CN1898943A - 用于处理输入信号的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理输入信号的设备，其中该输入信号包括对应于离散的发送装置或接收装置的多个子信号，其中离散的发送装置或接收装置相对于空间被设置在预定几何位置上，该设备包括：装置(101)用于提供多个波场分量，其中多个波场分量的叠加产生合成波场，其中合成波场可以在空间中传播，其中多个波场分量是通过波场分解、基于正交的波场基函数和预定几何位置、从输入信号中导出的；多个单滤波器(107)，其中一个单滤波器对应于多个波场分量中一个波场分量，其中单滤波器被构造以便这样影响相应波场分量，使得在输出侧，对于多个单滤波器(107)，获得表示处理后的输入信号的多个滤波后的波场分量。

Description

用于处理输入信号的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理输入信号的设备和方法，一种用于检测空间传输特征的设备和方法，一种抑制干扰的设备和方法，一种检测空间反向传输特征的设备和方法，一种产生预测误差信号的设备和方法，一种由输入信号恢复有效信号的设备和方法，一种抑制接收信号中干扰部分的设备和方法。特别地，本发明涉及多维自适应滤波。
背景技术
在发送器和接收器之间空间中的信号传播中，例如在波传播中，通常需要检测空间通过其空间特征-例如空间脉冲响应-对传播的波有什么影响。如果已知空间的影响，那么其可以例如通过自适应滤波在接收器中模拟和/或撤消。
为了确定空间特征，传送器传送接收器已知的信号，其被接收器分接。基于被传送的和被分接的(被检测的)信号之间的比较，就可以推断出传送器和接收器之间传输信道的特征，由此产生单信道系统(点到点连接)。
通常，空间中可以设置多个传送器和多个接收器，从而得到具有多个输入和/或多个输出的多信道系统，通过该系统，可以在传送器和接收器的排列所确定的空间位置上确定空间特征。通常，这涉及所谓的自适应MIMO系统(MIMO＝多输入/多输出)。然而，在这些系统中，只考虑了在离散的固定空间点处输入和输出之间的关系，例如以脉冲响应或频率响应的形式。然而，传送器所发射的场是连续的并且以波阵面的形式传播。因此，根据现有技术，没有考虑场内的位置相关性，因为接收信号基于输入/输出描述被直接处理。在大多数应用中，例如在声学中，此外至少从自适应系统的相对少的输入信道出发，正如在以下论文中所描述的：J.Benesty和Y.Huang(eds.)，Adaptivesignal processing：Application to real-world problems，Springer-Verlag，Berlin，February 2003。
在根据现有技术的自适应滤波的MIMO情况下，产生了以下缺点。一方面，由于交叉路径，计算量非常高。例如，具有P个输入信道和Q个输出信道的自适应滤波将适配PQ个路径并跟随它们的变化。根据应用，这些单独的路径自身可能具有几百上千个自适应参数。为了精确地确定空间特征，需要许多输入信道。随着输入信道数量的增加，产生越来越多的收敛问题，尤其是在输入信道之间相关时，例如在以下论文中有所描述：S.Shimauchi和S.Makino，“StereoProiection Echo Canceller with True Echo Path Estimation”，Proc.IEEE International Conference on Acoustic，Speech，and SignalProcessing ICASSP95，Detroit，MI，USA，3059-3062页，May 1995，以及J.Benesty，D.R.Morgan和M.M.Sondhi，“A better understandingand an improved solution to the problem of stereophonic acousticecho cancellation”，Proc.IEEE International Conference on Acoustic，Speech，and Signal Processing ICASSP97，Munich，303-306页，April1997。
图20显示了根据现有技术的时间离散自适应滤波器的一个实施例。自适应滤波器2401具有L个滤波器系数，其被组合为矢量h＝[h(0)，...h(L-1)]。滤波器2401具有输入端2403和输出端2405。输入信号u(n)位于滤波器2401的输入端2403。输出信号y(n)位于输出端2405。输出端2405连接到加法器2407。加法器2407具有另一输入端2409，信号d(n)位于该输入端2409，加法器2407还具有输出端2411，信号e(n)位于输出端2411。块2413连接在滤波器2401的输入端2403和加法器2407的输出端2411之间，在块2413中执行滤波器系数的自适应算法。因此，块2413接收信号u(n)和信号e(n)。此外，块2413具有连接到滤波器2401的输出端2415。由块2413中的自适应算法所确定的滤波器系数经由输出端2415提供到滤波器2401。
图20的自适应时间离散滤波器表示了数字信号处理中的常用技术。其原理在于，确定滤波器系数(在图20所示的实施例中其被组合为矢量h)，使得在一个已知输入信号u(n)(或者多个已知输入信号)的情况下，系统的输出信号y(n)(或者多信道系统中一个输出信道的输出信号)近似为期望信号d(n)或多信道系统中多个期望信号。这通过根据预定标准按块最小化误差信号e(n)＝d(n)-y(n)或多信道系统中多个误差信号而实现。例如，使用均方误差作为标准。其中，滤波器的块长度可以大于或等于采样值。此外，可以递归或非递归地实现滤波器系数的优化。
根据现有技术，自适应滤波的应用范围通常可以分为4类，如以下论文所述：S.Haykin，Adaptive Filter Theory，3.Ed.，Prentice HallInc.，Englewood Cliffs，NJ，USA，1996。这4类是：系统识别，反建模、预测以及干扰抑制。
图21显示了用于单信道系统识别的原理框图。应该确定其特征-例如脉冲响应-的未知系统2501经由系统输入端2503被激励。此外，未知系统2501具有输出端2505，其中系统输出信号，响应于激励信号，可以在该输出端2505上被分接。自适应滤波器2507连接到系统输入端2503。自适应滤波器2507具有输出端2509和自适应输入端2511。
加法器2513被设置在自适应滤波器2507的输出端2509和未知系统2501的输出端2505之间，其输出端连接到自适应滤波器2507的输入端2511。
如上所述，系统识别涉及确定未知系统2501的特征，未知系统例如是声波在其中传播的空间。空间的特征例如可以是脉冲响应，其被特征化为离散脉冲响应系数的形式，离散脉冲响应系数也可以被认为是滤波器系数。为了确定脉冲响应，自适应滤波器2507并联于未知系统2501地被激励。根据位于相应输出端2509和2505处的系统的比较，生成误差信号e(n)，基于误差信号而适配自适应滤波器2507。其中，加法器2513将未知系统2501的输出信号d(n)和以负号定值的输出信号y(n)相加。该差值的结果作为误差信号e(n)被输入到滤波器。在适配过程中，滤波器系数被适配，直到误差信号e(n)尽可能的低。如果e(n)＝0，那么自适应滤波器2507的系数组准确地反映了未知系统2501的脉冲响应。换句话说，在最小化误差信号e(n)之后，在所使用的优化标准-例如最小误差平方标准-的意义上，所建模的自适应滤波器2507最优地匹配于未知系统2501(待建模的系统)。除了图21所示的单信道系统识别之外，还识别多信道系统，其中，如上所述，只考虑离散位置。这样的系统例如在以下文件中有所描述：S.Shimauchi和S.Makino，“Stereo Projection Echo Canceller with TrueEcho Path Estimation”，Proc.IEEE International Conference onAcoustics，Speech，and Signal Processing ICASSP95，Detroit，MI，USA，3059-3062页，May 1995；以及J.Benesty，D.R.Morgan，和M.M.Sondhi，“A better understanding and an imnproved solution to theproblem of stereophonic acoustic echo cancellation”Proc.IEEEInternational Conference on Acoustic，Speech，and Signal ProcessingICASSP97，Munich，303-306页，April 1997.
在反建模中，待建模的未知系统与自适应滤波器串联。图22显示了用于反建模的系统的原理框图。
未知系统2601具有输入端2603和输出端2605。自适应滤波器2607连接到未知系统2601的输出端2605，其中自适应滤波器2607具有输出端2609和另一输入端2611。未知系统2601的输入端2603还连接到延迟元件2613。延迟单元2613具有经由加法器2617连接到自适应滤波器2607的输出端2609的输出端2615。加法器2617具有输出端，其连接到滤波器2607的输入端2611。与系统识别相反，在反建模中，试图减小未知系统2601的影响，例如该系统的脉冲响应。由此，形成滤波器输出信号和系统输入信号之间的差值。为了考虑滤波器2607和系统2601的延迟，可选地，延迟元件2613可以被提供在参考分支上。在根据图2的反建模中，待建模系统2601与自适应滤波器2607串联。在最小化误差信号e(n)之后，根据所使用的优化标准(例如最小平均误差平方的标准)，自适应滤波器在最优的意义上对应于反未知系统。除了图22所示的单信道反系统建模之外，根据现有技术，在多信道情况中只优化离散空间位置，例如在以下论文中所述：Masato Miyoshi，Yutaka Kaneda，“Inverse Filtering of RoomAcoustics”IEEE Transactions on Acoustics，Speech，and SignalProcessing，vol.36，no.2，February 1988.
图23显示了预测结构的框图。预测结构具有延迟元件2701，延迟元件2701具有输入端2703和输出端2705。输出端2705连接到自适应滤波器2707，自适应滤波器2707具有输出端2709和另一输入端2711。加法器2713并联于由延迟元件2701和自适应滤波器2707形成的分支，加法器2713的输入端2715连接到延迟元件2701的输入端2703。此外，加法器2713具有输出端2717和连接到自适应滤波器2707的输出端2709的另一输入端。
在预测中，根据一些以前的信号值确定当前信号值u(n)的估计值，并且当前值和应该位于输出端2709的估计值之间的差值被传送。为了自适应地调整滤波器2707的系数，位于输出端2717的差值信号作为对于滤波器系数的适配的参考被输入到滤波器。通过这种结构实现了，自适应滤波器以最优方式(对应于所使用的优化标准，例如最小平均误差平方的标准)预测期望信号。因此，只剩下了不可预测的、即携带信息的信号分量，其作为预测误差信号被传输。在接收器中，执行与此相反的运算，以便恢复在传送器中被抑制的冗余，从而尽可能精确地再现输入信号。
图24显示了根据现有技术的干扰抑制系统的框图。该系统包括自适应滤波器2801，自适应滤波器2801具有输入端2803、输出端2805和适配输入端2807。输出端2805连接到加法器2809。加法器2809具有输出端2811和输入端2813。加法器2809的输出端2811连接到滤波器2801的适配输入端2807。
图24所示干扰抑制在结构上对应于图20的自适应滤波的基本概念，其中滤波器系数根据所使用的优化标准被调整。通常，位于加法器2809的输入端2813上的原始信号d(n)包括有效信号和干扰信号的混合。位于滤波器2801的输入端2803上的参考信号u(n)是干扰信号(干扰)的估计。对应于优化标准、例如最小误差平方标准，干扰抑制最小化了误差信号e(n)，其中误差信号e(n)是信号d(n)和信号y(n)的差值。由此，误差信号中的干扰被抑制，这在理想情况中导致有效信号经由输出端2811被输出并传送。此外，原始信号和参考信号可以交换，使得自适应滤波器的输入信号对应于有效信号和干扰的混合。该结构可用于位置选择性噪声抑制。如果原始信号被设置为0，并且有效信号和干扰信号的混合被作为参考信号，那么可以使用盲信源分离的统计最优化标准。这种概念在以下论文中有所描述：A.Hyv_rinen，J.Karhunen和E.Oja，Independent Component Analysis，John Wiley& Sons，Inc.，New York，2001。其中，根据现有技术的已知方法被限制到单或多信道干扰减小，和少量的确定离散空间点(通过在系统输出端放置空间信息的感测位置)处的盲信源分离。
根据现有技术的已知方法的缺点在于，仅仅检测和处理少量离散空间点上电磁波形式或声学声波形式的被发射信号。基于离散点上确定的空间特性来计算关于系统的信息。其中，但是如果在空间中仅仅设置了少量传感器以确定空间特征，则这导致显著的确定误差。为了更准确地确定空间特征，多个执行器和传感器必须被设置，以便足够正确地离散化该空间。然而，因为必须构造高复杂性的系统，计算消耗显著地增加，高复杂性的系统的生产费用和维护费用相应地增加。
已知设计的另一个缺点在于，连续的空间特征-诸如例如电磁波传播过程中所出现的-基本上不能被已知系统再现。如果提高执行器和传感器的数量以便进一步离散化空间，那么设置在空间中的设备对所检测的空间特征具有显著的影响，因为例如，在声学的声波的情况下，相邻扬声器和麦克风之间的回声与由空间引起的反射叠加。这些负面影响可以通过复杂的补偿算法仅仅近似地被消除。
根据现有技术的多信道设计的另一个缺点在于，传统的方法阻止有效地实现波场合成或波场分析。在波场合成中，例如通过被理想化为球形辐射体的多个扬声器，扬声器被设置在其中的空间中的例如声学声场可以被准确地、并且在空间的每个位置处以及在任何时间被再现。然而，为此需要能够同样在每个任意位置处确定扬声器被设置在其中的空间的空间特征。但是，因为传统方法只允许离散位置上的特征，所以在使用检测空间特征的标准设计的情况下，借助于波场合成准确地再现在空间的每个位置上的声学声场基本上是不可能的。
发明内容
本发明的目的是提供一种处理能够在空间中传播的连续波场的设计。
该目的通过如权利要求1所述的一种处理输入信号的设备来实现、通过如权利要求11所述的一种检测空间的传输特征的设备来实现、通过如权利要求13所述的一种抑制激励信号中的干扰的设备来实现，通过如权利要求14所述的一种检测空间的反传输特征的设备来实现，通过如权利要求15所述的一种产生预测误差信号的设备来实现，通过如权利要求16所述的一种从输入信号中恢复有效信号的设备来实现，通过如权利要求17所述的一种抑制接收信号中的干扰分量的设备来实现，通过如权利要求21所述的一种抑制接收信号中的干扰分量的设备来实现，通过如权利要求23所述的一种处理输入信号的方法来实现，通过如权利要求24所述的一种检测空间的传输特征的方法来实现，通过如权利要求25所述的抑制激励信号中的干扰的方法来实现，通过如权利要求26所述的一种检测空间的反传输特征的方法来实现，通过如权利要求27所述的一种由输入信号产生预测误差信号的方法来实现，通过如权利要求28所述的一种从输入信号中恢复有效信号的方法来实现，通过如权利要求29所述的一种抑制接收信号中的干扰分量的方法来实现，通过如权利要求30所述的一种抑制接收信号中的干扰分量的方法来实现，或通过如权利要求31所述的一种计算机程序来实现。
本发明基于这样的知识，即通过有效地使用格林定律可以特征化在任何位置上的空间特征。格林定律允许，在闭合空间内物理场量的分布通过边缘分布以及通过边缘分布的梯度来表示。根据本发明，使用该关系，以便将多维场问题转换成多信道MIMO问题。根据本发明，不是直接从多维场中分接需要的量，而是在边缘处分接相应的量，这表示被发射场的边缘分布被检测，并且如现有技术已知的那样不使用输入/输出描述。
为了解释本发明的设计，下面首先讨论自适应滤波的情况。与已知的多信道自适应滤波设计-其中仅仅为空间的单个离散点优化滤波器系数-相反，根据本发明，在整个空间区域上执行优化。这表示，不仅仅为空间的单个离散位置确定滤波器参数、例如滤波器系数，而是为整个空间区域确定滤波器参数、例如滤波器系数。
因此在确定的频率范围内(在根据空间抽样定理的所谓混叠频率之下)，通过充分精细的时间和空间抽样，借助于多信道的传感器和执行器阵列，可以自适应地准确地模拟多维连续值。执行器和传感器阵列例如可以是传送和接收天线，如果例如感兴趣的是与电磁波传播有关的空间特征。可选地，如果所考虑的波场是声学声场，则执行器和传感器阵列可以是扬声器和麦克风系统。
如果波场由多个离散设置的(离散的)传送器发射，那么可以借助于离散设置的接收装置分接场分布。与已知的根据现有技术的基于点到点的方法相反，根据本发明，采取另一种方式，其中为了全局的场考虑而放弃点到点系统考虑。在分接被接收场之后，信号不用于直接确定空间特征。而是，首先从被分接的信号开始，将波场分解为波场分量，其中波场分量的叠加模拟空间的每个位置处的波场。基于正交基函数、例如基于Hankel或Bessel函数确定波场分量。根据本发明，波场分量被进一步处理，以便例如确定每个任意位置处的空间特征(系统识别，以便例如消除执行器和传感器的空间信号反馈；反系统建模，以便例如消除对有效信号的空间影响，或者干扰抑制以便抑制干扰)。
以下，将以声学声波传播的例子来讨论本发明的设计。
图19显示了空间2301，其中设置有虚拟声源s(t)2303。虚拟声源s(t)2303例如可以是虚拟扬声器，其例如通过波场合成模拟。扬声器阵列2305矩形地设置在空间2301中。圆形麦克风阵列2307位于扬声器阵列形成的区域内。位置矢量
Figure A20048003820700221
从由麦克风形成的圆形的中点延伸到其边缘。位置矢量
Figure A20048003820700222
从圆形的中点延伸到扬声器阵列2305的任何点。麦克风阵列2307边缘处的任何位置可以借助于位置矢量 而被指定。但是，在已知由麦克风形成的阵列的半径的情况下，足以通过说明角度Θ而特征化麦克风阵列2307内麦克风的几何位置。
以下，假设在麦克风阵列2307中，麦克风提供压力p(θ，t)和声速
Figure A20048003820700224
v(θ，t)。由此，例如，可以使用在以下文件中描述的排列：D.S.Jagger，“Recent developments and improvements in soundfield microphonetechnology”，Preprint 2064 of 75th AES Convention，Paris，March1984。由麦克风分接的波场包括例如可通过空间墙处的反射和散射而观察到的空间影响。
为了模拟虚拟声源在空间中的作用，扬声器被适当地激励。例如，如果设置P个扬声器，那么扬声器信号是：
x ( r → l , S , p , t ) = Σ i g p , ( t ) ( t ) * s i ( t ) , p = 1 , · · · , p
其中，x表示扬声器信号，g是波场合成滤波器，s表示声源信号。运算符“*”表示卷积。通过波场合成滤波器(WFS滤波器)，为每个扬声器分配虚拟声源的一部分。以下，该波场合成系统被表示为“la变换”。
在另一步骤中，由扬声器阵列所再现的场可以由圆形滤波器阵列的麦克风位置中外推出。这可以通过首先在自由的波传播、即空间中没有反射的情况下计算每个扬声器在所有麦克风位置上的“空间脉冲响应”而实现。如果假设每个扬声器可以被建模为发射球形波的点源，那么可以通过自由场中球形波的声学阻抗来计算在图19所示2维排列中最相关的正常方向上的相应声速。这些P个“脉冲响应” p imp在时间上与扬声器信号卷积，然后所有分量被叠加。
因此，根据本实例，对于麦克风阵列处的由扬声器所发射的非混响场，对于声压 p和声速 v成立：
p ‾ ( θ q , ω ) = Σ p = 1 p p ‾ imp ( r pq , ω ) . I ( t ) { x ( r → l , S , p , t ) } ,
v ‾ ( θ q , ω ) = Σ p = 1 P 1 + c jω r pq p · c · - r ‾ pq · r ‾ Mic . q r pq · r Mic . q · p ‾ imp ( r pq . ω ) · F ( t ) { x ( · ) }
其中
p ‾ imp ( r pq , ω ) = p ^ q 1 r pq e - jω r pq c
r pq = | | r → pq | | = | | r → Mic , q - r → l , S , p | |
其中，ρ表示传播介质的密度，c表示声速度，F(1){x(·)}表示x对于时间的傅立叶变换。
如上所述，首先考虑非混响声场。
非混响声场可以例如被分解为平面波分量，如以下论文中所述：E.Hulsebos，D.De Vries和E.Bourdillat，“Improved microphonearray configurations for auralization of sound fields by wave fieldsynthesis”，Audio engineering society 101th convention，Amsterdam，May 2001。如果非混响声场被分解为平面波场分量，即被分解为在叠加时产生平面波的波场分量，则对于圆形2D阵列的实例得到：
q ‾ L , S ( 1 ) ( k θ , ω ) = j ( 1 - k θ ) H k θ ? 2 ) ( kR ) P ( k θ , ω ) - H k θ ( 2 ) ( kR ) · jρcV ( k θ , ω ) H k θ ( 1 ) ( kR ) H k θ ? 2 ) ( kR ) - H k θ ( 2 ) ( kR ) H k θ ? 1 ) ( kR )
其中
P ( k θ , ω ) = F ( θ ) { p ‾ ( θ , ω ) } = 1 2 π ∫ 0 2 π p ‾ ( θ , ω ) e - j k θ θ dθ
v(kθ，ω)＝F(θ){ v(θ，ω)}
其中，Hkθ (n)(·)表示所谓的第n类型、第kθ阶的Hankel函数。其中，kθ表示外推Hankel函数的阶数，例如kθ＝...，-1，0，+1，...，波号码由 k = ω c 表示，并且R＝‖ rMic，q‖。
上述步骤，即确定非混响波场(例如，在麦克风阵列处的)以及将非混响声场分解成波场分量将在以下表示为术语“变换1”，其中确定非混响波场的步骤是可选的。
与上述参考论文相反，根据本实施例，根据本发明，使用压力和声速的傅立叶变换。其中，位置相关性(θ)被kθ相关性代替。根据本发明，可以借助于波场分量表示空间每个任意位置处(和每个任意时间)的波场。特别地，因此可以表示如果没有空间影响，麦克风阵列处的波场看起来如何。
扬声器所发射的波场自然地受到空间特征影响，使得在麦克风阵列处的接收波场不同于传送波场。
接收波场被麦克风阵列检测，并且响应于所检测的波场产生输出信号。例如可以这样构造麦克风，使得它们已经提供相应设置位置处的压力和声速，作为输出信号的子信号。例如，可以使用所谓的声场麦克风，如以下论文所述：D.S Jagger，“Recent developments andimprovements in soundfield microphone technology”，Preprint 2064of 75th AES Convention，Paris，March 1984.
与所述的将要被发射的波场分解成波场分量相似，在使用相同的正交波场基函数、例如Hankel函数的情况下，接收的混响波场(声场)可以被分解为波场分量。该运算的结果是形式ω的波场分量，其如上所述，由于空间影响，而不同于原始的波场分量。这种直接的分解成波场分量将在下面用“变换2”表示。
以上实施方式解释了本发明的方法。因为可以基于其分解成空间每个位置处的正交波场分量而分析确定原始波场，并且因为包括空间影响的接收波场可以被检测并且同样可以被分解为波场分量，因此可以基于由波场分量表示的(未被影响的)波场、以及基于麦克风阵列处的混响的(被影响的)波场，以其在空间每个位置处的波场分量的形式来确定空间特征。波场分量的数量取决于使用哪些正交波场基函数。空间分辨率可以被任意缩放，因为只由已经提及的空间抽样定理向下限制的波场分量数量可以被选择为任意大，而不增加执行器和传感器的数量。因为，根据本实施例，原始波场和接收波场的(平面)波场分量，关于kθ和关于ω，是正交的或者近似正交的(在时间和空间采样之后)，所以可以为被以kθ表示的所有波场分量相互独立地执行自适应滤波。在该例中，这对应于扬声器侧和麦克风侧的平面波之间的单信道自适应滤波。与现有技术相反，波场分量可以相互分开地处理，使得已经提到的不同路径之间耦合(信号相关)的问题不再发生。波场分量现在可以例如通过滤波被有目的地处理。
本发明方法的另一个优点在于，在足够多的时间点上，在采样传感器信号之后，w上的各个频率分量(波场分量)是正交的或者近似正交的。这使得可以在时间域以及频率域中使用已经开发的自适应滤波方法，从而降低开发和实现消耗。
接收波场的波场分量现在可以例如被适当地滤波，以便补偿空间影响。
补偿后的分量的进一步处理取决于期望的应用。进一步处理后的波场分量现在可以用于通过它们的叠加来重构波场。如果接收波场的波场分量被这样处理(例如，滤波)，使得例如回音、即执行器对传感器的反作用被消除了，则总是能够重构所寻求的空间波场，这例如可以通过使用下式来执行：
p ( 1 ) ( r , 0 , ω ) = ∫ 0 2 π q ‾ out ( 1 ) ( θ ′ , ω ) e - jkr cos ( θ - θ ′ ) d θ ′
其中qout表示进一步处理后的波场分量。重构规则在以下将被表示为术语“变换3”。
如果对输出端上的空间信息不再感兴趣，那么例如已经可以输出根据p的进一步处理后的波场分量的叠加，这对应于在记录过程中的全向方向特征。除此之外，现在也可以只输出确定的θ分量，使得空间选择的进一步处理是可能的。例如，这是有利的，如果本发明的设计被用于射束形成或噪声抑制，例如在所谓的束形成中。
因为在将波场分解为正交波场分量中，格林定律被暗含地使用，所以本发明的设计总是可以被使用在以下情况中，其中确定大小的边缘分布在求解确定的例如数学问题时被使用。根据本发明的设计的应用领域例如是所有能够通过偏微分等式描述的物理现象，例如声学(可听的声波、超声波等等)，地震学、水力学、空气动力学或电力学。
本发明另一个优点在于，与根据现有技术的已知设计相比，本发明的设计例如在多维滤波中具有减少的硬件或计算消耗。消耗的减小是由于：在滤波中或波场分量的进一步处理中，其数量通常不取决于所设置的传感器或执行器的数量，而仅仅受到空间抽样定理的限制，这是因为波场分量的数量是数学量，其进一步处理例如在处理器中被适当地实现。另一个优点是所获得的波场分量的正交性。但是，本发明的设计也允许改进在波场分量的自适应滤波中的收敛特性，因为如上所述，它们是互相正交的。
本发明的另一个优点在于，当多信道自适应滤波的设计被扩展到多维情况时，在维持期望的参数收敛的情况下可以使消耗最小化，因为波场分量可以被认为与信号相似。
如上所述，根据本发明，考虑自适应滤波器，其明确地基于偏微分等式。由此，根据本发明的滤波器不仅仅在单独的空间位置上被优化，而且在空间抽样定理的范畴内连续地在整个空间区域上被优化。抽样定理在以下论文中有所介绍，D.H.Johnson和D.E.Dudgeon，Array Signal Processing：Concepts and Techniques，Prentice Hall，Upper Saddle River，NJ，USA，1993。
如上所述，根据本发明，所需的执行器和传感器的数量被减少，因为只必须在边缘上被测量或影响，而不是在整个空间体积中。在许多应用情况中，将传感器或执行器放置在整个空间体积中并不实际。例如，如果应该在例如歌剧演出过程中测量空间就是这种情况。通过减小传感器和执行器数量，也可以实现适配的收敛改善，因为去掉了场内的冗余。从上述事实中产生了这样的结论：波场分量的数量可以通过抽样定理决定而不由接收装置或传送装置的数量决定。
通过将自适应MIMO滤波与适当的多维变换相结合，可以实现复杂性的进一步减小和收敛的改善，如上述实例所述。这里，引起空间和时间分量的正交化的变换是特别有利的。特别地，可以使用根据场问题的正交基函数的分解。这种分解例如可以参见以下论文：K.Burg，H.Haf和F.Wille，Hoehere Mathematic fuer Ingenieure-Band V：Funktionalanalysis und Partielle Differentialgleichungen，Teubner Verlag，Stuttgart，1993和A.Sommerfeld，Vorlesungen uebertheoretische Physik-Band VI：Partielle Differentialgleichungen derPhysic，Verlag Harri Deutsch，Frankfurt，1978。例如，与相应应用匹配的坐标系统的波分量属于其中。根据传感器和执行器排列的几何关系，例如可以使用平面波、球形波或圆柱波，即正交的波场函数包括Hankel、Bessel、圆柱或球形函数，参见以下论文：E.Williams，FourierAcoustic，Academic Press，London，UK，1999和A.Berkhout，AppliedSeismic Wave Theory，Elsevier，Amsterdam，The Netherlands，1987。
本发明的另一个优点在于，到目前为止根据现有技术仅仅在自适应滤波环境中已知(例如，系统识别，预测)的上述应用现在在新方法的帮助下可以有效地扩展到多维自适应滤波，由此实现性的应用领域。例如，借助于传统自适应技术，可以确定空间的任意位置处的任意空间属性，这例如对于借助于波场合成的声音再现或者对于借助于波场分析的记录是有利的。
附图说明
以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。其中：
图1是本发明的根据第一实施例的用于处理输入信号的设备的基本框图；
图2a是根据本发明一个实施例的多维自适应滤波的框图；
图2b是根据本发明另一实施例的多维自适应滤波的框图；
图3是根据本发明的自适应滤波器的框图。
图4是根据本发明第一实施例的用于检测空间传输特征的设备的基本框图。
图5是根据本发明的用于回音消除的设备的基本框图。
图6是用于回音消除的设备的另一实施例；
图7是在有效声音抑制中的基本系统排列；
图8是根据本发明第一实施例的麦克风和扬声器阵列的排列的实施例；
图9是根据本发明第一实施例的用于有效声音抑制的本发明的设备的基本框图；
图10是根据第一实施例用于检测空间的反传输特征的本发明的设备的基本框图；
图11是用于检测空间的反传输特征的本发明的设备的另一实施例；
图12是用于多维声学空间补偿的本发明的设备的框图；
图13是用于产生预测误差信号的本发明的设备的基本框图；
图14是根据本发明第一实施例的用于从输入信号中恢复有效信号的本发明的设备的基本框图；
图15是根据本发明第一实施例的用于抑制接收信号中的干扰分量的本发明的设备的基本框图；
图16是用于抑制干扰分量的本发明的设备的另一实施例；
图17是用于抑制干扰分量的本发明的设备的另一实施例；
图18是用于执行本发明的回音消除的计算机程序的实施例；
图19是空间中扬声器和麦克风的根据本发明的排列的实施例；
图20是根据现有技术的自适应滤波的基本框图；
图21是根据现有技术的系统识别结构的基本框图；
图22是根据现有技术用于反建模的基本框图；
图23是根据现有技术用于预测的基本框图；和
图24是根据现有技术用于干扰抑制的基本框图。
具体实施方式
图1显示了本发明的用于处理输入信号的设备的第一实施例。该设备具有用于提供多个波场分量的装置101，其中用于提供多个波场分量的装置101具有输入端103和多个输出端105。此外，用于处理输入信号的设备具有多个单滤波器107，其中用于提供多个波场分量的装置101的每个输出端105连接到单滤波器107。多个单滤波器107具有多个输出端109，其中为每个单滤波器107分配一个输出端109。
以下，将解释图1所示设备的操作模式。
用于提供多个波场分量的装置101经由输入端103接收输入信号，其中输入信号具有一定数量的子信号，其与离散的传送或接收装置相关联。离散的传送或接收装置被放置在相对于空间预定的几何位置处。几何位置例如可以是圆形排列或也可以是线性排列。用于提供多个波场分量的装置101被构造，以便基于正交的波场基函数和预定的几何位置，从输入信号中推导波场分量。其中，波场分量的叠加产生能够在空间中传播的合成波场。波场例如可以是被发射或接收的波场，如上所述。波场可以是声学的声场、电磁场或能够借助于正交的波场基函数被分解为波场分量的其他波场。这里，应当注意，本发明的设备不在波场本身上、而是在它通过例如电子信号的表示上执行。
如上所述，输入信号具有多个与发送或接收装置相关的子信号。子信号例如可以是用于相应传送装置的激励信号。类似的，子信号也可以是与相应接收装置相关的接收信号。
可以经由输出端105输出的波场分量被提供给多个单滤波器107。单滤波器例如是借助于滤波器系数而滤波相应波场分量的数字滤波器。滤波器系数组例如可以是相同的或不同的滤波器系数组，使得多个波场分量分别受到滤波器的不同影响。这样，单滤波器被构造，以便这样影响相应的波场分量，使得在输出侧，对于多个单滤波器，获得多个滤波后的波场分量，这些滤波后的波场分量表示处理后的输入信号。处理后的输入信号例如可以是滤波之后的多个波场分量。
如上所述，合成波场可以是声学的声场，其可以由空间的预定几何位置处的离散传送装置产生，或者其可以被空间的预定几何位置处的离散接收装置检测。在这种情况下，子信号包括空间的预定几何位置处的声场的相应声压和/或相应声速。
提供装置101被构造，以便以正交的基函数确定波场分量，作为基于声压的量和/或基于声速的量之间的耦合。这些量可以是声压或声速本身。可选地，基于声压或基于声速的量可以是相应声压或声速的傅立叶变换。在这种情况下，提供装置101包括变换器，用于产生声压的空间傅立叶变换作为基于声压的量和/或用于产生傅立叶变换作为基于声速的量。
基于声压和/或基于声速的量之间的耦合例如可以是已经描述的基于Hankel函数产生波场分量的耦合。但是，原则上可以使用任何正交的波场函数(波场基函数)，其中正交的波场函数例如包括任何维数、诸如2D或3D的Hankel或Bessel或圆柱或球形函数。
因为根据本发明，波场的分解可以由信号处理器或数字计算机执行，所以有利的是，正交的波场函数作为函数值提供。在这种情况下，本发明的用于提供多个波场分量的装置包括用于提供正交波场函数的离散函数值、例如与ke相关的Hankel函数的基准值的装置。用于提供离散波场函数的装置可以例如包括存储器，其中可以存储离散的函数值。可选地，用于提供离散函数值的装置可以是处理器，其例如借助于归纳在表格中的量计算和提供相应的函数值。
如上所述，单滤波器可以是数字滤波器，每个数字滤波器具有离散的滤波器系数组。滤波器系数可以被固定地调整，以便产生波场分量的预定特征，并因此产生合成波场。但是，可选地，单滤波器可以被构造，以便接收离散滤波器系数以滤波相应的波场分量。这尤其在单滤波器被自适应地调整时是有利的。为了自适应地确定滤波器系数，本发明的处理设备包括用于确定离散滤波器系数的装置，其中用于确定离散滤波器系数的装置被构造，以便为单滤波器接收参考波场分量，并通过使参考波场分量和波场分量之间的差最小化来确定离散的滤波器系数。参考波场分量例如可以是期望波场的波场分量，其具有确定的局部属性，例如确定的局部场强度。波场分量例如可以是接收波场的波场分量，其应该被这样滤波，使得在滤波之后生成期望波场，如已经结合自适应滤波描述的那样。
使参考波场系数和波场系数之间的差别最小化例如可以被自适应地执行。在该情况下，构造本发明的用于确定离散滤波器系数的装置，以便基于已知算法自适应地、例如在时间域或者在频率域中确定离散的滤波器系数。为了自适应地计算滤波器系数，例如可以使用根据平均误差平方(MSE＝均方误差)标准、根据最小平均误差平方(MMSE＝最小MSE)标准、根据最小误差平方(LMS＝最小均方)标准的算法。除此之外，可以使用RLS算法(RLS＝递归最小平方)或PDAF算法(PDAF＝频率域自适应滤波)或另一个、已知的适配算法或其变体。
用于提供多个波场分量的本发明的装置例如可以被构造，以便执行上述变换1a和1，以便确定波场分解。可选地，用于提供多个波场分量的本发明的装置101可以被构造，以便执行已经描述的变换2，其中在声学声场的情况中，压力和声速可以直接用于波场分解。
多个单滤波器107的输出端处的多个滤波后的波场分量可以以该形式已经被传送到另一装置，以便在那里被进一步地处理。可选地，本发明的设备可以包括用于从滤波后的波场分量中重构波场的装置。在图1中未示出的重构装置被够在，以便通过叠加基于滤波后的波场分量的量来重构滤波后的波场，并且提供处理后的输入信号，响应于此，被重构的波场可以由多个离散的传送装置、例如扬声器产生。优选地，本发明的重构装置被构造，以便执行上述变换3，以便通过滤波后的波场分量的基于傅立叶的变换来重构滤波后的波场。
图2a显示了自适应多维滤波器的一个实施例，根据本发明其可以被用于滤波波场分量。
图2a所示的滤波器设备包括滤波器201，其可以是多维滤波器。在该情况下，滤波器由滤波器系数矩阵特征化。可选地，多维滤波器201可以包括一系列相邻排列的单滤波器。滤波器201具有输入端203和输出端205。滤波器201的输出端205连接到加法器207，其中加法器207具有输出端209和另一输入端211。用于确定滤波器系数(适配算法)的装置213被设置在滤波器201的输入端203和加法器207的输出端209之间。用于确定滤波器系数的装置213具有输出端215，滤波器201连接到该输出端215。图2a所示的多维滤波器设备具有已经结合图20所示的实施例讨论过的结构。根据变换1、2或3在哪些位置上被执行，图2a所示的滤波器设备可以被用于处理输入信号。
图2b显示了具有根据本发明的外部配线的图2a所示的滤波器设备。
与图2a所示的实施例相反，图2b所示的设备具有变换块206，该变换块具有输入端207和输出端，该输出端连接到滤波器设备201的输入端203。此外，图2b所示的滤波器设备具有变换块219，该变换块219具有输入端221和输出端，该输出端连接到加法器207的输入端211。此外，图2b所示的滤波器设备包括变换块223，该变换块223具有输出端225和输入端，该输入端连接到加法器207的输出端209。
以下，将解释图2b所示的滤波器设备的操作模式。
根据变换块216、219和223的相应功能性，图2b所示的滤波器设备可以用于滤波所接收的波场。在该情况下，输入信号位于输入端217，其中输入信号与离散的接收装置相关联。如果波场是声学的声场，则例如如上所述，直接指示压力和/或直接指示声速的量位于输入端。在该情况中，变换块216被构造以确定上述变换2。然后，激励信号可以位于输入端221。在该情况中，变换块219被构造以执行变换1a和1。在通过适配算法可能多次确定滤波器系数之后，滤波后的波场分量被滤波，其中该适配算法由确定滤波器系数的装置213执行。滤波后的波场分量然后从位于加法器207的输入端211上的参考波场分量中减去，并且结果经由输出端209被输出。变换块223例如执行变换3，以便从位于输出端209处的处理后的波场分量中重构处理后的波场。
但是，变换块216、219或223可以执行任意每个变换，例如变换1、变换2或变换3，这导致：波场的波场分量被输入到输入端203和211，并且被重构的波场在输出端225处被输出。
图3显示了根据本发明的自适应滤波器设备的一个实施例。自适应滤波器设备包括自适应滤波器301，自适应滤波器301具有输入端303和输出端305。此外，自适应滤波器301具有适配输入端307，其连接到加法器311的输出端309。加法器311具有输入端313和另一连接到自适应滤波器301的输出端305的输入端。
以下，将解释图3所示的滤波器设备的操作模式。
图3所示的自适应滤波器301被构造，以便通过使用所示等式、从先前的滤波器系数矢量H(ke，n)出发来确定滤波器系数矢量H(ke，n+1)。用qLS()co，n)表示时间点n时要滤波的波场分量。在这个例子中，通过具有时间有限脉冲响应的滤波器来实现波场分量的滤波。
QLS(kθ，n)＝[qLS(kθ，n)，qLS(kθ，n-1)，...，qLS(kθ，n-L+1)]T
表示相应最后L个离散时间点的波场分量的矢量。其中，时间点n时的矢量具有和滤波器系数矢量相同的维数。为了确定滤波器系数，自适应滤波器301被构造以执行图3所示的适配等式。qout(kθ，n)表示处理后的波场分量。用qmic(kθ，n)表示接收波场的波场分量，例如由麦克风分接的波场分量。
借助于步长宽度μ、例如11＝0.01形成下一时间点的滤波器系数矢量。图3所示的适配等式基于已知的LMS算法。但是，可选地，也可以使用RLS算法或FDAF算法或其他已知算法作为适配算法。为了清楚的目的，图3所示的滤波器设备仅仅为局部模式kθ被实施。其中包含估计的滤波器参数的列向量描述了所考虑的局部模式的时间特征(Verhalten)，这由考虑的前面的系数实现。在多个局部模式时，例如在5个模式时，相应地，5个波场分量将被处理。根据本发明的一个实施例，多维滤波器设备可以包括5个并联连接的设备，如图3所示。但是，可选地，也可以串行地处理与不同局部模式相关的波场分量。
图4显示了本发明的用于在波场传播中检测空间的传输特征的设备的一个实施例。波场可以是电磁波场或声学声场，其-响应于输入信号-可以通过设置在空间的确定几何位置处的离散传送装置产生，并在空间中传播。接收波场由设置在空间的确定几何位置处的接收装置分接，其中接收装置响应于接收波场产生输出信号。其中，用于激励波场的输入信号具有多个对应于离散传送装置的子信号。子信号例如可以是用于不同传送装置的不同激励信号。输出信号例如可以包括多个输出子信号，其中每个输出子信号与一个接收装置相关联。
图4所示的用于检测空间的传输特征的设备具有图21所示用于系统识别的结构所基于的结构。图4所示的设备是用于产生副本的装置401。用于产生副本的装置401例如可以是信号分配器或信号分路。用于产生副本的装置401具有输入端403、第一输出端405和第二输出端404。第一输出端405连接到用于处理输入信号的设备407，其中设备407具有结构，如已经讨论过的结构，例如结合图1所示的实施例。图4所示的用于处理输入信号的设备407包括用于提供多个波场分量的装置409。用于提供多个波场分量的装置409具有连接到用于产生副本的装置401的第一输出端405的输入端。用于提供多个波场分量的装置409还具有多个输出端411，其中每个输出端411连接到多个单滤波器的其中一个单滤波器。为了清楚的目的，多个单滤波器被组合在图4所示的实施例中，并组合到多个单滤波器413。多个输出端415连接到减法器417的多个输入端，该减法器也可以是加法器。此外，减法器417具有多个其他输入端419。此外，减法器417包括多个输出端421。
减法器417的多个输出端421连接到用于确定离散滤波器系数的装置423的多个输入端。用于确定离散滤波器系数的装置423还具有多个其他输入端425，其连接到用于处理输入信号的设备407的提供多个波场分量的装置409的多个输出端411。
用于产生副本的装置401的第二输出端404连接到图4中未示出的离散传送装置中的一个，这些离散传送装置位于应该确定其特征的空间427中。离散传送装置例如可以圆形地或线性地被放置，如上所述。此外，图4中未示出的多个接收装置被设置在空间427中，这些接收装置连接到空间427(未知系统)的输出端429。空间427的输出端429连接到用于提供多个波场分量的装置431。用于提供多个波场分量的装置具有多个输出端，其连接到减法器417的其他输入端419。
以下，将介绍图4所示的设备的操作模式。
用于提供多个波场分量的装置409和431被构造，以便基于输入信号的副本或基于输出信号确定波场或接收波场的波场分量，如上所述。响应于位于空间的输入端404上的输入信号，产生在空间中传播的波场。响应于可被离散接收装置检测到的接收场，输出信号经由空间的输出端429被产生，基于该输出信号，用于提供多个波场分量的装置431也确定波场分量。如果波场是声学的声场，则装置409被构造，以便执行变换1a和1，或者仅仅执行变换1，这表示以便首先从激励传送装置的输入信号中确定声压和声速度，以便基于所确定的声压和声速度，分析地确定空间427的每个任意位置处被发射的波场的波场分量。为了分接接收场，麦克风阵列被设置在空间427中，其中麦克风被构造，以便输出直接声压和/或声速度作为输出子信号。基于这些输出的声压或声速度，用于确定多个波场分量的装置431执行上述变换2。
减法器417被构造以便确定多个差波场分量，并经由输出端421向用于确定离散滤波器系数的装置423提供这些差波场分量。差波场分量是从可以经由多个单滤波器413的输出端415输出的多个滤波后的波场分量和可以经由用于确定多个波场分量的装置431的输出端419输出的输出波场的多个波场分量之间的差值而确定的。此外，装置409可提供的波场分量被提供给用于确定离散滤波器系数的装置423。用于确定离散滤波器系数的装置423例如执行其中一个可能的最小化算法，如上所述。作为算法的结果，在相应适配步骤中所确定的滤波器系数经由输出端433被提供多个单滤波器，其中输出端433分别连接到多个单滤波器中一个滤波器。通过使用新计算的滤波器系数，由提供多个波场分量的装置409在下一步骤中所提供的波场分量被滤波。在滤波器系数完全适配时，由多个单滤波器提供的多个滤波后的波场分量对应于输出波场的多个波场分量。在该情况下，多个单滤波器的滤波器系数描述了空间的特征，例如其关于波传播的传输特征。
基于所确定的离散滤波器系数，可以执行波场分量的均衡，以便重新消除空间对传播的波场的影响。其中，与传统方法不同，波场的波场分量被均衡。这可以例如是在最小平均误差平方意义上运行的均衡器。
为了均衡波场分量，根据本发明的另一实施例，可以使用用于均衡的设备，其基于所确定的离散滤波器系数来均衡输出波场的波场分量。均衡后的波场分量然后被叠加到均衡后的波场，均衡后的波场可以被进一步处理。
根据图4的本发明的设计还可以用来基于声学的波场合成为全双工通信系统执行多维声学的回声消除(AEC)。在该情况下，本发明的用于检测空间的传输特征的设备还包括图4中未示出的用于从差波场分量中重构波场的装置。回音消除的基本思想是，数字地借助于滤波器结构模拟包括扬声器、空间和麦克风的回音路径，以便避免在相应通信方的空间上的声学反馈(以及由此可能带来的不稳定性，即反馈叫啸)。因此，扬声器-空间-麦克风系统表示要识别的系统，其在图4所示的实施例中由空间427表示。自适应滤波器由扬声器信号激励，并且因此被估计的回音信号被从包含实际回音的麦克风信号(未知系统的输出信号)中减去。在模型和真实系统准确一致时，麦克风信号中的回音将被完全地消除。根据本发明，多维地为多信道波场合成系统实现声学回音消除。
图5显示了用于声学回音消除的本发明的结构的一个实施例。图5所示的结构具有变换块501，该变换块501具有输入端503和输出端505。输出端505连接到自适应滤波器507。自适应滤波器507具有输出端509和适配输入端511。适配输入端511连接到减法器513的输出端。减法器包括连接到自适应滤波器507的输出端509的输入端，以及连接到变换块515的另一输入端。变换块515具有输入端517。加法器513的输出端还连接到具有输出端521的变换块519的输入端。
以下，将解释图5所示结构的功能性。
输入到扬声器阵列以激励扬声器的输入信号被提供到变换块501，变换块501被构造以便从输入信号中确定波场分量，其中，例如，变换1a和1被执行。然后，波场分量被输入到自适应滤波器507，并且执行分量的自适应滤波，如已经结合图3所示实施例所介绍的那样。来自麦克风阵列的输出信号被用于波场分解，以便确定接收信号的波场分量。因此，使用变换块515，其中例如执行上述的变换2。减法器513-也可以是加法器-的输出端处的处理后的波场分量被输入到变换块519，变换块519被构造以重构处理后的波场，其中例如执行所述的变换3。然后，处理后的波场被提供在输出端521。
图5所示的用于声学回音消除的结构可以用于将扬声器与麦克风解耦。根据本发明，在波场范围内执行回音消除。
图6显示了根据本发明另一个实施例的用于声学回音消除的另一设备，其中图6所示的结构基于已经联系图5描述的本发明的用于声学回音消除的结构。
图6所示的用于回音消除的结构具有变换块601，变换块601具有输入端603和多个输出端605。多个输出端605连接到多个自适应子滤波器607，其中每个自适应子滤波器具有输出端609和适配输入端611。每个自适应子滤波器609连接到减法器613-也可以是加法器。每个减法器613具有输入端615、输入端617-相应自适应子滤波器607的输出端连接到该输入端、以及输出端619。变换块621连接到多个减法器613的多个输出端619，该变换块621具有输出端623。
此外，图6所示的实施例还具有变换块625，该变换块625具有输入端626和多个输出端，这些输出端连接到多个减法器613的多个输入端615。
变换块601的输入端603连接到传输线路627。传输线路627还连接到扬声器阵列629，该扬声器阵列629圆形地放置在空间631中。此外，麦克风阵列633圆形地设置在空间631中，其中离散的接收装置(麦克风)提供输出信号，其经由输入端626提供给变换块625。
每个传送或接收装置(扬声器或麦克风)的几何位置由图6所示的角度Θ和相应的半径决定，只要所有麦克风和扬声器位于一个水平。
在图6所示的实施例中，为了简单的目的，假设圆形的扬声器和麦克风阵列，使得在由此形成的水平上执行识别。为了完全检测波场(包括方向性信息)，麦克风阵列优选地包括特定麦克风，所谓的声场麦克风，可以参见以下论文：D.S.Jagger，“Recent developments andimprovements in soundfield microphone technology”，Preprint 2064of 75th AES Convention，Paris，March 1984。这些麦克风在圆线(Kreislinie)上提供压力曲线和声速，由此可以借助于波场合成在通信系统-其基于图6所示实施例-的另一端处准确地再现这个空间中的波场。但是，由麦克风阵列记录的声场还包括由空间上扬声器阵列所导致的回音，其应该被消除。
如上所述，在变换块601、625和621(变换单元)中，扬声器阵列的非混响场和由麦克风阵列所记录的混响场被分解为例如平面波场分量，这些平面波场分量在相应的不同方向上传播。因为在该例中，两个阵列都是圆形的，所以极坐标适合于描述。平面波场分量可以在波数范围内经由角度Θ获得(所谓的平面波分解)。因为这些波场分量是互相正交的，因此它们可以互相独立地为波数的不同值、关于阵列上的角度地被进一步处理。如上所述，已知的单信道适配算法现在被应用到单个波场分量上。整个消除扬声器回音的场最后在变换单元621中从单个波场分量中又被合成(重构)。
但是，与图6所示结构不同，用于波场合成的声学回音消除的其他变体也是可以的。例如，虚拟声源信号Si被输入到输入端603，使得首先通过使用已经描述的变换1a来执行第一波场合成。如上所述，变换块601从由此获得的信号中提供所需的波场分量。
但是，可选地，可以分开地执行输出和滤波的波场合成。在该情况下，变换块601扩展到波场合成。
根据本发明另一实施例，波场分量-其例如是平面的波场分量-已经位于输入端603。当基于声源编码已经在本发明的变换区域中使用了有效传输时，该情况是感兴趣的，例如在电话会议系统中就是这种情况。如果分解的波场分量已经位于输入端603，则变换块601被构造，以便传送波场分量到自适应子滤波器。可选地，变换块601可以被省略。如之前所描述的那样，执行剩余变换。
根据另一实施例，变换块621可以被省略。如果省略了变换块621，那么可以例如在平面的波范围内执行有效传输或存储。合成然后可以才在传输线路的接收侧上或者当再现存储器内容时执行。
另一个设计-其传统地同样属于所讨论的系统识别方法分类-是空间有效噪声抑制(ANC＝有效噪声控制)。其中，为了消除(Ausloesung)干扰声音，自适应地产生相反声音(Gegenschall)，如图7所示。其中，产生干扰声音的干扰声源703位于空间701内。原始干扰信号被接收装置705接收，并且基于此的信号被输入到自适应滤波器707中。自适应滤波器707具有适配输入端709和输出端711，其中输出端711连接到用于产生相反声音的扬声器713。残余误差信号被另一接收装置715接收，并且基于此的信号被输入到适配滤波器707的适配输入端709。如图7所示，声场在由画出的箭头所指示的方向上传播。其中，滤波器被适配，直到产生尽可能完全补偿干扰声音的相反声音，使得在理想情况下，另一接收装置715不能检测到信号。
根据本发明另一实施例，有效噪声抑制可以已经在波范围内被执行。
图8显示了本发明的麦克风阵列801、扬声器阵列803和麦克风阵列805的排列的一个实施例。其中，各个阵列以圆形被设置。其中，麦克风阵列805具有最小半径。在麦克风阵列805周围，扬声器阵列803以圆形排列。在扬声器阵列803周围，具有最大半径的麦克风阵列801以圆形排列。如果干扰来自外部，那么目标就是产生这样的相反信号，使得在内区域807中是抑制的。根据本发明，有效噪声抑制的多维扩展是通过将图7的扬声器和麦克风分别由上述阵列替换而获得的。在变换范围内执行适配，如已经结合回音消除所示的那样。其中，麦克风阵列801提供干扰场的参考。麦克风阵列805提供残余误差的场。
图9显示了所得到的用于上述情况的有效噪声抑制的结构，其中为了简单的目的，显示了用于波场分量的结构。
图9所示设备包括自适应分滤波器901，其具有输入端903和输出端905。此外，自适应分滤波器901还具有适配输入端907。来自麦克风阵列801的信号被变换块909接收，其中变换块909被构造以便将由麦克风阵列801所接收的场的波场分量提供到输入端903。自适应分滤波器901的输出端905连接到变换块911，变换块911被构造以便基于波场分量的叠加而执行波场的重构，并且激励扬声器阵列803。响应于接收场，麦克风阵列805将输出信号提供到变换块913，该变换块913被构造以便确定由麦克风阵列805分接的接收场的波场分量，并将其提供到适配分滤波器的相应适配输入端907。适配分滤波器被构造，以便执行滤波器系数的适配，如上所述。如果滤波器被适配，那么扬声器阵列803被这样激励，使得来自外部的干扰在内区域807中被补偿。
根据另一情况，干扰来自内部。适配算法的目的是在外区域、即在麦克风排列之外的区域中产生这样的相反声音，以便补偿干扰。为此，根据本发明，图9所示的框图被镜像，其中麦克风阵列805和801的角色互换了。
根据另一情况，干扰既来自内部也来自外部。在这种情况下，根据本发明，需要并行地使用图9所示框图及其镜像版本。在这种情况下，在接收和再现时需要处理输入的和输出的波场分量。为了能够区别传播方向，需要相应麦克风阵列测量(至少在正常方向上)声压和声速。
除了系统识别，反系统建模扮演了很重要的角色，以便例如滤波系统的输出信号。如果滤波器系数是均衡器系数，那么其描述所考虑系统的反传输特征。
图10显示了在波场传播时用于检测空间的反传输特征的设备的一个实施例，其中响应于输入信号，波场由设置在确定几何位置处的离散传送装置产生。波场在传播，并且接收波场被设置在空间预定几何位置处的接收装置检测，如上所述。响应于接收波场，接收装置提供被认为是系统输出信号的输出信号。波场可以是电磁波场或声学波场，如上所述。
图10显示的设备显示了用于产生输入信号副本的装置1101，其其中输入信号位于用于产生副本的装置1101的输入端1103上。用于产生副本的装置1101还具有输出端1105，经由其控制被设置在空间1107中的多个离散传送装置。在空间1107中，多个离散接收装置被设置，其被连接到输出端1109，可以响应于接收波场而在该输出端1109上提供输出信号。输出端1109连接到用于提供多个波场分量的装置1111，其中用于提供多个波场分量的装置1111具有连接到多个单滤波器1115的多个输出端113。用于提供多个波场分量的装置1111和多个单滤波器1115一起构成已经讨论过的用于处理输入信号的设备。多个单滤波器1115具有多个输出端1117，这些输出端连接到减法器1119一其也可以是加法器-的多个输入端。此外，减法器1119还具有多个其他输入端1112和多个输出端1123。
用于产生副本的装置1101具有另一输出端1125，该输出端1125连接到延迟装置1127的输入端。延迟装置1127具有输出端1129，该输出端1129连接到用于提供多个波场分量的装置1131。用于提供多个波场分量的装置1131具有多个连接到减法器1119输入端1121的输出端。减法器1119的多个输出端1123连接到用于确定离散滤波器系数的装置1133的多个输入端。用于确定离散滤波器系数的装置1133具有多个其他输入端1135，它们连接到用于提供多个波场分量的装置1111的输出端1113。用于确定离散滤波器系数的装置1133还具有多个输出端1137，它们连接到多个单滤波器1115。
用于产生副本的装置1101例如可以是在输出端1105和1125上提供输入信号1103的准确副本的分路器。延迟装置1127位于图10所示设备的下支路中，其延迟输入信号的副本，使得图10所示设备的上支路中的信号延迟被平衡，其中图10所示设备包括空间1107、用于提供多个波场分量的装置1111以及多个单滤波器1115。
减法器1119从延迟后的波场分量和位于单滤波器输出端上的滤波后的波场分量中产生参考波场分量，参考波场分量经由输出端1123被提供给用于确定离散滤波器系数的装置1133。从滤波后的波场分量和延迟后的波场分量的差中形成差波场分量。用于确定离散滤波器系数的装置1133被构造，以便自适应地从差波场分量和由用于提供多个波场分量的装置1111所提供的波场分量中确定离散滤波器系数，并将离散滤波器系数提供到用于处理输入信号的设备(到多个单滤波器1115)，其中离散滤波器系数是检测到的空间的反传输特征。执行滤波器系数的适配，直到空间对接收波场的波场系数的影响已经被多个单滤波器1115消除。
图11显示了用于反建模的设备的另一实施例，其中为了清楚的目的，仅仅为一个模式显示结构。图11所示设备包括变换块1201，该变换块1201具有输入端1203和输出端1205。输出端1205连接到自适应分滤波器1207的输入端，该自适应分滤波器1207具有输出端1209和适配输入端1211。自适应分滤波器1207的输出端1209连接到变换块1213，该变换块1213具有输出端1215。
变换块1201的输出端1205还连接到延迟元件1217的输入端，其中延迟元件1217具有输出端1219，其连接到减法器1221的输入端，该减法器也可以是加法器。减法器1221还具有另一输入端1223，该输入端1223连接到变换块1215的输出端，该变换块1215具有输入端1227。减法器1221的输出端连接到自适应分滤波器1207的输入端1211。
图11所示组件的功能性已经结合被讨论的实施例被描述了。变换块1201例如执行变换1，其中从输入信号中导出波场分量，该波场分量被输入到自适应分滤波器1207。滤波之后，滤波后的波场分量被输入到变换块1213，该变换块1213执行波场分量的重构，以便产生以激励信号的形式被传送到扬声器阵列的波场。延迟元件1217用来平衡信号延迟。由麦克风阵列所检测到的接收波场作为接收信号被输入到变换块1225，变换块1225例如执行变换2并在输出端上提供所接收波场的波场分量。然后，减法器1221确定延迟后的波场分量和接收波场的波场分量之间的差，并将差波场分量提供在自适应分滤波器的适配输入端。由麦克风阵列所提供的信号例如用于产生误差信号，以便驱动适配，使得正确地确定滤波器系数。图11所示的空间均衡空间补偿结构用于修改扬声器阵列处发射的声场，使得对于听众，再现空间的影响、例如墙上反射形式的影响被最小化。延迟元件1217产生波场分量的时间延迟，因此自适应系统是因果的。
根据变换块的排列，空间补偿的多种变体是可能的。例如，如果扬声器信号输入到输入端1203，那么如上所述，扬声器信号被用来确定要发射的波场的波场分量。例如，变换块1213执行在扬声器位置处的波场的外推，如已经结合回音消除所述的那样。如上所述，变换块1225分解麦克风信号。
可选地，虚拟声源可以位于输入端1203，如上所述。其中，如上所述，变换块1201提供虚拟声源的分解。变换块1213和1225不改变它们的功能。
但是，可选地，也可以是这样，即波场分量形式的被分解波场已经位于输入端1203。在这种情况下，变换块1201可以被省略。然而，变换块1213和1225仍然保持它们的功能性。如上所述，基于波场合成，反建模在声学再现系统的多维空间补偿中扮演着重要的角色。其中，高质量的声学再现系统应该尽可能真实地再现记录的或合成产生的声场。与基于立体声原理的再现系统相比，波场合成具有许多优点。但是，波场合成的理论方法以扬声器信号的自由空间传播为前提。然而，在现实的再现空间中，大多数情况下不满足这些条件，在再现过程中，每个扬声器信号在再现空间的墙上产生反射，这在纯粹的波场合成理论基础中并没有被考虑。声场中这些不希望的分量可能导致再现过程中的失真。扬声器补偿的基本思想是，使用现有扬声器也用于再现空间的声学的补偿。与空间补偿的经典方法相比，波场合成提供了执行大空间可听范围的空间补偿的可能性，其中空间补偿的经典方法可参见以下论文：L.D.Fielder，“Practical limits for roomequalization”，Audio engineering society 110th convention，New York，September 2001。
在实际转换中，将所期望的波场与所测量的实际存在的波场比较，以便适配补偿滤波器，这对应于反建模。这里，也适用于已经提到的关于补偿滤波器的适配时的消耗和收敛属性的问题。
图12显示了用于声学空间补偿的设备的一个实施例。
图12所示设备具有变换块1301，该变换块1301具有输入端1303和多个输出端1305。每个输出端1305连接到自适应子滤波器1307，其中各个滤波器的多个输出端连接到变换块1311的多个输入端1309。变换块1311具有输出端1313，其连接到被设置在空间1317中的扬声器阵列1315。
此外，麦克风阵列1319被设置在空间1317中，该麦克风阵列1319具有输出端，该输出端连接到变换块1323的输入端1321。变换块1323具有多个输出端1325，其连接到多个减法器1327，该减法器也可以是加法器。此外，多个减法器1327分别还具有另一输入端1329，该输入端1329连接到相应自适应滤波器1307的相应适配输入端1331。在输入端1329和减法器1327之间还可以设置延迟元件。
图12所示设备具有如已经结合上述实施例所描述的结构。自适应滤波器1307的任务是对由变换块1301提供的波场分量(变换1)进行滤波，使得空间影响正好补偿由自适应滤波器1307所引入的特征，从而执行变换2的变换块1323的波场分量对应于原始波场分量。
图12所示设备显示了使用已经描述的根据本发明的信号处理技术有效地实现空间补偿。首先，期望的波场例如被分解为平面波场分量。然后，空间补偿滤波器1307互相独立地对这些平面波场分量进行处理，其中这些平面波场分量在理想情况下是互相正交的。然后，根据扬声器阵列1315的几何学，从滤波后的平面波场分量中获得扬声器信号。在该应用实例中，所使用的扬声器阵列1315和用于分析空间影响的麦克风阵列1319是圆形的。通过有效的实现，所测量的信号可以又从麦克风信号中被分解为平面波场分量，例如在使用变换2的情况下。通过比较这个区域中期望的波场和实际测量的波场，补偿滤波器1307可以有效地被适配。在这种情况下，通过波场分量的正交性，又可以使用单信道适配算法，如上所述，使得可以执行有效的多维声学空间补偿。
根据本发明另一方面，本发明的设计可以用于预测结构。
图13显示了预测设备的第一实施例，该预测设备具有变换块1401，该变换块1401具有输入端1403和输出端1405。输出端1405连接到减法器1407，该减法器也可以是加法器。此外，减法器1407还具有输出端1409和另一输入端1411。变换块1401的输出端1405还连接到延迟元件1413，该延迟元件1413具有输出端1415，该输出端1415连接到适配滤波器1417。适配滤波器1417具有连接到减法器1407的该另一输入端1411的输出端，以及连接到减法器1407的输出端的适配输入端1419。变换块1401例如被构造，以便将位于输入端1403的信号-其例如表示要发送的波场-用于将要发送的波场分解为波场分量。输入信号是在传送侧或者在麦克风阵列的记录信道上的要再现的扬声器内容。如果波场是声学的声场，则如上所述，关于声压分布和关于声速度的信息可以从输入信号中获得。其中，变换块1401执行将波场分解为空间正交的分量，如已经在回音消除的情况中所述的那样。如果输入信号包括信息携带部分(信息部分)和可预知的冗余，那么滤波器适配的目标是对延迟元件1413的输出端上的延迟后的波场分量进行滤波，使得在减法器1407中所执行的减法之后，在输出端1409上产生信号，该信号在理想情况中只包括信息部分。该信号1419(预测误差信号)还用于控制自适应滤波器1417的适配。
在接收侧，预测误差信号的所有分量被检测，并且输出信号被这样滤波，使得在传送器中执行的预测被反转，即由包括不可预知的信息部分的接收信号和可预知的冗余组成原始信号。
图14显示了用于从所接收的预测误差信号中再现信号的设备。图14所示的设备显示了变换块1501，该变换块1501具有输入端1503和输出端1505。输出端1505连接到加法器1507，该加法器1507具有输出端1509和另一输入端1511。加法器1507的输出端1509连接到变换块1513的输入端，该变换块1513具有输出端1515。此外，自适应滤波器1517连接到加法器1507的输出端1509，该自适应滤波器1517具有输出端，其连接到加法器的该另一输入端1511。
位于输入端1503处的接收信号被用于在可能情况下将基础的接收波场分解为波场分量。作为接收信号存在的波场分量被输入到加法器，该加法器执行接收波场的波场分量与位于自适应滤波器1517输出端的滤波后的分量的加法。其中，自适应滤波器1517处理合成的波场分量，该合成的波场分量被提供到加法器1507的输出端。如果图14所示设备执行与图13所示设备相反的操作，则自适应滤波器1517被构造以便接收滤波器系数，如图14所示，以便执行滤波。于是，滤波器系数是图13的滤波器的自适应调整的滤波器系数。变换块1513执行例如变换3以便执行外推，如已经结合回音消除所述的那样。在这种情况下，合成的、重构的波场位于输出端1515上。
作为图14所示前向预测的变体，也可以使用反向预测。为此，与图13相似，在变换单元1401之后为每个波场分量单独地使用反向预测，如在以下论文中所述：B.Sklar，“Digital Communications”，Prentica Hall，Englewood Cliffs，NJ，USA，1988。
图13和14所示设备表示了在一个模式(波场分量)的例子中的信号处理。多维扩展是可以的，其中图13和14所示设备被加倍，并与每个模式相关联。
如上所述，图13所讨论的输入信号包括信息部分和冗余部分，其中要提供的预测误差信号应该只包括信息部分。响应于预测误差信号，波场由设置在预定几何位置处的离散发送装置产生，其中波场可以是声学的声场或电磁场。根据本发明的另一实施例，在用于产生输入信号副本的装置的多维扩展中，图13所示设备包括用于从输入信号中提供多个波场分量的装置、用于延迟输入信号副本的装置和用于处理延迟后的输入信号副本并从输入信号的延迟副本中提供多个滤波后的波场分量的装置。用于处理延迟后的副本的设备例如具有已经多次所述的结构。此外，本发明的设备包括减法器，用于从多个波场分量和多个滤波后的波场分量之间的差中产生多个差波场分量。但是，减法操作也可以由加法器执行，其中相应的波场分量被提供以负号。本发明的用于产生预测误差信号的设备还包括用于确定离散滤波器系数的装置，其中用于确定离散滤波器系数的装置连接到用于处理输入信号的设备，如上所述。用于确定离散滤波器系数的装置还被构造以便接收由用于处理输入信号的设备所导出的波场分量。本发明的用于确定离散滤波器系数的装置还连接到用于处理输入信号的设备的多个单滤波器，以便提供离散滤波器系数。用于确定离散滤波器系数的装置被构造，以便从多个差波场分量和从对应于延迟后的接收信号的多个波场分量中提供离散滤波器系数，以便通过在滤波时抑制冗余部分而产生预测误差信号。预测误差信号可以已经包括滤波后的波场分量。然而，可选地，预测误差信号可以用于重构波场，其中在这种情况下，重构的波场是预测误差信号。
响应于预测误差信号，输出波场由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生。输出波场在空间中传播，使得接收波场可以被多个设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测。响应于接收波场，接收装置提供输入信号，从该输入信号中应该重构包括信息部分和冗余部分的有效信号，如已经结合图14所示设备所述的那样。
根据另一实施例，本发明的用于恢复有效信号的设备包括用于处理输入信号的设备，如上所述。用于处理输入信号的设备具有用于提供波场分量的装置，如上所述。用于提供波场分量的装置连接到加法器，该加法器被构造以便将多个波场分量和由多个单滤波器所提供的滤波后的波场分量相加，并且将相加后的多个波场分量提供在多个单滤波器上以滤波，其中多个单滤波器被构造以便通过使用已经被用于产生预测误差信号的离散滤波器系数来滤波相加的波场分量。离散的滤波器系数可以由用于提供滤波器系数的装置提供。用于提供滤波器系数的装置可以例如被构造以便从其中执行预测的传送器接收滤波器系数，如结合使用预测结构的情况那样。在该实施例中，相加的多个波场分量表示被恢复的有效信号。
如上所述，本发明的设计也可以用于干扰抑制或通常用于抑制干扰信号。例如，如果有用波场被设置在空间内的发送装置发送，那么其可能被叠加到有用波场的干扰波场干扰。干扰波场例如可以由干扰传送器产生，该干扰传送器被设置在空间中。干扰传送器例如可以是也发射波场的外部传送装置。由于有用波场和干扰波场的叠加，产生被干扰的接收波场，其可以由设置在空间内的离散接收装置分接。如上所述，响应于接收波场，生成包括干扰部分和有用部分的接收信号。干扰抑制的目的是最小化干扰部分。
图15显示了用于抑制包括干扰部分和有用部分的接收信号中干扰部分的设备的一个实施例。图15所示设备包括用于提供多个波场分量的装置1601，该装置1601具有输入端1603和多个输出端1605。多个输出端1605连接到选择器1607的多个输入端，其中选择器1607具有多个输出端1609。多个输出端1609连接到多个单滤波器1611。多个单滤波器1611具有多个输出端1613，这些输出端1613连接到减法器1615的多个输入端。减法器具有多个输出端1617，其连接到用于确定滤波器系数的装置1619的多个输入端。用于确定滤波器系数的装置还具有多个其他输入端1621，其连接到选择器1607的多个输出端1609。用于确定滤波器系数的装置1619还具有多个输出端1623，其分别连接到多个单滤波器1611中的一个。图15所示设备具有如已经结合所述实施例介绍的结构。特别地，用于提供多个波场分量的装置1601以及多个单滤波器1611是用于提供处理后的输入信号的设备的一部分，如已经例如结合图1所示实施例所讨论的那样。选择器1607例如可以被集成到提供装置。接收信号位于输入端1603，其中由多个离散接收装置响应于被干扰的接收波场产生该接收信号。用于提供多个波场分量的装置1601被构造以便提供接收信号的波场分量。其中，接收信号的波场分量包括有用波场分量，其可以对应于设置离散发送装置的几何位置，接收信号的波场分量还包括干扰波场分量，其可以对应于例如干扰源被设置的空间内几何位置。选择器1607被构造以便选择干扰波场分量，以产生干扰波场分量的估计。特别地，选择可以时间、空间和频率选择性地进行，例如基于空间的已知其他几何位置，例如干扰传送器的设置角度。在由多个单滤波器的滤波之后，所选择的干扰波场分量被输入到减法器1615。其中，减法器形成滤波后的干扰波场分量和包括干扰波场分量和有用波场分量的波场分量之间的差。由用于提供多个波场分量的装置1601所提供的波场分量被输入到减法器1615的多个输入端1625。因此，减法器1615从接收波场的波场分量中减去干扰波场分量的滤波后的估计。因此，在理想情况、即在滤波器系数完全适配的情况下，在减法器的输出端上提供只包括有用波场分量的波场分量。其中，用于确定滤波器系数的装置1619被构造以便这样自适应地调整滤波器系数，使得所选择的干扰波场分量被这样滤波，使得它们可以通过形成差而被抑制。
因此，包括多个单滤波器和用于确定滤波器系数的装置的自适应滤波器产生干扰信号的估计，其例如作为参考信号从有用和干扰信号的混合中被减去。
根据本发明另一实施例，表示有用和干扰信号混合以及干扰部分的估计的信号可以被交换。图16显示了用于抑制干扰部分的本发明的设备的另一实施例。
图16显示了空间1701，其中离散发送装置1703被设置在几何位置上。其波场分量应该被抑制的声源1705位于空间1703中另一几何位置上。图16中未示出的多个接收装置检测接收波场，并响应于检测到的接收波场产生输出信号，其被输入到变换块1707和变换块1709。
变换块1707具有连接到适配分滤波器1713的输入端的输出端1711。适配分滤波器具有输出端1715和适配输入端1717。适配分滤波器1717的输出端1715连接到减法器1719的输入端1721。减法器1719还包括另一输入端，变换块1709的输出端连接到该输入端。减法器1719的输出端1723连接到适配分滤波器的适配输入端1717并连接到具有输出端1727的变换块1725的输入端。
变换块1709和1707被构造以便从输入信号中确定接收波场的波场分量。
离散发送装置1703(期望声源)产生应该竟可能保持的波场。为此，在由自适应分滤波器1713滤波之后，由变换块1707所产生的波场分量(参考分量)被从已经由变换块1709所产生的波场分量中减去。在减法器1719的输出端上出现在理想情况中没有干扰波场分量的波场分量。在由变换块1725进行的波场分量的可选重构之后，产生例如可以被存储或进一步处理的信号。
变换块1709或1707被构造以便执行所述的变换1或变换2。根据本发明另一方面，变换块1707可以被构造以便附加地执行波场分量的空间滤波，以便根据角度Θ例如仅仅接受要删除的声源所包含的分量。代替空间滤波，可以直接在自适应滤波中考虑附加条件，使得例如上述选择在自适应分滤波器中进行。变换块1725可以执行上述变换3。可选地，所有波场分量可以被加权地相加。
根据本发明另一实施例，图16所示的、并提供原始分量的上支路可以被省略。在这种情况中，减法器1719也不是必要的。通过变换块1707执行例如空间滤波而去除干扰分量，在空间滤波中，干扰分量被抑制。可选地，在自适应滤波中，可以引入附加条件，例如以角度Θ的形式，该角度表示干扰声源的设置，使得例如只有干扰波场分量被从接收波场的波场分量中被取出。
图17显示了用于干扰抑制的设备的另一实施例。图17所示设备包括变换块1801，该变换块1801包括输入端1803和输出端1805。输出端1805连接到自适应分滤波器1807的输入端。自适应分滤波器1807具有输出端1809和适配输入端1811。自适应分滤波器1807的输出端1809连接到具有输出端1823的变换块1821的输入端。输出端1809还连接到减法器1813，该减法器1813具有另一输入端1815和连接到适配分滤波器的适配输入端1811的输出端。
此外，图17所示设备还包括变换块1817，该变换块1817具有连接到减法器1813的输入端1815的输出端。此外，变换块1817还包括预先信息(Vorinformation)位于其上的输入端1819。
预先信息例如可以从有用波场的估计中获得。例如，在变换范围内的有用波场(源激活检测：source activity detection)的时间间隔中执行仅仅缓慢变化的干扰波场的估计。由此，获得变换范围内有用波场的估计。其中，图17所示结构表示了单模式的处理。其中，变换块1801以及变换块1817被构造以便从输入的信号中产生波场分量。(可选的)变换块1821被构造以便重构波场。
图18显示了用于回音消除的计算机-25程序的实施例。根据另一实施例，本发明的用于抑制包括干扰部分和有用部分的接收信号中干扰部分的设备包括用于处理输入信号的设备、减法器以及用于从所选择的波场分量和差中确定离散滤波器系数的装置，其中接收信号可以由设置在空间预定几何位置处的接收装置响应于可检测的波场而产生，其中可检测的波场是有用波场和干扰波场的叠加，其中用于提供波场分量的装置具有选择器，该选择器被构造以便由于空间、时间或频谱特征而选择要选择的波场分量，并且以便将所选择的波场分量提供到多个单滤波器，其中多个单滤波器被构造以便影响所选择的波场分量并以便输出被影响的所选择波场分量作为滤波后的波场分量，减法器连接到根据本发明的用于处理输入信号的设备，其中减法器被构造以便产生波场分量和滤波后的波场分量之间的差，其中用于确定离散滤波器系数的装置被构造以便提供滤波器系数到设备的多个单滤波器，以便这样滤波所选择的波场分量，使得由减法器所提供的波场分量中的干扰部分被抑制。其中，要选择的波场分量可以是干扰波场分量或有用波场分量。其中，干扰部分通过形成差或通过滤波被抑制。
根据另一实施例，根据本发明的用于抑制包括干扰部分和有用部分的接收信号中干扰部分的设备包括用于处理输入信号和用于提供滤波后的波场分量的设备、连接到用于确定波场分量的装置的选择器、连接到用于处理输入信号的设备的减法器以及用于从波场分量和差中确定离散滤波器系数的装置，其中接收信号可以由设置在空间预定几何位置处的接收装置响应于可检测的波场而产生，其中可检测的波场是有用波场和干扰波场的叠加，其中选择器被构造以便基于空间、时间或频谱特征而从波场分量中选择要选择的波场分量，并以便提供所选择的波场分量，其中减法器被构造以便产生所选择波场分量和滤波后的波场分量之间的差，其中用于确定离散滤波器系数的装置被构造以便将滤波器系数提供到用于处理输入信号的设备的多个单滤波器上，并且以便这样对波场分量进行滤波，使得减法器所提供的波场分量中干扰部分被抑制。其中，要选择的波场分量可以是干扰波场分量或有用波场分量。
根据情况，根据本发明的方法可以用硬件或软件实现。实现可以在数字存储介质上、尤其是在具有电子可读控制信号的磁盘或CD上实现，其中电子可读控制信号可以与可编程计算机系统协作，以便执行相应的方法。因此，一般地，本发明也包括带有存储在计算机可读载体上的程序代码的计算机程序产品，其中当在计算机上运行计算机程序产品时程序代码执行根据本发明的方法。换句话说，本发明因此可以被实现为具有程序代码的计算机程序，其中当在计算机上运行计算机程序时程序代码执行本方法。

Claims (31)

1.一种用于处理输入信号的设备，其中所述输入信号包括对应于离散的发送装置或接收装置的多个子信号，其中所述离散的发送装置或接收装置被相对于空间地设置在预定几何位置上，所述用于处理输入信号的设备包括：
用于提供多个波场分量的装置(101，409，431，1111，1131，1601)，其中所述多个波场分量的叠加形成合成波场，其中所述合成波场可以在所述空间中传播，其中基于正交的波场基函数和预定几何位置，通过波场分解从所述输入信号中获得所述多个波场分量；
多个单滤波器(107，201，301，413，507，607，707，901，1115，1207，1307，1417，1517，1611，1713，1807)，其中一个单滤波器对应于所述多个波场分量的一个波场分量；
其中单滤波器被构造以便影响相应的波场分量，使得在输出侧对于所述多个单滤波器(107，201，301，413，507，607，707，901，1007，1115，1207，1307，1417，1517，1611，1713，1807)，获得表示一个处理后的输入信号的多个滤波后的波场分量。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述合成波场是声学的声场，所述声场可以由预定几何位置处的离散发送装置产生，或者可以被预定几何位置处的离散接收装置检测，其中子信号包括声场在相对于空间的预定几何位置处的声压和/或声速，其中所述提供装置被构造以便使用正交的波场基函数从基于声压的量和/或基于声速的量的耦合中确定波场分量。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述用于提供多个波场分量的装置(101，409，431，1111，1131，1601)包括变换器，用于产生声压的空间傅立叶变换作为基于声压的量和/或用于产生声速的空间傅立叶变换作为基于声速的量。
4.如权利要求1到3中任何一个所述的设备，其中所述用于提供多个波场分量的装置(101，409，431，1111，1131，1601)还包括用于提供正交波场函数的离散函数值的装置。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述用于提供离散函数值的装置包括其中可以存储所述离散函数值的存储器。
6.如权利要求1到5中任何一个所述的设备，其中所述多个单滤波器具有离散的滤波器系数，其中单滤波器被构造以便接收用于滤波所述波场分量的离散滤波器系数。
7.如权利要求1到6中任何一个所述的设备，还包括用于确定离散滤波器系数的装置(423，1029，1133，1619)，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1029，1133，1619)被构造以便为单滤波器接收差波场分量，并通过使参考波场分量和波场分量之间的差最小化而确定离散的滤波器系数。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1029，1133，1619)被构造以便在时间域或频率域中基于以下算法中一个算法而自适应地确定离散的滤波器系数：MSE算法(MSE＝均方误差，平均误差平方)，MMSE算法(MMSE＝最小均方误差；最小平均误差平方)，LMS算法(LMS＝最小均方，最小误差平方)，RLS算法(RLS＝递归最小平方)，PDAF算法(PDAF＝频率域自适应滤波)，仿射投影算法，Newton算法，NLMS算法(NLMS＝归一化的LMS)。
9.如权利要求1到8中任何一个所述的设备，还包括用于重构波场的装置，其中所述用于重构的装置被构造以便通过叠加基于滤波后的波场分量的量来重构滤波后的波场，并提供处理后的输入信号，其中，可以由多个离散发送装置响应于所述处理后的输入信号产生重构的波场。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述用于重构的装置被构造以便通过波场分量的基于傅立叶的变换来重构滤波后的波场。
11.一种在波场传播中检测空间的传输特征的设备，其中所述波场可以响应于输入信号由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生，其中接收波场可以被设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测，其中所述接收装置响应于所述接收波场产生输出信号，所述设备包括：
用于产生输入信号的副本的装置(401，1101)；
用于从所述输出信号中提供输出波场的多个波场分量的装置(101，409，431，1111，1131，1601)；
如权利要求1到10中任何一个所述、用于处理输入信号副本的设备，其中所述用于处理的设备被构造以便提供波场的多个滤波后的波场分量作为处理后的输入信号；
减法器，用于从波场的多个滤波后的波场分量和输出波场的多个波场分量的差中产生多个差波场分量；
用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)，所述用于确定离散滤波器系数的装置连接到用于处理输入信号的设备，以接收波场的波场分量并提供离散的滤波器系数，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1029，1133，1619)被构造以便从差波场分量和波场的波场分量中自适应地确定离散的滤波器系数，并将离散的滤波器系数提供到用于处理输入信号的设备，其中所述离散的滤波器系数是空间的被检测的传输特征。
12.如权利要求11所述的设备，还包括用于从差波场分量中重构波场的装置，其中被重构的波场受到输入信号的影响小于输出波场受到输入信号的影响。
13.一种有效抑制激励信号中干扰的设备，响应于所述激励信号，设置在空间的预定几何位置处的多个发送装置产生波场，所述波场在空间中传播，其中接收波场可以被设置在空间的预定几何位置处的多个离散的接收装置检测，其中所述离散的接收装置响应于接收波场提供输出信号，所述设备包括：
根据权利要求1到11中任何一个所述的用于处理作为输入信号的激励信号的设备，其被构造以便提供波场的多个滤波后的波场分量；
用于从滤波后的波场分量中重构波场的装置，其中所述用于重构的装置被构造以便将滤波后的激励信号提供到离散的发送装置；
用于提供接收波场的多个波场分量的装置(101，409，431，1111，1131，1601)；
用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)，其连接到如权利要求1到10中任何一个所述的用于处理输入信号的设备，以接收波场的波场分量并提供离散的滤波器系数，其中所述用于确定滤波器系数的装置被构造以便从差波场分量和波场的波场分量中自适应地确定离散的滤波器系数，并提供所述离散滤波器系数到所述用于处理输入信号的设备，以通过对波场分量进行滤波来抑制干扰。
14.一种用于在波场传播中检测空间的反传输特征的设备，其中所述波场可以响应于输入信号而由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生，其中接收波场可以被设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测，其中所述接收装置响应于所述接收波场产生输出信号，所述设备包括：
用于产生输入信号的副本的装置(401，1101)；
用于延迟输入信号的副本的装置；
用于从延迟后的输入信号副本中提供多个波场分量作为参考波场分量的装置(101，409，431，913，1111，1131，1601)；
如权利要求1到10中任何一个所述的、用于处理输出信号并用于提供接收波场的多个滤波后的波场分量的设备；
减法器，用于从滤波后的波场分量和延迟后的波场分量之间的差中产生多个差波场分量；
用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)，其连接到如权利要求1到10中任何一个所述的设备，以接收波场的波场分量并提供离散的滤波器系数，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)被构造以便从差波场分量和波场的波场分量中自适应地确定离散的滤波器系数，并提供所述离散的滤波器系数到如权利要求1到11中任何一个所述的设备，其中所述离散的滤波器系数是空间的被检测的反传输特征。
15.一种用于从输入信号中产生预测误差信号的设备，其中所述输入信号包括信息部分和冗余部分，并且其中所述预测误差信号包括所述信息部分，其中响应于所述预测误差信号，可以由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生波场，所述设备包括：
用于产生输入信号的副本的装置(401，1101)；
用于从输出信号中提供多个波场分量的装置(101，409，431，1111，1131，1601)；
用于延迟输入信号的副本的装置；
如权利要求1到10中任何一个所述的用于处理延迟后的输入信号副本、并从输入信号的延迟副本中提供多个滤波后的波场分量的设备；
减法器，用于从多个波场分量和多个滤波后的波场分量之间的差中产生多个差波场分量；
用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置连接到如权利要求1所述的设备，以接收波场分量并提供离散的滤波器系数，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)被构造以便从所述多个差波场分量中和从对应于延迟后的输入信号的多个波场分量中提供离散的滤波器系数，以便通过在滤波中抑制冗余部分来产生预测误差信号，其中所述多个滤波后的波场分量是预测误差信号。
16.一种用于从输入信号中恢复有效信号的设备，其中所述有效信号包括信息部分和冗余部分，其中所述有效信号包括波场的多个波场分量，其中所述冗余部分可以通过滤波所述多个波场分量而被抑制，其中所述多个滤波后的波场分量产生预测误差信号，响应于所述预测误差信号，输出波场可以由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生，其中所述输出波场可以在所述空间中传播，其中接收波场可以被设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测，其中所述离散的接收装置响应于所述接收波场产生输入信号，所述设备包括：
用于提供滤波器系数的装置；
如权利要求1到11中任何一个所述的用于处理输入信号的设备，其中所述用于提供波场分量的装置包括加法器，所述加法器被构造以便将所述多个波场分量相加以及将所述多个滤波后的波场分量相加，并将相加后的多个波场分量提供到多个单滤波器，其中所述多个单滤波器被构造以便通过使用离散的滤波器系数来滤波所述相加的多个波场分量；
其中所述相加的多个波场分量是被恢复的有效信号。
17.一种用于抑制接收信号中干扰部分的设备，所述接收信号包括干扰部分和有用部分，其中所述接收信号可以由设置在空间的预定几何位置处的接收装置响应于可检测的波场而产生，其中所述可检测的波场是有用波场和干扰波场的叠加，所述设备包括：
如权利要求1到10中任何一个所述的用于处理输入信号的设备，其中用于提供波场分量的装置包括选择器，所述选择器被构造以便基于空间、时间或频谱特征选择要选择的波场分量，并将所选择的波场分量提供到多个单滤波器，其中所述多个单滤波器被构造以便影响所选择的波场分量并输出被影响的所选择的波场分量作为滤波后的波场分量；
连接到如权利要求1到10所述设备的减法器，其中所述减法器被构造以便产生波场分量和滤波后的波场分量之间的差；
用于从所选择波场分量和所述差中确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)被构造以便将滤波器系数提供到如权利要求1到10中任何一个所述设备的多个单滤波器，以这样滤波所选择的波场分量，使得由所述减法器所提供的波场分量中的干扰部分被抑制。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述要选择的波场分量是干扰波场分量或有用波场分量。
19.如权利要求17或18所述的设备，其中所述用于提供波场分量的装置包括另一选择器，其中所述另一选择器被构造以便基于空间、时间或频谱特征选择其他要选择的波场分量，并提供所选择的其他波场分量作为波场分量。
20.如权利要求19所述的设备，其中所选择的其他分量是有用波场分量或干扰波场分量。
21.一种用于抑制接收信号中干扰部分的设备，所述接收信号包括干扰部分和有用部分，其中所述接收信号可以由设置在空间的预定几何位置处的接收装置响应于可检测的波场而产生，其中所述可检测的波场是有用波场和干扰波场的叠加，所述设备包括：
如权利要求1到10中任何一个所述的用于处理输入信号、并用于提供滤波后的波场分量的设备；
连接到用于确定波场分量的装置的选择器，其中所述选择器被构造以便基于空间、时间或频谱特征选择要选择的波场分量，并提供所选择的波场分量；
连接到根据权利要求1到10中任何一个所述的设备的减法器，其中所述减法器被构造以便产生所选择波场分量和滤波后的波场分量之间的差；
用于从所述波场分量和所述差中确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)，其中所述用于确定离散滤波器系数的装置(423，1133，1619)被构造以便提供滤波器系数到如权利要求1到10中任何一个所述设备的多个单滤波器，以这样滤波所述波场分量，使得由所述减法器所提供的波场分量中的干扰部分被抑制。
22.如权利要求21所述的设备，其中所述要选择的波场分量是干扰波场分量或有用波场分量。
23.一种用于处理输入信号的方法，其中所述输入信号包括对应于离散的发送装置或接收装置的多个子信号，其中所述离散的发送装置或接收装置被设置在空间的预定几何位置上，所述方法包括以下步骤：
提供多个波场分量，其中所述多个波场分量的叠加产生合成波场，其中所述合成波场可以在所述空间中传播，其中所述多个波场分量是通过波场分解、基于正交的波场基函数在预定几何位置处从输入信号中导出的；和
滤波波场分量，其中所述多个波场分量中的一个波场分量这样被影响，使得在输出侧获得表示处理后的输入信号的多个滤波后的波场分量。
24.一种在波场传播中检测空间的传输特征的方法，其中所述波场可以由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置响应于输入信号而产生，其中接收波场可以被设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测，其中所述接收装置响应于所述接收波场产生输出信号，所述方法包括以下步骤：
产生输入信号的副本；
从输出信号中提供输出波场的多个波场分量；
如权利要求23所述处理输入信号副本，以便获得波场的多个滤波后的波场分量作为处理后的输入信号；
形成波场的多个滤波后的波场分量和输出波场的多个波场分量之间的差，以便产生差波场分量；
从所述差波场分量中和从波场的波场分量中确定离散的滤波器系数，其中所述滤波器系数被自适应地确定；
使用所述自适应确定的离散滤波器系数以滤波波场分量，其中所述离散的滤波器系数是空间的被检测的传输特征。
25.一种有效抑制激励信号中干扰的方法，其中响应于所述激励信号，多个设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生波场，所述波场可以在所述空间中传播，其中接收波场可以被多个设置在空间的预定几何位置处的离散接收装置检测，其中所述离散的接收装置响应于所述接收波场提供输出信号，所述方法包括以下步骤：
根据权利要求23处理激励信号，以便获得波场的多个滤波后的波场分量；
从所述滤波后的波场分量中重构波场，以便获得滤波后的激励信号，以激励所述离散的发送装置；
提供接收波场的多个波场分量；
接收波场的波场分量；
从差波场分量和波场的波场分量中确定离散的滤波器系数，其中所述滤波器系数被自适应地确定；
通过使用所述自适应确定的滤波器系数来滤波波场分量，以便抑制干扰。
26.一种在波场传播中检测空间的反传输特征的方法，其中所述波场可以由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置响应于输入信号而产生，其中接收波场可以被设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测，其中所述接收装置响应于所述接收波场产生输出信号，所述方法包括以下步骤：
产生输入信号的副本；
延迟输入信号的副本；
从延迟后的输入信号的副本中提供多个波场分量；
如权利要求23所述处理输入信号，以便提供接收波场的多个滤波后的波场分量；
形成滤波后的波场分量和延迟后的波场分量之间的差，以便产生差波场分量；
从所述差波场分量中和从波场的波场分量中确定离散的滤波器系数，其中所述滤波器系数被自适应地确定；
使用所述自适应确定的滤波器系数以滤波波场分量；
其中所述离散的滤波器系数是空间的被检测的反传输特征。
27.一种从输入信号中产生预测误差信号的方法，其中所述输入信号具有信息部分和冗余部分，并且其中所述预测误差信号包括信息部分，其中响应于所述预测误差信号，可以由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生波场，所述方法包括以下步骤：
产生输入信号的副本；
从输出信号中提供多个波场分量；
延迟输入信号的副本；
如权利要求23所述处理延迟后的副本，以便从输入信号的延迟副本中获得多个滤波后的波场分量；
形成多个波场分量和多个滤波后的波场分量之间的差，以便获得差波场分量；
从对应于延迟后的接收信号的多个波场分量中和从所述差波场分量中确定离散的滤波器系数；
通过在使用所述离散的滤波器系数对延迟后的波场分量进行滤波时抑制冗余部分来产生预测误差信号，其中所述预测信号是多个滤波后的波场分量。
28.一种从输入信号中再现有效信号的方法，其中所述有效信号包括信息部分和冗余部分，其中所述有效信号包括波场的多个波场分量，其中所述冗余部分可以为滤波多个波场分量而被抑制，其中多个滤波后的波场分量产生预测误差信号，响应于所述预测误差信号，输出波场可以由设置在空间的预定几何位置处的离散发送装置产生，其中输出波场可以在所述空间中传播，其中接收波场可以被多个设置在空间的预定几何位置处的接收装置检测，其中所述离散的接收装置响应于所述接收波场产生输入信号，所述方法包括以下步骤：
提供滤波器系数；
通过使用如权利要求23的方法处理输入信号；
形成多个波场分量和多个滤波后的波场分量之间的和，以便获得相加的多个波场分量；
通过使用离散的滤波器系数对所述相加的多个波场分量进行滤波，其中所述相加的多个波场分量是再现的有效信号。
29.一种抑制接收信号中干扰部分的方法，所述接收信号包括干扰部分和有用部分，其中所述接收信号可以由设置在空间的预定几何位置处的接收装置响应于可检测的波场而产生，其中所述可检测的波场是有用波场和干扰波场的叠加，其中所述干扰波场对应于空间的另一几何位置，所述方法包括以下步骤：
通过使用如权利要求23所述的方法处理接收信号；
基于空间、时间或频谱特征，从所提供的波场分量中选择干扰波场分量；
对所选择的干扰波场分量进行滤波，以便影响所选择的干扰波场分量；
形成波场分量和滤波后的干扰波场分量之间的差，以便抑制波场分量中的干扰部分；
从所选择的干扰波场分量和所述差中确定离散的滤波器系数；
通过使用所述离散的滤波器系数对波场分量进行滤波，以便抑制干扰部分。
30.一种抑制接收信号中干扰部分的方法，所述接收信号包括干扰部分和有用部分，其中所述接收信号可以由设置在空间的预定几何位置处的接收装置响应于可检测的波场而产生，其中所述可检测的波场是有用波场和干扰波场的叠加，所述方法包括以下步骤：
如权利要求23所述处理输入信号，以便提供滤波后的波场分量；
基于空间、时间或频谱特征，从波场分量中选择要选择的波场分量，并提供所选择的波场分量；
形成所选择的波场分量和滤波后的波场分量之间的差；
从所述波场分量和所述差中确定离散的滤波器系数；
通过使用所述离散的滤波器系数来对波场分量进行滤波，以便抑制干扰部分。
31.一种具有计算机代码的计算机程序，其中当在计算机上运行所述程序时，所述计算机代码用于执行如权利要求23到30中任何一个所述的方法。
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