DE69526892T2

DE69526892T2 - Bündelerreger mit adaptiven Filtern mit beschränkten Koeffizienten zur Unterdrückung von Interferenzsignalen

Info

Publication number: DE69526892T2
Application number: DE69526892T
Authority: DE
Inventors: Osamu Hoshuyama
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-09-01
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2015-09-02
Also published as: US5627799A; EP0700156A3; CA2157418A1; EP0700156A2; EP0700156B1; DE69526892D1; CA2157418C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Interferenz-Kompensationseinrichtungen, und insbesondere eine verallgemeinerte Seitenkeulen-Kompensationseinrichtung oder einen adaptiven Bündelformer für eine Anordnung von Sensoren, wie z. B. Mikrophonen, oder dergleichen.
Es ist bekannt, daß breitbandige Signale, die sich quer zu einer Anordnung von Sensoren in Richtungen ausbreiten, die sich von der Bündelhauptrichtung der Anordnung unterscheiden, eine Verzerrung erfahren, die einer Tiefpaßfilterung ähnlich ist.
Bei einer Mikrophongruppe nach dem Stand der Technik werden von einer Mikrophongruppe detektierte Signale tiefpaßgefiltert und miteinander summiert, um ein Zielsignal zu detektieren, das in einer speziellen Richtung ankommt. Der adaptive Mikrophongruppes-Bündelformer ist eine Form der verallgemeinerten Seitenkeulen-Kompensationseinrichtung, wie sie in einem Artikel "An Alternative Approach to Linearly Constrained Adaptive Beamforming", Lloyd J. Griffiths and Charles W. Jim, the IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-30, No. 1, January 1982, pages 27-34 beschrieben ist. Wie in dem Artikel "The Broad-Band Wiener Solution für Griffiths-Jim Beamformers", 5. Nordholm, I. Claesson and P. Eriksson, the IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 40, Ferbruary 1992, pages 474-478 (hierin nachstehend als Dokument 1 bezeichnet) beschrieben, weist die verallgemeinerte Seitenkeulen-Kompensationseinrichtung ein räumliches Tiefpaßfilter auf, das mit einer Mikrophongruppe zur Filterung von Signalen aus der Anordnung und Summierung der gefilterten Signale in der Weise verbunden ist, daß nur das gewünschte Signal in dem summierten Signal enthalten ist. Es sind mehrere räumliche Hochpaßfilter vorgesehen, um eine räumliche Hochpaßfilterbank auszubilden. Jedes räumliche Hochpaßfilter ist mit einem ausgewählten Paar von Mikrophonen zur Filterung und Summierung der Sensorsignale verbunden, um die Interferenzsignale zu detektieren. Es sind mehrere adaptive Filter zur Verwendung der Interferenzsignale als Referenzsignale vorgesehen, um diejenigen Komponenten zu detektieren, welche eine hohe Korrelation zu den in dem detektierten Zielsignal enthaltenen Interferenzsignalen aufweisen.
Da die räumlichen Hochpaßfilter von Dokument 1 von nichtadaptivem Typ sind und jedes zwei Mikrophonausgangssignale verwendet, ist der Bereich von Signalen, welcher unterdrückt werden muß, sehr schmal. Demzufolge bewirkt eine leichte Abweichung von der gewünschten Richtung eine Leckage des gewünschten Signals in den Interferenzpfad des Bündelformers.
Um den Nachteil der herkömmlichen Technik zu überwinden, wurde ein Vorschlag gemacht, ein räumliches Hochpaßfilter für den Empfang von mehr als zwei Mikrophonausgangssignalen zu implementieren, wie es in einem Artikel "A Spatial Filtering Approach to Robust Adaptive Beaming", I. Claesson et al., the IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 40, No. 9 September 1992, pages 1093 bis 1096 (hierin nachstehend als Dokument 2 bezeichnet) beschrieben ist. Gemäß Dokument 2 verbreitert jedes von den Hochpaßfiltern, das das räumliche Hochpaßfilter aufweist, den Bereich von Ankunftswinkeln, indem mehrfache räumliche Abtastwerte von einem ausgewählten Satz von Mikrophonen und Verwendung mehrerer leckender adaptiver Filter empfangen werden.
Es ist jedoch eine große Anzahl von Mikrophonen (Q-Wert) erforderlich, um einen Bündelformer mit einem breiten Bereich von Unterdrückungswinkeln für jede Gruppe von räumlichen Hochpaßfiltern in der Filterbank zu implementieren. Wenn keine ausreichende Anzahl von Mikrophonen bereitgestellt wird, muß der Auslegungsfreiheitsgrad geopfert werden, was zu einem Bündelformer mit einer niedrigen Rauschunterdrückung führt. Der Unterschied zwischen der angenommenen Richtung und der tatsächlichen Ankunftsrichtung des Zielsignals, oder ein Blickrichtungsfehler ist von weiterer Bedeutung, da er das Zielsignal verschlechtert. Um diesen Nachteil zu kompensieren benötigt die räumliche Hochpaßfilterbank nach dem Stand der Technik so viele räumliche Hochpaßfilter, wie es erforderlich ist, um einen breiten Bereich von Winkeln zur Unterdrückung des Zielsignals bereitzustellen, um dessen Leckage in den Interferenzpfad des Bündelformers zu verhindern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen adaptiven Gruppen-Bündelformer mit einer verringerten Anzahl von Sensoren bei gleichzeitiger Zulassung eines Blickrichtungsfehlers bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines adaptiven Gruppen- Bündelformers nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Blockschaltbild des räumlichen Hochpaßfilters nach dem Stand der Technik von Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockschaltbild der leckenden adaptiven Filter nach dem Stand der Technik von Fig. 1;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines adaptiven Gruppen- Bündelformers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines adaptiven Gruppen- Bündelformers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Blockschaltbild des normbegrenzten, adaptiven Filters mit Durchschnittsbegrenzung der zweiten Ausführungsform;
Fig. 7 ein Blockschaltbild des in Fig. 6 verwendeten Generators für Begrenzungskoeffizienten;
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines adaptiven Gruppen- Bündelformers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ein Blockschaltbild der adaptiven Filter mit Koeffizientenbegrenzung der dritten Ausführungsform;
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie des Begrenzers von Fig. 9;
Fig. 11 ein Blockschaltbild eines adaptiven Gruppen- Bündelformers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Modifikation der vorliegenden Erfindung.
Vor dem Fortfahren mit der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann es hilfreich sein, eine Erläuterung des Stand des Technik unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 zu geben. In Fig. 1 ist eine lineare Anordnung von Mikrophonen 1&sub0; bis 1M-1 mit identischen Betriebseigenschaften in ausreichenden Abständen von interessierenden Signalquellen angeordnet, so daß die Wellenfront jedes Signals an den Mikrophonen als linear zu betrachten ist. Die Mikrophone sind mit FIR-Transversalfiltern 20&sub0; bis 20M-1 eines räumlichen Tiefpaßfilters 2 verbunden, die Ausgangssignale der Filter 20 werden von einem Addierer 26 summiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches das Zielsignal aus einer speziellen (angenommenen) Richtung und Signale aus anderen Richtungen enthält, welche mit dem Zielsignal nicht korreliert sind. Die Ausgangssignale der Filter 20 werden über eine Zeitanpassungs- Verzögerungsschaltung 3 an einen Subtrahierer 32 einer Kompensationseinrichtung 4 geliefert.
Die Ausgänge der M Mikrophone sind ferner mit einer räumlichen Hochpaßfilterbank 6 verbunden, um (M-Q-1) Ausgangssignale zu erzeugen. Die Filterbank 6 arbeitet so, daß die das Zielsignal enthaltenden Signale sowie Signale in der Nachbarschaft der angenommenen Richtung unterdrückt werden. Die Ausgangssignale der Filterbank 5 enthalten somit die unerwünschten Signale als dominante Komponenten. Die Ausgangssignale der Filterbank 5 werden über Leitungen F0 bis FMQ leckenden adaptiven Filtern 30o bis 30WQ der Kompensationseinrichtung 4 zugeführt. Die leckenden adaptiven Filter 30 der Kompensationseinrichtung detektieren in dem Ausgangssignal des Bündelformers am Anschluß 5 enthaltene unerwünschte Signale, welche eine hohe Korrelation mit den unerwünschten Signalen aufweisen, die von dem räumlichen Hochpaßfilter 6 detektiert werden, indem dessen Abgriffgewichtswerte unter Verwendung des Ausgangssignals des Bündelformers als ein Signal, das den Betrag des Korrekturfehlers angibt, adaptiv aktualisiert werden. Die von den leckenden adaptiven Filtern 30 detektierten Signale mit hoher Korrelation werden von einem Addierer 31 zusammengefaßt und dem Subtrahierer 32 zugeführt, wo es von dem Zeit-koinzidenten Signal aus dem räumlichen Tiefpaßfilter 2 subtrahiert wird, wodurch die unerwünschten Signale an dem Ausgangsanschluß 5 des Bündelformers unterdrückt werden.
Jedes von den Filtern 20 weist eine von Verzögerungselementen 22&sub0; bis 22G-2 gebildete, mit Abgriffen versehene Verzögerungsleitung auf, die (G-1) Verzögerungsleitungsabgriffe ausbilden, die mit entsprechenden Abgriffgewichtsmultiplizierern 23 zur jeweiligen Gewichtung der Abgriffssignale mit speziellen Abgriffgewichtskoeffizienten aus einem Abgriffgewichtsspeicher 24 verbunden sind, (wobei G gleich oder größer als 2) ist, wobei die gewichteten Abgriffssignale von einem Addierer 25 summiert und dem Addierer 26 zugeführt werden. Der Abgriffgewichtsspeicher 24 jedes Filters 20 speichert einen Satz von Abgriffgewichtskoeffizienten, deren Werte so bestimmt sind, daß die Filter 20 besondere Kennlinien aufweisen, die zu einem Ausgangssignal führen, welches das Zielsignal enthält. Wenn die angenommene Richtung senkrecht zu der Länge der Mikrophongruppe verläuft, wird die ganze Zahl G = 2 verwendet und der Abgriffgewichtskoeffizient des Multiplizierers 23&sub0; gleich "1" gesetzt. Weitere Auslegungs- Lösungsansätze sind in "Multidimensional Digital Signal Processing", Prentice-Hall, Inc., pages 289-315, 1984 und in IEEE, Proceedings of International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing 93, pages 169-172 beschrieben.
Die räumliche Hochpaßfilterbank 6 des in Dokument 2 beschriebenen Typs ist in Fig. 2 dargestellt. Die Filterbank 6 besteht aus (M-Q-1) Gruppen 40 von jeweils Q Hochpaßfiltern 41 und einem Addierer 42, wobei jede Gruppe ein räumliches Hochpaßfilter ausbildet und Q gleich oder größer als "3" ist. Jedes räumliche Filter 40 empfängt einen ausgewählten Satz von den Mikrophonausgangssignalen in der Weise, daß die Signale von den Mikrophonen, die näher zu der Mitte der anordnung positioniert sind, mit einer zunehmenden Anzahl von Filtern 41 verbunden sind. Somit werden die in den Mittenbereich der Mikrophongruppe einfallenden Signale durch eine größere Anzahl von Filtern 41 gefiltert als diejenigen Signale, die an den Rändern der Anordnung einfallen. Die Hochpaßfilter 41 weisen grundsätzlich dieselbe Transversalfilter-Konfiguration wie die Filter 20, jedoch mit unterschiedlichen Verzögerungsleitungslängen (G) und unterschiedlichen Filterkennlinien auf.
Die Kennlinien der Hochpaßfilter 41 der Filterbank 6 sind die eines Unterdrückungsfilters, wobei eine Gruppe von sich in der angenommenem Richtung ausbreitenden Signalen an dem Ausgang des Addierers 42 jedes räumlichen Hochpaßfilters 40 unterdrückt wird. Ein grundsätzliches Auslegungsverfahren für diesen Typ räumlicher Filter ist in Dokument 2 beschrieben. Eine wichtiger Gesichtspunkt ist der Auslegungsfreiheitsgrad, welcher von der Anzahl der verwendeten Mikrophone bestimmt wird. Für eine Anordnung mit M Mikrophonen wird er durch M- Q-1 angegeben. Durch die Verwendung einer großen Anzahl von Mikrophonen kann ein Bündelformer mit einem breiten Unterdrückungswinkel mit hoher Abschwächung implementiert werden. Vorteilhaft kann das Zielsignal in dem Interferenzpfad derartiger Bündelformer selbst dann unterdrückt werden, wenn sich die angenommene Richtung von ihrer tatsächlichen Ankunftsrichtung unterscheidet.
In jedem leckenden adaptiven Filter 30 (Fig. 3) wird ein entsprechendes Ausgangssignal aus der Filterbank 5 sukzessiv durch die von den Verzögerungselementen 50o bis 50L2 gebildeten Verzögerungsleitungsabgriffe verschoben und die Abgriffssignale jeweils von (L-1) Multiplizierern 51 mit von Aktualisierungsschaltungen 53o bis 53L1 gelieferten Abgriffgewichtskoeffizienten gewichtet und dann von einem Addierer 52 zur Weiterleitung an den Addierer 31 summiert. Jede Aktualisierungsschaltung 53 arbeitet nach den (LMS)-Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate. Das Ausgangssignal des Bündelformers aus dem Subtrahierer 32, welches einen Korrekturfehler darstellt, wird mittels Schrittgröße u in ein Multiplizierer 54 gewichtet und an einen Multiplizierer 55 jeder Aktualisierungsschaltung 53 angelegt, um eine Korrelation zwischen dem gewichteten Fehler und einem entsprechenden Abgriffssignal zu detektieren. Jede Aktualisierungsschaltung 53 enthält einen leckenden Integrator, der von einem Addierer 56, einem Multiplizierer 57 und einem Verzögerungselement 58 gebildet wird. Das Korrelationsausgangssignal des Multiplizierers 55 wird mit einem Rückkopplungssignal aus dem Multiplizierer 57 summiert und von dem Verzögerungselement 58 um ein Symbolintervall verzögert. Das verzögerte Symbol wird an den entsprechenden Abgriffgewichtsmultiplizierer 51 als ein aktualisierter Abgriffgewichtskoeffizient sowie an den Multiplizierer 57 angelegt, wo es um einem Faktor a (kleiner als 1) herunterskaliert wird und zu dem Addierer 56 zurückgekoppelt wird. Wegen dieser Herunterskalierungsrückkopplung arbeitet der Integrator als ein leckender Integrator, welcher sich von normalen Integratoren unterscheidet, bei denen der Skalierungsfaktor 1 ist. Die leckende Integration verhindert einen unbegrenzten Anstieg des Abgriffgewichtskoeffizienten, wenn eine Leckage des Zielsignals zu dem Interferenzpfad (d. h., zu den Ausgangssignalen der Filterbank 6) des Bündelformers aufgrund der inhärenten Variabilität der Mikrophonkennlinien und von Positionsfehlern der Mikrophone vorliegt. Anderenfalls würden die von den adaptiven Filtern erzeugten Interferenzsignale mit Komponenten des Signals in dem Hauptpfad des Bündelformers identisch werden, und die resultierende Kompensation würde das Zielsignal im wesentlichen entfernen.
Um jedoch einen Bündelformer mit einem breiten Bereich von Unterdrückungswinkeln zu implementieren, ist jedoch eine große Anzahl von Mikrophonen (Q-Wert) für jede Gruppe von räumlichen Hochpaßfiltern in der Filterbank erforderlich. Wenn keine ausreichende Anzahl von Mikrophonen bereitgestellt wird muß der Auslegungsfreiheitsgrad geopfert werden, was zu einem Bündelformer mit einer niedrigen Rauschkompensationsfähigkeit führt.
In Fig. 4 ist nun ein adaptiver Gruppen-Bündelformer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, in welcher Teile, die solchen von Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen wie den in Fig. 1 verwendeten bezeichnet werden, weshalb deren Beschreibung zur Vereinfachung unterlassen wird. Der adaptive Gruppen- Bündelformer dieser Ausführungsform weist ein räumliches Hochpaßfilter 16 und eine Kompensationseinrichtung 17 auf. Die räumlichen Hochpaßfilter 16 enthalten M Verzögerungsschaltungen 70 bis 7M1, die jeweils mit den Mikrophonen 10 bis 1M-1, M leckende adaptive Filter 80 bis 8M1 und M Subtrahierer 90 bis 9M1, die jeweils mit den Ausgängen der M Verzögerungsschaltungen 7 verbunden sind.
Das mit der Mikrophongruppe verbundene räumliche Tiefpaßfilter 2 erzeugt eine räumliche Tiefpaßfilterung der einzelnen Mikrophonsignale und eine Summierung der tiefpaßgefilterten Signale in derselben Weise wie in dem Bündelformer nach dem Stand der Technik, um das Zielsignal zu detektieren. Das Ausgangssignal des räumlichen Tiefpaßfilters 2 wird an alle leckenden adaptiven Filter 8 als ein Referenzsignal sowie an die Verzögerungseinrichtung 3 angelegt. Die Ausgangssignale der Mikrophongruppe werden durch entsprechende Verzögerungsschaltungen 7 hindurch Subtrahierern 9 zugeführt, welchen auch die Ausgangssignale der leckenden adaptiven Filtere 8 zugeführt werden, um von den entsprechenden Mikrophonausgangssignalen subtrahiert zu werden. Das Ausgangssignal jedes Subtrahierers 9 wird an die entsprechenden leckenden adaptiven Filter 8 als ein Fehlersignal geleitet, um deren Gewichtswerte zu aktualisieren. Die M Verzögerungsschaltungen 7 verleihen den Mikrophonausgangssignalen eine Verzögerung, so daß sie an den Eingängen der entsprechenden Subtrahierer 9 mit den Ausgangssignalen der leckenden adaptiven Filter 8 Zeit-koinzident sind.
Jedes von den leckenden adaptiven Filtern 8 ist im Aufbau mit dem in Fig. 3 dargestellten identisch. Korrelationen zwischen dem Referenzsignal und jedem von den Fehlersignal werden von den leckenden adaptiven Filtern 8 detektiert. Wie vorstehend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben, ist die Stärke eines leckenden adaptiven Filters zur Beschränkung des Anstiegs des Abgriffgewichts proportional zu der Größe des Abgriffgewichtswertes selbst. Demzufolge kann, wenn der optimale Wert für den Abgriffgewichtskoeffizienten (welcher das Fehlereingangssignal der leckenden adaptiven Filter minimiert) relativ groß ist, der Abgriffgewichtswert nicht auf den optimalen Wert konvergieren, was zu einem erheblichen Fehlerbetrag in Bezug auf den optimalen Wert führt. Dies impliziert, daß sich abhängig von dem Abgriffgewichtswert die Korrelationsfähigkeit der leckenden adaptiven Filter 8 erheblich unterscheidet. Daher können diejenigen Signalkomponenten, welche einen größeren Abgriffgewichtswert erfordern, um die Detektion ihrer Korrelation zu ermöglichen, nicht ausreichend entfernt werden, während diejenigen Signale, welche einen niedrigeren Abgriffgewichtswert erfordern, ausreichend entfernt werden können.
Bezüglich des in der angenommenen Richtung ankommenden Signals sowie derjenigen, die nahe den angenommenen Richtungen ankommen, enthält das Ausgangssignal des räumlichen Tiefpaßfilters 2 denselben Anteil derartiger Signalkomponenten wie diejenigen, die von der Mikrophongruppe detektiert werden, und der maximale Abgriffgewichtswert, der für die Entfernung dieser aus dem Interferenzpfad des Bündelformers erforderlich ist, ist klein, wie z. B. "1". Die leckenden adaptiven Filter 8 werden daher mit einem niedrigen maximalen Abgriffgewichtswert ausgelegt, so daß die Zielsignalkomponenten vollständig aus den Ausgangssignalen der Subtrahierer 9 entfernt werden.
Bezüglich der Interferenzsignale enthält das Ausgangssignal des räumlichen Tiefpaßfilters 2 andererseits einen kleineren Anteil von Interferenzsignalen als den von der Mikrophongruppe detektierten. Daher ist der Abgriffgewichtswert, der für die leckenden adaptiven Filter 8 zum Entfernen der Interferenzsignale erforderlich ist, wesentlich größer als "1". Somit ist der Betrag der Entfernung an den Ausgängen der Subtrahierer 9 in dem Falle der Interferenzsignale wesentlich geringer als in dem Falle der Zielsignalkomponenten. Wenn normale adaptive Filter anstelle der leckenden adaptiven Filter 8 verwendet werden, dürften deren Abgriffgewichtswerte unbegrenzt zunehmen, und demzufolge werden nicht nur die Interferenzsignale sondern auch die Zielsignalkomponenten entfernt.
Die Kompensationseinrichtung 17 enthält M leckende adaptive Filter 10&sub0; bis 10M-1 die jeweils mit den Ausgängen der entsprechenden Subtrahierer 9 verbunden sind, um die Interferenzsignale aufzunehmen, die in der gerade beschriebenen Weise detektiert wurden. Jedes von den leckenden adaptiven Filtern 10 ist in der Kennlinie mit den herkömmlichen leckenden adaptiven Filtern identisch. Obwohl der Großteil der Zielsignalkomponenten entfernt wird, gibt es immer noch einen kleinen Betrag ihrer Leckage an den Ausgängen der Subtrahierer 9, Aufgrund der adaptiven leckenden Integration der Filter 10 wird die Zunahme der Abgriffgewichtswerte wegen des Vorhandenseins eines derart kleinen Leckagebetrags des Zielsignals beschränkt. Die Ausgangssignale der leckenden adaptiven Filter 10 werden von einem Addierer 11 summiert und einem Subtrahierer 12 zugeführt, um die in dem Hauptpfad des Bündelformers enthaltenen Interferenzsignale zu kompensieren.
Da der Ausgang jedes Subtrahierers 9 nur einen kleinen Anteil des Zielsignals enthält, wird das letztere in dem Subtrahierer 12 nicht unterdrückt, selbst wenn ein Blickrichtungsfehler vorliegt.
Die leckenden adaptiven Filter 8 des räumlichen Hochpaßfilters 16 arbeiten tatsächlich als variable räumliche Hochpaßfilters. Der Auslegungsfreiheitsgrad der vorliegenden Erfindung ist nicht kleiner als der des Dokuments 2, und es ist ein großer Blickrichtungsfehler unter Verwendung einer kleineren Anzahl von Mikrophonen als in dem Falle des Dokuments 2 zulässig.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher Teile, welche denjenigen in Fig. 4 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen wie den in Fig. 4 verwendeten bezeichnet sind. Der Bündelformer von Fig. 5 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, daß die leckenden adaptiven Filter 10 von Fig. 4 durch normbegrenzte adaptive Filter 13&sub0; bis 13M-1 ersetzt sind.
Wie in Fig. 6 im Detail dargestellt, weist jedes normbegrenzte adaptive Filter 13 eine von Verzögerungselementen 60&sub0; bis 60L-2 gebildete, mit Abgriffen versehene Verzögerungsleitung, mit den Verzögerungsleitungsabgriffen verbundene Abgriffgewichtsmultiplizierer 61&sub0; bis 61L-1 und Addierer 62 zum Summieren der gewichteten Abgriffssignale auf. Es werden Aktualisierungsschaltungen 63&sub0; bis 63L-1 bereitgestellt, welche mit einem Generator 69 für beschränkte Koeffizienten verbunden sind. Jede Aktualisierungsschaltung 63 empfängt ein Fehlersignal aus dem Ausgang des Bündelformers von dem Subtrahierer 12 über Multiplizierer 64, wo es mit der Schrittgröße u gewichtet wird. Die Korrelation zwischen dem entsprechenden Abgriffssignal und dem gewichteten Fehlersignal wird von einem Multiplizierer 65 erfaßt und in einem Addierer 66 mit einem Abgriffgewichtswert eines von dem Multiplizierer 67 zuvor gelieferten Abtastwertes summiert. Das Ausgangssignal des Verzögerungselements 68 wird von dem Multiplizierer 67 mit einem Beschränkungssteuerparameter β aus dem Generator 69 für beschränkte Koeffizienten herunterskaliert. Mit dem Generator 69 für beschränkte Koeffizienten ist der Ausgang des Multiplizierers 65 jeder Aktualisierungsschaltung 63 verbunden. Das Ausgangssignal des Addierers 66 wird dem Generator 69 für beschränkte Koeffizienten als das Ausgangssignal der Aktualisierungsschaltung 63 zugeführt.
Der Generator 69 für beschränkte Koeffizienten steuert den Beschränkungssteuerparameter β so, daß die p-te Potenz des Normwertes Lp (wobei p eine ganze Zahle gleich oder größer als 1 ist) der Abgriffgewichtskoeffizienten eine positive ganze Zahl O nicht übersteigt, wobei die nachstehende Gleichung angewendet wird:
dabei ist wi der Abgriffgewichtskoeffizient bei dem i-ten Verzögerungsleitungsabgriff. Durch die Beschränkung des Lp- Wertes unter den Θ-Wert wird die Zunahme Abgriffsgewichte beschränkt.
Wie in Fig. 7 im Detail dargestellt, enthält der Generator 69 für beschränkte Koeffizienten eine Berechnungseinrichtung 70 zum Berechnen der p-ten Potenz von Normwerten. Diese Berechnungseinrichtung 70 wird von mehreren Schaltungen 71o bis 71L-1 gebildet, um die entsprechenden Ausgangssignale der Aktualisierungsschaltung 63 zur p-ten Potenz zu erheben. Die Ausgangssignale der Schaltungen 71 für die Erhebung zur p-ten Potenz werden von einen Addierer 72 summiert und an eine Schaltung 73 geliefert, wo ein Lp-Wert erhalten wird, indem die p-te Wurzel des Ausgangssignals des Addierers 72 gezogen wird. Der Wert Lp wird an eine Divisionsschaltung 74 geliefert, wo er zur Division des Schwellenwertes Θ verwendet wird. Das Ausgangssignal der Divisionsschaltung 74 wird einem Minimium-Selektor 75 zugeführt, welcher es mit dem Wert von "1" vergleicht und den kleineren der zwei auswählt und ihn als einen Beschränkungssteuerparameter β an alle Aktualisierungsschaltungen 63 liefert. Wenn der Lp-Wert die Konstante Θ überschreitet, werden alle Abgriffgewichtswerte verkleinert, so daß Lp kleiner als Θ wird.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt, welche eine weitere Modifikation der ersten Ausführungsform ist. In dieser Modifikation wird ein adaptives Filter 14 mit beschränkten Koeffizienten anstelle jedes leckenden adaptiven Filters 8 von Fig. 4 verwendet. Wie es in Fig. 9 im Detail dargestellt ist, besitzt jedes adaptive Filter 14 mit beschränkten Koeffizienten einen Speicher 89, in welchem maximale Abgriffgewichtswerte φ&sub0; bis N-1 und minimale Abgriffgewichtswerte φo bis φN-1 für Aktualisierungsschaltungen 83 gespeichert sind. Das Referenzsignal aus dem räumlichen Tiefpaßfilter 2 erscheint sukzessiv als Abgriffssignal an von den Verzögerungselementen 80 gebildeten Abgriffen und wird in entsprechenden Multiplizierern 81 mit einem Abgriffgewichtskoeffizienten multipliziert, der von entsprechenden Aktualisierungsschaltungen 83 geliefert wird und in einem Addierer 82 summiert, wo es an den entsprechenden Subtrahierer 9 weitergeleitet wird. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 9 wird mit der Schrittgröße u in einem Multiplizierer 84 gewichtet und einem Multiplizierer 85 zugeführt, wo es mit dem entsprechenden Abgriffssignal multipliziert wird, wobei das Ausgangssignal des Multiplizierers 85 in einem Addierer 86 mit einem vorherigen Abgriffgewichtswert aus einem Begrenzer 87 summiert und durch ein Verzögerungselement 88 hindurch dem Begrenzer 87 zugeführt wird.
Entsprechende maximale und minimale Abgriffgewichtswerte φi und φi (i = 0, 1, ... N-1) bilden ein Paar und jedes Maximal/Minimal-Paar wird der entsprechenden Aktualisierungsschaltung 83i von dem Speicher 89 zugeführt. Wie es in Fig. 10 graphisch dargestellt ist, weist der Begrenzer 87 jeder Aktualisierungsschaltung eine lineare Eingangs/Ausgangs-Kennlinie für Eingangswerte, welche in dem Bereich zwischen qn und ~n variieren und ein flache Kennlinie außerhalb des Bereichs auf. Das Ausgangssignal des Begrenzers 87 variiert linear mit seinem Eingangssignal solange es innerhalb der Grenzwerte liegt, und wird auf einen der Grenzwerte geklemmt, wenn das Eingangssignal aus dem Bereich herausfällt.
Gemäß Darstellung in Fig. 11 wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die Kombination der normbegrenzten, adaptiven Filter 13 mit von Fig. 5 und der adaptiven Filter 14 mit beschränkten Koeffizienten von Fig. 8 implementiert.
Ein zweites räumliches Tiefpaßfilter 15 kann gemäß Darstellung in Fig. 12 vorgesehen sein. Dieses zweite Filter ist mit der Mikrophongruppe verbunden, um ein Signal zu erzeugen, welches anstelle der Verwendung des Ausgangssignals des ersten räumlichen Tiefpaßfilters 2 als ein Referenzsignal für die leckenden adaptiven Filter 8 sowie für die adaptiven Filter 14 mit beschränkten Koeffizienten der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist das erste räumliche Tiefpaßfilter 2 für die Ausbildung einer Hauptkeule mit größerer Breite in der angenommenen Richtung im Vergleich zu der Breite der Hauptkeule, die von dem räumlichen Tiefpaßfilter 15 gebildet wird, ausgelegt. Mit der breiteren Hauptkeule des ersten räumlichen Tiefpaßfilters 2 wird die Gesamtkennlinie des Bündelformers an die Kennlinie dieses Filter angepaßt. Diese Anordnung ist insbesondere nützlich, wenn ein großer Blickrichtungsfehler vorliegt.

Claims

1. Adaptiver Gruppen-Bündelformer mit:

einer Gruppe von räumlich verteilten Sensoren (1);

einem räumlichen Bündelformungsfilter (2), das mit den Sensoren verbunden ist, um die jeweiligen Ausgangssignale der Sensoren zu filtern und die gefilterten Ausgangssignale zu summieren, um ein erstes Filterausgangssignal zu erzeugen, das ein Zielsignal enthält, das an der Gruppe in einer spezifizierten Richtung ankommt;

mehreren ersten adaptiven Filtern (8; 14), wovon jedes eine mit Abgriffen versehene Verzögerungsleitung, die für die Aufnahme des ersten Filterausgangssignals geschaltet ist, eine Koeffizientenaktualisierungseinrichtung zum Erzeugen von Abgriffgewichtskoeffizienten, welche Korrelationen zwischen Abgriffssignalen aus der mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung und einem daran angelegten ersten Fehlersignal anzeigen, und eine Multiplizier-und-Summier-Schaltung zum Gewichten der Abgriffssignale mit den jeweiligen Koeffizienten und zum Summieren der gewichteten Abgriffssignale aufweist, um ein zweites Filterausgangssignal zu erzeugen, welches das Zielsignal nicht enthält, wobei die Koeffizientenaktualisierungseinrichtung eine Beschränkungseinrichtung enthält, um ein unbegrenztes Ansteigen der Koeffizienten zu verhindern;

mehreren ersten Subtrahierern (9), wovon jeder eine Differenz zwischen einem Ausgangssignal eines entsprechenden Sensors und dem zweiten Filterausgangssignal eines entsprechenden ersten adaptiven Filters detektiert und die Differenz zu der Koeffizientenaktualisierungseinrichtung des entsprechenden ersten adaptiven Filters als das erste Fehlersignal liefert;

mehreren zweiten adaptiven Filtern (10; 13), wovon jedes eine mit Abgriffen versehene Verzögerungsleitung, die zur Aufnahme des Fehlersignals von einem entsprechenden ersten Subtrahierer geschaltet ist, eine Koeffizientenaktualisierungseinrichtung zum Erzeugen von Abgriffgewichtskoeffizienten, welche Korrelationen zwischen Abgriffssignalen aus der mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung und einem daran angelegten zweiten Fehlersignal anzeigen, und eine Multiplizier-und-Summier-Schaltung zum Gewichten der Abgriffssignale mit den entsprechenden Koeffizienten und Summieren der gewichteten Abgriffssignale aufweist, um ein drittes Filterausgangssignal zu erzeugen, wobei die Koeffizientenaktualisierungseinrichtung eine Beschränkungseinrichtung enthält, um ein unbegrenztes Ansteigen der Koeffizienten zu verhindern;

einem Addierer (11) zum Summieren der dritten Filterausgangssignale aus den zweiten adaptiven Filtern; und

einem zweiten Subtrahierer (12), um eine Differenz zwischen dem ersten Filterausgangssignal und einem summierten Signal aus dem Addierer zu detektieren und die Differenz an die Koeffizientenaktualisierungseinrichtung des zweiten adaptiven Filters als das zweite Fehlersignal zu liefern.

2. Adaptiver Gruppen-Bündelformer nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten räumlichen Bündelformungsfilter (15), das mit den Sensoren (1) verbunden ist, um jeweils Ausgangssignale der Sensoren zu filtern und die gefilterten Ausgangssignale zu summieren, um ein Filterausgangssignal zu erzeugen, welches das Zielsignal enthält, wobei das zweite räumliche Bündelformungsfilter eine größere Bündelbreite als eine Bündelbreite des ersten Bündelformungsfilters (2) aufweist, wobei die ersten adaptiven Filter (8; 14) mit dem Ausgang des zweiten räumlichen Bündelformungsfilters (15) anstelle des Ausgangs des ersten räumlichen Bündelformungsfilters (2) verbunden sind.

3. Adaptiver Gruppen-Bündelformer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschränkungseinrichtung der ersten adaptiven Filter einen leckenden Integrator (56 bis 58) aufweist.

4. Adaptiver Gruppen-Bündelformer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschränkungseinrichtung der ersten adaptiven Filter einen Begrenzer (87) mit einer linearen Eingangs/- Ausgangs-Kennlinie zwischen vorbestimmten maximalen und minimalen Werten aufweist.

5. Adaptiver Gruppen-Bündelformer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Beschränkungseinrichtung der zweiten adaptiven Filter einen leckenden Integrator (56 bis 58) aufweist.

6. Adaptiver Gruppen-Bündelformer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Beschränkungseinrichtung der zweiten adaptiven Filter eine Norm-Beschränkungseinrichtung (67, 69) aufweist.