CN1925693A - 校准从传感器阵列提供的信道信号的信号处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

在信号处理系统中，在校准电路中处理来自不同操作特性的传感器阵列的一组信道信号，所述校准电路计算信道信号的各个平均值，并且计算信道信号的各个平均值的均值，作为参考值。倒数计算器计算信道信号的各个平均值的倒数值。缩放电路利用参考值来缩放倒数值，以便产生一组幅度校准信号，并且分别利用校准信号来缩放信道信号。因此，通过其自身的平均值对信道信号进行归一化并且由参考值对其进行缩放，以便产生一组已校准信道信号。

Description

校准从传感器阵列提供的信道信号的信号处理系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准从具有不同操作特性的传感器阵列(例如麦克风和天线)提供的多信道信号的信号处理系统。

背景技术

使用传感器阵列是众所周知的，例如麦克风和天线，以预定的间隔平均地分隔、并且定向于特定的方向以便通过沿目标信号到达的方向形成波束来消除干扰信号。当麦克风被用作阵列传感器时，Griffiths-Jim波束形成器是一种基本技术，并且被称作广义(generalized)旁瓣抵消器。在文献“Microphone Arrays”，Springer，2001，87-109页所描述的Griffiths-Jim波束形成器中，在固定的波束形成器中组合来自麦克风阵列的信号，以便增强期望信号并衰减干扰信号。通过固定波束形成器线性地对麦克风信号进行求和而形成阵列波束。如果所有的麦克风具有相同的操作特性，则求和产生了M倍于每一个麦克风信号大小的输出(其中M是麦克风的数目)。因此，能够积极地(constructively)组合垂直到达阵列表面的信号(也就是侧向(broadside信号))。由于到达其他方向的信号与broadside信号具有时(相)差，他们以有害的方式彼此干扰。因此，如果垂直到达阵列表面的信号是目标信号，则目标信号被增强，并且麦克风阵列沿垂直于其表面的方向产生方向性。

麦克风信号也可以被施加到分块矩阵(blocking matrix)，在所述矩阵中，组合这些信号以获得多个干扰参考值。将增强的目标信号延迟与由分块矩阵执行矩阵计算所花费的时间相对应的时间间隔。在多信道抵消器中组合中已延迟的波束形成器输出和干扰参考值。在多信道抵消器中，干扰参考值被用作从增强的目标信号中减去的干扰量复制品，以便产生增强的目标信号。

然而，如果由于其可变性导致麦克风的操作特性彼此不同，则麦克风信号以有害的方式部分地彼此影响。这导致阵列在其表面的法线方向产生退化的方向性。类似的问题也发生在分块矩阵中。在这种情况下，由目标信号得到分块矩阵输出的泄漏路径。这导致多信道抵消器对目标信号执行部分地抵消，并且在其输出信号中引起失真。

在1994年10月的IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.42，No.10，2871-2875页描述的校准技术中，提出了由上述变化引起的元素不完整性(element imperfection)。根据该技术，通过使用宽带信号，基于最佳特征向量约束来设计分块矩阵，然后设计对应于分块矩阵的固定波束形成器。然而，宽带信号的使用要求在制造之前必须针对每一个麦克风阵列进行各个校准。这对于批量生产是不利的。

另一种校准技术，如由1986年8月的IEEE Transactions onAntennas and Propagations，Vol.34，No.8，996-1012页所描述的，介绍了对于每一个麦克风信号处于适当水平的噪声。然而，该现有技术需要相加的噪声水平的精确设置。必须基于实时附加地计算诸如信号-噪声比、干扰-信号比的数据以及每一个麦克风的噪声水平的数据。计算量是可观的，并且加法噪声是较差音质的潜在来源。在大量专利公开中公开了更多的校准技术。日本专利公开2004-343700公开了一种使用校准扬声器和信号处理系统的技术，以及日本专利3337671讲授了校准麦克风的使用。日本专利公开2002-502193使用了针对各个麦克风的多路自适应滤波器。然而，这些现有技术需要呈现出硬件增长的分离器件。根据在日本专利公开2004-502367中公开的另一个技术，单个麦克风的输出被用作参考标准。然而，该参考标准必须从外部源提供。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种用于具有不同操作特性的传感器阵列的校准系统和方法，其中仅使用输入信号来执行校准，而无需提前校准和附加的计算和硬件。

根据本发明的第一方面，提出了一种信号处理系统，用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号，所述系统包括：校准电路，根据信道信号来确定参考值，将信道信号均等划分为信道信号的第一拷贝和信道信号的第二拷贝，以及产生已校准信道信号，所述已校准信道信号与分别通过第二拷贝的平均值进行归一化并且通过参考值进行缩放的第一拷贝相等。

根据第二方面，本发明提出了一种信号处理系统，用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号，所述系统包括：多个分析滤波器组，分别从传感器接收信道信号，其中每一个分析滤波器组将接收到的信道信号分解为多个不同频率的子带信道信号；多个多信道均衡器，其数目与由每一个分析滤波器组分解的子带信道信号相对应，其中每一个多信道均衡器从所有分析滤波器组接收相同频率的多个子带信道信号，并且产生多个已校准子带信道信号；以及多个合成滤波器组，分别从所有的多信道均衡器中接收不同频率的已校准子带信道信号，其中每一个合成滤波器组将已校准子带信道信号合成为已校准信道信号。每一个多信道均衡器包括：校准电路，根据接收到的子带信道信号来确定参考值，将子带信道信号均等划分为子带信道信号的第一拷贝和子带信道信号的第二拷贝，以及产生已校准子带信道信号，所述已校准子带信道信号与分别通过第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的第一拷贝相等。

根据第三方面，本发明提出了一种信号处理系统，用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号，所述系统包括：多个变换电路，分别从传感器接收信道信号，其中每一个变换电路将接收到的信号变换为具有接收到的信道信号的多个不同频率分量的幅度和相位的频域信号；以及多个多信道均衡器，其数目与由每一个变换电路变换的频域信号的不同频率分量相对应，其中每一个多信道均衡器从所有变换电路接收频域信号的多个相同频率分量，并且产生频域信号的多个已校准相同频率分量。每一个多信道均衡器包括：校准电路，根据接收到的相同频率分量来确定参考值，将相同频率分量均等划分为相同频率分量的第一拷贝和相同频率分量的第二拷贝，以及产生已校准相同频率分量，所述已校准相同频率分量与分别通过第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的第一拷贝相等。

根据第四方面，本发明提出了一种用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的方法，包括通过以下步骤来校准信道信号的步骤：根据信道信号来确定参考值，将信道信号均等划分为信道信号的第一拷贝和信道信号的第二拷贝，以及产生已校准信道信号，所述已校准信道信号与分别通过第二拷贝的平均值进行归一化并且通过参考值进行缩放的第一拷贝相等。

根据第五方面，本发明提出了一种用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的方法，包括：(a)将每一个信道信号分解成多个不同频率的子带信道信号；(b)通过以下步骤校准每一个信道信号的相同频率子带信道信号：根据相同频率的子带信道信号来确定参考值，将子带信道信号均等划分为相同频率子带信道信号的第一拷贝和相同频率子带信道信号的第二拷贝，以及产生已校准子带信道信号，所述已校准子带信道信号与分别通过第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的第一拷贝相等；(c)将已校准不同频率的子带信道信号合成为多个已校准信道信号。

根据第六方面，本发明提出了一种用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的方法，包括：(a)将传感器提供的每一个信道信号变换为具有多个不同频率分量的幅度和相位的频域信号；(b)通过以下步骤来校准每一个频域信号的相同频率分量：根据相同频率分量来确定参考值，将相同频率分量均等划分为相同频率分量的第一拷贝和相同频率分量的第二拷贝，以及产生已校准相同频率分量，所述已校准相同频率分量与分别通过第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的第一拷贝相等。

附图说明

参考下图将具体地描述本发明，其中：

图1是针对麦克风阵列的本发明第一实施例的信号处理系统的方框图；

图2是图1的多信道均衡器的方框图；

图3是图2的增益计算器的方框图；

图4是根据本发明第二实施例的信号处理系统的方框图；

图5是图4的子带多信道均衡器的第一种方式的方框图；

图6是图4的频域多信道均衡器的第二种方式的方框图；

图7是图4的频域多信道均衡器的第三种方式的方框图；

图8是图7的每一个多信道相位均衡器的方框图；

图9是图4的频域多信道均衡器的第四种方式的方框图；

图10是图9的每一个多信道相位均衡器的方框图；

图11是根据本发明第三实施例的信号处理系统的方框图；以及

图12是根据本发明第四实施例的信号处理系统的方框图。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的第一实施例、针对沿阵列的表面以预定间隔相等隔开的传感器阵列的信号处理系统。为公开的目的，麦克风100₀～100_M-1的阵列被用作传感器。按照与前述Griffiths-Jim波束形成器的对应元件相同的方式设置固定波束形成器200、分块矩阵300、以及多信道抵消器500。

根据本发明，设置多信道均衡器700，以便处理来自阵列的麦克风(或信道)信号。多信道均衡器700从麦克风100₀～100_M-1接收输入信道信号x₀～x_M-1，并且产生提供给固定波束形成器200和分块矩阵300的已校准麦克风信号y₀～y_M-1。

在波束形成器中，对已校准麦克风信号线性地求和，以便产生增强的目标信号。增强的目标信号处于延迟电路400中并且被提供给多信道抵消器500。

如下所述，在均衡器700中处理麦克风信号，以使其相当于如同由已校准麦克风所产生。因此，在波束形成器200中的求和导致输出确切是每一个麦克风信号量级的M倍。因此，积极地组合垂直到达阵列表面的信号，以及积极地组合到达其他方向的信号。结果，如果阵列的表面垂直于目标信号到达的方向，则到达该方向的信号被积极地组合，并且在固定波束形成器200的输出端产生增强的目标信号。

分块矩阵300根据已校准麦克风信号产生多干扰参考值。在多信道抵消器中，干扰参考值被用作从增强的目标信号中减去的干扰复制品，以便产生增强的目标信号。

图2示出了多信道均衡器700的细节。均衡器700包括增益计算器710和多个乘法器711₀～711_M-1。将来自阵列的麦克风信号x₀～x_M-1均等划分为信道信号的第一拷贝和信道信号的第二拷贝。分别将信道信号的第一拷贝提供给乘法器711以及将信道信号的第二拷贝提供给增益计算器710。增益计算器710产生分别被提供给乘法器711₀～711_M-1的多个增益g₀～g_M-1。通过分别利用增益g₀～g_M-1来缩放第一信道信号x₀～x_M-1，在乘法器711₀～711_M-1中产生已校准信道信号y₀～y_M-1。

如图3中所示，增益计算器710由分别连接到麦克风100₀～100_M-1的多个平均计算器712₀～712_M-1组成，用于接收第二信道信号并且产生麦克风信号x₀～x_M-1的各个平均值 x₀～ x_M-1。一种平均方法根据基于滑动窗口的平滑计算，在信号处理领域中其作为有限脉冲响应滤波器为大家所知。如果使用L-tap(采样)滑动窗口，则如下获得每一个信道信号的平均功率：

${\stackrel{\‾}{x}}_k^2=\frac{1}{L}\underset{j=k-L+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j^2---\left(1\right)$

其中k是代表当前时间的指数。

另一种平均方法涉及使用产生以下平均值的一阶泄漏积分器(leaky integrator)：

${\stackrel{\‾}{x}}_k^2=\mathrm{\β}\·{\stackrel{\‾}{x}}_{k-1}^2+(1-\mathrm{\β})\·{\stackrel{\‾}{x}}_k^2---\left(2\right)$

其中β是常数并且满足关系0＜β＜1。注意，如果麦克风信号包含语音，则优选将整数L设置为等于与2到3秒的时间段相对应的采样值，并且设置常数β使其与L相对应。

将平均值 x₀～ x_M-1提供给倒数计算器713₀～713_M-1。倒数计算器713₀～713_M-1计算平均值 x₀～ x_M-1的倒数，然后，计算如下的均方根，并且将其提供给乘法器714₀～714_M-1：

$\sqrt{\frac{1}{{\stackrel{\‾}{x}}_0^2}},\sqrt{\frac{1}{{\stackrel{\‾}{x}}_1^2}},......,\sqrt{\frac{1}{{\stackrel{\‾}{x}}_{M=1}^2}}---\left(3\right)$

将麦克风信号的平均值 x₀～ x_M-1也提供给参考计算器715，通过计算下面的方程产生信道信号的各个平均值的参考(平均)值s₀：

$s_0=\frac{\sqrt{\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{x}}_j^2}}{\sqrt{M}}---\left(4\right)$

参考值s₀是由平均计算器712计算的所有信道的各个平均功率值的平均值。该平均值s₀被用在乘法器714₀～714_M-1中以便产生如下的增益值g_i(其中i＝0，1，…，M-1)

$g_i=\frac{1}{\sqrt{M}}\sqrt{\frac{\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{x}}_j^2}{{\stackrel{\‾}{x}}_i^2}}---\left(5\right)$

通过将参考值s₀与信道(麦克风)信号的各个平均值的倒数相乘，增益(校准)信号g_i具有利用其自身平均值对信道信号进行归一化以及利用参考信号来校准信道信号的效果。方程(5)表示可以通过信道信号的平均和平方根的简单计算来容易地获得用于校准每一个信道信号的增益值。

因此，多信道均衡器700产生已校准信道信号，该信号与分别利用第二拷贝的平均值进行归一化并且通过乘法器711₀～711_M-1和乘法器714₀～714_M-1共同地利用参考信号进行缩放的第一拷贝相等。因此，可以利用较少的计算量来获得校准。

在图2中，校准(增益)信号g₀～g_M-1被用在乘法器711₀～711_M-1中，以便分别缩放信道信号x₀～x_M-1。因此，以这种方式校准信道信号，以使相当于由相同操作特性的传感器阵列产生所述信道信号。

图4是本发明第二实施例的方框图，其中使用子带多信道均衡器800来代替图1的多信道均衡器700。在图4中，与图1相对应的组件具有相同的数字，并且为了简化省略其描述。

如图5中具体所示，根据本发明的第一形式的图4的子带多信道均衡器800-1包括：M个分析滤波器组810₀～810_M-1，分别与麦克风100₀～100_M-1相连，以便接收信道信号x₀～x_M-1。每一个分析滤波器组810_i将对应信道信号的频谱x_i分解成表示不同频率分量或信道信号x_i的子带的N个子带信道信号x_i，j(其中，i＝0，1，…，M-1，j＝0，1，…，N-1)。

设置其数目与由每一个分析滤波器组分解的N个子带信道相对应的多个多信道均衡器700₀～700_M-1。这些多信道均衡器700₀～700_M-1中的每一个具有如图1中所示同样的配置，并且配置有与M个分析滤波器组810相对应数目的M个输入端。

按照以下方式向多信道均衡器700₀～700_N-1提供分析滤波器组810₀～810_M-1的所有子带信道信号：多信道均衡器700_i从所有分析滤波器组接收相同频带“i”的M个子带信道信号x_i，0，…，x_i，j，…，x_i，M-1。每一个多信道均衡器700对其M个子带信道信号进行均衡，以便按照与结合前一个实施例所述相同的方式，产生M个已校准子带信道信号。设置多个合成滤波器组820₀～820_M-1，每一个合成滤波器组具有N个输入端。合成滤波器组820_j从所有多信道均衡器700₀～700_M-1接收不同频率分量的M个已校准子带信道信号，以便产生已校准信道信号y_j。

在分析滤波器组中，每一个信道信号的频谱可以被划分为均匀子带的子带信道或不均匀子带的子带信道。在后者的情况下，如果将信道频谱的低频范围划分为较窄的带宽并且将高频范围划分为较宽的带宽，则时域分辨率在低频范围内较低，并且在高频范围内较高。如“Multirate Systems and Filter Banks”，Prentice-Hall，1993，45-60、188-393、478-479页中所述，可以根据倍频程划分来划分信道频谱，其中，每一个子带信道的带宽是其较高频相邻子带信道的带宽的一半。信道频谱也可以使用基于人类听觉特征的临界带划分。

图6示出了根据本发明的第二形式的图4的子带多信道均衡器800-2，其中与图5相对应的组件具有相同的数字。代替使用图5的分析滤波器组，该实施例使用频域转换器或变换电路811₀～811_M-1。每一个变换电路811_i(其中i＝0，1，…，M-1)将关联的麦克风的输出信号变换为表示输入信道信号x_j的不同频率分量(也就是子信道)x_j，0～x_j，N-1的幅度和相位的频域信号。不同频率分量的幅度信息与对应的相位信息相分离。

变换电路811_i向与输入端“j”相对应的N个多信道均衡器700₀～700_N-1提供其每一个幅度信号x_i，0～x_i，N-1，以便均衡器700_j(其中j＝0，1，…，N-1)从所有变换电路811接收相同频率分量x_i的幅度信号|x_i，0|，…，|x_i，j|，…，|x_i，M-1|。按照与之前描述相同的方式，多信道均衡器700对于M个输入幅度信号执行校准(均衡)，并且产生出现在输出端“0”到“M-1”的一组M个已校准幅度输出信号。

多信道均衡器700_j向每一个N-输入时域转换器或逆变换电路821₀～821_M-1的对应幅度输入端“j”提供其每一个已校准幅度信号，以便逆变换电路821_i从多信道均衡器700₀～700_M-1接收所有频率分量的已校准幅度信号|x_i，0|，…，|x_i，j|，…，|x_i，N-1|。

与变换电路810_j分离的相位信息被直接提供给逆变换电路821_j，并且将来自所有多信道均衡器700₀～700_M-1的不同频率分量的M个已校准幅度信号也提供给逆变换电路821_j。逆变换电路821_j使用相位信号组合接收到的幅度信号以便合成频域信道信号，并且对合成的频域信号执行逆变换，以便产生已校准时域信道信号y_j。

在实际的方案中，变换电路811₀～811_M-1将多个输入采样组织为多个块，并且对每一块执行变换。按照类似的方式，逆变换电路对相同数目的输入采样执行逆变换。变换的示例有傅立叶变换、余弦变换以及Karhunen-Loeve变换。在“Digital Coding of Waveforms，Principles and Applications to Speech and Video”，Prentice-Hall，1990，510-563页中，描述了这些变换的详情。

在另一个方案中，加窗(windowing)技术可以被用于频域转换处理中。在这种情况下，变换电路811₀～811_M-1将输入采样的每一块与窗函数(例如Hamming、Hanning(或Han)、Kaiser、或Blackman窗)相乘，并且对已加窗的输入采样执行变换。在文献“Multirate systemsand Filter Banks”，Prentice-Hall，1993，45-60、188-393、478-479页和“Digital Signal Processing”，Prentice-Hall，1975，239-250页中，描述了这些窗函数的详情。

在另一个方案中，输入采样的组织块可以部分地与相邻的块重叠。例如，如果重叠了30％的块长度，则块的最后30％用作下一块的前30％。与此方式相对应，采样的块在变换电路811中部分地重叠，块在逆变换电路821中部分地重叠。在文献“Diginal Coding ofWaveforms，Principles and Applications to Speech and Video”，Prentice-Hall，1990，510-563页中，描述了重叠变换的进一步信息。

图7示出了根据本发明的第三种方式的图4的每一个频域多信道均衡器800-3，其中，与图6相对应的组件具有相同的数字。该实施例与图6的不同之处在于：与多信道幅度均衡器700₀～700_M-1相对应，附加地设置多个信道相位均衡器701₀～701_M-1，用于均衡每一个频率分量的对应幅度的相位信息。

按照多信道幅度均衡器700₀～700_M-1连接在变换电路811₀～811_M-1的幅度输出端和逆变换电路821₀～821_M-1的幅度输入端之间相同的方式，多信道相位均衡器701₀～701_M-1连接在变换电路811₀～811_M-1的相位输出端和逆变换电路821₀～821_M-1的相位输入端之间。因此，变换电路811_i(其中i＝0，1，…，M-1)向每一个N个多信道相位均衡器701₀～701_N-1的对应输入端“j”提供频率分量x_i，0～x_i，N-1的相位信息，以便相位均衡器701_j(其中j＝0，1，…，N-1)从所有变换电路811接收相同频率分量x_i的相位信号∠x_i，0，…，∠x_i，j，…，∠x_i，N-1。

多信道相位均衡器701_j向每一个N-输入逆变换电路821₀～821_M-1的对应相位输入端“j”提供其每一个已校准相位信号，以便逆变换电路821_i从多信道相位均衡器701₀～701_N-1接收所有频率分量的已校准相位信号∠y_i，0，…，∠y_i，j，…，∠y_i，N-1。逆变换电路821_j使用已校准相位信号组合接收到的幅度信号，以便合成频域信道信号，并且对频域信号执行频域逆变换，以便产生已校准时域信道信号y_i。

如图8所示，每一个多信道相位均衡器701₀～701_M-1包括多个加法器717₀～717_M-1和相位校正计算器716，所述相位校正计算器716包括多个平均相位角度计算器718₀～718_M-1。在多信道相位均衡器701_j中，分别从所有变换电路811₀～811_M-1向加法器717₀～717_M-1和平均相位角度计算器718₀～718_M-1提供相同频率分量“j”的相位信息∠x₀～∠x_M-1。平均相位角度计算器718₀～718_M-1产生平均相位角度值∠ x₀，…∠ x_M-1，由参考计算器719对所述平均相位角度值进一步进行平均，以便产生参考(平均)相位角度值∠G₀，如下给出：

$\∠G_0=\frac{\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\∠{\stackrel{\‾}{x}}_j}{M}---\left(6\right)$

在减法器720₀～720_M-1中，分别从参考值∠G₀中减去平均值∠ x₀，…∠ x_M-1，以便产生如下给出的一组相位校正值：

∠g_i＝∠G₀-∠ x_i(其中i＝0，1，…，M-1)          (7)

在加法器717₀～717_M-1中，将相位校正值∠g₀～∠g_M-1与其输入相位信息信号∠x₀，…∠x_M-1相组合，以便产生如由方程(8)给出的已校正的相位信息信号∠y₀，…∠y_M-1：

∠y_i＝∠x_i+∠g_i              (8)

结果，当在加法器717₀～717_M-1中使用相位校正值∠g₀，…∠g_M-1以便移位相位信息∠x₀，…∠x_M-1时，相位信息信号∠y₀，…∠y_M-1等同地在时间上彼此对准(校准)。

如果相位校正值∠g_i为负，则首先确定校正值(下边给出)的最小值 (即，最大负值)，并且对校正值∠g_i进行校正，使得校正值的最小值 减小到0。最后，由方程(9)表示校正值

$\∠{\hat{g}}_i=\∠g_i-\min \{\∠g_i\}---\left(9\right)$

在图9中示出了改进的频域多信道均衡器800-4，与图7实施例的不同之处在于幅度信号|x₀|～|x_M-1|也被用于校准相位信息。多信道相位均衡器702₀～702_M-1从变换电路810₀～810_M-1接收幅度信号|x₀|～|x_M-1|和相位信息信号∠x₀，…∠x_M-1。

如图10中所示，每一个多信道相位均衡器702_j与图8中所示类似，除了向相位校正计算器721提供幅度信号|x₀|～|x_M-1|，而仅向加法器717₀～717_M-1提供相位信号。

相位校正计算器721与图8的相位校正计算器716的不同之处在于：相位校正计算器721还包括相对延迟计算器722，以便确定在输入幅度信号之间的延迟时间差δ₀～δ_M-1，并且向平均计算器718₀～718_M-1提供相对延迟时间值，以便计算其平均值 δ_i。将平均值计算器718₀～718_M-1的输出提供给参考计算器719和减法器720₀～720_M-1。更具体地，在相对延迟计算器721中，通过首先将输入幅度信号之一选择为参考幅度信号，来确定给定幅度信号的相对延迟时间。然后，计算在给定幅度信号和参考信号之间的相关性。通过连续地移位相关性的定时点来重复该相关性计算，直到所计算的相关性增大到最大值，因此，确定了给定幅度信号的相对延迟时间。

参考计算器719如下计算平均相对延迟时间差值的平均值δ₀：

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}}_j}{M}---\left(10\right)$

将平均延迟时间差值δ₀提供给减法器720₀～720_M-1，以便产生如下给出的相位校正值：

∠g_i＝2πf(δ₀-δ_i)(其中i＝0，1，…，M-1)    (11)

如果(-δ_i+δ₀)为负，则首先确定(-δ_i+δ₀)的最小值，并且校正(-δ_i+δ₀)的值，以使最小值等效地与0相对应。最后，校正值 由方程(9)表示。

$\∠{\hat{g}}_i=2\mathrm{\πf}\{{\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\δ}}_i-\min ({\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\δ}}_i)\}---\left(12\right)$

在本发明的另一个方案中，在图11中示出了频域多信道均衡器900，作为频域多信道均衡器800-3和800-4的修改。在此改进中，变换域自适应滤波器可用于代替逆变换电路821₀～821_M-1。

每一个变换电路901₀～901_M-1产生一组N个频域信号x₀～x_N-1，并且设置多信道幅度均衡器700₀～700_M-1，其数目与由每一个变换电路901₀～901_M-1产生的幅度信号的数目相对应。同样地，设置多信道相位均衡器701₀～701_N-1或702₀～702_N-1，其数目与由每一个变换电路901₀～901_M-1产生的相位信息信号的数目相对应。前述的分块矩阵300接收N个已校准幅度信号|y₀|～|y_M-1|以及N个已校准相位信号∠y₀～∠y_M-1，以便执行变换域自适应滤波。

注意，在文献“Adaptive Filters”，John Wiley & Sons，1998，201-292页中，描述了适用于本发明的变换域自适应滤波器。

图12示出了本发明的另一个修改实施例。在该实施例中，设置到达方向估计电路201，以取代固定波束形成器200、分块矩阵300、延迟单元400和多信道抵消器500。DOA估计电路201执行之前实施例中所述的、由多信道均衡器700或800校准的输入信号到达方向的估计。基于已校准信道信号之间的相位差(相对延迟)，根据现有技术中的已知算法，确定输入信号将沿哪个方向到达。在文献“IEICE Transactions onFundamentals”，Vol.87-A，No.3，559-566页，March 2004以及“IEICE Transactions on Fundamentals”，Vol.88-A，No.3，633-643页，March 2005中，可以得到已知算法的示例。

有利地，上述多信道均衡器700和800可以结合固定波束形成器200、分块矩阵300、以及多信道抵消器500使用。通过自适应地处理从多信道均衡器提供的已校准信道信号，固定波束形成器200对沿预定方向到达传感器阵列100的信号形成波束，而分块矩阵300对到达其他方向的信号形成零点。多信道抵消器500通过使用分别由波束形成器200和分块矩阵300形成的波束和零点，自适应地处理信道信号。可选地，由波束形成器200、零点形成电路或分块矩阵300、以及多信道抵消器500的组合来实现广义的旁瓣抵消器。

Claims (82)

1.一种用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的信号处理系统，包括：校准电路(711-715)，根据所述信道信号确定参考值，将所述信道信号均等地划分为所述信道信号的第一拷贝和所述信道信号的第二拷贝，并且产生已校准信道信号，所述信道信号与分别通过所述第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的所述第一拷贝相等。

2.如权利要求1所述的信号处理系统，其中，所述校准电路包括：

参考计算电路(712、715)，计算所述信道信号的各个平均值，并且根据所述各个平均值来确定所述参考值；

倒数计算电路(713)，计算所述各个平均值的倒数值；以及

缩放电路(714、711)，通过所述参考值对所述倒数值进行缩放，以便产生多个幅度校准信号，以及分别通过所述校准信号对所述信道信号进行缩放。

3.如权利要求2所述的信号处理系统，其中，所述参考值是所述各个平均值的平均值。

4.如权利要求3所述的信号处理系统，其中，所述各个平均值是所述信道信号的相应平均功率值，以及所述各个平均值的所述平均值是所述平均功率值的平均功率。

5.如权利要求1所述的信号处理系统，还包括：

相位校正电路(718、719)，计算所述信道信号的相位信息信号的平均相位角度值，以及根据信道信号的所述平均相位角度值来确定参考相位角度值；以及

相移电路(720、717)，利用所述参考相位角度值对所述相位信息信号的平均相位角度值进行相移，以便产生多个相位校准信号，以及分别利用所述相位校准信号对信道信号的所述相位信息信号进行相移。

6.如权利要求5所述的信号处理系统，其中，所述参考相位值是信道信号的所述相位角度值的平均值。

7.如权利要求1所述的信号处理系统，还包括：

相位校正电路(722、719)，确定所述信道信号之间的相对延迟时间差值，并且根据所述相对延迟时间差值来确定参考延迟时间差值；以及

相移电路(720、717)，利用所述参考延迟时间差值对相对延迟时间差值进行相移，以便产生多个相位校准信号，以及分别利用所述相位校准信号对所述信道信号的相位信息信号进行相移。

8.如权利要求7所述的信号处理系统，其中，所述参考延迟时间差值是所述相对延迟时间差值的平均值。

9.如权利要求1所述的信号处理系统，还包括：波束形成电路(200)，通过使用来自所述校准电路(700)的所述已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成波束。

10.如权利要求9所述的信号处理系统，还包括：零点形成电路(300)，通过使用来自所述校准电路(700)的所述已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成零点；以及抵消器(500)，通过使用所述波束和所述零点来自适应地处理所述信道信号。

11.如权利要求9所述的信号处理系统，其中，所述波束形成电路(200)自适应地执行所述波束的形成。

12.如权利要求10所述的信号处理系统，其中，所述零点形成电路(300)自适应地执行所述零点的形成。

13.如权利要求10所述的信号处理系统，其中，所述波束形成电路(200)、所述零点形成电路(300)以及所述抵消器(500)的组合是广义的旁瓣抵消器。

14.如权利要求1所述的信号处理系统，还包括：估计电路，用于通过使用所述已校准信道信号，估计信号在所述传感器阵列上到达的方向。

15.一种用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的信号处理系统，包括：

多个分析滤波器组(810)，分别从所述传感器接收所述信道信号，其中每一个分析滤波器组将接收到的信号分解成不同频率的多个子带信道信号；

多个多信道均衡器(700)，其数目与由每一个分析滤波器组分解的所述子带信道信号相对应，其中每一个多信道均衡器从所有所述分析滤波器组接收相同频率的多个子带信道信号，并且产生多个已校准子带信道信号；以及

多个合成滤波器组(820)，分别从所有所述多信道均衡器接收不同频率的所述已校准子带信道信号，其中每一个合成滤波器组将已校准子带信道信号合成为已校准信道信号，

其中，每一个所述多信道均衡器(700)包括校准电路(711-715)，根据接收到的子带信道信号确定参考值，将所述子带信道信号均等划分为所述子带信道信号的第一拷贝和所述子带信道信号的第二拷贝，并且产生已校准子带信道信号，所述已校准子带信道信号与分别通过所述第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的所述第一拷贝相等。

16.如权利要求15所述的信号处理系统，其中，所述校准电路包括：

参考计算电路(712、715)，计算所述子带信道信号的各个平均值，以及根据所述各个平均值来确定所述参考值；

倒数计算电路(713)，计算所述各个平均值的倒数值；以及

缩放电路(714、711)，通过所述参考值来缩放所述倒数值，以便产生多个幅度校准信号，以及分别利用所述校准信号来缩放所述子带信道信号。

17.如权利要求15所述的信号处理系统，其中，所述参考值是所述各个平均值的平均值。

18.如权利要求17所述的信号处理系统，其中，所述各个平均值是所述子带信道信号的各个平均功率值，以及所述各个平均值的所述平均值是所述各个平均功率值的平均功率。

19.如权利要求15所述的信号处理系统，还包括波束形成电路(200)，通过使用来自所述合成滤波器组(820)的所述已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成波束。

20.如权利要求19所述的信号处理系统，还包括：零点形成电路(300)，通过使用来自所述合成滤波器组(820)的所述已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成零点；以及抵消器(500)，通过使用所述波束和所述零点来自适应地处理所述已校准信道信号。

21.如权利要求19所述的信号处理系统，其中，所述波束形成电路(200)自适应地执行所述波束的形成。

22.如权利要求20所述的信号处理系统，其中：所述零点形成电路(300)自适应地执行所述零点的形成。

23.如权利要求20所述的信号处理系统，其中，所述波束形成电路(200)、所述零点形成电路(300)以及所述抵消器(500)的组合是广义的旁瓣抵消器。

24.如权利要求15所述的信号处理系统，还包括：估计电路，通过使用所述已校准信道信号，估计所述传感器阵列上信号到达的方向。

25.一种用于处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的信号处理系统，包括：

多个变换电路(811)，分别从所述传感器接收所述信道信号，其中每一个变换电路将接收到的信号变换为具有接收到的信道信号的多个不同频率分量的幅度和相位的频域信号；以及

多个多信道均衡器(700)，其数目与由每一个变换电路变换的所述频域信号的不同频率分量相对应，其中每一个多信道均衡器从所有所述变换电路接收所述频域信号的多个相同频率分量，并且产生频域信号的多个已校准相同频率分量；

其中，每一个所述多信道均衡器(700)包括：校准电路(711-715)，根据所述接收到的相同频率分量来确定参考值，将所述相同频率分量均等划分为所述相同频率分量的第一拷贝和所述信道信号的第二拷贝，并且产生已校准相同频率分量，所述已校准相同频率分量与分别通过所述第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的所述第一拷贝相等。

26.如权利要求25所述的信号处理系统，还包括：多个逆变换电路(821)，其中，每一个逆变换电路从所有所述多信道均衡器接收所述频域信号的已校准不同频率分量，并且将已校准不同频域分量变换为多个已校准信道信号。

27.如权利要求25所述的信号处理系统，其中，所述校准电路包括：

参考计算电路(712、715)，计算所述相同频率分量的各个平均值，以及根据所述各个平均值来确定所述参考值；

倒数计算电路(713)，计算所述各个平均值的倒数值；以及

缩放电路(714、711)，通过所述参考值来缩放所述倒数值，以便产生多个幅度校准信号，以及分别通过所述校准信号来缩放所述频域信号的所述相同频率分量。

28.如权利要求27所述的信号处理系统，其中，所述参考值是所述各个平均值的平均值。

29.如权利要求27所述的信号处理系统，其中，所述各个平均值是所述相同频率分量的各个平均功率值，以及所述各个平均值的所述平均值是所述各个平均功率值的平均功率。

30.如权利要求25所述的信号处理系统，还包括：多个多信道相位均衡器(701)，其数目与由每一个所述变换电路变换的每一个频域信号的所述不同频率分量相对应，其中，每一个多信道相位均衡器从所有所述变换电路接收所述频域信号的相同频率分量的多个相位信息信号，并且产生多个相同频率分量的已校准相位信息信号，

其中，每一个所述多信道相位均衡器(701)包括：

相位校正电路(718、719)，计算所述相同频率分量的相位信息信号的平均相位角度值，以及根据所述平均相位角度值来确定参考相位角度值；以及

相移电路(720、717)，分别利用所述参考相位角度值对所述相位信息信号的平均相位角度值进行相移，以便产生多个相位校准信号，以及分别利用所述相位校准信号对相同频率分量的所述相位信息信号进行相移。

31.如权利要求30所述的信号处理系统，还包括：多个逆变换电路(821)，其中，每一个逆变换电路接收来自所有所述多信道相位均衡器的所述频域信号的已校准不同频率分量、以及来自所有所述多信道相位均衡器的已相移不同频率分量，并且通过使用接收到的已相移不同频率分量将接收到的不同频率分量变换为多个已校准信道信号。

32.如权利要求30所述的信号处理系统，其中，所述参考相位角度值是所述相位角度值的平均值。

33.如权利要求25所述的信号处理系统，还包括：多个多信道相位均衡器(702)，其数目与由每一个变换电路变换的所述不同频率分量相对应，其中，每一个多信道相位均衡器(702)从所有所述变换电路接收所述相同频率分量的多个相位信息信号和幅度信号，并且产生相同频率分量的多个已校准相位信息信号，

其中，每一个所述多信道相位均衡器(702)包括：

相位校正电路(722、719)，确定所述相同频率分量的所述幅度信号之间的相对延迟时间差值，并且根据所述相对延迟时间差值来确定参考延迟时间差值；以及

相移电路(720、717)，利用所述参考延迟时间差值对相对延迟时间差值进行相移，以便产生多个相位校准信号，并且分别利用所述相位校准信号对所述相同频率分量的所述相位信息信号进行相移。

34.如权利要求33所述的信号处理系统，还包括：多个逆变换电路(821)，其中每一个逆变换电路接收来自所有所述多信道均衡器的所述频域信号的已校准不同频率分量、以及来自所有所述多信道相位均衡器的已相移不同频率分量，并且通过使用接收到的已相移不同频率分量，将接收到的不同频率分量变换为多个已校准信道信号。

35.如权利要求33所述的信号处理系统，其中，所述参考延迟时间差值是所述相对延迟时间差值的平均值。

36.如权利要求31所述的信号处理系统，还包括：波束形成电路(200)，通过使用来自所述逆变换电路(821)的所述已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成波束。

37.如权利要求36所述的信号处理系统，还包括：零点形成电路(300)，通过使用来自所述合成滤波器组(820)的所述已校准信道信号，在信号以预定方向到达所述传感器阵列时形成零点；以及抵消器(500)，通过使用所述波束和所述零点来自适应地处理所述已校准信道信号。

38.如权利要求36所述的信号处理系统，其中，所述波束形成电路(200)自适应地执行所述波束的形成。

39.如权利要求37所述的信号处理系统，其中，所述零点形成电路(300)自适应地执行所述零点的形成。

40.如权利要求37所述的信号处理系统，其中，所述波束形成电路(200)、所述零点形成电路(300)以及所述抵消器(500)的组合是广义的旁瓣抵消器。

41.如权利要求31所述的信号处理系统，还包括：估计电路，用于通过使用所述已校准信道信号来估计所述传感器阵列上信号到达的方向。

42.一种处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的方法，包括步骤：通过根据所述信道信号确定参考值来校准所述信道信号；将信道信号均等地划分为信道信号的第一拷贝和信道信号的第二拷贝；以及产生已校准信道信号，所述已校准信道信号与分别通过所述第二拷贝的所述平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的第一拷贝相等。

43.如权利要求42所述的方法，其中，所述校准步骤包括步骤：

a)计算所述信道信号的各个平均值，以及根据所述各个平均值来确定所述参考值；

b)计算所述各个平均值的倒数值；以及

c)通过所述参考值来缩放所述倒数值，以便产生多个幅度校准信号，以及分别通过所述校准信号来缩放所述信道信号。

44.如权利要求43所述的方法，其中，所述参考值是所述各个平均值的平均值。

45.如权利要求43所述的方法，其中，所述各个平均值是所述信道信号的各个平均功率值，以及所述各个平均值的所述平均值是所述各个平均功率值的平均功率。

46.如权利要求42所述的方法，还包括：

计算所述信道信号的相位信息信号的平均相位角度值；

根据信道信号的所述平均相位角度值来确定参考相位角度值；

利用所述参考相位角度值对所述相位信息信号的平均相位角度值进行相移，以便产生多个相位校准信号，以及

分别利用所述相位校准信号对信道信号的所述相位信息信号进行相移。

47.如权利要求46所述的方法，其中，所述参考相位值是信道信号的所述相位角度值的平均值。

48.如权利要求42所述的方法，还包括：

确定所述信道信号之间的相对延迟时间差值，并且根据所述相对延迟时间差值来确定参考延迟时间差值；

利用所述参考延迟时间差值对相对延迟时间差值进行相移，以便产生多个相位校准信号；以及

分别利用所述相位校准信号对信道信号的所述相位信息信号进行相移。

49.如权利要求48所述的方法，其中，所述参考延迟时间差值是信道信号的所述相对延迟时间差值的平均值。

50.如权利要求42所述的方法，还包括步骤：通过使用已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成波束。

51.如权利要求50所述的方法，还包括步骤：通过使用已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述的传感器阵列时形成零点；以及通过使用所述波束和所述零点自适应地处理所述已校准信道信号。

52.如权利要求50所述的方法，其中，形成波束的步骤自适应地执行所述波束的形成。

53.如权利要求51所述的方法，其中，所述零点的形成的步骤自适应地执行所述零点的形成。

54.如权利要求51所述的方法，其中，通过使用广义的旁瓣抵消器来执行所述形成波束步骤、所述零点形成步骤、和所述自适应地处理步骤的组合。

55.如权利要求42所述的方法，还包括：通过使用所述已校准信道信号，估计信号到达所述传感器阵列的方向。

56.一种处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的方法，包括：

(a)将每一个所述信道信号分解为多个不同频率的子带信道信号；

(b)通过以下步骤来校准每一个所述信道信号的相同频率子带信道信号：根据所述相同频率的子带信道信号来确定参考值，将所述相同频率子带信道信号均等划分为所述相同频率子带信道信号的第一拷贝和所述相同频率子带信道信号的第二拷贝，以及产生已校准相同频率分量，所述已校准相同频率分量与分别通过所述第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的所述第一拷贝相等；以及

(c)将不同频率的已校准子带信道信号合成为多个已校准信道信号。

57.如权利要求56所述的方法，其中步骤(b)包括步骤：

计算所述相同频率子带信道信号的各个平均值，以及根据所述各个平均值来确定参考值；

计算所述各个平均值的倒数值；以及

通过所述参考值来缩放所述倒数值，以便产生多个幅度校准信号，以及分别通过所述校准信号来缩放所述子带信道信号，以便产生多个已校准子带信道信号。

58.如权利要求57所述的方法，其中，所述参考值是子带信道信号的所述各个平均值的平均值。

59.如权利要求58所述的方法，其中，所述各个平均值是所述子带信道信号的各个平均功率值，以及所述各个平均值的所述平均值是所述各个平均功率值的平均功率。

60.如权利要求56所述的方法，还包括步骤：通过使用已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成波束。

61.如权利要求60所述的方法，还包括步骤：通过使用已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成零点，以及通过使用所述波束和所述零点来自适应地处理所述已校准信道信号。

62.如权利要求60所述的方法，其中，形成波束的步骤自适应地执行所述波束的形成。

63.如权利要求61所述的方法，其中，所述零点形成的步骤自适应地执行所述零点的形成。

64.如权利要求61所述的方法，其中，通过使用广义的旁瓣抵消器来执行所述形成波束步骤、所述零点形成步骤、和所述自适应地处理步骤的组合。

65.如权利要求56所述的方法，还包括：通过使用所述已校准信道信号，估计信号到达所述传感器阵列的方向。

66.一种处理从不同操作特性的传感器阵列提供的多个信道信号的方法，包括：

(a)将由所述传感器提供的每一个所述信道信号变换为具有多个不同频率分量的幅度和相位的频域信号；以及

(b)通过以下步骤来校准每一个所述频域信号的相同频率分量：根据所述相同频率分量来确定参考值，将相同频率分量均等划分为相同频率分量的第一拷贝和相同频率分量的第二拷贝，以及产生已校准相同频率分量，所述已校准相同频率分量与分别通过所述第二拷贝的平均值进行归一化并且通过所述参考值进行缩放的所述第一拷贝相等。

67.如权利要求66所述的方法，其中步骤(b)包括：

计算所述每一个频域信号的所述相同频率分量的各个平均值，以及根据所述各个平均值来确定参考值；

计算所述各个平均值的倒数值；以及

利用所述参考值来缩放所述倒数值，以便产生多个幅度校准信号，以及分别利用所述幅度校准信号来缩放所述相同频率分量，以便产生所述频域信号的多个已校准相同频率分量。

68.如权利要求66所述的方法，还包括：逆变换所述已校准不同频率分量。

69.如权利要求67所述的方法，其中：所述参考值是所述各个平均值的平均值。

70.如权利要求68所述的方法，其中：所述各个平均值是所述相同频率分量的各个平均功率值，以及所述各个平均值的所述平均值是所述各个平均功率值的平均功率。

71.如权利要求66所述的方法，还包括：

计算所述相同频率分量的相位信息信号的平均相位角度值；

根据所述平均相位角度值来确定参考相位角度值；

利用所述参考相位角度值对所述相位信息信号的平均相位角度值进行相移，以便产生多个相位校准信号，以及

分别利用所述相位校准信号对所述相位信息信号进行相移。

72.如权利要求71所述的方法，其中，所述参考相位值是所述相位角度值的平均值。

73.如权利要求71所述的方法，还包括：使用所述已相移相位信息信号，逆变换所述已校准不同频率分量。

74.如权利要求73所述的方法，还包括：

确定所述相同频率分量的幅度信号之间的相对延迟时间差值；

根据所述相对延迟时间差值来确定参考延迟时间差值；

利用所述参考延迟时间差值对相对延迟时间差值进行相移，以便产生多个相位校准信号；以及

分别利用所述相位校准信号对所述相位信息信号相移。

75.如权利要求74所述的方法，其中，所述参考延迟时间差值是所述相对延迟时间差值的平均值。

76.如权利要求74所述的方法，还包括：使用所述已相移相位信息信号，逆变换所述已校准不同频率分量。

77.如权利要求68所述的方法，还包括步骤：通过使用已校准不同频率分量，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成波束。

78.如权利要求77所述的方法，还包括步骤：通过使用已校准信道信号，在信号以预定的方向到达所述传感器阵列时形成零点；以及通过使用所述波束和所述零点来自适应地处理所述已校准不同频率分量。

79.如权利要求77所述的方法，其中，形成波束的步骤自适应地执行所述波束的形成。

80.如权利要求78所述的方法，其中，所述零点的形成的步骤自适应地执行所述零点的形成。

81.如权利要求78所述的方法，其中：通过使用广义的旁瓣抵消器来执行所述形成波束步骤、所述零点形成步骤、和所述自适应地处理步骤的组合。

82.如权利要求68所述的方法，还包括：通过使用所述已校准信道信号，估计信号到达所述传感器阵列的方向。

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