CN1902980B - 提供滤波器系数拷贝的音频系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统(1)，其适用于抑制音频失真。该系统包括耦合在音频输出端(4)和感测失真的期望音频的麦克风阵列(3)之间的回波抵消装置g₁、g₂，以及耦合到所述回波抵消装置g₁、g₂和/或该麦克风阵列(3)的滤波器装置(7)。该滤波器装置(7)包括代表音频失真的至少一部分(诸如混响)的滤波器系数。该系统还包括至少部分地镜像的电路装置g’、7’，以用于由此将代表所仿真的音频失真的滤波器系数值拷贝到所述滤波器装置(7)的滤波器系数中。然后可以通过该滤波器装置(7)将这些所拷贝的值用于抑制失真的期望信号中的混响。

Description

提供滤波器系数拷贝的音频系统

本发明涉及一种用于抑制音频失真的系统，包含以下电路装置：

-回波抵消装置，其耦合在音频输出端和失真的期望音频感测麦克风阵列之间；以及

-滤波器装置，其耦合到该回波抵消装置和/或该麦克风阵列。

本发明还涉及一种应用于该系统中的镜像电路装置以及一种抑制音频失真的方法。

这样的系统可以从WO 97/45995获知。该已知音频系统包含自适应回波抵消滤波器，其用于去除在系统的扬声器输出端和麦克风之间发射的回波。该已知系统具有耦合到该回波抵消滤波器和该麦克风的滤波器装置，该滤波器装置用于对没有被该回波抵消滤波器去除的该麦克风信号中的回波分量进行谱抑制。一个麦克风感测期望的音频信号，而其它麦克风只接收该期望信号的干扰失真。该系统可以具有耦合到该回波抵消装置和/或该麦克风阵列的滤波器装置，该滤波器装置用于对具有附加音频噪声干扰的形式的失真进行谱抑制。

该已知系统的不足之处在于，它不能有效地用于降低由麦克风阵列感测的期望音频信号中的混响(reverberant)失真。

因此，本发明的一个目的在于提供改进的系统和其中的滤波器装置，以用于同时抑制具有由麦克风阵列感测的音频信号中的回波尾部混响的形式的回波失真。

另外，在根据本发明的系统中，所述滤波器装置包括代表音频失真的至少一部分的滤波器系数，并且该系统包含一个至少部分地镜像的(partly mirrored)电路装置，以用于由此将代表所仿真的音频失真的滤波器系数值拷贝到所述滤波器装置的滤波器系数中。

根据本发明的该系统和电路装置的优点在于，通过将代表音频失真的所仿真的滤波器系数拷贝到该滤波器装置的滤波器系数中，使得对音频失真的抑制独立于语音信号(一般来说即所期望的信号)。这些系数值代表声场的混响尾部的相关性属性，并且还可以被用来在该滤波器装置中对期望信号进行实际上的滤波以便抑制其中的混响，而不管所期望的语音是否被输出。因此特别地，语音的存在或不存在不再使失真抵消失真。即使存在语音，利用根据本发明的系统也可以有效地对于空间相关性敏感的形式的失真(特别是混响类型的失真，但不限于此)实施失真抵消。

根据本发明的系统的一个允许设计灵活性的实施例的特征在于，所述滤波器装置包括波束形成器。

滤波器、求和和延迟元件的组合通常被包括在该滤波器装置中，以便形成所谓的通用旁瓣抵消器。有利地，可以将附加的延迟元件添加到波束形成器中，以用于进一步改进根据本发明的系统的性能。

有利地，根据本发明系统的另一个简单实施例的特征在于，该系统在所述电路装置和所述至少部分地镜像的电路装置之间包括系数值拷贝装置。

根据本发明的系统的又一个实施例的特征在于，所述滤波器装置被设置成自适应于由所述麦克风阵列感测的混响失真和/或所期望的音频信号。

在这种情况下，所述滤波器系数可以被更新，从而包括在变化的相关性敏感的形式的失真(例如混响)的抵消中的动态方面，而不是代表或多或少地固定的房间模型。现在，还可以相对于所述阵列麦克风的各自变化的位置和方向来抑制这样的失真。

根据本发明的系统的再一个实施例的特征在于，该系统被设置成用于更新所述镜像滤波器系数。

有利地，在这个进一步的实施例中，镜像滤波器系数可以在需要的任何时候或在训练时间期间被连续更新。这是由于通过代表混响的人工输入信号来创建所述镜像滤波器系数而实现的。

根据本发明的系统的详尽细节的特征在于，该麦克风阵列的每个麦克风具有其单独的回波抵消装置。

通过为该阵列的每个麦克风应用个体化的回波抵消装置，任何分离的直接回波和反射以及混响尾(reverberating tail)的至少一部分被尽可能地单独抵消，同时通过该滤波器装置和/或该输出回波抵消装置来处理剩余失真。

现在将进一步结合其附加的优点并且同时参考附图来说明根据本发明的系统，其中用相同的附图标记表示类似的组件。在附图中：

图1显示包括根据本发明的系统的各可能实施例的总览；

图2显示直接信号、早期反射和作为时间函数的典型房间脉冲响应的后期产生的混响尾部；以及

图3显示通用旁瓣抵消器形式的滤波器装置实施例，其具有一个包括三个麦克风的阵列以应用在图1的系统的扩展中。

图1的上部代表系统1，其适于抑制所期望的信号中的音频失真。如图所示，该系统具有扬声器2和包含两个麦克风3-1、3-2的麦克风阵列3。输出端4上的音频输出信号由该扬声器2再现。一个近端源(未示出)产生所期望的语音，该期望语音作为期望的语音信号由该阵列3接收。另外，如图2中所阐明的那样，该阵列3感测(作为除噪声之外的不同类型失真的一部分的)从该扬声器2到该阵列3的直接信号、具有早期(第一部分)反射的形式的回波以及在某一指数衰减之后的后期(第二部分)反射，所述后期反射具有所谓的混响的形式，该混响被显示为作为时间函数的典型房间脉冲响应的混响尾。每个麦克风3-1、3-2可以分别具有耦合在音频输出端4和感测失真的期望音频的麦克风阵列3之间的与之相关联的回波抵消器g₁和g₂。如果可能的话，可以共用回波抵消装置g_i(对于两个麦克风是i＝1，2)的硬件和/或软件部分，以便节省成本。每个回波抵消器g_i仿真从扬声器2到各自的麦克风3的路径，以便抵消至少所述直接信号和早期反射(即回波的第一部分)的影响。该技术的实现例如已知于WO 97/45995，其公开内容在此引用以作为参考。所述各自的回波抵消装置可以以多种方式实现，诸如最小均方(LMS)、递归最小平方或使用块LMS技术的频域自适应滤波器。

通过示意性地示出的减法器5-1和5-2，将对应的回波抵消装置g_i耦合到阵列3的两个麦克风3-1、3-2，每个减法器各具有输出端6-1、6-2。这些减法器输出端6-1和6-2载送各自的回波抵消信号。

该系统具有滤波器装置7，其可以包括波束形成器7B，该波束形成器通过减法器5耦合到回波抵消装置g_i和/或耦合到麦克风阵列3。该波束形成器7B被包括在通常所称的通用旁瓣抵消器中，其能够限定和控制音频麦克风灵敏度波瓣或曲线。在这种情况下，在减法器输出端6-1、6-2上给定两个波束形成器输入信号，这些信号包含期望的音频/声音/语音信号和源自所述混响尾的混响信号。通过导出原始信号z，该波束形成器7B能够辨别混响信号，该原始信号z包括期望信号和包括混响的参考信号x。这是通过在滤波器f₁和f₂中进行滤波(如图所示)、然后在求和装置9-1中对滤波器f_i的输出进行求和以展现该原始信号而实现的。这样，经回波抵消的麦克风信号u₁和u₂被相加，以使得期望音频的剩余的直接信号和早期反射被相干地求和，从而提高了波束形成器的性能。此外，该波束形成器7B通过在分块滤波器b₁和b₂中对经回波抵消的麦克风信号进行滤波、然后在装置9-2中对各滤波器的输出进行求和以展现代表混响的参考信号x来实现上述目的。该参考信号x实质上不包含期望的信号分量。滤波器b_i和B一起被称为分块矩阵。滤波器f_i和b_i载送定向的、即所期望的依赖于源的信息。

在如图3所示的情况下，波束形成器7B具有一个延迟元件8，该延迟元件8耦合到装置9-1的输出端，其后是求和装置9-3。该延迟元件8为波束形成器的脉冲响应提供非因果部分，这样做表现出改善了它的性能。将参考信号馈送到一个自适应滤波器，其在图1中用w表示，该自适应滤波器的输出信号被馈送到装置9-3的反相输入端。该滤波器装置7的滤波器w包含滤波器系数，所述滤波器系数代表或包含对于由麦克风阵列3感测的期望音频中的混响(第二部分)失真的度量。该求和装置9-3还具有一个已求和的或波束形成器输出端S，该输出端用于适配这种自适应滤波器装置7的自适应滤波器w中的滤波器系数，以使得它们的系数值代表变化的混响失真。在一个非自适应性实施例中，所述滤波器系数将被固定，以便随后抵消随后假定的固定混响尾。

因为反相输入端11上的已滤波的混响或参考信号在求和装置9-3中被从原始信号中减去，因此在已求和输出端S上的信号只包含期望信号，而回响尾则被抵消。

图3显示具有一个包括三个麦克风3-1、3-2、3-3的阵列的滤波器装置7的实施例。实质上，多个麦克风也是可能的。但是上面概述的原理仍然是相同的。各个块矩阵可以被分组到一个块B中。可以将不同的参考信号x₁和x₂馈送给滤波器7A，该滤波器在此通常包含自适应的个体化的滤波器w₁和w₂。出于希望，可以将延迟元件Δ划分在耦合到对应的三个麦克风3的滤波器f₁、f₂和f₃之前或之后。分离的延迟元件Δ可以被包括在可能从每个麦克风到求和装置9-1的对应分支中，以便解决扬声器2和麦克风3之间的预期的单独延迟。

如果该系统1不是自起动的，则由于不存在任何远端信号，可能产生一个扬声器信号，例如噪声序列或某种起动音调(start up tune)。

例如可以将上面解释的系统用于不用手的通信系统(诸如不用手的扬声器电话)、例如家用或医疗应用的声控系统、会议系统、听写系统或类似系统。

尽管对附图的上述说明与由波束形成器7具体实现的滤波器装置有关，但应当注意到，上述说明也适用于旨在通常抑制如上面说明的系统1中的音频失真的任何滤波器装置7。

混响是一种失真形式，它的抵消强烈依赖于麦克风阵列形成和所涉及的房间的空间相关性属性。声场的空间相关性确定各麦克风信号之间的互相关性，而各麦克风信号之间的互相关性又是确定所述滤波器装置和波束形成器7的设计和性能的量。这些空间相关性属性依赖于几个属性，诸如房间几何结构、墙壁吸收、位置、方向和房间内的阵列3的各麦克风的间距。有利地，该系统1不需要针对这些属性的某种模型。但是当这些属性和/或所模拟的失真回波抵消属性或系统1中的系数显著改变时，那么需要对其进行相当大的适配，这花费相当数量的时间。通常这个时间不总是可以获得的，这会造成这样的后果：特别在存在或者不存在特别是语音之后不久期间，会有听得见的干扰效果。上述内容对于依赖于空间相关性的形式的失真(比如混响)非常重要。因此，本说明书的剩余部分将针对借助于如图1所示的具有滤波器装置的系统的混响抵消。

图1的下部显示了电路装置7’，其组件至少部分地类似于(或者相对镜像于)回波抵消装置g和波束形成器滤波器7。该电路装置7’包含波束形成器7’(其可以具有类似于波束形成器7的组件)，并且这里的装置9’具有作为回波滤波器的g₁’和g₂’，其系数可以被影响或被设置。对应的回波滤波器装置g_i’(i＝1，2，...)通常是简单的滤波器，至少在混响抵消的情况下，其中的每一个回波滤波器装置g_i’具有比在相应的回波抵消器装置g_i中的系数数量更少的系数，因为此时只有所仿真的脉冲响应的混响尾部必须由示意性地示出的拷贝装置C1、C2和C3从抵消器装置g_i拷贝到滤波器装置g_i’中。类似地，将滤波器f₁、f₂、b₁和b₂的滤波器特性或系数值拷贝到波束形成器7’的对应的滤波器f₁’、f₂’、b₁’和b₂’中。现在，将辅助输入信号施加到镜像电路装置g’、7’的输入端12上，以使得被耦合到输出端S’的7’中的自适应滤波器w’能够最小化其在输出端S’上的输出信号。终端12上的辅助输入信号可以例如是稳态白噪声信号或者依赖于将被抵消的特定类型失真的任何其它信号。将滤波器w’的代表如此被仿真的音频失真的滤波器系数值拷贝到滤波器装置7中的滤波器w的滤波器系数中。这些值代表声场的混响尾部的相关性属性，并且还可以被用于在滤波器装置7中实际滤波期望信号以抑制其中的混响，而不考虑期望的语音是否被输出。为了适配或更新滤波器7’的波束形成器系数，只需要考虑房间的混响行为。另外，不需要期望的音频源，因为房间内的任何源都能够完成该项工作。只要滤波器w从自适应滤波器w’接收其系数，那么滤波器w就不必是自适应的。

Claims (7)

1.一种用于抑制音频失真的系统(1)，其包括这样的电路装置(g，7)：

-回波抵消装置(g，g_i i＝1，2，...)，其耦合在音频输出端(4)和感测失真的期望音频的麦克风阵列(3)之间；以及

-滤波器装置(7)，其耦合到该回波抵消装置(g，g_i i＝1，2，...)和/或该麦克风阵列(3)，该滤波器装置(7)包括代表音频失真的至少一部分的滤波器系数，该系统(1)包括至少部分地镜像的电路装置(g’，7’)以用于由此将代表所仿真的音频失真的滤波器系数值拷贝到所述滤波器装置(7)的滤波器系数中。

2.根据权利要求1的系统(1)，其中该滤波器装置包括波束形成器(7)。

3.根据权利要求2的系统(1)，其中该波束形成器包括滤波求和波束形成器(7)以及/或者延迟求和波束形成器(7)。

4.根据权利要求1的系统，其中该系统包括在该电路装置(7，g_i i＝1，2，...)和该至少部分地镜像的电路装置(7’，g_i’i＝1，2，...)之间的系数值拷贝装置(C1，C2，C3)。

5.根据权利要求2的系统(1)，其中该波束形成器(7)被设置成自适应于由该麦克风阵列(3)感测的混响失真和/或期望的音频信号。

6.根据权利要求1的系统(1)，其中该系统(1)被设置成用于更新所述镜像的滤波器系数。

7.根据权利要求1的系统(1)，其中该麦克风阵列(3)的每个麦克风(3-1，3-2)具有至少部分地个体化的回波抵消装置(g，g_ii＝1，2，...)。

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