EP1771034A2 - Microphone calibration in a RGSC-beamformer - Google Patents
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- EP1771034A2 EP1771034A2 EP06120987A EP06120987A EP1771034A2 EP 1771034 A2 EP1771034 A2 EP 1771034A2 EP 06120987 A EP06120987 A EP 06120987A EP 06120987 A EP06120987 A EP 06120987A EP 1771034 A2 EP1771034 A2 EP 1771034A2
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- calibration
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- H04R2430/20—Processing of the output signals of the acoustic transducers of an array for obtaining a desired directivity characteristic
- H04R2430/25—Array processing for suppression of unwanted side-lobes in directivity characteristics, e.g. a blocking matrix
Definitions
- the invention relates to a circuit arrangement and a method for microphone calibration in an RGSC beamformer.
- acoustic input signals are attenuated differently in the microphone system depending on their direction of incidence in the microphone system.
- the signal transmission functions of the microphones used must be very precisely matched in order to achieve a desired directivity. Deviations in the signal transmission functions due to tolerances or aging effects considerably worsen the function of the beamformer, so that, if necessary, a desired noise suppression can no longer be ensured to a sufficient extent with the microphone system used. This is particularly true for beamformers with microphone arrays with very small aperture, which are used for example in hearing aid applications, in which often differential or super-directive beamformer algorithms.
- the object of the present invention is therefore to specify an RGSC beamformer in which age-related component tolerances of the microphones used are automatically compensated.
- the calculation of a filter is understood as meaning the calculation of the transfer function of the relevant filter or the calculation of the corresponding filter coefficients for determining this transfer function.
- the invention offers the advantage that an automatic calibration of the microphones takes place during operation of the beamformer. As a result, time-variant microphone mismatches, for example due to aging, moisture, dirt, etc., can be compensated for, without the need for elaborate separate recalibration.
- the RGSC beam former known from the cited prior art and illustrated in FIG. 1 will be described below briefly described with reference to an embodiment with three microphones:
- the beamformer comprises the three microphones M 0 , M 1 and M 2 .
- the microphones are followed by the calibration filters C 0 , C 1 and C 2 to compensate for component tolerances. To compensate for existing component tolerances of the microphones used their transmission behavior is measured. Subsequently, the filter coefficients of the calibration filter C 0 , C 1 and C 2 are adjusted so that the microphones in conjunction with the downstream calibration filters show at least approximately the same signal transmission behavior.
- the calibration filters are followed by the beamformer filters W 0 , W 1 and W 2 in the signal paths of the microphones. Subsequently, the filtered microphone signals for generating a directional characteristic in the adder S are added.
- a further improvement of the signal-to-noise ratio results in the known directional microphone system through the use of an adaptive interference canceler AIC (Adaptive Interference Canceller).
- the output of the fixed beamformer FBF serves as the reference signal for the adaptive interference suppressor.
- An adaptive blocking matrix ABM with blocking filters B 0 , B 1 and B 2 blocks the useful signal so that only the estimation of an interference signal is present at each output of the adaptive blocking matrix ABM.
- the AIC uses this estimate to suppress the disturbance in the reference signal (and hence the wanted signal).
- the adjustment of the filter coefficients of the calibration filter CAL takes place in the circuit known from the prior art by means of a one-time measurement of the signal transmission behavior of the microphones used. To compensate for aging phenomena, this measurement would have to be repeated from time to time.
- the invention proposes an automatic, continuous or repeated calibration of the microphones. This is achieved according to the invention in that a calibration filter calculation unit (CALBE) is integrated into the circuit known from the prior art according to FIG.
- CALBE calibration filter calculation unit
- the resulting block diagram is illustrated for the special case of a beamformer with three microphones M 0 , M 1 and M 2 in FIG.
- the basic mode of operation of the beamformer corresponds to the mode of operation of the beamformer illustrated and described in FIG.
- the beamformer according to the invention comprises the calibration filter calculation unit CALBE.
- These are the signal outputs of the blocking filter B 0 , B 1 and B 2 supplied as input.
- One of these output signals of the blocking filters is used as a reference signal. In the exemplary embodiment, this is the output signal of the blocking filter B 1 .
- the calibration filters C 0 'and C 2 ' are adaptively determined such that the energy of the reference signal subtracted, with the calibration filters C 0 'and C 2 ' filtered output signals of the blocking filter B 0 or B 2 is minimized.
- the calibration filters thus determined are subsequently used as new calibration filters C 0 and C 2 connected downstream of the microphones M 0 and M 2, respectively.
- the calibration algorithm calculates optimized calibration filters in the calibration filter calculation unit CALBE. These are then copied to the calibration filter unit CAL, where they replace the previously valid calibration filters.
- the filtered output signal of the fixed beamformer FBF thus produces the input signals to the adaptive algorithm for the determination of new, improved calibration filters of the calibration filter unit.
- An analysis shows that the filtered output signals of the Fixed Beamformer are very well suited for the determination of the calibration filters and lead to optimized calibration filters (Wiener solution).
- a significant advantage of the invention is that the output signal of the fixed beamformer FBF has a better signal-to-noise power ratio SNR (signal-to-noise ratio) than the microphone signals. This means that the inputs of the adaptive algorithm are hardly disturbed by noise. This leads to a fast convergence and a good calibration. Furthermore, with increasing convergence of the calibration filter, the signal-to-noise power ratio in the output of the fixed beamformer FBF improves, so that both the convergence of the blocking filters and the further convergence of the calibration filters are supported. Since the calibration according to the invention runs automatically, continuously or repeatedly, even time-variant microphone mismatches, for example due to aging, moisture, contamination, etc., can be compensated without the need for time-consuming manual recalibration.
- SNR signal-to-noise ratio
- H m ( ⁇ ) be the transition function from the source to the mth microphone.
- H T ( ⁇ ) [H 0 ( ⁇ ), H 1 ( ⁇ ), H 2 ( ⁇ )].
- the calibration filters are adjusted via the nLMS (Least Mean Square Algorithm) algorithm shown below.
- ⁇ cal is the step size parameter.
- P FmFm ( ⁇ , k) is the power estimate for the frequency band around the frequency ⁇ :
- P F m ⁇ F m ⁇ ⁇ k ⁇ c ⁇ P F m ⁇ F m ( ⁇ . k - 1 ) + 1 - ⁇ c ⁇ F m ⁇ ⁇ k 2 with the forgetting factor ⁇ c . k denotes the block time index.
- the ABM filters try to hide the signal components correlated between the FBF output and the sensor signals. For this reason, and so that no spatially correlated interference is hidden, the adjustment of the ABM filters may only be performed when the desired signal is present. That is, ABM filters are adjusted in situations with high signal-to-noise ratio.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Mikrofonkalibrierung bei einem RGSC-Beamformer.The invention relates to a circuit arrangement and a method for microphone calibration in an RGSC beamformer.
Aus
Aus der
Allgemein sind bei einem Beamformer mehrere Mikrofone zur Bildung eines Mikrofonsystems, das eine Richtcharakteristik aufweist, miteinander verschaltet. Dadurch werden akustische Eingangssignale in das Mikrofonsystem in Abhängigkeit ihrer Einfallsrichtung in das Mikrofonsystem unterschiedlich stark gedämpft. Bei einem Beamformer müssen die Signalübertragungsfunktionen der verwendeten Mikrofone sehr genau aufeinander abgestimmt sein, um eine gewünschte Richtwirkung erzielen zu können. Abweichungen der Signalübertragungsfunktionen durch Toleranzen oder Alterungseffekte verschlechtern die Funktion des Beamformers erheblich, so dass gegebenenfalls eine gewünschte Störgeräuschunterdrückung mit dem verwendeten Mikrofonsystem nicht mehr in ausreichendem Maße gewährleistet werden kann. Dies gilt insbesondere für Beamformer mit Mikrofon-arrays mit sehr kleiner Apertur, die beispielsweise bei Hörgeräte-Anwendungen Verwendung finden, in denen häufig differentielle oder superdirektive Beamformer-Algorithmen genutzt werden.Generally, in a beamformer, multiple microphones are interconnected to form a microphone system having a directional characteristic. As a result, acoustic input signals are attenuated differently in the microphone system depending on their direction of incidence in the microphone system. In the case of a beamformer, the signal transmission functions of the microphones used must be very precisely matched in order to achieve a desired directivity. Deviations in the signal transmission functions due to tolerances or aging effects considerably worsen the function of the beamformer, so that, if necessary, a desired noise suppression can no longer be ensured to a sufficient extent with the microphone system used. This is particularly true for beamformers with microphone arrays with very small aperture, which are used for example in hearing aid applications, in which often differential or super-directive beamformer algorithms.
Es ist bekannt, den Mikrofonen eines Beamformers Kalibrierungsfilter nachzuschalten, um Bauteiltoleranzen der verwendeten Mikrofone zu kompensieren. Hierbei wird das Signalübertragungsverhalten der Mikrofone einmalig bestimmt und Filterkoeffizienten von Kalibrierungsfiltern, die den Mikrofonen nachgeschaltet sind, so eingestellt, dass die Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass Alterungseffekte nicht berücksichtigt werden können.It is known to follow the microphones of a Beamformers calibration filter to compensate for component tolerances of the microphones used. Here, the signal transmission behavior of the microphones is determined once and filter coefficients of calibration filters, which are connected downstream of the microphones, adjusted so that the component tolerances are compensated. However, this approach has the disadvantage that aging effects can not be taken into account.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen RGSC-Beamformer anzugeben, bei dem alterungsbedingte Bauteiltoleranzen der verwendeten Mikrofone automatisch kompensiert werden.The object of the present invention is therefore to specify an RGSC beamformer in which age-related component tolerances of the microphones used are automatically compensated.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen RGSC-Beamformer mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines RGSC-Beamformers mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6.This object is achieved by an RGSC beamformer having the features according to claim 1. Further, the object is achieved by a method for operating an RGSC beamformer having the features according to claim 6.
Unter der Berechnung eines Filters wird im Zusammenhang mit der Erfindung die Berechnung der Übertragungsfunktion des betreffenden Filters bzw. die Berechnung der entsprechenden Filterkoeffizienten zur Festlegung dieser Übertragungsfunktion verstanden.In the context of the invention, the calculation of a filter is understood as meaning the calculation of the transfer function of the relevant filter or the calculation of the corresponding filter coefficients for determining this transfer function.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine automatische Kalibrierung der Mikrofone während des Betriebs des Beamformers erfolgt. Dadurch können auch zeitvariante Mikrofonfehlanpassungen, beispielsweise bedingt durch Alterung, Feuchtigkeit, Schmutz usw., ausgeglichen werden, ohne dass eine aufwändige separate Nachkalibrierung notwendig ist.The invention offers the advantage that an automatic calibration of the microphones takes place during operation of the beamformer. As a result, time-variant microphone mismatches, for example due to aging, moisture, dirt, etc., can be compensated for, without the need for elaborate separate recalibration.
Nachfolgend wird der aus dem einleitend zitierten Stand der Technik bekannte und in Figur 1 veranschaulichte RGSC-Beamformer anhand einer Ausführungsform mit drei Mikrofonen kurz beschrieben:The RGSC beam former known from the cited prior art and illustrated in FIG. 1 will be described below briefly described with reference to an embodiment with three microphones:
Zum Aufbau eines RGSC-Beamformers sind wenigstens zwei Mikrofone erforderlich. Theoretisch können jedoch beliebig viele Mikrofone verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Beamformer die drei Mikrofone M0, M1 und M2. Den Mikrofonen sind zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen die Kalibrationsfilter C0, C1 und C2 nachgeschaltet. Zum Ausgleich vorhandener Bauteiltoleranzen der verwendeten Mikrofone wird deren Übertragungsverhalten gemessen. Anschließend werden die Filterkoeffizienten der Kalibrationsfilter C0, C1 und C2 so eingestellt, dass die Mikrofone in Verbindung mit den nachgeschalteten Kalibrationsfiltern ein zumindest näherungsweise gleiches Signalübertragungsverhalten zeigen. Den Kalibrationsfiltern sind in den Signalpfaden der Mikrofone die Beamformer-Filter W0, W1 und W2 nachgeschaltet. Anschließend werden die gefilterten Mikrofonsignale zur Erzeugung einer Richtcharakteristik in dem Addierer S addiert.At least two microphones are required to construct an RGSC beamformer. Theoretically, however, any number of microphones can be used. In the exemplary embodiment, the beamformer comprises the three microphones M 0 , M 1 and M 2 . The microphones are followed by the calibration filters C 0 , C 1 and C 2 to compensate for component tolerances. To compensate for existing component tolerances of the microphones used their transmission behavior is measured. Subsequently, the filter coefficients of the calibration filter C 0 , C 1 and C 2 are adjusted so that the microphones in conjunction with the downstream calibration filters show at least approximately the same signal transmission behavior. The calibration filters are followed by the beamformer filters W 0 , W 1 and W 2 in the signal paths of the microphones. Subsequently, the filtered microphone signals for generating a directional characteristic in the adder S are added.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der gezeigten Schaltung die Kalibrierung der Mikrofone und die Beamformung auch dann durchgeführt werden können, wenn lediglich in zwei Mikrofonsignalpfaden Kalibrierungsfilter bzw. in lediglich zwei Mikrofonsignalpfaden Beamformer-Filter vorhanden sind. Die drei Kalibrationsfilter C0, C1 und C2 werden zusammen als Kalibrationsfiltereinheit CAL und die Beamformer-Filter W0, W1 und W2 in Verbindung mit dem Summierer S werden zusammen als Fester Beamformer FBF bezeichnet. Die Mikrofone M0, M1 und M2 bilden in Verbindung mit der Kalibrationsfiltereinheit CAL und dem Festen Beamformer FBF bereits ein Mikrofonsystem mit einer Richtcharakteristik. Ein aus der Vorzugsrichtung des so gebildeten Richtmikrofons eintreffendes akustisches Signal (Nutzsignal) ist somit gegenüber einem aus einer anderen Richtung eintreffenden akustischen Signal (Störsignal) angehoben.It should be noted that in the circuit shown, the calibration of the microphones and the beam shaping can be performed even if in only two microphone signal paths calibration filters or in only two microphone signal paths Beamformer filter are available. The three calibration filters C 0 , C 1 and C 2 are together called the calibration filter unit CAL and the beamformer filters W 0 , W 1 and W 2 in conjunction with the summer S together are referred to as fixed beamformer FBF. The microphones M 0 , M 1 and M 2 in conjunction with the calibration filter unit CAL and the fixed beamformer FBF already form a microphone system with a directional characteristic. An acoustic signal (useful signal) arriving from the preferred direction of the directional microphone thus formed is thus raised in relation to an acoustic signal (interference signal) arriving from another direction.
Eine weitere Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ergibt sich bei dem bekannten Richtmikrofonsystem durch die Verwendung eines adaptiven Interferenz-Unterdrückers AIC (Adaptive Interference Canceller). Dabei dient der Ausgang des Festen Beamformers FBF als Referenzsignal für den adaptiven Interferenz-Unterdrücker. Eine adaptive Blockiermatrix ABM mit Blockierfiltern B0, B1 und B2 blockiert das Nutzsignal, so dass an jedem Ausgang der adaptiven Blockiermatrix ABM jeweils nur die Schätzung eines Störsignals vorhanden ist. Der AIC benutzt diese Schätzung, um die Störung im Referenzsignal (und damit dem Nutzsignal) zu unterdrücken.A further improvement of the signal-to-noise ratio results in the known directional microphone system through the use of an adaptive interference canceler AIC (Adaptive Interference Canceller). The output of the fixed beamformer FBF serves as the reference signal for the adaptive interference suppressor. An adaptive blocking matrix ABM with blocking filters B 0 , B 1 and B 2 blocks the useful signal so that only the estimation of an interference signal is present at each output of the adaptive blocking matrix ABM. The AIC uses this estimate to suppress the disturbance in the reference signal (and hence the wanted signal).
Die Einstellung der Filterkoeffizienten des Kalibrationsfilters CAL erfolgt bei der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltung mittels einer einmaligen Messung des Signalübertragungsverhaltens der verwendeten Mikrofone. Um Alterungserscheinungen zu kompensieren, müsste diese Messung von Zeit zu Zeit wiederholt werden. Im Unterschied hierzu schlägt die Erfindung eine automatische, kontinuierliche oder wiederholte Kalibrierung der Mikrofone vor. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass in die aus dem Stand der Technik gemäß Figur 1 bekannte Schaltung eine Kalibrationsfilterberechnungseinheit (CALBE) integriert wird. Das resultierende Blockschaltbild ist für den Spezialfall eines Beamformers mit drei Mikrofonen M0, M1 und M2 in Figur 2 veranschaulicht. Dabei entspricht die prinzipielle Funktionsweise des Beamformers der Funktionsweise des in Figur 1 veranschaulichten und beschriebenen Beamformers mit dem Unterschied, dass bei dem Beamformer gemäß der Erfindung eine automatische Kalibrierung der Mikrofone erfolgt. Hierfür umfasst der Beamformer gemäß der Erfindung die Kalibrationsfilterberechnungseinheit CALBE. Dieser sind die Signalausgänge der Blockierfilter B0, B1 und B2 als Eingangsgröße zugeführt. Eines dieser Ausgangssignale der Blockierfilter wird als Referenzsignal verwendet. Im Ausführungsbeispiel ist dies das Ausgangssignal des Blockierfilters B1. In der Kalibrationsfilterberechnungseinheit CALBE werden schließlich die Kalibrationsfilter C0' bzw. C2' adaptiv derart bestimmt, dass die Energie der von dem Referenzsignal subtrahierten, mit den Kalibrationsfiltern C0' bzw. C2' gefilterten Ausgangssignale der Blockierfilter B0 bzw. B2 minimiert wird. Die so ermittelten Kalibrationsfilter werden nachfolgend als neue, den Mikrofonen M0 bzw. M2 nachgeschaltete Kalibrationsfilter C0 bzw. C2 verwendet.The adjustment of the filter coefficients of the calibration filter CAL takes place in the circuit known from the prior art by means of a one-time measurement of the signal transmission behavior of the microphones used. To compensate for aging phenomena, this measurement would have to be repeated from time to time. In contrast, the invention proposes an automatic, continuous or repeated calibration of the microphones. This is achieved according to the invention in that a calibration filter calculation unit (CALBE) is integrated into the circuit known from the prior art according to FIG. The resulting block diagram is illustrated for the special case of a beamformer with three microphones M 0 , M 1 and M 2 in FIG. In this case, the basic mode of operation of the beamformer corresponds to the mode of operation of the beamformer illustrated and described in FIG. 1, with the difference that in the beamformer according to the invention an automatic calibration of the microphones takes place. For this purpose, the beamformer according to the invention comprises the calibration filter calculation unit CALBE. These are the signal outputs of the blocking filter B 0 , B 1 and B 2 supplied as input. One of these output signals of the blocking filters is used as a reference signal. In the exemplary embodiment, this is the output signal of the blocking filter B 1 . Finally, in the calibration filter calculation unit CALBE, the calibration filters C 0 'and C 2 ' are adaptively determined such that the energy of the reference signal subtracted, with the calibration filters C 0 'and C 2 ' filtered output signals of the blocking filter B 0 or B 2 is minimized. The calibration filters thus determined are subsequently used as new calibration filters C 0 and C 2 connected downstream of the microphones M 0 and M 2, respectively.
Zusammenfassend berechnet der Kalibrieralgorithmus in der Kalibrationsfilterberechnungseinheit CALBE optimierte Kalibrationsfilter. Diese werden dann in die Kalibrationsfiltereinheit CAL kopiert, wo sie die bisher gültigen Kalibrationsfilter ersetzen. Aus dem gefilterten Ausgangssignal des Festen Beamformers FBF gehen somit die Eingangssignale zu dem adaptiven Algorithmus zur Bestimmung neuer, verbesserter Kalibrationsfilter der Kalibrationsfiltereinheit hervor. Eine Analyse zeigt, dass die gefilterten Ausgangssignale des Festen Beamformers zur Bestimmung der Kalibrationsfilter sehr gut geeignet sind und zu optimierten Kalibrationfiltern (Wiener Lösung) führen.In summary, the calibration algorithm calculates optimized calibration filters in the calibration filter calculation unit CALBE. These are then copied to the calibration filter unit CAL, where they replace the previously valid calibration filters. The filtered output signal of the fixed beamformer FBF thus produces the input signals to the adaptive algorithm for the determination of new, improved calibration filters of the calibration filter unit. An analysis shows that the filtered output signals of the Fixed Beamformer are very well suited for the determination of the calibration filters and lead to optimized calibration filters (Wiener solution).
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Ausgangssignal des Festen Beamformers FBF ein besseres Signal-zu-Geräusch Leistungsverhältnis SNR (Signal-to-Noise-Ratio) als die Mikrofonsignale aufweist. Das bedeutet, die Eingänge des adaptiven Algorithmus sind kaum durch Störgeräusche gestört. Dies führt zu einer schnellen Konvergenz und einer guten Kalibrierung. Weiterhin verbessert sich mit zunehmender Konvergenz der Kalibrationsfilter das Signal-zu-Geräusch-Leistungsverhältnis im Ausgangssignal des Festen Beamformers FBF, so dass sowohl die Konvergenz der Blockierfilter wie auch die weitere Konvergenz der Kalibrationsfilter unterstützt werden. Da die Kalibrierung gemäß der Erfindung automatisch, kontinuierlich oder wiederholt abläuft, können auch zeitvariante Mikrofonfehlanpassungen, beispielsweise bedingt durch Alterung, Feuchtigkeit, Verschmutzung usw., ausgeglichen werden, ohne dass eine aufwändige manuelle Nachkalibrierung notwendig ist.A significant advantage of the invention is that the output signal of the fixed beamformer FBF has a better signal-to-noise power ratio SNR (signal-to-noise ratio) than the microphone signals. This means that the inputs of the adaptive algorithm are hardly disturbed by noise. This leads to a fast convergence and a good calibration. Furthermore, with increasing convergence of the calibration filter, the signal-to-noise power ratio in the output of the fixed beamformer FBF improves, so that both the convergence of the blocking filters and the further convergence of the calibration filters are supported. Since the calibration according to the invention runs automatically, continuously or repeatedly, even time-variant microphone mismatches, for example due to aging, moisture, contamination, etc., can be compensated without the need for time-consuming manual recalibration.
Die vorgeschlagene Methode zur Kalibrierung der Mikrofone eines RGSC-Beamformers kann sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich realisiert werden.The proposed method for calibrating the microphones of an RGSC beamformer can be realized both in the time domain and in the frequency domain.
Die im Beispiel für einen Beamformer mit drei Mikrofonen beschriebene Vorgehensweise lässt sich im Rahmen der Erfindung analog auch auf Beamformer mit einer beliebigen Anzahl an Mikrofonen (≥ 2) übertragen.In the context of the invention, the procedure described in the example for a beamformer with three microphones can also be analogously applied to beamformers with an arbitrary number of microphones (≥ 2).
Nachfolgend wird der theoretische Hintergrund bei der Mikrofonkalibrierung gemäß der Erfindung aufgezeigt:The theoretical background in microphone calibration according to the invention is shown below:
Der folgenden Analyse liegt ein zeitdiskreter Fourierraum zugrunde. Ferner wird davon ausgegangen, dass alle Sensorsignale statisch und ergodisch sind. Das hochgestellte T und das Sternchen (*) markieren die transponierte bzw. die komplex konjugierte Matrix.The following analysis is based on a time-discrete Fourier space. It is further assumed that all sensor signals are static and ergodic. The superscript T and the asterisk (*) mark the transposed and the complex conjugate matrix, respectively.
Eine gewünschte Quelle S(ω) mit einer bekannten Position beschallt das Mikrofonarray, das aus M = 3 Sensoren besteht. Sei Hm(ω) die Übergangsfunktion von der Quelle zum m-ten Mikrofon. Dann können die Mikrofonsignale
XT(ω) = [X0(ω),X1(ω),X2(ω)] geschrieben werden als:
wobei HT(ω) = [H0(ω),H1(ω),H2(ω)] gilt. Das Mikrofonsignal Xm(ω) wird mit dem korrespondierenden Kalibrierfiltergewicht Cm(ω) gefiltert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Signal X1(ω) als Referenzsignal angenommen werden. Daher gilt C1(ω) = 1. Sei Wm(ω) die Übergangsfunktion des FBF (Fester Beamformer) für das m-te Mikrofon. Dann ist das FBF-Ausgangssignal Yf(ω) gegeben durch
X T (ω) = [X 0 (ω), X 1 (ω), X 2 (ω)] are written as:
where H T (ω) = [H 0 (ω), H 1 (ω), H 2 (ω)]. The microphone signal X m (ω) is filtered with the corresponding calibration filter weight C m (ω). Without limiting the generality, the signal X 1 (ω) can be assumed as the reference signal. Therefore, C 1 (ω) = 1. Let W m (ω) be the transition function of the FBF (Fixed Beamformer) for the mth microphone. Then the FBF output Y f (ω) is given by
Die Übergangsfunktion Bm(ω) des m-ten ABM-Filters (adaptive blocking matrix, adaptive Filtermatrix) wird bestimmt durch die Minimierung der mittleren Quadrate des m-ten ABM-Ausgangssignals Yb,m(ω), wobei
Mit dem Orthogonalitätsprinzip kann die Übergangsfunktion für den optimalen Filter wie folgt abgeleitet werden:
wobei ΦYfYf(ω) die spektrale Leistungsdichte am FBF-Ausgang und ΦXmYf(ω) die Kreuzspektraldichte zwischen dem m-ten Mikrofonsignal und dem FBF-Ausgang bezeichnet. Mit den Gleichungen (1) und (2) folgt:
Φ SS(ω) = S(ω)S*(ω) bezeichnet die spektrale Leistungsdichte des gewünschten Signals. Sei
dann gilt:
where Φ YfYf (ω) denotes the spectral power density at the FBF output and Φ XmYf (ω) the cross spectral density between the mth microphone signal and the FBF output. With equations (1) and (2) follows:
Φ SS (ω) = S (ω) S * (ω) denotes the spectral power density of the desired signal. Be
then:
Die gefilterten FBF-Ausgangssignale {Fm(ω); m = 0, 1, 2} fungieren als Eingang für den adaptiven Kalibrierungsalgorithmus. Man betrachte den Kalibrierungspfad für das Mikrofon m = 0. Wie aus Figur 1 folgt, kann dieser geschrieben werden als
Das m-te gefilterte FBF-Ausgangssignal Fm(ω) ergibt sich zu
Das optimale Kalibrierungsfilter ergibt sich aus der Minimierung der mittleren Quadrate des Fehlersignals E0(ω). Mit dem Orthogonalitätsprinzip ist die Übergangsfunktion für das optimalen Kalibrierungsfilter gegeben als
Anhand der Gleichung (9) ist ersichtlich, dass ΦF1F0 = B1(ω)B0*(ω)ΦYfYF(ω) und ΦF0F0 = B0(ω)B0*(ω)ΦYfYf(ω). Daher gilt C0' = B1(ω)B0 -1(ω), unter der Voraussetzung dass ΦYfYf(ω) ≠ 0 und B0(ω) ≠ 0 gilt. Mit Gleichung (7) kann die Übergangsfunktion für eine optimale Kalibrierung berechnet werden als
Die Analyse für das zweite Kalibrierungsfilter wird nun auf ähnliche Weise durchgeführt:
Dies sind die gewünschten Übergangsfunktionen für das optimale Kalibrierungsfilter. Die Analyse zeigt also, dass die gefilterten FBF-Signale auch verwendet werden können, um Kalibrierungsfilter für Mikrofone an Stelle von Mikrofonsignalen zu erhalten. Sie haben jedoch einen Vorteil gegenüber den direkt auf die Mikrofonsignale angewandten herkömmlichen Kalibrierungsalgorithmen. Insbesondere werden in realen Situationen die gefilterten FBF-Signale weniger durch interferierende Geräusche gestört als die Mikrofonsignale. Das liegt an der Anwesenheit des FBF, durch den der Anteil des Zielsignals im Verhältnis zu interferierenden Signalen verbessert wird.These are the desired transition functions for the optimal calibration filter. The analysis thus shows that the filtered FBF signals can also be used to provide calibration filters for microphones instead of microphone signals. However, they have an advantage over the conventional calibration algorithms applied directly to the microphone signals. In particular, in real situations, the filtered FBF signals are less disturbed by interfering noises than the microphone signals. This is due to the presence of the FBF, which improves the proportion of the target signal relative to interfering signals.
Die Kalibrierungsfilter werden über den im Folgenden gezeigten nLMS-Algorithmus (normalisierter Least-Mean-Square-Algorithmus) angepasst.
wobei µcal der Schrittgrößenparameter ist. PFmFm(ω, k) ist die Leistungsschätzung für das Frequenzband um die Frequenz ω:
mit dem Vergessensfaktor λc. k bezeichnet den Block-Zeit-Index.The calibration filters are adjusted via the nLMS (Least Mean Square Algorithm) algorithm shown below.
where μ cal is the step size parameter. P FmFm (ω, k) is the power estimate for the frequency band around the frequency ω:
with the forgetting factor λ c . k denotes the block time index.
Die ABM-Filter versuchen, die zwischen dem FBF-Ausgang und den Sensorsignalen korrelierten Signalkomponenten auszublenden. Aus diesem Grund, und damit keine räumlich korrelierten Interferenzen ausgeblendet werden, darf die Anpassung der ABM-Filter nur durchgeführt werden, wenn das gewünschte Signal anliegt. Das heißt, ABM-Filter werden in Situationen mit hohem Signal-Rausch-Abstand angepasst.The ABM filters try to hide the signal components correlated between the FBF output and the sensor signals. For this reason, and so that no spatially correlated interference is hidden, the adjustment of the ABM filters may only be performed when the desired signal is present. That is, ABM filters are adjusted in situations with high signal-to-noise ratio.
Ähnliches gilt für den Kalibrierungsalgorithmus. Um zu verhindern, dass das Kalibrierglied bei den Mikrofonen die Interferenzrichtung und die Zielsignalrichtung durcheinander ringt, ist seine Anpassung auch nur bei einem hohen Signal-Rausch-Abstand vorzunehmen.The same applies to the calibration algorithm. In order to prevent the calibration element from interfering with the interference direction and the target signal direction in the case of the microphones, its adaptation must also be carried out only with a high signal-to-noise ratio.
Die Ergebnisse einer Simulation sind aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich:
- Figur 3 zeigt einen MSE-Plot des Kalibrierungsalgorithmus für den Amplitudenfehler von 1 dB und den Phasenfehler von -5° am vorderen Mikrofon für unterschiedliche Schrittgrößenparameter µc.
- Figur 4 zeigt die Spektrale Leistungsdichte des FBF-Ausgangs für ideale Mikrofone, schlecht angepasste Mikrofone (Amplitudenfehler von 1 dB und Phasenfehler von -5° am vorderen Mikrofon) sowie nachgeregelte Mikrofone nach der Kalibrierung, µc = 0,008.
- Figure 3 shows an MSE plot of the 1 dB amplitude error calibration algorithm and the -5 ° am phase error front microphone for different step size parameters μ c .
- Figure 4 shows the spectral power density of the FBF output for ideal microphones, poorly matched microphones (amplitude error of 1 dB and phase error of -5 ° at the front microphone) as well as readjusted microphones after calibration, μ c = 0.008.
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrationsfilter (C0, C1, C2) adaptiv durch aus der adaptiven Blockiermatrix (ABM) hervorgehende Signale berechnet wird.Method of operating an RGSC beamformer, the
characterized in that the calibration filter (C 0 , C 1 , C 2 ) is adaptively calculated by signals emanating from the adaptive blocking matrix (ABM).
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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