组合，然后，这些组合的信号被提供给波束形成器117。在这一步骤中，波束形成器117适合于把波束形成器117的输出信号和有用信号(亦即来自微音器101的信号)之间的差减至最小。其结果是，使目标信号与人为干扰信号的比值达到最大(亦即，使人为干扰信号达到最小，而同时使目标信号达到最大)。本质上说，在人为干扰的方向上形成空间凹口，而在目标的方向上形成空间声束。应该指出，图2中的配置描绘了来自第一微音器101的信号被输送到加法器119的求反输入端。但是，这可能代之以是第二微音器103的信号。这要根据哪一个微音器离目标声源114最近来选择。
完成这两个校准步骤之后，就可以使用图3中所示的装置了。
以上描述的先有技术的配置有几个问题。一个是与以下事实有关的实现问题：为了使自适应装置有足够的统计信息来描述人为干扰位置的空间特性，人为干扰存储器109,111必须相当大。所需的采样长度一般大约每一个微音器1秒，这相当于每一个微音器几千字节的昂贵的RAM(随机存取存储器)存储器。这之所以是个重要问题，原因之一是人为干扰存储器109,111仅仅用于校准过程。这意味着必须安装在回声消除器正常使用过程中永远不会使用的昂贵硬件。
先有技术配置的另一个问题与纪录过程中对干扰的敏感性有关。更具体地说，先有技术的解决方案有赖于在人为干扰纪录阶段中人为干扰107是唯一的声源这一假定。但若存在其他干扰声和背景噪声，则自适应装置试图消除这些干扰声，其结果是，若这种干扰是扩散的噪声场，则适配结果很差。若在人为干扰纪录过程中激励目标信号(亦即，如果目标人物在不该说话时说话了)，则该自适应装置甚至会完全失败。在这种情况下，目标被部分地作为人为干扰部分地作为目标处理，结果是性能退化。
因此，本发明的一个目的是提供一种校准波束形成器用的不需要大的存储器资源的设备和方法。
本发明的另一个目的是提供一种免提通信环境中的改进的回声消除。
利用用于具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中的回声消除器的波束形成器的校准方法和设备来实现上述和其他目的。按照本发明的一个方面，波束形成器的校准是通过设置与每一个微音器对应的多个自适应滤波器，训练每一个滤波器，使之模拟对应的一个微音器感受到的免提通信环境的回声特性。激励目标信号源，从而产生由该微音器接收的声信号。然后让训练后的自适应滤波器工作，以产生人为干扰信号。为此目的可以向自适应滤波器的输入端提供伪噪声信号。于是各个人为干扰信号与微音器提供的各对应的信号组合，从而产生组合信号。然后该组合信号用于使波束形成器适合于消除人为干扰信号。
在本发明的另一个方面，训练每一个自适应滤波器、使之模拟对应的一个微音器感受到的免提通信环境的回声特性的步骤包括向扬声器提供伪噪声信号，从而使扬声器产生声信号并且利用每一个微音器来产生微音器信号。还把所述伪噪声信号提供给每一个自适应滤波器，它们由此产生回声估计信号。把每一个回声估计信号与对应的一个微音器信号组合，以此产生多个组合信号。然后使每一个自适应滤波器适应于使对应的组合信号达到最小。为此可以使用最小均方算法。
在本发明的另一个方面，在刚校准的波束形成器的正常操作中进一步利用用于校准波束形成器的自适应滤波器。具体地说，具有一个可以通过与每一个微音器对应地提供多个自适应滤波器、并训练每一个自适应滤波器使它模拟对应的一个微音器感受到的免提通信环境的回声特性，来消除具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中产生的回声。还设置一个已经校准过的波束形成器，作为免提通信环境中的回声消除器。在一个有利的实施例中，按照上述技术校准波束形成器。
在正常操作过程中，每一个自适应滤波器用来产生对应的一个微音器感受到的回声信号的估计值。每一个估计的回声信号与对应的一个微音器信号组合，从而产生多个具有减小了的回声信号分量的组合信号。然后，用波束形成器从多个组合信号产生一个其中的回声分量更进一步减小了的输出信号。
结合附图阅读以下的详细描述，将会明白本发明的目的和优点，附图中：
图1,2和3描绘用于校准波束形成器、然后利用该波束形成器作为免提通信环境中的回声消除器的先有技术配置；
图4和5描绘按照本发明一个方面的波束形成器校准用的配置；以及
图6描绘按照本发明的一个方面、利用自适应滤波器组合波束形成器消除回声的配置。
现将参照附图描述本发明的各种特征，附图中类似的部件用相同的标号标记。
按照本发明的一个方面，通过用自适应有限脉冲响应(FIR)滤波器代替人为干扰存储器，来消除使用大的人为干扰存储器的必要性。进行第一校准步骤用的一个这样的配置示于图4中。准备用在免提通信环境中的扬声器401连接成能够从伪噪声信号发生器403接收信号。把第一和第二微音器405,407安排在免提通信环境中，使之能够接收由目标(例如，将要使用该通信设备的人)产生的声音。但是，正如在背景部分解释的那样，这些微音器405,407也能够接收从扬声器401产生的无用的人为干扰406。还应指出，仅仅示出两个微音器405，407只是为了简化以下的讨论。本专业的技术人员不难意识到，这里描述的本发明的原理，很容易推广而覆盖具有两个以上微音器的实施例。
来自第一和第二微音器405,407中每一个的输出信号被输送到相应的第一和第二加法器409,411的第一输入端。
按照本发明的一个方面，自适应FIR滤波器是与每一个微音器对应地设置的。在示范性的实施例中，与第一和第二微音器405,407对应地设置第一和第二FIR滤波器413,415。第一和第二FIR滤波器中的每一个都接收来自PN发生器的信号403。来自第一FIR滤波器413的输出信号提供给第一加法器409的求反输入端，使得第一加法器409的输出信号代表第一微音器信号减去来自第一FIR滤波器413的信号。类似地，来自第二FIR滤波器415的输出信号提供给第二加法器411的求反输入端，使得第二加法器411的输出信号代表第二微音器信号减去来自第二FIR滤波器415的信号。
在这第一校准步骤中，人为干扰406是由提供给扬声器401的PN信号产生的。在这时间过程中，第一和第二FIR滤波器413,415中的每一个被训练(被适配)，以便将来自相应的第一和第二加法器409,411的输出信号中的能量最小化。用来进行这种训练的技术是众所周知的，例如，回声抵消技术(例如，使用最小均方算法(LMS))，故在此不再描述。
作为这种训练的结果，第一和第二FIR滤波器413,415的脉冲响应设置非常类似于免提通信环境中实际回声路径的脉冲响应。因而，这两个FIR滤波器413,415可以用来产生分别模拟微音器405,407中每一个的实际回声的信号。
图5示出第二校准步骤用的示范性的配置。第二校准步骤的目的是使波束形成器417自适应，使之能够产生必要的凹槽和声束，以便在免提通信设备的正常使用中减小回声。在这个第二步骤中，第一微音器405将其输出信号提供给第一加法器419的第一输入端，而第一FIR滤波器413(在图5中表示为“固定的”FIR滤波器，因为在这第二步骤中它不再进行自适应)将其输出信号提供给第一加法器419的第二输入端。第一加法器419的输出信号代表这两个输入信号之和，并且被提供给波束形成器417的一个输入端。
类似地，第二微音器407将其输出信号提供给第二加法器421的第一输入端，而第二FIR滤波器415将其输出信号提供给第二加法器421的第二输入端。第二加法器421的输出信号代表它的两个输入信号之和，并且被提供给波束形成器417的第二输入端。
为了完成第二校准步骤用的配置，第一微音器405的输出信号还被提供给第三加法器423的求反输入端。第三加法器423的第二输入端接收波束形成器417的输出信号。
在第二校准步骤过程中，扬声器401保持静寂，而第一和第二FIR波束形成器413,415用来产生人为干扰信号。激励目标源425(例如，正在讲话的人，诸如汽车司机)(例如这人开始谈话)。这使得可以把“纯净的”语音信号提供给第三加法器423。第一和第二FIR滤波器413,415产生的人为干扰信号与来自第一和第二微音器405,407的相应的信号组合，这些组合信号被提供给波束形成器417。在这步骤中，随后利用先有技术使波束形成器417自适应，以便使目标对人为干扰之比达到最大。
然后，在这样自适应之后，波束形成器417在正常操作中可以用于图5所示的配置中。波束形成器417对干扰的敏感性可以有效消除，因为FIR滤波器413,415的自适应方案(例如，LMS自适应方案)将忽略扬声器401产生的信号以外的任何信号(例如回声)。这意味着在第一校准步骤过程中，可以激励目标信号(亦即用户可以自由谈话)而不会使正常操作过程中的性能退化。对面向用户的应用而言，这是重要的收获。
另外，把这样大量的存储器容量专门用于校准目的的问题也大大减轻了，因为第一和第二FIR滤波器413,415中的每一个的长度一般是200个16位的字。因而，本发明配置的存储器需要量一般为2个滤波器×200字/滤波器×2字节/字=800字节，相比之下，先有技术要用32千字节。
按照本发明的另一方面，利用图6中描绘的“正常操作”配置可以获得额外的好处。这里，除了由刚自适应的波束形成器417进行的回声消除操作以外，还使用第一和第二FIR滤波器413,415作为正常的回声消除器，它们在微音器信号提供给波束形成器417之前对这些信号进行处理。就是说，第一和第二FIR滤波器413,415中的每一个都从远端用户接收信号427(它亦提供给扬声器401)，并由此产生对回声信号的估计。然后从由第一和第二微音器405,407中相应的一个提供的相应的微音器信号中减去来自第一和第二FIR滤波器413,415中每一个的回声的估计值。然后把已经在相当大的程度上消除了回声的合成信号被提供给波束形成器417，以便更进一步消除回声。这样，第一和第二FIR滤波器413,415继续在免提通信设备的正常操作中用于这个目的。
在本发明的这个方面，第一和第二FIR滤波器413,415可以是固定的(亦即，利用在第一校准步骤过程中产生的设置)，或者可以使它们进一步自适应，以适应免提新环境的条件变化(例如，汽车司机可能关上一个窗户，从而改变到达微音器405,407的回声性质)。应当指出，在免提通信设备的正常操作过程中滤波器的任何进一步自适应都不影响波束形成器417的操作或设置，它仍在上述校准过程中产生的设置的条件下继续起作用。
已经参照特定的实施例描述了本发明。但是，本专业的技术人员不难理解，可以用不同于上述最佳实施例的特定方式实施本发明。可以在不脱离本发明精神的情况下做到这一点。
例如，上述示范性的实施例在波束形成器的自适应和回声消除过程中利用FIR滤波器。但是，可以代之以利用能够模拟回声通路的任何类型的滤波器，诸如无限脉冲响应(IIR)滤波器和格型滤波器。
因此，最佳实施例只是说明性的，而绝不应看作是限制性的。本发明的范围由后附的权利要求书而不是前面的描述给出，属于权利要求书范围内的所有变化和等同物均拟包括于其中。

Claims (18)

1．一种校准用在具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中的波束形成器的方法，它包括以下步骤：
设置与每一个微音器对应的多个自适应滤波器；
训练每一个所述滤波器，使之模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性；
激励目标信号源，使之产生由所述微音器接收的声信号；
利用所述训练后的自适应滤波器产生人为干扰信号；
把相应的各个人为干扰信号与由所述微音器提供的对应的信号组合，从而产生组合信号；以及
利用所述组合信号使所述波束形成器适合于消除人为干扰信号。
2．权利要求1的方法，其特征在于所述利用训练后的自适应滤波器来产生人为干扰信号的步骤包括以下步骤：
向每一个所述自适应滤波器提供伪噪声信号；以及
利用所述训练后的自适应滤波器对伪噪声信号进行滤波，从而产生人为干扰信号。
3．权利要求1的方法，其特征在于所述训练每一个所述自适应滤波器，使之模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性的步骤包括以下步骤：
向所述扬声器提供伪噪声信号，从而使所述扬声器产生声信号；
利用每一个所述微音器产生微音器信号；
把所述伪噪声信号提供给每一个所述自适应滤波器；
利用所述训练后的自适应滤波器对伪噪声信号进行滤波，从而在每一个所述自适应滤波器的输出端产生回声估计信号；
把每一个所述回声估计信号与所述微音器信号中对应的一个组合，从而产生多个组合信号；
使每一个所述自适应滤波器自适应使得所述对应的组合信号达到最小。
4．权利要求3的方法，其特征在于：所述使每一个自适应滤波器自适合于使对应的组合信号达到最小的步骤包括利用最小均方算法使每一个所述自适应滤波器适合于使所述对应的组合信号达到最小的步骤。
5．一种消除在具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中产生的回声的方法，它包括以下步骤：
设置与每一个所述微音器对应的多个滤波器；
提供一个用作所述免提通信环境下的回声消除器而校准过的波束形成器；
利用每一个滤波器产生所述微音器中对应的一个感受到的回声信号的估计值；
把每一个所述估计的回声信号与对应的一个微音器信号组合，从而产生具有减小的回声分量的多个组合信号；以及
利用所述波束形成器从所述多个组合信号产生具有进一步减小的回声分量的输出信号。
6．权利要求5的方法，其特征在于：
所述滤波器中至少一个是自适应滤波器；以及
所述提供一个用作所述免提通信环境下的回声消除器而校准过的波束形成器的步骤包括以下步骤：
提供一个波束形成器，以及
按照包括以下步骤的校准程序校准所述波束形成器：
训练每一个所述自适应滤波器，使之模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性；
激励目标信号源，使之产生由所述微音器接收的声信号；
利用所述多个自适应滤波器产生人为干扰信号；
把相应的各个人为干扰信号与由所述微音器提供的对应的信号组合，从而产生组合信号；以及
利用所述组合信号使所述波束形成器适合于消除人为干扰信号
7．权利要求6的方法，其特征在于所述利用多个滤波器产生人为干扰信号的步骤包括以下步骤：
向每一个所述滤波器提供伪噪声信号；以及
利用所述多个滤波器对所述伪噪声信号进行滤波，从而产生人为干扰信号。
8．权利要求5的方法，其特征在于：
所述多个滤波器中至少一个是固定滤波器；
所述多个滤波器中的每一个模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性；以及
所述提供一个用作所述免提通信环境下的回声消除器而校准过的波束形成器的步骤包括以下步骤：
提供一个波束形成器，以及
按照包括以下步骤的校准程序校准所述波束形成器：
激励目标信号源，使之产生由所述微音器接收的声信号；
利用所述多个自适应滤波器产生人为干扰信号；
把相应的各个人为干扰信号与由所述微音器提供的对应的信号组合，从而产生组合信号；以及
利用所述组合信号使所述波束形成器适合于消除人为干扰信号。
9．权利要求8的方法，其特征在于所述利用多个滤波器产生人为干扰信号的步骤包括以下步骤：
向所述多个滤波器中的每一个提供伪噪声信号；以及
利用所述多个滤波器对所述伪噪声信号进行滤波，从而产生人为干扰信号。
10．一种用来校准用在具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中的波束形成器的设备，它包括：
与每一个所述微音器对应的多个自适应滤波器；
用来训练每一个所述自适应滤波器、使之模拟所述微音器对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性的装置；
用来向训练后的自适应滤波器提供第一信号、从而使每一个所述自适应滤波器产生人为干扰信号的装置；
用来把相应的各个人为干扰信号与由所述微音器提供的对应的信号组合，从而产生组合信号的装置；和
利用所述组合信号使所述波束形成器适合于消除人为干扰信号用的装置。
11．权利要求10的设备，其特征在于所述第一信号是伪噪声信号。
12．权利要求10的设备，其特征在于所述用来训练每一个所述自适应滤波器，使之模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性的装置包括：
用来向所述扬声器提供伪噪声信号、从而使所述扬声器产生声信号的装置；
用来把所述伪噪声信号提供给每一个所述自适应滤波器、从而使所述自适应滤波器产生回声估计信号的装置；
用来把每一个所述回声估计信号与所述微音器信号中对应的一个组合，从而产生多个组合信号的装置；和
用来使每一个所述自适应滤波器适合于使对应的所述组合信号达到最小的装置。
13．权利要求12的设备，其特征在于所述用来使每一个所述自适应滤波器适合于使对应的所述组合信号达到最小值的装置是按照最小均方算法工作的。
14．一种用来消除在具有一个扬声器和多个微音器的免提通信环境中产生的回声的设备，所述设备包括：
多个滤波器，它们与每一个所述微音器对应，其中每一个所述滤波器模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性；
一个用作所述免提通信环境下的回声消除器而校准过的波束形成器；
用来向所述每一个滤波器、也向所述扬声器提供信号、从而使每一个所述滤波器产生所述微音器中对应的一个感受到的回声信号的估计值的装置；
用来把每一个所述估计的回声信号与对应的所述微音器信号组合、从而产生具有减小的回声分量的多个组合信号的装置；和
用来向所述波束形成器提供所述多个组合信号、从而使所述波束形成器产生其回声分量进一步减小的输出信号的装置。
15．权利要求14的设备，其特征在于：
所述滤波器中至少一个是自适应滤波器；以及
所述设备还包括用来校准所述波束形成器的装置，所述校准装置包括：
用来训练每一个所述自适应滤波器、使之模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性的装置；
利用所述多个滤波器产生人为干扰信号用的装置；
用来把相应的各个人为干扰信号与由所述微音器提供的对应的信号组合，从而产生组合信号的装置；和
利用所述组合信号使所述波束形成器适合于消除人为干扰信号用的装置。
16．权利要求15的设备，其特征在于所述利用所述多个滤波器产生人为干扰信号的设备包括：
向每一个所述滤波器提供伪噪声信号用的装置；和
利用所述多个滤波器对所述伪噪声信号进行滤波、从而产生人为干扰信号用的装置。
17．权利要求14的设备，其特征在于：
所述滤波器中至少一个是固定滤波器；
所述多个滤波器中的每一个模拟所述微音器中对应的一个感受到的免提通信环境的回声特性；以及
所述设备还包括用来校准所述波束形成器的装置，所述校准装置包括：
利用所述多个滤波器产生人为干扰信号用的装置；
把相应的各个人为干扰信号与由所述微音器提供的对应的信号组合，从而产生组合信号用的装置；和
利用所述组合信号使所述波束形成器适合于消除所述人为干扰信号用的装置。
18．权利要求17的设备，其特征在于所述利用多个滤波器产生人为干扰信号用的装置包括：
向每一个所述滤波器提供伪噪声信号用的装置；和
利用所述多个滤波器对所述伪噪声信号进行滤波、从而产生人为干扰信号用的装置。
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