JP5913340B2 - マルチビーム音響システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のビームを形成するように設定されたマイク（マイクロホン）アレイを利用して音響ソリューションを提供することができるシステムに関するものである。特に、本発明によるマルチビーム音響システムは、車両内に設置され車両内での効率的な音響ソリューションを提供することができるシステムに関するものである。

最近ではブルートゥースを含めた多様な技術の発達で、車両内の音響ソリューション（例えば、音声通話ソリューションなど）が便利になって活発に用いられている。しかし、走行中の車両内部の騒音、スピーカーの使用によるエコーなど多様な問題によって、一般的な携帯電話を使った通話品質の水準に及ぶことができずに環境も劣悪である。加えて、音声認識がより普及してきているので、車両の内部においても相当程度の音声認識成功率が保証されることが期待されている。

車両内での通話及び音声認識のためには、まず、マイクロホンを利用して音声信号の入力を受けなければならない。この時、マイクロホン一つのみを用いて音声信号の入力がされると、望む信号のＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を十分に確保することができないだけでなく、走行中の騷音、車両の空間による歪曲及びエコーなどの音響干渉信号に対して非常に脆弱であり、問題になる。

また、車両内の通話または音声認識のための音響ソリューションでは運転者だけではなく、他の人の音声も収音する必要がある場合もある。このような問題に対してはマイクロホンアレイを用いて、ビームを形成することで入力ＳＮ比を改善し、音響干渉信号に強靭になるようにできる。

このようなビームを形成するための技術として適応型ビーム形成装置（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）に対する技術が開示されている。この中で広帯域ＬＣＭＶ（Ｌｉｎｅａｒｌｙ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｖａｒｉａｎｃｅ）適応ビーム形成装置は１９７２年Ｏｔｉｓ Ｌａｍｏｎｔ Ｆｒｏｓｔ IIIの論文で開示されている。

このような適応型ビーム形成装置は車両内での音響ソリューションでもよく用いられており、主に音源ソース（例えば、話者）またはノイズによってビームの方向を適応的に変化させ、車両内でより効率的な音響ソリューションを提供するために用いられている。

しかし、従来の適応型ビーム形成装置を利用してビームを形成しても、車両内の複数の人の音声を収音するためには、既存の一つのビームを利用したマイクロホンアレイでは、複数の人の音声を収音しにくい、又はその性能が低くなるなどの問題点がある。

このため、二以上のビームを持つマイクロホンアレイシステムが必要となる。そして、多様なノイズ及び干渉信号が存在するため、干渉信号と望む信号の間の向き（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）も差が少なくなるようにし、より精巧なビーム形成が要求される。

したがって、本発明の目的は、マルチビームを形成することができるマイクアレイ及びこのための適応ビーム形成装置を提供することである。

また、前述のような車両内の環境でもっと強靭なマルチビーム音響システムを提供し、このために適応アルゴリズムを利用した適応ビーム形成装置を提供することである。

また、比較的少ない演算量による自己調律（ｓｅｌｆ−ｔｕｎｉｎｇ）アルゴリズムを利用して非定常の（ｎｏｎ−ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）干渉信号及びエコーに強靭なビーム形成装置を提供することである。

前記目的を具現化するための本発明の一側面によれば、提供されるマルチビーム音響システムは、車両内の所定の位置に設置されたマイクアレイを有し、入力信号を受信するマイクアレイ（Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ Ａｒｒａｙ）と、前記マイクアレイのビームを形成するための適応ビーム形成装置とを備え、前記適応ビーム形成装置は、互いに異なる方向に形成される前記マイクアレイの少なくとも二つのビームを形成することを特徴とすることができる。

前記適応ビーム形成装置は前記マイクアレイから入力される前記入力信号を望む方向に向ける（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）固定ビーム形成部と、前記の入力信号を受信して受信された前記の入力信号からノイズ基準信号を取得するためのブロッキング行列部（Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｍａｔｒｉｘ）と、前記ブロッキング行列部から出力される前記ノイズ基準信号から適応型ノイズ信号を取得するための可変ビーム形成部と、前記固定ビーム形成部から出力された信号から前記適応型ノイズ信号を取り除いた目的信号を出力するための除去手段を含む一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ：Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｓｉｄｅｌｏｂｅ Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ）と、を備え、前記固定ビーム形成部は少なくとも二つの方向に前記入力信号を向けることを特徴とすることができる。

前記一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）は少なくとも二つの方向に前記入力信号を向けるために、次の数学式のような制約条件を持つように設計されることを特徴とすることができる。

ここで、
はｉ番目の制限行列、
は望む方向の方向ベクトル（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）、
は加重値ベクトル行列、
は目的とする衝撃応答を示す。

前記可変ビーム形成部は自己調律（ｓｅｌｆ−ｔｕｎｉｎｇ） ＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ）アルゴリズムを利用して前記適応型ノイズ信号を取得することができる。

前記マイクアレイは前記車両に設置されている座席の中で任意の二つの座席に対応するように所定の位置に設置され、前記所定の位置は、前記任意の二つの座席の間の特定位置で前記任意の二つの座席方向と垂直方向の線上に位置し、前記少なくとも二つのビームの中で少なくとも一つは前記垂直方向の線を基準にある方向に位置する座席の位置に向かう方向に形成されて、前記少なくとも二つのビームのうち少なくとも他の一つは前記垂直方向の線を基準に、他の方向に位置する座席の位置に向かう方向に形成されることを特徴とすることができる。

前記マルチビーム音響システムは、前記車両のオーディオビデオナビゲーション（ＡＶＮ：Ａｕｄｉｏ Ｖｉｄｅｏ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）装置から出力された音響信号に基づくエコー信号が前記入力信号に含まれている場合、受信された前記入力信号から前記エコー信号を取り除くためのエコー除去装置をさらに備えることができる。

前記エコー除去装置は前記オーディオビデオナビゲーション装置から前記音響信号に対する情報を受信して保存し、保存された前記音響信号に対する情報に基づいて前記エコー信号を推定し、推定された前記エコー信号を前記入力信号で取り除くことができる。

前記マルチビーム音響システムは前記車両に設置されている座席の中で前記任意の二つの座席を除いた少なくとも一つの座席に対応されるように設置される第２マイクアレイをさらに備えることができる。

前記マルチビーム音響システムは、第２適応ビーム形成装置をさらに備え、前記適応ビーム形成装置または第２適応ビーム形成装置は、前記第２マイクアレイの少なくとも一つのビームを形成することを特徴とすることができる。

前記目的を具現化するための本発明の他の側面によれば、マルチビーム音響システムは車両内の所定の位置に設置された複数のマイクロホンを有し、入力信号を受信するマイクアレイのビームを形成するための適応ビーム形成装置と、マイクアレイから出力される出力信号から、前記車両のオーディオビデオナビゲーション装置から出力される音響信号に基づいたエコー信号を除去するためのエコー除去装置と、を有し、前記適応ビーム形成装置は前記マイクアレイのビームを少なくとも二つ形成することを特徴とする。

前記入力信号は前記車両内乗員の話者信号または音声命令信号を含み、前記マルチビーム音響システムは、前記少なくとも二つのビームのうち少なくとも一つを通じて入力される前記話者信号または前記音声命令信号から前記エコー信号を取り除いたエコー除去話者信号またはエコー除去音声命令信号を前記オーディオビデオナビゲーション装置に出力し、前記オーディオビデオナビゲーション装置は前記エコー除去話者信号を相手の通信装置に送信し、前記エコー除去音声命令信号によって所定の車両装置を制御するための制御信号を出力することができる。

前記目的を具現化するための本発明のさらなる側面によれば、提供されるマルチビーム音響システムは、マイクアレイから入力される入力信号を望む方向に向ける固定ビーム形成部と、前記入力信号を受信し、受信された前記入力信号からノイズ基準信号を取得するためのブロッキング行列部と、前記ブロッキング行列部から出力される前記ノイズ基準信号から適応型ノイズ信号を取得するための可変ビーム形成部と、前記固定ビーム形成部から出力された信号で前記適応型ノイズ信号を取り除いた目的信号を出力するための除去手段を含む一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）と、を備えることを特徴とし、前記固定ビーム形成部は少なくとも二つの方向に前記入力信号を向けることを特徴とすることができる。

前記一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）は、少なくとも二つの方向に前記入力信号を向けるために、次の数学式のような制約条件を持つように設計されることを特徴とすることができる。

ここで、
はｉ番目の制限行列、
は望む方向の方向ベクトル、
は加重値ベクトル行列、
は目的とする衝撃応答を示す。

本発明によるマルチビーム音響システムは適応的に複数のビームを形成することができるので、複数の音源ソースに対する認識率を高くすることができる効果がある。

また、本発明の実施例によるマルチビーム音響システムが車両に適用される場合、車両の運転者だけではなく、他の乗員の音声も効率的に収音することができる効果がある。

また、車両内外の騷音及びエコーに対して強靭にすることができるし、特にエコー除去装置を具備する場合、より騷音及びエコーに強靭になることができる効果がある。

また、比較的少ない演算量の自己調律アルゴリズムを利用して比較的早い時間内に非正常的な干渉信号及びエコーに強靭なビームを形成することができる効果がある。

本発明の詳細な説明で引用される図面をより十分に理解するために各図面の簡単な説明が提供される。
図１は本発明の実施例によるマルチビーム音響システムが車両に設置される場合の概念図を示す図面である。 図２は本発明の実施例によるマルチビーム音響システムの概略的な構成を示す図面である。 図３は一般的なマルチビーム音響システムの広帯域ビーム形成装置の概念を説明するための図面である。 図４は本発明の実施例による適応ビーム形成装置の概略的な構成を示す図面である。 図５は本発明の実施例によるマイクアレイとマイクアレイによるビームが車両の内部に形成されることを説明するための図面である。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を充分に理解するために、本発明の好ましい実施例を例示する添付図面及び添付図面に記載した内容が参照される。

また、本明細書においては一方の構成要素が他方の構成要素にデータを‘送信’する場合、一方の構成要素から他方の構成要素に直接データを送信する場合だけでなく、一方の構成要素からその他の少なくとも一つの構成要素を介して他方の構成要素に送信する場合も含まれる。

反対に、一方の構成要素が他方の構成要素にデータを‘直接送信’する場合にはいずれの構成要素も介さないで一方の構成要素から他方の構成要素にデータが送信されることを意味する。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明することで、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された等しい参照符号は等しい構成要素を示す。

図１は本発明の実施例によるマルチビーム音響システムが車両に設置される場合の概念図を示す図面である。また、図２は本発明の実施例によるマルチビーム音響システムの概略的な構成を示す図面である。

まず、図１ａ及び図２を参照すると、本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１を具現化するためにマイクアレイ２００は図１ａに図示されるように設置される。マイクアレイ２００は図１aに図示されるように少なくとも二つのビームを形成することができる。本明細書のビームとは、本発明の実施例による適応ビーム形成装置１１０によって形成されるメインローブ（Ｍａｉｎ Ｌｏｂｅ）を意味する。

このように本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１は、後述する技術的思想によって少なくとも二つのビームを形成することができる。複数のビームはそれぞれ車両の運転者だけではなく、他の乗員の音声信号を収音するように容易に形成することができる。

マイクアレイ２００は複数の座席に対応するように設置することができる。マイクアレイ２００が複数の座席に対応するように設置されるには、複数の座席それぞれの位置に向かう方向にビームが形成されることを意味する。例えば、マイクアレイ２００が図１ａに図示されたところのように二つのビームを形成する場合、二つのビームそれぞれは車両に設置された運転席及び助手席の位置に向かう方向に形成することができる。

本発明の一実施例によると、マイクアレイ２００によって形成されるビームが二つである場合は、二つのビームそれぞれはマイクアレイ２００の中心部を基準に互いに別の方向に形成されるように具現化される。このように互いに別の方向のビームを形成することで、ビームの間に与えることができる干渉の影響を減らすことができる効果がある。

したがって、マイクアレイ２００は図１aのように車両の前の座席用ダッシュボード（ｄａｓｈｂｏａｒｄ）に設置または埋め込まれることができ、マイクアレイ２００はマイクアレイ２００の所定の地点（例えば、中心部）での垂直方向の線を基準に互いに別の方向に少なくとも二つのビームを形成することができる。この時、互いに別の方向とは、運転席及び助手席の方向とすることができる。

図１ｂ及び図２を参照すると、本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１は第２マイクアレイ２００−１をさらに備えてもよい。第２マイクアレイ２００−１は車両の後の座席に乗った乗員たちの音声を収音するために設置されてもよい。このため、第２マイクアレイ２００−１も本発明の実施例によれば複数のビームを形成するように構成してもよい。実装によっては、第２マイクアレイ２００−１は一つのビームを適応的にビーム形成方向が変化するように構成してもよく、このように一つのビームが音源ソースの位置によって変化する技術的思想は従来から公知であるため、詳細な説明は略する。

第２マイクアレイ２００−１は後の座席の乗員たちの音声を収音するために容易な位置に設置または埋め込むことができる。例えば、第２マイクアレイ２００−１は図１bに図示されるように運転席と助手席の間に位置するコンソールボックスの所定の位置に設置または埋め込まれることができる。一般的にコンソールボックスは後の座席の中央付近と垂直の位置にあるので、このようにコンソールボックスの所定の位置に設置されることによって、前述のように垂直を基準にお互いに別の方向を持つ少なくとも二つのビームを形成することができる。勿論、必ずコンソールボックスの所定の位置に第２マイクアレイ２００−１が設置されなければならないわけではない。第２マイクアレイ２００−１はコンソールボックスに個別に設置されてもよいが、後の座席用マルチメディア機器がコンソールボックス付近またはその以外の位置に設置される場合、マルチメディア機器の一部として実装されてもよい。

図１ｃはマイクアレイ２００及び第２マイクアレイ２００−１がそれぞれ２つのビームを形成する場合を示し、マイクアレイ２００が形成するビームは運転席及び助手席に向かう方向に形成してもよく、第２マイクアレイ２００−１が形成するビームは運転席の後の座席及び助手席の後の座席に向かう方向に形成してもよい。このように本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１は計４つのビームを形成することによって、既存の車両内の音響システムが運転席に位置する運転者の音声を収音するために主に設置されることとは違い、車両に乗った他の乗員たちの音声も効率的に収音することができるようになる効果がある。

また、複数のビームを形成することによって、一つのビームを形成してリアルタイムでビームの方向を変化する場合に比べて、リアルタイムに演算するデータの量が少なくなる効果がある。

図２を参照すると、本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１は適応ビーム形成装置１１０を有してもよい。適応ビーム形成装置１１０は所定の制御装置１００に含まれてもよい。制御装置１００は実施例によれば図２に図示されるように所定のエコー除去装置１２０を備えてもよい。制御装置１００は一つのチップに実装されてもよく、所定のハードウェアと有機的に結合するように構成されるソフトウェアに実装されてもよい。

制御装置１００は所定のオーディオビデオナビゲーション装置３００と接続されてもよく、制御装置１００から出力される信号（例えば、マイクアレイ２００を通じて収音された信号など）がオーディオビデオナビゲーション装置３００を介して所定の機器（例えば、相手の通話装置または音声命令を実行する機器など）に送信されてもよい。また、制御装置１００はオーディオビデオナビゲーション装置３００から外部に送信される信号またはスピーカーを通じて出力される音響信号に対する情報を受信し、これを利用してもよい。例えば、制御装置１００に含まれるエコー除去装置１２０はオーディオビデオナビゲーション装置３００から外部に送信される信号または車両の内部に出力される音響信号に対する情報を受信し、これを利用してマイクアレイ２００から入力される入力信号のなかのエコー信号を推定し推定されたエコー信号を相殺することができる。

オーディオビデオナビゲーション装置３００は本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１が車両に設置される場合には、車両に設置されたオーディオシステム、ビデオシステム、ナビゲーションシステム、音声通話システムなど車両で提供される、可能なすべての種類の音声システムを意味することができる。また、マルチビーム音響システム１が車両以外の場所に用いられる場合には、他機器に信号を送信し、外部から受信した信号を出力することができる、あらゆる形態の音響システムとして用いられることができる。

オーディオビデオナビゲーション装置３００に備えられたスピーカーから音響信号が出力され、出力された音響信号がまたマイクアレイ２００を通じて入力される入力信号の一部として入力される場合、エコー除去装置１２０は、入力信号に含まれたエコー信号を取り除く機能を実行することができる。すなわち、マイクアレイ２００から入力される入力信号はエコー除去装置１２０を通じてエコー信号が除去され、エコー信号が除去されたエコー除去信号はオーディオビデオナビゲーション装置３００に送信される。

このため、エコー除去装置１２０は、オーディオビデオナビゲーション装置３００からスピーカーを介して出力される音響信号に対する情報を受信し、一時的に保存することができる。そして、保存された音響信号に対する情報に基づいて、エコー信号は推定され、推定されたエコー信号はマイクアレイ２００を通じて入力された入力信号から除去されうる。このように、エコー除去装置１２０はスピーカーを通じて出力される信号をあらかじめ保存していてからこれを利用してエコー信号を取り除く技術的思想を用いることができる。この技術的思想は、本出願人により２００９年１１月１８日に出願された韓国特許出願（出願番号１０−２００９−０１１１３２３、“信号分離方法、信号分離方法を利用した通信システム及び音声認識システム”、以下、先出願）に開示されている。先出願に開示された技術的思想及び全体の内容は、本明細書の参考として含まれる。

エコー除去装置１２０は、先出願に開示されているように修正されたＢＳＳ（Ｂｌｉｎｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）アルゴリズムを利用して短い時間でリアルタイムに入力信号からエコー信号を分離することができる。また、先出願に開示された修正されたＢＳＳアルゴリズムによると、一つのマイクロホンを用いて二つの信号を互いに分離することができる。具体的には、マイクアレイ２００から入力された入力信号が適応ビーム形成装置１１０を通じて目的信号に出力されると、エコー除去装置１２０は、先出願にあるように、一つのマイクロホンを通じて入力される入力信号として出力された目的信号を処理し、エコー信号を除去することができる。勿論、エコー除去装置１２０は先出願に開示された技術的思想以外にも公知の多様な方式でエコーを取り除くこともできる。

例えば、マイクアレイ２００によって形成される二つのビームのうち少なくとも一つを通じて車両の乗員の音声信号が収音される時、音声信号は、通話のための話者信号、または、音声認識命令のための音声命令信号である。そして、話者信号または音声認識命令信号は適応ビーム形成装置１１０を通じてエコー除去装置１２０に出力され、エコー除去装置１２０によってエコー信号が除去され、オーディオビデオナビゲーション装置３００に出力される。次に、オーディオビデオナビゲーション装置３００はエコー信号が除去された話者信号を相手の通信装置に出力することができ、また音声認識命令の対象になる所定の装置（例えば、ナビゲーション、車両のウィンドウ、その他の車両の装置など）を制御するための制御信号として出力することができる。入力信号が音声認識命令である場合、音声信号を認識し制御信号に変換するための音声認識装置（図示せず）は、制御装置１００及び/またはオーディオビデオナビゲーション装置３００に含まれうる。音声認識装置（図示せず）がオーディオビデオナビゲーション装置３００に含まれて提供される場合、エコー除去装置１２０を通じて出力された信号は音声認識装置（図示せず）に入力され、音声認識装置（図示せず）は入力された信号に基づいて制御信号を生成し、生成された制御信号を所定の車両装置に出力することができる。

一方、図２に図示されるように、マルチビーム音響システム１は第２マイクアレイ２００−１を含むことができる。第２マイクアレイ２００−１は、制御装置１００と接続され、前述のような機能を実行することもできるが、別の第２制御装置１００−１に接続されてもよい。第２制御装置１００−１はオーディオビデオナビゲーション装置３００に接続されうる。

第２マイクアレイ２００−１は前述のように少なくとも一つのビームを形成することができる。例えば、一つのビームを形成する場合には車両の後の座席の搭乗者の位置によって適応的にビームの方向が変化されることもできるし、二つ以上のビームが後の座席の搭乗者が乗る位置に向かうするように形成することもできる。

一方、適応ビーム形成装置１１０の機能は図３及び図４を参照して説明する。

図３は一般的なマルチビーム音響システムの広帯域ビーム形成装置の概念を説明するための図面であり、図４は本発明の実施例による適応ビーム形成装置の概略的な構成を示す図面である。

まず、図３を参照すると、図３は広帯域ＬＣＭＶ適応ビーム形成装置の構造を示している。広帯域ＬＣＭＶ適応ビーム形成装置は１９７２年のＯｔｉｓ Ｌａｍｏｎｔ Ｆｒｏｓｔ IIIの論文に始まると理解される。図３から分かるように、狭帯域ビーム形成装置とは異なり、広帯域ビーム形成装置は一つのセンサー（マイクロホン）ごとに複数の遅延時間（Ｄｅｌａｙ）タブが付いている構造で構成されうる。また、望む方向（Ｌｏｏｋ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）の等価回路で表現すれば、それぞれの等価フィルタータブは全体回路の衝撃応答（Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）で示すことができる。

図３のビーム形成装置は、Ｋ個のセンサーとＪ個の遅延タブで構成されていると仮定することができる。この場合、加重値の総数はＫＪ個であり、Ｊ個の制約条件となる。また、残りのＫＪ−Ｊ個の自由度（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ）を利用して、出力パワーは最小化される。

この時、入力信号と加重値ベクトルは次のように定義されることができる。

ここで、ｎは標本数（Ｓａｍｐｌｅ Ｎｕｍｂｅｒ）を示し、
は入力信号ベクトルを示し、
は加重値ベクトルを示す。

また、線形制約条件（Ｌｉｎｅａｒ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）は次のように与えられる。

上の式で、Ｆは所望の衝撃応答であり、
から
までの値で構成される
ベクトルを示すことができる。図３で示すように広帯域ビーム形成装置は同等のＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルターにモデリングすることができるし、この時、所望の周波数応答を有する衝撃応答を設計することができる。したがって、衝撃応答Ｆはビーム形成装置の周波数特性を決定する設計因子（Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）とすることができる。制限行列（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ Ｍａｔｒｉｘ）Ｃは
の大きさを持つ行列であり、数学式４のように定義されることができる。

上記数学式４で
は長さが
である列ベクトルであり、
は長さが
の方向ベクトル（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒ）を示す。したがって、
はj番目のグループに方向ベクトルを持ち、残りの要素は０を持つ
長さの列ベクトルになる。

一般的な従来の広帯域ビーム形成装置は、ビーム、すなわち、メインローブを一つだけ持つように設計されて、この時、制約条件の行列は次の数式のようになる。

ここで、
は望む方向の方向ベクトルを示し、この時、衝撃応答ｆはその方向の望む応答を示す。また広帯域ビーム形成装置は後述するところのように一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）として実装され、この時、一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）のブロッキング行列（Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｍａｔｒｉｘ）
はＣのｎｕｌｌ ｓｐａｃｅに定義され、その大きさは
として定義することができる。また、可変加重値ベクトル（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｗｅｉｇｈｔ Ｖｅｃｔｏｒ）の大きさは
に設計される。

本発明の実施例による適応ビーム形成装置１１０は、図３に図示される広帯域ＬＣＭＶ適応ビーム形成装置に基づいても構成されうる。適応ビーム形成装置１１０は音声帯域で適切な周波数応答を持つように衝撃応答Ｆを設計することができる。しかし、前述したように広帯域ビーム形成装置は自己調律の適応アルゴリズムを使用するのは難しいため、ビーム形成装置の加重値の調節は図４に図示されるような一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）を用いて具現化されうる。

[数学式３]の制限行列Ｃの直交補空間（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ）行列を
とする。そして
行列Ｕと
を次の数式のように定義することができる。

数学式６及び７によって加重値ベクトルは次のように示すことができる。

数学式８と数学式３を利用すれば次のような数式を得ることができる。

直交補空間の定義は
であり、したがって、数学式９は次のように整理されることができる。

数学式１１を用いて、ビーム形成装置の固定ビーム形成部（Ｆｉｘｅｄ Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を取得することができ、次のような数式に表現されうる。

数学式８と数学式１１によって、加重値ベクトルは次のように表現されることができる。

数学式１２から、一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）は作ることができ、一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）の構造は図４と同様になる。

図４を参照すると、一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）、または、適応ビーム形成装置１１０はマイクアレイ２００から入力される入力信号を望む方向に向ける固定ビーム形成部１１１と、入力信号を受信し受信された入力信号からノイズ基準信号を取得するブロッキング行列部１１２と、ブロッキング行列部１１２から出力されたノイズ基準信号から適応型ノイズ信号を取得するための可変ビーム形成部１１３と、
入力信号
から適応型ノイズ信号
を取り除くことで固定ビーム形成部から出力された入力信号から目的信号を出力するための除去手段１１４を含む一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ）と、を備えることができる。図４に図示された適応ビーム形成装置１１０は従来のＧＳＣと類似の構造を持つように構成されてもよく、このようなＧＳＣの機能及び構造に関しては広く公知されているので詳細な説明は略する。しかし、本発明の実施例による適応ビーム形成装置１１０は固定ビーム形成部１１１が少なくとも二つの方向に入力信号が向くように設定されることを特徴とする。

また、既存のＧＳＣが数学式３を満足するように設定されたとき、ブロッキング行列部１１２が本発明の実施例によってノイズ基準信号を生成するために作る制約条件は、次の数学式を満足するように設定されうる。

すなわち、固定ビーム形成部１１１によって取得される固定加重値ベクトル（Ｆｉｘｅｄ Ｗｅｉｇｈｔ Ｖｅｃｔｏｒ）とブロッキング行列部１１２が用いるブロッキング行列
は適応ビーム形成装置１１０の設計値であらかじめプリセットすることができる。この時、固定ビーム形成部１１１によって取得される固定加重値ベクトルは、本発明の実施例によって形成される複数のビームに対応されるように設定することができる。ブロッキング行列
を取得するための制約条件（Ｃ）は数学式１３による制約条件を持つように設計されることができる。

従来のビーム形成装置の場合、制限行列Ｃの大きさは
のように定義されるが、本発明の実施例による複数のビーム（メインローブ）を持つ適応ビーム形成装置１１０の場合、
（Ｎはメインローブの個数）の形態を持つのである。したがって、衝撃応答ベクトルの大きさも
から
に変化し、それぞれのビームにあたる衝撃応答が互いに垂直に重畳（ｃａｓｃａｄｅ）されるように設計されうる。

したがって、適応ビーム形成装置１１０の設計値もこれに合わせて修正される。特に、可変加重値ベクトルの大きさが
に設計される。これによって、加重値ベクトルの変換行列（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｍａｔｒｉｘ）に対応するブロッキング行列
の大きさも
に設計されうる。これは制限行列Ｃを特異値分解（Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）することで設計され、特異値の大きい順に、設計されたサイズによる分解された行列を取ることで設計されうる。

一般的に、制約条件が全くないＧＳＣの場合、可変ビーム形成部１１３の自由度はセンサー（マイクロホン）の数と同じである。制約条件が存在する場合は、（センサー（マイクロホン）の数−制約条件の数）になる。これは上述における可変加重値ベクトルの大きさを考慮することで理解することができる。したがって、制約条件の数が多くなるほど可変ビーム形成部１１３の自由度が減少してＧＳＣの性能が落ちるようになる。従って、実質的に可能なビームの数はセンサー（マイクロホン）の数に制限を受けるようになる。もし、４個のセンサー（マイクロホン）を用いてマイクアレイ２００を具現化する場合、実質的に意味のあるビームの数は１〜２個程度になることができる。したがって、マイクアレイ２００は４個以上のセンサー（マイクロホン）を備えるのが好ましい。

一方、本発明の実施例による適応ビーム形成装置１１０では、可変ビーム形成部１１３によって取得される適応型ノイズ信号、すなわち、可変加重値ベクトルの調節において自己調律ＲＬＳを用いることができる。このような自己調律ＲＬＳアルゴリズムは適応アルゴリズムの中でも早い適応速度を持つアルゴリズムであるため、非定常の干渉信号にも強靭であるだけでなく、望む方向を変更した後にも早く適応することができる。

可変ビーム形成部１１３は自己調律ＲＬＳアルゴリズムを利用して可変加重値ベクトルを取得することができ、自己調律ＲＬＳアルゴリズムは最小二乗（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ）問題の解（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を再帰的に取得するアルゴリズムでありうる。

一般的な最小二乗問題の場合をよく見ると、次のようである。

データ行列Ａと所望の信号（Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｓｉｇｎａｌ）
を下記のように定義することができる。

また、一般的な適応信号処理で目標とする最適解は次の数学式のような条件を満足する。

数学式１６のような条件を満足する最適の解を求めるために、次のように最小二乗問題（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ Ｐｒｏｂｌｅｍ）を定義することができる。

上のような目的関数（Ｃｏｓｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を最小化する最小二乗問題の最適の解は一般的に次のように与えられる。

これを時間平均自己相関行列（Ｔｉｍｅ−ａｖｅｒａｇｅｄ Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｍａｔｒｉｘ）Φと時間平均相互相関行列（Ｔｉｍｅ−ａｖｅｒａｇｅｄ Ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ） Zに示すと、次のようである。

上のような解を再帰的に解き明かすことがＲＬＳアルゴリズムであり、その信号処理過程は次のようである。

ここで
は事前エラー（Ｐｒｉｏｒｉ Ｅｒｒｏｒ）を示し、
はゲインベクトルを示し、λは忘却ベクトル（Ｆｏｒｇｅｔｔｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒ）を示す。

したがって、数学式２０で
は図４のブロッキング行列部１１２の出力信号に対応されることができるし、数学式２０を利用して、数学式１３の制約条件を持つ本発明の実施例による適応ビーム形成装置１１０の可変加重値ベクトルを再帰的に取得することができる。

図５は本発明の実施例によるマイクアレイと前記のマイクアレイによるビームが車両の内部に形成されることを説明するための図面である。

図５を参照すると、本発明の実施例によるマルチビーム音響システム１は１又は２以上のマイクアレイ２００、２００−１を備えることができる。この中で一つのマイクアレイ２００は少なくとも二つのビームを形成することができるし、その中の一つは運転席Ｓ１に対して向かう方向に形成されることができるし、他の一つは助手席Ｓ２に向かう方向に形成されることができる。この時、それぞれのビームの方向は数学式１３の制約条件でθの値を設定することにより決めることができる。

本発明の実施例によると、マイクアレイ２００は所定の座席（例えば、Ｓ１、Ｓ２）の間の特定の地点１０で垂直方向の線１１上に位置することができ、マイクアレイ２００によって形成される複数のビームの中で、一つは垂直方向の線１１を基準に一方向に形成することができ、他の一つであるビームは他の方向に形成することができる。勿論、マイクアレイ２００が座席間（例えば、Ｓ１、Ｓ２）の垂直方向の線１１上の特定の点１０に位置する代わりに、他の地点に位置する場合、複数のビームは同じ方向に形成されることもできる。

一方、マルチビーム音響システム１は第２マイクアレイ２００−１をさらに備えることができ、第２マイクアレイ２００−１も複数のビームを形成することもできる。また、実装において一つのビームを形成して適応的にビームの方向を変換するように構成することもできる。

第２マイクアレイ２００−１が複数のビームを形成する場合、車両の後の座席に乗る乗員の位置（例えば、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）によって複数のビームが形成されうる。

図５ではマイクアレイ２００と第２マイクアレイ２００−１が同一の線上に位置する場合を一例に図示したが、図５で図示されたように必ずしも具現する必要がないことは本発明の技術分野の平均的な専門家は容易に推論することができる。

本発明の実施例によるマルチビーム音響システムは、コンピューター読み取り可能な記録媒体にコンピューターが読めるコードとして記憶して構成することが可能である。コンピューター読み取り可能な記録媒体はコンピューターシステムによって読むことができるデータが保存されるすべての種類の記録装置を含む。コンピューター読み取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピーディスク、光データ記憶装置などがあり、また、搬送波（例えば、インターネット送信）の形態で具現化されることも含む。また、コンピューター読み取り可能な記録媒体はネットワークで連結されたコンピューターシステムに分散され、分散方式でコンピューターの読めるコードが保存され実行することができる。そして、本発明を実現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは本発明が属する技術分野のプログラマーたちによって容易に解釈されることができる。

本発明を図面に図示された一実施例を参照して説明したが、これは一例に過ぎず、本技術分野の当業者であれば思いつく多様な変形例及び均等な他の実施例も本発明に含まれうる。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想によって定められる。

本発明は車両用音響システムに適用されることができる。

Claims (8)

1. 車両内の所定の位置に設置され、複数のマイクロホンを有し、入力信号を受信するマイクアレイと、
   前記マイクアレイのビームを形成する適応ビーム形成装置とを備え、
   前記適応ビーム形成装置は、
   互いに異なる方向に形成される前記マイクアレイの少なくとも二つのビームを同時に形成し、前記少なくとも二つのビームの各々は、互いに異なる方向からの所望の音声信号のうちの一つを受信するためのビームであり、
   前記適応ビーム形成装置は、
   前記マイクアレイから入力される前記入力信号を望む方向に向ける固定ビーム形成部と、
   前記入力信号を受信して、受信された前記入力信号からノイズ基準信号を取得するためのブロッキング行列部と、
   前記ブロッキング行列部から出力される前記ノイズ基準信号から適応型ノイズ信号を取得するための可変ビーム形成部と、
   前記固定ビーム形成部から出力された信号で前記適応型ノイズ信号を取り除いた目的信号を出力するための除去手段を含む一般化サイドローブキャンセラと、を備え、
   前記固定ビーム形成部は少なくとも二つの方向に前記入力信号を向けることを特徴とし、
   前記一般化サイドローブキャンセラが、
   前記入力信号を少なくとも二つの方向に向けるために、次の数学式のような制約条件を持つように設計されることで、前記適応ビーム形成装置は、互いに異なる方向であるマイクアレイの少なくとも二つのビームを同時に形成することを特徴とするマルチビーム音響システム。
   ここで、
   はｉ番目の制限行列、
   は望む方向の方向ベクトル、
   は加重値ベクトル行列、
   は目的とする衝撃応答を示す。
2. 前記可変ビーム形成部は、
   自己調律ＲＬＳアルゴリズムを利用して前記適応型ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム音響システム。
3. 前記マイクアレイは、
   前記車両に設置されている座席の中で任意の二つの座席に対応するように所定の位置に設置され、
   前記所定の位置は、
   前記任意の二つの座席の間の特定位置で前記任意の二つの座席方向と垂直方向の線上に位置し、
   前記少なくとも二つのビームのうち少なくとも一つは前記垂直方向の線を基準にある方向に位置する座席の位置に向かう方向に形成されて、
   前記少なくとも二つのビームのうち少なくとも他の一つは前記垂直方向の線を基準に、他の方向に位置する座席の位置に向かう方向に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム音響システム。
4. 前記マルチビーム音響システムは、
   前記車両のオーディオビデオナビゲーション装置から出力された音響信号に基づくエコー信号が前記入力信号に含まれている場合、受信された前記入力信号から前記エコー信号を取り除くためのエコー除去装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム音響システム。
5. 前記エコー除去装置は、
   前記オーディオビデオナビゲーション装置から前記音響信号に対する情報を受信して保存し、保存された前記音響信号に対する情報に基づいて前記エコー信号を推定し、推定された前記エコー信号を前記入力信号から取り除くことを特徴とする請求項４に記載のマルチビーム音響システム。
6. 前記マルチビーム音響システムは、
   前記車両に設置されている座席の中で前記任意の二つの座席を除いた少なくとも一つの座席に対応されるように設置される第２マイクアレイをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のマルチビーム音響システム。
7. 前記マルチビーム音響システムは、
   第２適応ビーム形成装置をさらに備え、
   前記適応ビーム形成装置または前記第２適応ビーム形成装置は、前記第２マイクアレイの少なくとも一つのビームを形成することを特徴とする請求項６に記載のマルチビーム音響システム。
8. マイクアレイから入力される入力信号を望む方向に向ける固定ビーム形成部と、
   前記入力信号を受信し、受信された前記入力信号からノイズ基準信号を取得するためのブロッキング行列部と、
   前記ブロッキング行列部から出力される前記ノイズ基準信号から適応型ノイズ信号を取得するための可変ビーム形成部と、
   前記固定ビーム形成部から出力された信号で前記適応型ノイズ信号を取り除いた目的信号を出力するための除去手段を含む一般化サイドローブキャンセラと、を備えることを特徴とし、
   前記固定ビーム形成部は少なくとも二つの方向に同時に前記入力信号を向け、少なくとも二つの方向のビームの各々は、互いに異なる方向からの所望の音声信号のうちの一つを受信するためのビームであり、
   前記一般化サイドローブキャンセラが、
   少なくとも二つの方向に前記入力信号を向けるために、次の数学式のような制約条件を持つように設計されることで、前記適応ビーム形成装置は、互いに異なる方向であるマイクアレイの少なくとも二つのビームを同時に形成することを特徴とするマルチビーム音響システム。
   ここで、
   はｉ番目の制限行列、
   は望む方向の方向ベクトル、
   は加重値ベクトル行列、
   は目的とする衝撃応答を示す。