CN1426667A - 多麦克风系统的定向处理 - Google Patents

Abstract

本文描述的是多麦克风系统中定向处理的改进方法。一方面，这些方法可以控制多麦克风处理系统中定向功能的激活/抑制。另一方面，这些改进方法可以适应性地抑制多麦克风定向系统中的干扰噪音。对于那些在抑制定向噪音方面很重要的助听器应用来说，这些方法尤为实用。

Description

多麦克风系统的定向处理

                          发明背景

1.发明领域

本发明涉及多麦克风声音获得系统，特别是涉及多麦克风声音获得系统的定向处理。

2.相关技术领域描述

对于包括声音获得系统如麦克风或多麦克风组在内的大多数的通信设备来说，抑制干扰噪音依旧是一项很大的挑战。多麦克风组可以选择性地增强来自确定方向的声音，同时抑制另一个方向声音的干扰。

图1是双麦克风助听器中的典型的定向处理系统。两个麦克风获得声音，并转换成电子或数字信号。第二麦克风的输出信号延迟并从第一麦克风的输出信号中减去。这样，受到某一方向干扰的信号就被抑制了。换句话说，输出信号依赖于输入信号的来源方向。因此，系统就定向了。两个麦克风之间的物理距离和延迟是控制方向性特征的两个参数。在助听器应用中，物理距离受到助听器地物理维度限制。延迟可以用模拟-数字转换器或多用过滤器设定。

如图1所示典型的定向处理系统可以抑制来自特定方向的干扰，典型的定向处理还有一定的缺陷。缺陷之一是典型的定向处理系统的频率响应就像是高通过率的过滤器，对低频率组件的削弱高于高频率组件。这就是所谓的低频率滑离现象(low frequency roll-off phenomenon)。另一个缺陷是典型的定向处理系统的噪音基数比单麦克风高。这是因为每个麦克风都有一个噪音基数。典型的定向处理系统有不止一个麦克风，两个麦克风的噪音基数相加一定比单个麦克风的高。因为，在安静时段里最好关闭定向处理系统以避免这两个缺陷。

大多数现有的有定向处理功能的助听器都可以手动开启或关闭定向处理。最近，美国专利5,214,709提出了一种以麦克风响应水平为基础，很容易地开启或关闭定向处理功能的方法。而这它的一个问题是开启或关闭定向处理功能的基础并不是周围环境的吵闹或安静程度。因此，高清晰度水平的演讲可使定向处理功能自动开启，而这并非是我们所需要的。而且，由于这种开启是基于麦克风响应的伏特数，随着声音信号的起伏，定向处理功能会不断的开启或关闭，这样会影响到用户。

所以需要多麦克风处理系统中控制定向处理的改进方法。

如上所述，多麦克风组能够选择性的增强来自确定方向的声音，抑制另一个方向声音的干扰。方向选择模式可以是固定的，也可以是适应性的。由于适应性方向选择能够根据声音环境将信号一噪音比(SNR)最大化，它更加受到欢迎。然而，考虑到声音应用的频率范围相对较低，现有的适应技术只能有效地应用于物理体积较大的麦克风组。对于那些物理体积有限的应用，如助听器等，利用有限刺激响应(FIR)适应过滤技术的传统方法不再有效。因此，大多数有定向处理功能的助听器只有固定的定向模式，他们在一定的环境中可以有效提高信号一噪音比(SNR)，而在另外一些环境中就不很有效。

图9(a)-9(c)是定向处理系统中对应三个不同延迟值的极模型。“极模型”这个词经常被用来描述定向处理系统的特征。定向处理系统中两个麦克风的物理距离是固定的。当声音源是0度角，即位于两个麦克风的轴线上，而且在前面一个麦克风一端时，定向处理系统的输出是最大值。当声音源偏离0度时，输出随之减弱。定向处理系统输出最大值的方向叫做零方向。在理想状况下，零方向出现在多余噪音源的方向。零方向的位置与延迟值相关。如果噪音源在180度方向，延迟的值应该使极模式与180度零方向之间成心形线(见图9a)。如果噪音源在115度方向，延迟的值应该使极模式与115度零方向之间成超心形线(见图9b)。如果噪音源在90度方向，延迟的值应该使极模式与90度零方向之间成超心形线(见图9c)。在理想状况下，延迟的设置要使零出现在主要噪音源的方向，这样噪音能够被高度抑制。如果噪音源的方向已知，延迟的最适合值可以用以下公式算出：

延迟＝d/c*cos(180°-q)

其中d是两个麦克风之间的距离，c是声音传播速度，q是噪音源方向的角度。

常规噪音抑制方法的一个问题是经常无法知道被定向处理抑制的噪音源的方向。一般情况下，估测噪音源的方向是很难的，因为声音的频率相对较低。所以只能根据模糊估计的噪音源方向设置延迟，进行定向处理。实际上，现在市场上的大多数助听器都只是设置一个固定的延迟值，因此，在所有情况下，它们的定向处理极模式都是固定的。然而这种设备的噪音抑制效果通常都不是很好，因为噪音源很可能出现在固定延迟之外的其它方向。

因此，需要能够根据干扰噪音源适应性地调整零方向的定向处理改进方法。

                          发明概述

广义地说，本发明涉及适应性地抑制多麦克风定向处理系统中干扰噪音的改进方法。这些方法对于那些在抑制定向噪音方面很重要的助听器应用来说尤为实用。

根据本发明的一个方面，多麦克风处理系统中控制定向处理方法。这些方法可用于激活或者抑制多麦克风处理系统中的定向处理功能。因此，可以根据听力环境中干扰信息(如噪音)的程度自动激活或者抑制定向处理功能。

根据发明的另一方面，适应性地调整延迟以使零方向置于主要噪音源的方向的方法。这样可以在任何情况下产生信号-噪音比(SNR)的改善。换句话说，主要噪音源被减弱(如被抑制)，但没有减弱来自特定方向的我们需要的声音。

本发明可以有多种应用方式，包括方法、系统、装置、设备或计算机可读的媒介。下文将讨论本发明的几个实施例。

下文结合附图进行的详细说明将显而易见地体现本发明的其他方面和优势，同时，这些附图以示例的方式体现了本发明的原则。

                          附图简要说明

下文结合附图进行的详细说明将使本发明很容易被理解。其中相似的参考标号表示相似的结构电路。包括：

图1是双麦克风助听器中典型的定向处理系统；

图2是根据本发明的一实施例双麦克风定向处理系统的框图；

图3是根据本发明的一实施例最小值估测电路的框图；

图4是根据本发明的另一实施例最小值估测单元的框图；

图5是根据本发明的一实施例自动开/关控制单元的框图；

图6是根据本发明的一实施例自动开/关控制单元的示意图；

图7是说明图5中自动开/关控制单元的定向处理程序(由定向缩放比例表示)和信号输入水平之间关系的曲线图；

图8是说明图6中自动开关控制电路(600)的定向处理程序(由定向缩放比例表示)和信号输入水平之间关系的曲线图；

图9(a)-9(c)是定向处理系统中对应三个不同延迟值的极模型；

图10是根据本发明的一实施例双麦克风定向处理系统的框图；

图11是根据本发明的一实施例最优延迟确定单元的框图；

图12A是根据本发明的一实施例延迟产生器的框图；

图12B是根据本发明的一实施例适于象延迟增值计算线路一样使用的线路的结构图，是本发明的实施例之一；

图12C是根据本发明的另一实施例适于象延迟增值计算电路一样使用的电路的示意图；

图12D是根据本发明的又一实施例适于象延迟增值计算电路一样使用的电路的示意图；

图13是在双麦克风定向处理系统中调整零方向以获得最大信号-噪音比的替代方法；

图14说明了在无定向处理系统中，1kHz纯音在无噪音条件下的型谱；

图15说明了在固定模型(超心形)定向处理系统中，1kHz纯音在无噪音条件下的型谱；

图16说明了根据本发明的一实施例，在适应性定向处理系统中，1kHz纯音在无噪音条件下的型谱。

                          发明详细描述

本发明涉及一种用于多麦克风定向处理系统中适应性降低干扰噪音的改进方法。这些方法对于那些减低定向噪音比较重要的助听器类装置来说尤为重要。

根据本发明的第一个方面，该方法控制多麦克风处理系统中的定向处理。这些方法可用于激活或者抑制多麦克风处理系统中的定向处理功能。因此，我们就能根据听觉环境中干扰信息(如噪音)的程度自动激活或者抑制定向处理功能。

在一个实施例中，本发明测量多麦克风定向处理系统中一个或多个麦克风所采集的噪声级，当噪声级比较高的时候它就激活定向处理功能，而当噪声级比较低的时候它就抑制定向处理功能。另外，定向处理功能的激活与抑制状态之间的转换可以在没有用户干扰下平稳进行。

因此，本项发明可以使多麦克风定向处理系统在必要的时候进行自动定向处理。以下所论述的本发明的实施例特别是与助听器的使用相关。但是，本发明的应用绝不仅仅限于助听器，它同样能应用于其它声音采集系统。

下面我们将参考图2-8来讨论本发明第一方面的各种实施例。然而，本领域的技术人员将会发现根据这些图所作的具体描述超出这些限制性的

实施例。

图2是根据本发明的一实施例双麦克风定向处理系统200的框图。双麦克风定向处理系统200包括第一麦克风202和第二麦克风204。第一麦克风202产生第一电子声音信号，而第二麦克风204产生第二电子声音信号。延迟单元206会延迟第二电子声音信号。双麦克风定向处理系统200还包括一个第一最小值估测单元208和一个自动开关控制单元210。最小值估测单元208估测的是第一电子声音信号的最小值。通常，这些最小值是在一段时间恒定的持续期内进行估计的，从而使得测得的最小值是一个相对长期的最小值。自动开关控制单元210产生的是一个定向处理控制信号，这一信号将传给乘法单元212。接着乘法单元212通过自身将第二电子声音信号与定向处理控制信号相乘，结果产生一个处理过的第二电子声音信号。这一经处理的第二电子声音信号被处理的结果或者能够进行定向处理，或者不能进行定向处理。在一实施例中，如果要进行定向处理的话，那么乘法单元212就在第二电子声音信号上乘上“1”，如果不进行定向处理的话，那么乘法单元212就在第二电子声音信号上乘上“0”。接着减法单元214从第一电子声音信号中减去经处理过的第二电子声音信号，得到一个输出信号。此时，如果由第一麦克风202采集的噪声级足够高的话，那么输出信号已经得到双麦克风定向处理系统200的定向处理。这种定向处理可以抑制特定方向不想要的干扰。然而，如果由第一麦克风202采集的噪声级比较低，那么双麦克风定向处理系统200就不会对其进行定向处理。因此，当进行定向处理没有益处时，我们就能自动避免定向处理的缺点。

在本实施例中，我们进行了最小值估测和乘法运算。比如说，最小估测值就能通过最小值估测单元进行运算，这一点在下图3和4中将会详细讲解。应该注意的是，延迟单元206可以定位在双麦克风定向处理系统200中与第二电子声音信号(在减法单元214进行减法运算前)相关的信道里的任何地方。

最小值估测单元208所测量的最小级表示的是由第一麦克风所采集的噪音估测值。虽然双麦克风定向处理系统200使用的是由第一和第二麦克风202和204所产生的电子声音信号的最小估测值，但是其它的信号特征也可以用来测量噪音级。比如，我们可以使用由麦克风所产生的电子声音信号的均方根值(RMS)的平均值。通过这种方法，均方根值的平均值可以在一持续时间恒定的持续期内进行估计。我们可以把此持续期内的持续时间的平均值设为相对长期的值，以避免信号波动的影响。使用均方根值方法的恒定时间通常比使用最小值方法的恒定时间来得长。

图3表示的是根据本发明的一实施例最小值估测单元300的框图。比如说，最小值估测单元300就比较适于作为像在图2中所讨论的那种最小值估测单元使用。最小值估测单元300接收到一个输入信号(例如，电子声音信号)，然后按照最小值进行估算。输入信号被提供给一个可以确定输入信号绝对值的绝对值电路302。加法电路304把输入信号的绝对值与一补偿量306相加，从而得到一个补偿绝对值信号。增加一个补偿量(通常此数值为一个极小的正数，比如0.000000000001)是用来避免在多麦克风定向处理系统的继起电路中进行除法或者对数运算时，会产生信息溢出。然后由加法电路304而来的补偿绝对值信号就传给了减法电路308。减法电路308从补偿绝对值信号中减去先前的输出值310，得到一个差值信号312。差值信号312则传给乘法电路314。另外，差值信号312也传给转换电路316。转换电路316从传给乘法电路314的两个常数中选取其中的一个。我们用alphaB表示第一个常数，当差值信号312大于或者等于0时传给乘法单元314。我们用alphaA表示第二个常数，则当差值信号312小于或者等于0时传给乘法单元314。常数alphaA和alphaB通常都是很小的正数，且alphaA大于alphaB。在一实施例中，alphaA值为0.00005，alphaB为0.000005。乘法电路314把差值信号312和选中的常数相乘，得到一个校正值。校正值传给加法电路318。加法电路318把校正值加到先前的输出值310上，从而得到输入信号的最小估测值。抽样延时电路320则通过延迟系数(1/z)延迟最小估测值，以得到先前输出值310(此处1/z表示的是一种延迟运算)。

图4表示的是根据本发明的另一实施例，最小值估测单元400的框图。比如说，最小值估测单元400在设计上与图3所示的最小值估测单元300比较相似。然而，最小值估测单元400进一步还包括了一个线性-对数转换单元402，这一单元在把这一补偿绝对值信号传给减法电路308之前把它转换成一个对数绝对值信号。比如说，最小值估测单元400也适于作为如图2所讨论的最小值估测单元一样进行应用。或者也可以通过把对数转换为线性来得到最小估测值电路400的输出值。

alphaA和alphaB这两个常数是应用在最小值估测单元300和400当中来确定最小估测值是如何随着输入信号而发生变化的。因为常数alphaA大于常数alphaB，最小估测值所跟踪的是输入信号的最低水平(valley level)(或者说最小水平)。既然输入信号的最低水平通常是衡量声音中噪音水平的良好指标，由最小值估测单元300和400所产生的最小估测值就成了测量背景噪音水平的良好指标。

图5是根据本发明的一实施例，自动开关控制单元500的框图。比如说，自动开关控制单元500就适于作为如图2所解释的自动开关控制单元210使用。自动开关控制单元500包括减法电路502和504。减法电路502和504接收一输入信号。举例说，输入信号表示的是最小估测值，比如由图2所示中最小值估测单元208所产生的最小估测值。减法电路502也接收到一个二级设置值(a second level setting)(L2)，而减法电路504则接收到一级设置值(L1)。二级设置值(L2)要比一级设置值来的大。我们可以称二级设置值(L2)和一级设置值(L1)为起点量，级或者值。减法电路502从输入信号中减去二级设置值(L2)，以产生第一控制信号，此信号将传给开关单元506。减法电路504从输入信号中减去一级设置值(L1)，以产生第二控制信号，此信号将传给开关电路508。请注意自动开关控制单元500的输入信号与由一个或者多个麦克风所采集的噪音级相关。当第一控制信号表明输入信号(也就是噪音级)大于二级设置值(L2)时，开关电路506产生的是一个恒定的值“1”，此值作为自动开关控制单元500的输出值。或者是另一种情况，当开关电路508表明第二控制信号小于一级设置值(L1)时，开关电路508输出的值为“0”，此值经由开关电路506成为输出值。自动开关控制单元500的输出值与样本延时电路510结合在一起，后者按照样本的顺序使输出信号依次发生延迟。也就是说，样本延时电路510通过延迟系数(1/z)延迟输出值，以产生先前的输出值(或者被延迟的输出值)(此处1/z表示的是一种延迟运算)。先前的输出值作为另一个信号重新回馈到开关单元508。因此，当传给自动开关控制单元500的输入信号在一级设置值(L1)和二级设置值(L2)之间时，输入信号就保持其原先的状态。换句话说，由样本延时电路510产生的被延迟的输出值将重新通过开关电路508，接着再通过开关电路506成为输出值。

图6所示为根据本发明的一实施例，自动开/关控制单元600的示意图。比如说，自动开/关控制单元600也可以与图2中所解释的自动开关控制单元210一样使用。自动开/关控制单元600包括一个减法电路602。减法电路602会接收到一个传给自动开/关控制单元600的输入信号。输入信号表示的是由一麦克风采集的噪音级，比如象在图2中所示的麦克风202和204。减法电路还会接收到一个参考量(L)。我们可以称参考量(L)为一个阈值，级或者值。减法电路602将从输入信号中减去参考量(L)，以产生一个表明输入信号在多大程度上高过参考量(L)的值。然后这一差值信号将由缩放电路604进行比例缩放。举例来说，缩放电路可以把差值信号缩小20％(0.05)。由缩放电路604产生的被缩放的差值信号接着将通过一个限定电路606，使得最后的输出信号被限定在0与1之间。

图7是说明图5中自动开/关控制单元500的定向处理程序(由定向缩放比例表示)和信号输入水平之间关系的曲线图。图7表明定向处理“开”和“关”状态之间的转换是平滑的。实际上定向处理程序“开”和“关”状态之间的转换有延迟，这一延迟是用来防止其快速振动的。如果更具体的讲，一级设置值(L1)是用来确定何时该完全关闭定向处理程序的常数，而二级设置值(L2)则是确定何时该完全开启定向处理程序的常数。当输入信号(也就是说噪音级)低于一级设置值(L1)时，定向比例缩放值为0，也即定向处理程序关闭。当输入信号高于二级设置值(L2)时，定向比例缩放值为1，也即定向处理程序被开启。当输入信号处于一级设置值(L1)和二级设置值(L2)之间时，定向比例缩放保持不变。也就是说，假如定向处理程序如果先前处于“开启”状态，那么它就会保持在“开启”状态。如果先前处于“关闭”状态，那么它依旧会保持在“关闭”状态。二级设置值(L2)比一级设置值(L1)的设定值来得大这是必要的。这是因为噪音级在短时间内不会发生很大的变化，这样二级设置值(L2)比一级设置值(L1)大的话就能保证由“最小估测值”得出的噪音级的估测变动不会导致定向处理程序频繁开合。于是就能在这两种状态之间进行平滑的转换了。

图8是说明图6中自动开关控制单元600的定向处理程序(由定向缩放比例表示)和信号输入水平之间关系的曲线图。当输入水平低于参考量(L，阈值)时，定向处理程序就处于完全“关闭”状态。当输入水平超过阈值时，定向处理程序就会逐步启动，一直到输入值水平增加到定向处理系统完全处于“开启”的状态。更具体的讲，假如输入信号(也就是噪音级)低于阈值，那么定向缩放比例就为“0”，定向处理程序处于“关闭”状态。假如输入信号大于“阈值”，那么定向缩放比例就会随输入水平逐步增加。增加比例由比例缩放电路604的缩放比例确定。假如定向缩放比例为1，那么定向处理程序就处于完全“开启”状态。假如定向缩放比例小于1但是大于0，那么定向处理程序虽然开启，但不处于完全开启状态。因为定向处理程序是随着噪音级的增加逐步接入的，噪音估测值的微小变化不会引起定向处理程序性质的急剧变化，因此，我们可以感知到定向处理程序的开启和关闭状态之间的转换是平滑的。

本发明第一个方面的优点有许多。不同实施例或不同的应用方法可能会体现出以下这些优点。本项发明的其中一项优点是定向处理系统对抑制噪音是自动控制的。另一项优点是定向处理系统在不产生益处时，处于关闭状态。本发明还有一项优点在于定向处理系统对用户使用很平顺。

根据发明的第二个方面，适应性地调整延迟以使零方向置于主要噪音源的方法。在任何情况下，这样做都能最大程度地改善信号-噪音比(SNR)。换句话说，主要噪音源被减弱(如被抑制)，但没有减弱来自特定方向需要的声音。

因此，本项发明能促使多麦克风定向处理系统适应性地抑制噪音源。以下所描述的有关本发明的实施例主要与助听器的使用相关。但是，本发明的应用绝不仅仅限于助听器，它同样能应用于其它各种不同的声音采集系统。

下文将参考图10-16来讨论本发明第二个方面的各种实施例。然而，由于本发明的实施例远不止这些，所以本领域的技术人员将会发现此处根据这些图所作的具体描述超出限制性实施例。

图10表示的是本发明的一实施例双麦克风定向处理系统1000的框图。双麦克风定向处理系统1000包括第一麦克风1002和第二麦克风1004。第一麦克风1002产生第一电子声音信号，而第二麦克风1004产生第二电子声音信号。第一和第二电子声音信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。在实施例中，第一麦克风1002和第二麦克风1004之间的距离至少为3毫米。延迟单元1006通过某一延迟量使第二电子声音信号延迟。接着减法单元1008从第一电子声音信号中减去被延迟的第二电子声音信号，以产生一个输出信号。此时，双麦克风定向处理系统1000已经对输出信号进行了定向处理。这种定向处理的方法能够抑制那些来自某些方向的多余的声音干扰。

双麦克风定向处理系统1000还包括一个最优延迟确定单元1010。由分单元1008产生的输出信号将会传给最优延迟确定单元1010。最优延迟确定单元1010确定了延迟量(也就是说最优延迟量)，此量会由延迟单元1006促使第二电子声音信号产生，以便消除来自噪音源的与定向处理程序相关的零方向。延迟量，或者说相对应的控制信号将传给延迟单元1006(延迟效应就发生在这里)。因此，最优延迟确定单元1010将促使延迟单元1006的延迟量根据双麦克风定向处理系统1000的输出能量自动调节。换句话说，由延迟单元1006引起的延迟量会自动根据输出能量进行调整。

在干扰噪音存在的情况下，由麦克风1002和1004所采集的信号其总能量要大于干扰噪音不存在的情况。根据发明的一实施例，延迟单元1006的延迟量可以进行调整，以便使双麦克风定向处理系统1000的输出能量为最小。因为延迟量的变化并不改变系统对于所需声音(噪音程度为“0”)的反应，从而通过校正延迟量使输出量最小化也就最大程度的减低了噪音(这里假设我们所需要的声音噪音程度为“0”)。

双麦克风定向处理系统1000可以通过其它的处理功能进一步进行处理。举助听器为例，我们就是通过其它的助听功能(比如象放大和噪音抑制)来对定向处理程序的输出进一步进行处理的。

图11显示的是根据本发明的一实施例最优延迟确定单元1100的框图。举例来说，最优延迟确定单元1100适于象最优延迟确定单元1010一样使用。最优延迟确定单元1100包括一个能量估测器1102和一个延迟效应发生器1104。能量估测器1102接收到反馈信号1106。反馈信号1106是由定向处理系统所产生的输出信号。能量估测器1102接收到反馈信号1106，并产生一个能量信号1108。延迟效应发生器1104接收到能量信号1108产生一个基于能量信号1108的延迟信号1110(延迟量；控制信号)。更具体的讲，延迟效应发生器1104控制了由延迟单元1006导致的延迟量，使得其输出能量在统计学上最小，也就是说使信号-噪音比(SNR)达到最大。

能量估测器1102可以通过以下任何一种方法产生能量信号1108：(1)把输入信号值转换为正值；(2)对输入信号取平方；(3)计算输入信号的均方根值；或者(4)估测来自输入信号中的最小值。可以先对能量信号1108进行采样，然后再用它产生延迟信号1110。

延迟效应产生器1104产生的延迟信号1110是建立在能量信号1108之上的。在一实施例中，延迟信号1110是通过确定能量信号中的变化所得到的延迟量，同时依照其变化产生一个延迟增值信号，并把这一延迟增值信号与当前延迟量相加以产生一个二次延迟量。

图12A是根据本发明的一实施例延迟产生器1200的框图。举例来说，延迟产生器1200适于同图11中所解释的延迟器1104一样使用。延迟产生器1200包括一个减法电路1202。减法电路1202从能量估测器1102中接收到能量信号1108。样本延时电路1204在把延迟能量信号传给减法电路1202之前以某一指定的具体数量(举例来说1/z)对能量信号1108予以延迟。减法电路1202从被延迟的能量信号中减去能量信号1108，以产生一个能量变动信号。能量变动信号则传给延迟增值计算电路1206。

延迟增值计算电路1206计算的是建立在能量变动信号之上的当前延迟增值量。然后当前延迟增值量则传给加法电路1208。加法电路1208则把当前延迟增值量加到先前的延迟增量1209，以产生一个未被限制的最优延迟值。接着未被限制的最优延迟值则传给最大延时电路1210和最小延时电路1212。未被限制的最优延迟值在通过最大延时电路1210和最小延时电路1212之后，得到最优延迟值1216。最大延时电路1210限制了最优延迟值的上限值，而最小延时电路1212则限制了最优延迟值的下限值。虽然根据不同的应用，限制的值域变化很大，但在一实施例中，最大值为36，而最小值为0。最优延迟1216通过样本延迟单元1218得到反馈，后者则产生先前的延迟增量1209并传给加法电路1208。比如说，最优延迟1216就是图11中所示的延迟信号1110。

延迟增值计算电路1206的电路可以采取多种形式。图12A，12B和12C就是其中三种不同的计算或者确定当前延迟增值的方法。

图12B是根据本发明的一实施例电路1220的示意图，适于象延迟增值计算单元1206一样使用。电路1220计算的是来自能量变动信号的当前延迟增值。电路1220包括一个开关电路1222，一个取非电路1224和一个样本延时电路1226。能量变动信号传给开关电路1222的控制终端以控制其开关。开关电路1222则产生延迟增值信号。延迟增值信号也回馈到产生了先前延迟增值信号的样本延时电路1226中。先前的延迟增值信号会传给取非电路1214，并同时传给开关电路1222的第一开关终端。取非电路1224转化了先前的延迟增值信号，并把得到转化的先前的延迟增值信号传给开关电路1222的第二开关终端。

开关电路1222是根据能量差值信号进行控制的。当开关电路1222确定能量差值信号大于0时，那么由电路1220产生的延迟增值信号就相当于先前的延迟增值信号。或者，当开关电路1222确定能量差值信号小于0时，那么由电路1220产生的延迟增值信号则相当于经过转化的先前的延迟增值信号。因此，当能量差值信号大于0时，延迟增值信号就保持原来的状态。另一方面，当能量差值信号小于0时，延迟增值信号就对原先的值取非。比如，产生的能量差值信号和延迟增值信号都能以整数或者浮点数存储的多比特比如说16比特方式表示。

图12C是根据本发明的另一实施例电路1240的示意图，适于象延迟增值计算单元1206一样使用。电路1240计算的是来自能量变动信号的当前延迟增值值。电路1240包括一个乘法电路1242和一个样本延时电路1244。能量差值信号的接收在乘法电路1242。另外，乘法电路1242还从样本延时电路1244中接收到先前的延迟增值信号。这里乘法电路1242把能量差值信号与先前的延迟增值信号相乘，从而得到延迟增值信号。延迟增值信号也被传给样本延时电路1244，此单元将以一特定的值(1/z)延迟这一信号，以得到先前的延迟增值信号。

图12D是根据本发明的另一实施例，电路1260的示意图，适于象延迟增值计算单元1206一样使用。电路1260计算的是来自能量变动信号的当前延迟增值值。电路1260包括一个比例缩放电路1262，一个乘法电路1264和一个样本延时电路1266。能量差值信号会传给比例缩放电路1262，此单元将依照参数K把能量差值信号予以比例缩放。在一实施例中，比例缩放参数K是负的(-K)。然后经缩放的能量差值信号被传给乘法电路1264。乘法电路1264也接收到有样本延时电路1266产生的先前的延迟增值信号。乘法电路1264把先前的延迟增值信号同已经缩放的能量差值信号相乘，从而产生延迟增值信号。延迟增值信号也被传给样本延时电路1266，此电路将以一特定的值(1/z)延迟这一信号，以得到先前的延迟增值信号。

图13是根据本发明的另一实施例，双麦克风定向处理系统1300的框图。双麦克风定向处理系统1300包括第一麦克风1302和第二麦克风1304。第一麦克风1302产生第一电子声音信号，而第二麦克风1304则产生第二电子声音信号。第一和第二电子声音信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。

双麦克风定向处理系统1300也包括一系列不同的延迟单元1306，1308和1310。延迟单元1306，1308和1310中每一种都是用于把不同的延迟传给第二电子声音信号。另外，定向处理系统1300还包括减法电路1312，1314和1316。减法电路1312，1314和1316中的每一种都是从第一麦克风1304中接收第一电子声音信号。另外，减法电路1314从延迟单元1306处接收到经延迟的第二电子声音信号。减法电路1316从延迟单元1310处接收到经延迟的第二电子声音信号。减法电路1312，1314和1316中的每一种都产生一个差值信号。由减法电路1312，1314和1316所产生的不同信号每一种都会传给信号选择电路1318。在控制信号的控制之下，信号选择电路1318选择这些不同信号中的一种作为输出信号。此时，输出信号已经得到了定向处理系统1300的处理。这种定向处理程序能够抑制来自某些方向的不必要的干扰。

信号选择电路1318的控制信号是由选择器1320提供的，后者同时还提供了能量估测器1322，1324和1326。能量估测器1322估测对象是由减法电路1312产生的差值信号的能量，并把估测结果传给选择器1320的第一个输入设备。能量估测器1324估测对象是由减法电路1314产生的差值信号的能量，并把估测结果传给选择器1320的第二个输入设备。能量估测器1326估测对象是由减法电路1316产生的差值信号的能量，并把估测结果传给选择器1320的第三个输入设备。选择器1320从由能量估测器1322，1324和1326提供的各个能量估测值中选择一个作为选中的输出值，此值构成了对信号选择电路1318进行控制的控制信号。

定向处理系统1300选择具有最小能量的差值信号作为系统输出(输出信号)。最小能量是指选择大部分噪音抑制所用的渠道或途径。差值延迟单元1306，1308和1310与减法单元1312，1314和1316一起构成渠道或途径。在本实施例中，延迟元素的延迟是固定的，不能调整。然而，不同延迟单元提供的延迟是不同的，所以可以选择最佳的噪音抑制渠道或途径。尽管定向处理系统1300只提供了三个渠道或途径，但应该看到也可以增加更多的途径。一般而言，定向处理系统1300有两个以上的渠道或途径。

有多种方法预测信号能量。例如，可以采用以下方法中的一种：(1)使输入信号变成正的；(2)对输入信号进行平方；(3)计算输入信号的均方根值；或者(4)估测输入的最小信号。另外，需要注意的是估测能量信号的比率不需要与延迟信号更新比率相同。换句话说，能量信号的更新时间期可以与延迟信号更新时间期不一致。比如说，对于一个固定的样本比率，可以更新每一个样本的能量信号，但是每100个样本才更新一次延迟信号。

适应性定向处理系统至少包括两个麦克风，它们之间典型的物理距离至少为3mm。麦克风用来将声音转换为电子信号。电子信号可以是模拟的，也可以是数字的。系统还包括延迟装置，用于延迟一个或两个麦克风的电子信号。系统还包括加法或减法装置，用于产生经由延迟装置延迟后的麦克风输出差值信号。系统还包括估测差值信号能量的装置。延迟用于调整零方向，以抑制主要噪音源。延迟装置、加法/减法装置，和能量估测装置可以平行地多次使用，产生多个延迟信号，多个差值信号，和多个能量信号。

尽管上述实施例中使用的都是两个麦克风，但是应该注意的是定向处理系统可以使用两个以上的麦克风。除了定向处理之外，系统的输出还可以为其它处理功能进一步处理。在助听器应用中，定向处理系统的输出可以为其他助听器功能，如扩大和噪音抑制功能所处理。

图14说明了在无定向处理系统中，1kHz纯音在无噪音条件下的型谱。信号-噪音比约为6分贝。

图15说明了在固定模型(超心形)定向处理系统中，1kHz纯音在无噪音条件下的型谱。信号-噪音比约为14分贝。

图16说明了根据本发明的一实施例，在适应性定向处理系统中，1kHz纯音在无噪音条件下的型谱。信号-噪音比约为30分贝，相对于图14和图15中的常规信号-噪音比，这是极大的提高。

本发明第二个方面的优势很多。不同实施例或应用会产生以下优势中的一个或几个。本发明的优势之一是可以定向抑制主要噪音源。另外一个优势是定向抑制是适应性的，能够随着主要噪音源方向的变化而变化。还有一个优势是来自特定方向的，我们所需要的声音不会受到干扰，而主要噪音源则可以被定向抑制。

除了上述的第一和第二方面之外，本发明还可以与其它发明相结合，以便共享线路或互相补充。举例来说，本发明可以与适应性麦克风敏感度协调方面的内容相结合(美国申请号：No.09/＿＿，2001年3月14日申请，题名为“多麦克风定向处理系统中的麦克风适应性匹配”)。

建议将本发明用于硬件，但是也可以用于软件或软硬件的结合体。本发明还可以作为计算机可读代码用于计算机可读媒介。机读媒介指任何可以存储数据的设备，其存储的数据是计算机可读的，如只读存储器，随机存取存储器，CD-ROM，磁带，光数据存储设备和载波。机读媒介还可以与计算机系统相配，分布在网络中，这样就能分布式存储和执行机读代码。

从本文的描述中可以很明显地看到本发明的很多特点和优势。下面的说明旨在总结这些特点和优势。同时，由于专业人士可能会在使用时大量地修改或改变本发明，所以本发明的应用并不局限于文中描述或说明的方法。所有适当的修改和等效做法都包含在本发明范围内的。

Claims (65)

1.一种定向声音处理系统，包括：

至少第一麦克风和第二麦克风被放置在相距一定距离的位置，所述第一麦克风产生第一电子声音信号，所述第二麦克风产生第二电子声音信号；

一个噪音级估测电路与所述第一或第二麦克风连接，所述噪音级估测电路产生从第一或第二麦克风发出的第一或第二电子声音信号的噪音级估测值；

一定向处理电路连结到所述第一和第二麦克风和所述噪音级估测电路，所述定向处理电路完成根据噪音级估测电路基础上的第一和第二电子声音信号的激活或抑制定向处理。

2.如权利要求1所述的定向声音处理系统，其中当噪音级估测值低于阈值时，所述定向处理电路将抑制定向处理功能。

3.如权利要求1所述的定向声音处理系统，

其中当噪音级估测值低于第一阈值时，所述定向处理电路将抑制定向处理；且

其中当噪音级估测值高于第二阈值时，所述定向处理电路将激活定向处理。

4.如权利要求3所述的定向声音处理系统，

其中第二阈值高于第一阈值，且

其中当噪音级估测值介于第一阈值和第二阈值之间时，所述定向处理电路不改变定向处理功能的原先状态。

5.如权利要求1所述的定向声音处理系统，其中所述定向处理电路包括：

一定向处理控制电路与所述噪音级估测电路相连接，所述定向处理控制电路根据噪音级估测值和至少一个阈值产生一控制信号；

一个信号调整电路与所述定向处理控制电路相连接，所述信号调整电路根据控制信号调整第二电子声音信号。

6.如权利要求5所述的定向声音处理系统，其中所述定向处理电路还包括：

一个联合电路与所述信号调整电路以及第一麦克风相连接，所述联合电路通过联合调整后的第二电子声音信号和第一电子声音信号，产生一个输出信号。

7.如权利要求6所述的定向声音处理系统，其中所述定向声音处理系统还包括：

一个延时电路，用于根据一定的延迟值延迟第二电子声音信号或调整后的第二电子声音信号。

8.如权利要求6所述的定向声音处理系统，

其中控制信号是一个比例缩放信号；且

其中所述信号调整电路是一个将第二电子声音信号与控制信号相乘的乘法电路。

9.如权利要求6所述的定向声音处理系统，其中控制信号是逻辑“1”或逻辑“0”。

10.如权利要求6所述的定向声音处理系统，其中所述联合电路是一个减法电路。

11.如权利要求1所述的定向声音处理系统，其中所述定向声音处理系统还包括：

一延时电路，根据一定的延迟值延迟第二电子声音信号。

12.如权利要求1所述的定向声音处理系统，其中所述定向处理电路包括：

一个定向处理控制电路与所述噪音级估测电路相连接，所述定向处理控制电路根据噪音级估测值和至少一个阈值产生一个控制信号；且

一个比例缩放电路与所述定向处理控制电路相连接，所述比例缩放电路根据控制信号按比例缩放第二电子声音信号；且

一个减法电路与所述比例缩放电路以及第一麦克风相连接，所述减法电路从第一电子声音信号中减去缩放后的第二电子声音信号，产生输出差值信号。

13.如权利要求12所述的定向声音处理系统，其中所述定向声音处理系统还包括：

一延时电路，用于根据一定的延迟值延迟第二电子声音信号或缩放后的第二电子声音信号。

14.如权利要求1所述的定向声音处理系统，其中所述定向声音处理系统用于助听器设备。

15.一种定向声音处理系统，包含以下内容：

至少第一麦克风和第二麦克风被放置在相距一定距离的地方，所述第一麦克风产生第一电子声音信号，第二麦克风产生第二电子声音信号；

第一或第二麦克风连接有一个最小值估测电路，所述最小值估测电路产生所述第一或第二麦克风发出的第一或第二电子声音信号的最小估测值；

一个定向处理控制电路与所述最小值估测电路相连接，该最小值估测电路根据最小估测值产生一个控制信号；

一个比例缩放电路与所述定向处理控制电路相连接，所述比例缩放电路根据控制信号按比例缩放第二电子声音信号；

一个减法电路与所述比例缩放电路以及第一麦克风相连接，所述减法电路从第一电子声音信号中减去缩放后的第二电子声音信号，产生输出差值信号。

16.如权利要求15所述的定向声音处理系统，所述定向声音处理系统还包括：

一个延时电路，用于根据一定的延迟值延迟第二电子声音信号或缩放后的第二电子声音信号。

17.如权利要求15所述的定向声音处理系统，其中所述比例缩放电路包含一个乘法器。

18.如权利要求15所述的定向声音处理系统，其中所述定向声音处理系统用于助听器设备。

19.装配有多麦克风声音处理设备的助听器中，多麦克风声音处理系统中动态控制定向处理的方法，所述方法包括：

(a)分别从第一和第二麦克风中接受第一和第二电子声音信号；

(b)当估测的噪音级高于第一阈值时，以第一和第二声音信号为基础产生差值电子声音信号；

(c)当估测的噪音级不高于第二阈值时，以第一和第二声音信号为基础产生一个无差异的电子声音信号。

20.如权利要求19所述的方法，其中第一阈值高于或等于第二阈值。

21.如权利要求19所述的方法，其中第一和第二麦克风设置在助听器里，其中所述方法用于助听器设备。

22.多麦克风声音处理系统中动态控制定向处理的方法，所述方法包括：

(a)分别从第一和第二麦克风中接收第一和第二电子声音信号；

(b)估测第一和第二麦克风中至少一个麦克风获得的噪音级；

(c)根据估测的噪音级动态控制定向处理。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述控制(c)包括：

(c1)将估测的噪音级与至少一个阈值相比较，产生定向处理控制信号；

(c2)根据定向处理控制信号控制定向处理。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述控制(c2)包括根据定向处理控制信号缩放第一和第二电子声音信号中的一个。

25.如权利要求22所述的方法，其中所述控制(c)包括：

(c1)将估测的噪音级与一个阈值相比较，产生比较信号；

(c2)当估测的噪音级低于阈值时，抑制定向处理。

26.如权利要求22所述的方法，其中所述控制(c)包括：

(c1)将估测的噪音级与第一阈值相比较，产生第一比较信号；

(c2)将估测的噪音级与第二阈值相比较，产生第二比较信号；第二阈值高于第一阈值；

(c3)当估测的噪音级低于第一阈值时，抑制定向处理；

(c4)当估测的噪音级高于第二阈值时，激活定向处理。

27.如权利要求26所述的方法，其中第二阈值高于第一阈值。

28.如权利要求22所述的方法，其中第一和第二麦克风设置在助听器里，所述方法用于助听器设备。

29.如权利要求22所述的方法，其中噪音级是由最小值估测器估测的。

30.一种适应性定向声音处理系统，包括：

至少两个按照预设的距离分开放置的麦克风，每个所述麦克风产生一个电子声音信号；

一个延时电路，通过适应性的延迟值延迟至少一个所述麦克风发出的电子声音信号；

一个减法电路与所述麦克风和所述延时电路相连接，所述减法电路从延迟后的电子声音信号中产生输出差值信号；

一个延迟量判断电路用来接收输出差值信号，所述延迟量判断电路产生延迟控制信号，提供给所述延时电路用于控制适应性延迟量。

31.如权利要求30所述的适应性定向声音处理系统，其中适应性延迟量是可变的，以便定向地抑制不需要的声音。

32.如权利要求30所述的适应性定向声音处理系统，其中由延时电路产生的适应性延迟量用于将输出差值信号的能量减至最小。

33.如权利要求30所述的适应性定向声音处理系统，其中由延时电路产生的适应性延迟量用于将输出差值信号的能量减至最小，同时不会明显削弱麦克风接收来自预定方向的声音。

34.如权利要求30所述的适应性定向声音处理系统，其中将输出差值信号的能量减至最小，可以使信号-噪音比增至最大。

35.如权利要求30所述的适应性定向声音处理系统，其中所述适应性定向声音处理系统用于助听器设备。

36.一种适应性定向声音处理系统，包括：

至少有两个麦克风按预先设定的距离被分别放置，每个所述麦克风产生一个电子声音信号；

一个延时电路，根据一定的适应性延迟量延迟至少其中一个麦克风发出的电子声音信号；

一个逻辑电路与所述麦克风和所述延时电路相连接，所述逻辑电路从所述延时电路后的电子声音信号中产生输出差值信号；

一个延迟量判断电路用来接收输出信号，所述延迟量判断电路根据输出信号产生延迟控制信号，该延迟控制信号提供给所述延时电路用于控制适应性延迟量。

37.如权利要求36所述的适应性定向声音处理系统，其中适应性延迟量是可变的，以便定向地抑制不需要的声音。

38.如权利要求36所述的适应性定向声音处理系统，其中由所述延时电路产生的适应性延迟量用于将输出信号的能量减至最小。

39.如权利要求36所述的适应性定向声音处理系统，其中由所述延时电路产生的适应性延迟量用于将输出信号的能量减至最小，同时不会明显削弱麦克风接收来自预定方向的声音。

40.如权利要求36所述的适应性定向声音处理系统，其中将输出信号的能量减至最小，可以使信号-噪音比增至最大。

41.如权利要求36所述的适应性定向声音处理系统，其中所述适应性定向声音处理系统用于助听器设备。

42.如权利要求36所述的适应性定向声音处理系统，其中由所述延时电路产生的适应性延迟量是受控的，在原先的适应性延迟量基础上增加了一个延迟增量。

43.如权利要求42所述的适应性定向声音处理系统，其中延迟增量是由输出信号的能量变化决定的。

44.如权利要求42所述的适应性定向声音处理系统，其中能量变化决定了选择两个可能的延迟增量中的一个。

45.如权利要求44所述的适应性定向声音处理系统，其中两个可能的延迟增量是指原先延迟增量和反转原先延迟增量。

46.如权利要求42所述的适应性定向声音处理系统，其中延迟增量是用原先延迟增量乘以输出信号的能量变化决定的。

47.如权利要求42所述的适应性定向声音处理系统，其中延迟增量是由输出信号的能量按比例缩放变化，然后再用原先延迟增量乘以输出信号的能量变化决定的。

48.一种适应性定向声音处理系统，包括：

至少有两个麦克风按预先设定的距离被分别放置，每个所述麦克风分别产生一个电子声音信号；

一个延时电路，根据适应性延迟量延迟至少其中所述麦克风之一的电子声音信号；

逻辑指从所述延时电路后的电子声音信号中产生输出信号；

延迟判断意味着根据输出信号产生延迟控制信号，延迟控制信号提供给所述延时电路用于控制适应性延迟量。

49.声音信号适应性控制延迟从而定向抑制不需要的声音的方法，所述方法包括：

(a)从第一和第二麦克风接收到的至少第一和第二声音信号产生差值信号；

(b)估测差值信号的能量值；

(c)产生一个延迟信号以控制根据差值信号的能量值由至少第一和第二声音信号中的一个产生的延迟量。

50.如权利要求49所述的方法，其中所述方法还包括：

(d)第一和第二声音信号中至少有一个产生延迟量。

51.如权利要求50所述的方法，其中所述产生(d)的所述方法(e)重复操作(a)-(d)以使延迟量动态调整来定向抑制不需要的声音。

52.如权利要求49所述的方法，其中的声音信号由助听器提供，其中所述方法用于助听器。

53.助听器设备中定向噪音抑制的适应性延迟方法，助听器设备具有至少第一和第二麦克风，所述方法包括：

接收第一和第二麦克风的输出；

根据适应性延迟量延迟至少第二麦克风的输出；

结合第一麦克风的输出和延迟后的第二麦克风输出，产生一个输出信号；

根据输出信号估测能量值；以及

根据能量值适应性调整延迟量。

54.如权利要求53所述的方法，其中所述的适应性操作使输出信号的能量减至最小，同时不会明显削弱麦克风接收来自预定方向的声音。

55.如权利要求53所述的方法，其中所述适应性操作将输出信号的能量减至最小，可以使信号-噪音比增至最大。

56.如权利要求53所述的方法，其中所述结合包括增加第一麦克风输出与延迟后的第二麦克风输出。

57.如权利要求53所述的方法，其中所述结合包括减少第一麦克风输出与延迟后的第二麦克风输出。

58.如权利要求53所述的方法，其中所述适应性确定适应性延迟量是基于输出信号的能量变化。

59.如权利要求58所述的方法，其中输出信号的能量变化选择两个可能的延迟增量中的一个。

60.如权利要求59所述的方法，其中两个可能的延迟增量是指原先延迟增量和反转原先延迟增量。

61.如权利要求53所述的方法，其中所述适应性延迟量是用原先延迟增量乘以输出信号的能量变化。

62.如权利要求53所述的方法，其中所述适应适应性延迟量包括按比例缩放输出信号的能量变化的比例缩放，然后再用原先延迟增量乘以输出信号的能量变化。

63.多麦克风定向处理系统中声音信号延迟，从而定向抑制不需要的声音的适应性控制方法，所述方法包括：

(a)分别接收第一和第二麦克风获得的至少第一和第二声音信号；

(b)根据不同的延迟量至少延迟第一和第二声音信号中的其中一个；

(c)在延迟(b)之后产生一系列与第一和第二麦克风接收到的第一和第二声音信号不同的差值声音信号；

(d)估测每个差值信号的能量值；

(e)根据差值信号的能量值，从中选出一个，作为定向处理系统的输出。

64.如权利要求63所述的方法，其中所述声音信号由助听器提供，所述方法用于助听器。

65.一种适应性定向声音处理系统，包括：

至少有两个麦克风按预先设定的距离被分别放置，它们分别产生一个电子声音信号；

多个延时电路，分别用来根据不同的延迟量延迟至少其中一个麦克风发出的电子声音信号；

逻辑器，从所述延时电路后的电子声音信号中产生可选用的输出信号；

输出选择器，根据可选用输出信号的能量级，从中选出一个作为输出。

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