CN1902981A - 具有混响降低滤波器的音频系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种系统(1)，其适于抑制音频畸变。该系统包括耦接在音频输出(4)和畸变期望音频感测麦克风阵列(3)之间的回波消除装置g1、g2，并包括耦接到回波消除装置g1、g2和/或麦克风阵列(3)的滤波设备(7)。该滤波设备的系数表示麦克风阵列(3)感测到的期望音频中的混响畸变。

Description

具有混响降低滤波器的音频系统
技术领域
本发明涉及一种用于抑制音频畸变的系统，包括：
—回波消除装置，耦接在音频输出和畸变期望声音感测麦克风阵列之间，以及
—耦接到回波消除装置和/或麦克风阵列的滤波设备。
本发明还涉及一种应用于所述系统的滤波设备并涉及一种抑制音频畸变的方法。
背景技术
可从WO 97/45995中了解这个系统。这个已知的音频系统包括一个自适应回波消除滤波器，用于消除系统扬声器输出同麦克风之间的回波。这个已知系统具有一个耦接到回波消除滤波器和麦克风的滤波设备，用以从频谱上抑制麦克风信号中没有被回波消除滤波器消掉的回波分量。一个麦克风感测一个期望的音频信号，而其它麦克风只接收期望信号的干扰畸变。这一系统可具有一个耦接到回波消除装置和/或麦克风阵列的滤波设备，用以从频谱上抑制附加音频噪声干扰形式的畸变。
该已知系统的一个缺点是它还无法有效地降低麦克风阵列感测到的期望音频信号中的混响畸变。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的系统以及其中的滤波设备，也用以抑制麦克风阵列感测到的音频信号中回波尾部混响形式的回波畸变。
此外，在根据本发明的系统中，滤波设备包括滤波系数，表示麦克风阵列感测到的期望音频中的混响畸变。
已知的回波消除装置只从麦克风阵列信号中消除声回波的第一部分。音频输出和每个麦克风之间发出回波，其第一部分通常包括直接音频或声音和第一房间反射。但是，第二部分(即，混响回波分量)没有被回波消除装置消除，而是在根据本发明的系统中至少被滤波设备消除，所述滤波设备包括滤波系数，该滤波系数包含对麦克风阵列感测到的期望音频中的混响畸变的一个度量。此外，实际中不总是可行的大麦克风间距对实现第二部分混响降低而言是不需要的。
本发明的一个优势是：根据本发明的系统不仅有效降低了发自音频输出的声回波混响分量，而且有效降低了麦克风阵列感测的期望音频信号的混响分量。
根据本发明的系统的允许设计灵活性的一个实施例的特征在于滤波设备包括一个波束生成器(beamformer)，其具有至少一个滤波器和求和波束生成器和/或一个延迟求和波束生成器。
通常，滤波器、求和和延迟元件的组合还被用来形成所谓的通用旁瓣消除器。一个附加延迟元件可被有利地附加到滤波设备，用于进一步改进根据本发明的系统的性能。
根据本发明的系统的另一个实施例的特征在于滤波设备被安排为自适应于混响畸变和/或麦克风阵列感测到的期望音频信号。
此时，滤波系数可被更新为包括可变混响消除中的一个动态方面，而不是表示一个或多或少固定的房间模型。现在，也可相对于阵列麦克风的各个可变位置和方向来抑制混响。
根据本发明的系统的另一个实施例的特征在于：当没被回波消除装置消除的混响在麦克风阵列感测到的音频信号中占主导地位时，该系统被安排用于更新滤波系数。
有利地，当期望音频源主导阵列感测到的音频信号时，不更新滤波设备的滤波系数，因此避免了不需要的畸变甚或消除滤波仪器输出中的期望音频信号的风险。
根据本发明的系统的另一个实施例的特征在于：该系统被安排用于在训练会话期间更新滤波系数。
在不需要此训练会话的另一个实施例中，该系统的特征在于其被提供以至少耦接到滤波设备的自动滤波系数更新控制装置。
根据本发明的一个精心设计系统的特征在于：滤波设备具有一个输出，且该系统包括耦接在滤波输出和音频输出之间的输出回波消除装置。
现可由输出回波消除装置来消除波束生成器或回波消除装置没有消除的任何剩余混响。
根据本发明的另一个精心设计系统的特征在于：自动滤波系数更新控制装置还耦接到输出回波消除装置用以控制滤波设备的更新速度。
除了消除剩余回波之外，输出回波消除装置还可有利地被用来为任何剩余混响电平提供一个测量值，以便同其它感测声源的电平相比较，进而将比较结果作为用于控制滤波设备更新速度的一个量。
根据本发明的系统的另一个实施例的特征在于：麦克风阵列的每个麦克风都具有其独立的回波消除装置。
通过对阵列中的每个麦克风应用独立回波消除装置，任何感测阵列信号第一部分中的任一单独的直接回波和反射都尽可能地被单独消除，而尾部的组合剩余混响由滤波设备和/或输出回波消除装置处理。
附图说明
现在，将参考附图对根据本发明的系统和滤波设备及其附加优势进行进一步的阐述，其中相似部件表示为相同的参考数字。附图中：
图1示出包括根据本发明系统可能实施例的总体图；
图2将一个典型房间脉冲响应的直接信号、早期反射和晚期出现的混响尾部示为时间的函数；以及
图3示出一个根据本发明的形式为通用旁瓣消除器的滤波设备的实施例，所述通用旁瓣消除器具有三个麦克风的一个阵列，以便在图1系统的一个扩展中应用。
具体实施方式
图1示出系统1，它适于抑制期望信号中的音频畸变。图示系统具有扬声器2和包括两个麦克风3-1、3-2的麦克风阵列3。输出4上的音频输出信号由扬声器2再现。一个近端源(未示出)产生期望语音，该语音被阵列3接收，作为期望语音信号。此外，如图2中所阐明的，阵列3感测噪声以外的不同类畸变，从扬声器2到阵列3的直接信号的前期(第一部分)反射形式的回波和经过一定指数式衰减后的(第二部分)所谓混响形式的反射，其中混响被示为典型房间脉冲响应的混响尾部，作为时间的函数。每个麦克风3-1、3-2可具有与其关联的回波消除器g1和g2，所述回波消除器分别耦合在音频输出4和畸变期望音频感测麦克风阵列3之间。如果完全可能，回波消除装置gi(i＝1，2，指两个麦克风)的硬件和/软件部件可通用，以便节省成本。每个回波消除器gi模拟扬声器2到各个麦克风3的路径，以便消除至少直接信号和早期反射的作用，这是回波的第一部分。实现上述功能的技术例如可从WO 97/45995获悉，将该公开作为参考结合于此。以不同方式实现各个回波消除装置，例如通过最小均方(LMS)、递归最小二乘或者使用分块LMS技术的频域自适应滤波。
各个回波消除装置gi通过示例性示出的减法器5-1和5-2耦接到阵列3的两个麦克风3-1、3-2，每个减法器5-1和5-2具有输出6-1、6-2。减法器输出6-1和6-2传送各个回波消除信号。
该系统具有滤波设备7，它可包括波束生成器7B，该波束生成器7B通过减法器5耦接到回波消除装置gi和/或麦克风阵列3。通常包含在被称为通用旁瓣消除器中的波束生成器7B能够定义和控制一个音频麦克风灵敏性抛物线(lob)或曲线。这种情况下，如果两个波束生成器在给定减法器输出6-1、6-2上输入信号，则这些信号包括期望的音频/声音/语音信号和一个源自混响尾部的混响信号。通过导出一个包括期望信号的初始信号z和一个包括混响的参考信号x，波束生成器7B能够区分混响信号。通过在图示滤波器f1和f2中滤波并随后在求和设备9-1中求和，滤波器fi的输出揭示初始信号。这样，回波消除麦克风信号u1和u2相加，期望音频的剩余直接信号和早期反射被相干求和，这提高了波束生成器的性能。此外，通过在闭塞滤波器(blockingfilter)b1和b2中滤波回波消除麦克风信号，并随后在设备9-2中求和，滤波器的输出揭示一个表示参考信号x的混响。参考信号x实际上不包括期望信号分量。滤波器bi和B被称为闭塞矩阵。滤波器fi和bi传送方向，即与期望的源相关的信息。这些滤波器也可以是固定的或自适应的。
图3所示的情况下，波束生成器7B具有一个耦接到设备9-1的输出10的延迟元件8，元件8后面跟随求和设备9-3。延迟元件8对看上去改进其性能的波束生成器脉冲响应提供一个无因果关系的部分。参考信号x被提供到自适应滤波器，图1中标识为w，其输出信号被提供到设备9-3的反相输入11。滤波设备7的滤波器w包括滤波系数，该滤波系数表示或包含对麦克风阵列3感测到的期望音频中混响(第二部分)畸变的度量。求和设备9-3还具有一个求和或波束生成器输出S，被用来调整自适应滤波设备7的自适应滤波器w中的滤波系数，使得它们的系数值表示可变混响畸变。在一个非自适应实施例中，滤波系数将固定，以便消除假定的固定混响尾部。
由于从求和设备9-3的初始信号中减掉反相输入11上的滤波混响或参考信号，其在求和输出S上的信号仅包括期望信号，已消除了混响尾部。
为了调整或更新滤波系数，只需要考虑房间的混响性能。此外，不需要期望的音频源，因为房间中的任何源都能够完成该项任务。一种可能是只需要当音频输出4上的混响在阵列3感测到的混响中占主导地位时更新滤波系数。另一种可能是在训练会话期间更新滤波系数。
另一个实施例中，系统1包括输出回波消除装置g3，它耦接在波束生成器输出S和音频输出4之间，本情况下通过延迟装置12耦接到音频输出4，该延迟装置12提供同直接信号和回波消除装置消除的早期反射相对应的N个采样的一个延迟。如果为系统1提供自动波束生成器系数更新控制装置13，这些装置将被耦接到波束生成器7和输出回波消除装置g3，用以控制滤波器w的更新速度。例如，滤波器w的更新速度可以由混响回波电平相对于房间中可能存在的其它音频或声源电平的一个度量来进行控制。优选地，可在时域或频域执行此测量，以便相应地控制滤波设备7的更新速度。
图3示出滤波设备7的一个实施例，其具有三个麦克风3-1、3-2、3-3的一个阵列。本质上多个麦克风也是可能的。但是，上面列出的原理仍然相同。分块矩阵可以被分组为一个块B。可将不同的参考信号x1和x2提供到滤波器7A，该滤波器7A在此通常包括自适应独立滤波器w1和w2。随意愿地，延迟元件Δ被划分为在与相应的三个麦克风3相耦合的滤波器f1、f2和f3之前或之后。单独的延迟元件Δ可包含在自每个麦克风到求和设备9-1的相应分支中，用以考虑扬声器2和麦克风3之间的期望独立延迟。
如果系统1由于缺少任何远端信号无法自行启动，则产生一个扬声器信号，例如一个噪声序列或某种启动音调。
例如，上述系统能够被用在免持通信系统中，例如免持扬声器电话、例如家用或医疗应用的语音控制系统、会议系统、口授系统等。

Claims (10)

1.一种系统(1)，用于抑制音频畸变，包括：
—回波消除装置(g1、g2)，耦接在音频输出(4)和畸变期望音频感测麦克风阵列(3)之间，以及
—滤波设备(7、7A)，耦接到回波消除装置(g1、g2)和/或麦克风阵列(3)，滤波设备包括滤波(7A)系数(w；w1、w2)，这些系数表示由麦克风阵列(3)感测到的期望音频中的混响畸变。
2.根据权利要求1的系统(1)，其中滤波设备(7)包括一波束生成器(7B)，它具有至少一个滤波器和求和波束生成器和/或一延迟和求和波束生成器。
3.根据权利要求1的系统(1)，其中滤波设备(7A)被用于自适应于混响畸变和/或麦克风阵列(3)感测到的期望音频信号。
4.根据权利要求1的系统(1)，其中当没有被回波消除装置(g1，g2)消除的混响在麦克风阵列(3)感测到的音频信号中占主导地位时，系统(1)用于更新滤波(7A)系数(w；w1、w2)。
5.根据权利要求1的系统(1)，其中系统(1)被用于在训练会话期间更新滤波(7A)系数(w；w1、w2)。
6.根据权利要求1的系统(1)，其中为系统(1)提供耦接到至少所述滤波设备(7A)的自动滤波系数更新控制装置(13)。
7.根据权利要求1的系统(1)，其中滤波设备(7)具有一个输出(S)，并且系统(1)包括耦接在滤波输出(S)和音频输出(4)之间的输出回波消除装置(g3)。
8.根据权利要求7的系统(1)，其中自动滤波系数更新控制装置(13)还耦接到输出回波消除装置(g3)，以便控制滤波设备(7)的更新速度。
9.根据权利要求1的系统(1)，其中麦克风阵列(3)的每个麦克风(3-i，i＝1，2，...，n)都具有其独立的回波消除装置(gi，i＝1，2，...，n)。
10.一种滤波设备(7)，在根据1-9中任何一个权利要求的系统(1)中使用。
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