SE502888C2 - Adaptiv mikrofonanordning och förfarande för adaptering till en inkommande målbrussignal - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 502 888 2 tillämpningar är närområdes-betraktelser av stor vikt. Detta leder i sin tur till problem som är svåra att beskriva på ett detaljerat sätt med en a priori-modell. Exempelvis kommer en lobformare, ("beamformer") med inherent teoretisk modellering som representerar det akustiska fältet i en bil med beaktansvärd sannolikhet att ge en gruppmikrofon som är baserad på a priori information som delvis är inkorrekt. Vid kända anordningar (såsom exempelvis "Methods for noise reduction applied to speech input systems" av K. Krochel i Proc. VLST och Computer Peripherals VLST och Microelectronic Applications in Intelligent peripherals and their Interconnection, 8-12 maj 1989 sid. 2/82-87), används automatisk modulering för att tillhandahålla de önskade signalerna. Detta fungerar emellertid inte om a felaktig dessutom kräver det avancerade matematiska modeller osv.

Network, priori informationen är eller inkorrekt och Dessutom används i ett flertal kända anordningar eller förfarande så kallade brusundertryckare och dessa bygger på reduceringsprinciper osv vilka är komplicerade och i allmänhet ger de ett resultat som inte är speciellt bra utan det leder till komplicerade anordningar osv.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett mål med tillhandahålla en inledningsvis hänvisats till som ger ett bra signal till föreliggande uppfinning att adaptiv mikrofonanordning brusförhållande. Det är vidare ett mål med uppfinningen att tillhandahålla en anordning där ingen matematisk modellering fält, kännetecken hos den krävs om signalstatistik, akustiska gruppmikro- fongeometri och elektroniska utrustningen osv. Ett ytterligare mål med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning som kan användas för så kallad "hands free"-tillämpning i bilar osv och vilken ger goda utsignaler, t.ex. en signal som har ett bra signal- brusförhållande. Ett ytterligare mål med uppfinningen är att såsom. 10 15 20 25 30 35 502 888 3 tillhandahålla en mikrofonanordning som är okänslig för kanalfelsanpassning.

Ett ytterligare mål med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning som är robust och lätt att använda. Ytterligare mål med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning där en kalibreringssignal eller en referenssignal lätt kan fås och som, i största möjliga utsträckning, är korrekt. Det är också ett mål med uppfinningen att tillhandahålla en anordning där diskrepansen mellan filtreringsfunktionerna under taligenkänningsträning och drift är små när den används med taligenkänningsanordningar.

Ett ytterligare mål med uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande för adaptering till en inkommande målsignal.

Dessa såväl som andra mål uppnås genom en anordning som har de i den kännetecknande delen av patentkravet 1 angivna kännetecknen.

Målen uppfylles vidare genom ett förfarande som har kännetecknen enligt krav 20.

Ett antal fördelaktiga utföringsformer anges av de vidhängande underkraven. Fördelaktigt innefattar signalbildningsanordningen en adaptiv lobformare och en filtrerande lobformare. I ett speciellt fördelaktigt utförande är kalibreringssignalen en talsignal eller ännu mera speciellt en typisk talsignal eller en signal med ett talinfluerat spektrum. I synnerhet kan kalibreringssignalen spelas in på plats, dvs. den spelas in med användning av samma utrustning och i ett fördelaktigt utförande på samma ställe som när mål-brussignalen uppstår. Fördelaktigt består minnet av ett digitalt minne eller ännu mera speciellt ett digitalt minne för varje ingiven kalibreringssignal, vardera för en separat mikrofon. Kalibreringssignalen kan omfatta ett antal (sekundära) kalibreringssignaler, dvs. kalibreringssignaler från varje mikrofon vilka kombineras till en så kallad önskad signal. För adaptering av summan av kalibreringssignalen och brussignalen som i enlighet med ett fördelaktigt utföringsexempel består av rent brus, använder 10 15 20 25 30 35 502 888 4 adapteringsmedlen en adaptiv algoritm som t.ex. kan vara den sá kallade LMS (Least Mean Square) algoritmen eller någon t.ex. annan algoritm, RLS (Recursive Least Square) eller någon annan lämplig algoritm. Speciellt används antingen kalibreringssignalerna eller en kombination av tvá eller flera därav som en så kallad önskad signal i algoritmmedlen med vilka summan av kalibreringssignalen och brussignalen jämförs pà ett i sig känt sätt. Vid adaptering, under vilken ingen màlsignal eller inget brus tillhandahàlles, fás ett antal filtreringskoefficienter i den adaptiva lobformaren på ett sätt vilket är känt i sig. Filtreringskoefficenterna kopieras till och används i den andra lobformaren eller den När en màl (mål-brus) eller en talare eller nágot liknande är aktiv, filtrerande lobformaren. tillförs, upphör adapteringen i den adaptiva lobformaren och ingen signal adaptering äger rum. Dà filtreras màlsignalen eller exempelvis talsignalen genom den filtrerande lobformaren. I allmänhet består den första och den andra lobformaren av filter såsom exempelvis FIR-filter (Finite Impulse Response), vars adapterings-koefficienter är adaptivt optimerade till den aktuella brusnivàn eller brussituationen och till utrustningen “pà plats".

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas på ett icke begränsande sätt under hänvisning till bifogade figurer där: - Fig. l illustrerar en kalibreringsfas och - Fig. 2 illustrerar en adaptiv filtreringsfas.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I det följande kommer ett utföringsexempel att beskrivas där en grupp av mikrofoner är anordnade exempelvis i en bil. I figuren är en gruppmikrofon som omfattar n mikrofoner MPU MP2 ..., MPH illustrerad där n kan vara vilket tal som helst 10 15 20 25 30 35 502 888 5 från. ett och uppåt och är valt beroende på de rådande omständigheterna och den relevanta omgivningen. Sålunda kan det här vara antingen en eller flera mikrofoner. I ett speciellt utföringsexempel används 8 mikrofoner men detta utgör givetvis endast ett exempel. Mikrofonerna kan vara av vilken lämplig kvalité som helst eller av vilket slag som helst. Om de emellertid är av standardkvalité, har de i allmänhet beaktansvärd spridning i prestanda vilket i sin tur ställer höga krav på lobformaren för att ett kalibreringssteg' enkelt skall kunna inkorporeras. Enligt uppfinningen spelas träningssekvenser in från olika positioner i närheten av exempelvis en sann talarposition vid en verklig situation med det aktuella systemet och utan brus närvarande. Träningssekvenserna eller kalibrerings- signalerna samlas sen ihop i ett minne och används senare som så kallade träningssignaler i den adaptiva fasen.

Därigenom erhålles en inherent kalibreringssignal och det är i allmänhet möjligt att vikta intressanta frekvensband och spatiella punkter. Anordningen i enlighet med uppfinningen är riktig för den aktuella situationen och den beror inte pà geometrin hos gruppen av mikrofoner eller likheter mellan element eller på kalibrering eller anpassning av förstärkare eller annan elektronisk utrustning osv. Mikrofonanordningen använder i allmänhet två uppsättningar av indata, nämligen mål-brussignaler i en filtrerande lobformare och de inspelade kalibreringssignalerna plus brussignalerna i den adaptiva lobformaren. I den första resp. andra lobformaren, dvs. den adaptiva lobformaren resp. den filtrerande lobformaren, filtreras signalerna med så kallade FIR-filter eller Finite Impulse Response-filter eller med en så kallad fördröjningsuttagsledning som utför en linjär kombination av indata.

I det beskrivna utföringsexemplet kan mikrofonanordningen speciellt användas för så kallad "hands-free" drift.

Mikronfonanordningen i enlighet med figur 1 består av ett antal mikrofoner MPU MP2, ..., MPD där' mikrofonerna är anordnade och placerade på något önskat sätt. 10 15 20 25 30 35 502 888 Inkalibreringssignalerna M1, ..., Mn utsätts för en antivikningsoperation och en A/D omvandling i ett omvandlingsblock l varefter signalerna, nu betecknade ml, m2 ..., mn Kalibreringssignalerna mn ..., nu används också i de spelas in i ett kalibreringssignalminne 2. adaptiva medlen vilket kommer att beskrivas ytterligare nedan. Kalibreringssignalen skall tillhandahållas som en ren kalibreringssignal, dvs. om det handlar om en bil eller liknande skall det i allmänhet inte finnas något brus vid dess generering och inspelning, dvs. bilen bör vara parkerad utan att motorn går osv. Då spelas en typisk talsignal eller en signal med talpåverkat spektrum ifrån den typiska talarpositionen in i kalibreringssignalsminnet 2. Detta är fördelaktigt ett digitalt minne eller mera speciellt ett antal digitala minnen, ett för varje mikrofonkanal. Dessa inspelade signaler bildar kalibreringssignaler mv ..., mn.

De adaptiva medlen eller den adaptiva lobformaren 4 kan fördelaktigt vara kalibrerad på plats i en bil eller liknande t.ex. genom användning av antingen en högtalare eller att talaren får läsa upp en representativ sekvens.

Sekvenserna som mottages i varje mikrofonkanal samlas in i kalibreringssignalsminnet 2. Detta betyder att kanalerna från talaren eller högtalaren eller liknande till A/D omvandlarna är inkluderade. Såsom redan nämnts ovan, skall den omgivande brusnivàn vara så låg som möjligt för att man skall få ett bra signal-till-brusförhållande i en önskad helst av signal som kan vara vilken som inkalibreringssignalerna ml, ..., m eller eller en n kombination av två eller flera av kalibreringssignalerna mv m2, ..., H5. I ett fördelaktigt utföringsexempel är situationen såväl som utrustningen generellt tidsoberoende varigenom mikronfonanordningen är försedd med kalibrerings- signaler vilka kan kombineras så att de bildar de önskade signalerna såsom hänvisats till ovan. Vidare, såsom redan diskuterats ovan, kan de separata mikrofonerna MPH MP2,..., MPn och deras placering väljas på något lämpligt sätt. I enlighet med ett fördelaktigt utförande, som ger ett robust 10 15 20 25 30 35 502 888 7 system, ändras talarpositionen eller högtalarpositionen på ett sådant sätt att den flyttas omkring i närheten av under kali- talarens normala position inspelning av breringssignalerna till minnet. De inspelade kalibrerings- signalerna från olika positioner är i enlighet med ett fördelaktigt utfarande överlagrade för att tillhandahålla viktade medelträningssignaler eller kalibreringssignaler eller referenssignaler. Såsom redan hänvisats till ovan, samlas dessa signaler i minnet 2. Som kan ses från figur 2, användes dessa signaler m1, m2, ngn och m, som bildar så kallade kalibreringssignaler eller referenssignaler, såväl som träningssignaler, t.ex. i en kombinerad form, som en önskad adaptering. signal eller referenssignal för användning vid På kalibreringsfasen, under vilken kalibreringssignalerna spelas in och lagras i minnet, följer en adaptiv fas. Under denna fas finns inga inkalibreringssignaler. Mycket generellt är situationen en brussituation, när det gäller en bil kan det relatera till en situation där talaren är tyst och när bilen rör sig, dvs. motorn är på osv. Insignalerna till den adapterade lobformaren 4 bildas av summan av de i minnet 2 lagrade kalibreringssignalerna mp nu, ..., nä resp. brussignalerna NU NP ..., N Sålunda är talaren eller n. liknande tyst. Minnet omfattar också en anordning (inte visad) där t.ex. en kombinerad önskad signal m,bildas. Denna kan också bildas av en av inkalibreringssignalerna mn ..., ng eller en kombination av' bara några av dem. Till den adaptiva lobformaren 4 introduceras lagrade talsignaler mv ..., ng plus brus NI, ..., Nn. En känd referenssignal eller en önskad signal m, som har gått genom samma elektroniska utrustning i frånvaro av brus erhålles också. De adaptiva filtren i den adapterande lobformaren 4 förses därmed med all den information som behövs för att adaptera till de korrekta filterkoefficienterna exempelvis i minsta kvadrat- hänseende eller med tillämpning av LMS-algoritmen (eller någon annan lämplig algoritm). På ett i sig känt sätt 10 15 20 25 30 35 502 888 8 subtraheras referenssignalen eller den önskade signalen m, från utsignalen mm från den adaptiva lobformaren 4 och skillnaden E bildas osv. Således härrör signalerna från en "typisk" talare och den verkliga talaren från samma akustiska omgivning och möter samma elektronisk utrustning osv. Därför kommer den adaptiva mikrofonanordningen att bli kalibrerad "på plats" till den rådande akustiska omgivningen och till placeringen av mikrofonerna osv. såväl som till de individuella egenskaperna hos mikrofonerna, förstärkarna, A/D-omvandlarna osv.

När koefficienterna för de digitala filtren i den adaptiva adaptivt till rådande brussituation och till den aktuella utrustningen, kopieras lobformaren 4- har optimerats dessa till den andra lobformaren eller till den filtrerande lobformaren 5. Den filtrerande lobformaren 5 arbetar när liknande är aktiv. När talaren (eller aktiv är automatiskt eller också manuellt exempelvis genom en "tryck för att Detta fördelaktigt utförande; det är i vilket fall som helst inte nödvändigt.

Om adapteringen emellertid stängs av, görs detta för att undvika eko-effekter och/eller för att tillhandahålla ett talaren eller liknande) är adapteringen avstängd, antingen tala"-funktion. avser ett mer robust system så att de adaptiva filtren inte kan verka på den verkliga talsignalen. Màlsignalen eller talsignalen som omfattar tal plus brus, snl, snz, ..., sn3 filtreras bara genom den filtrerande lobformaren 5. Under filtreringen i den filtrerande lobformaren 5 är filtreringskoefficienterna ifrån den filtrerande fördelaktigt fixerade och utsignalen erhålles lobformaren 5. I enlighet med ett utföringsexempel fortsätter adapteringen i den adapterande lobformaren så snart som talaren upphör att tala. Den filtrerande lobformaren arbetar fördelaktigt kontinuerligt och utan någon kalibreringssignal.

De olika komponenterna i mikrofonanordningen kan vara av varje önskat slag. Ett antal olika kända mikrontyper kan användas. Olika filter kan också användas av vilka så kallade FIR-filter endast utgör ett exempel. Också minnet 502 888 9 kan väljas på varje lämpligt sätt. Samplingsfrekvensen kan likaledes anta ett antal olika värden.

Uppfinningen kan också i ett antal andra avseenden varieras pà ett antal olika sätt, endast begränsad av omfånget av patentkraven.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 502 888 10 PATENTKRAV

1. Adaptiv mikrofonanordning med åtminstone en mikrofon (MP1, MP2, MPn) där signaldetekteringsanordning för anordningen omfattar en detektering av mål- insignaler, en signalbildande anordning och signal-lagrande organ, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att insignalerna består av kalibreringssignaler (ml, ..., mn), en brussignal (NI, ., Nn) och en mål-brussignal (snu _., snn) där kalibreringsinsignalen (ml, ., mn) spelas in och lagras i lagringsorganen (2) och att den signalbildande anordningen omfattar första signalbildande medel (4) och andra signalbildande medel (5) där de första signalbildande medlen (4) omfattar adapteringsorgan som behandlar summan av från minnet (2) och tillhandahållande filtreringskoefficienter och att filtreringskoefficienterna kalibreringssignalen (mv ..., mn) brussignalen (N1, ..., Nn) därigenom som fås ifrån de första signalbildande medlen (4) användes i de andra signalbildande medlen (5) på mål-insignalen och att kalibrerings-, och brussignalerna och mål-brussignalerna inges under väsentligen samma förhållanden.

2. Anordning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de adapterande medlen (4) är en adaptiv lobformare.

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de andra signalbildande medlen (5) är en filtrerande lobformare.

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att brussignalen (NI, _, Nn) är en ren brussignal. 10 15 20 25 30 35 502 888 ll

5. Anordning enligt något av patentkraven l-4. k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att kalibreringssignalen (ml, ..., mn) är en talsignal.

6. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d att kalibreringssignalen (m1,..., nn) är en typisk talsignal eller en tal-spektruminfluerad signal. d ä r a v,

7. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att kalibreringssignalen (ml, ..., ng) är inspelad på plats.

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att minnet (2) omfattar åtminstone ett digitalt minne.

9. Anordning enligt patentkrav 8, d ä r a v, består av ett kalibreringssignaler (mv ..., ng) vilka är kombinerade till k ä n n e t e c k n a d att inkalibreringssignalen antal en önskad signal (mr).

10. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de adapterande medlen (4) utnyttjar en adaptiv algoritm (LMS, RMS) för adapteringen.

11. ll. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den adaptiva algoritmen är den så kallade LMS-algoritmen eller någon annan gradient-algoritm eller liknande. 10 15 20 25 30 35 502 888 12

12. Anordning enligt patentkrav ll, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att en av kalibreringssignalerna (ml, ..., ng) eller en kombination därav användes som en så kallad önskad signal i den adaptiva algoritmen.

13. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att en väsentligen ren brussignal (NI, ..., Nu) är kombinerad med den väsentligen rena kalibreringssignalen (ml, ..., mn) i den första, adaptiva lobformaren (4) varvid adapteringskoefficienterna är så adapterade att utsignalen från den adapterande lobformaren (4) är lika med en kombination av kalibreringssignalerna.

14. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att filtreringskoefficienternas som fås ifrån adapteringen i den adaptiva lobformaren (4) kopieras till, och användes i den filtrerande lobformaren (5).

15. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att adapteringen i den adaptiva lobformaren (4) stängs av när en talare eller liknande är aktiv, dvs. vid ingivande av mål-brussignalen.

16. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att målsignalen eller talsignalen endast filtreras genom den filtrerande lobformaren (5).

17. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den består av en enda mikrofon (MP1). 10 15 20 25 30 35 502 888 13

18. Anordning enligt något av patentkraven 1-16, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den består av en grupp av mikrofoner (MP1, .., MPH).

19. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de första och andra lobformarna (4,5) omfattar filter såsom exempelvis FIR-filter (Finite Impulse Response) och att dess adaptiva koefficienter optimeras adaptivt till den aktuella utrustningen på plats. brusnivån eller brussituationen och till

20. Förfarande för adaptering till en inkommande mål- brussignal omfattande följande steg: - inspelning av åtminstone en kalibreringssignal som kommer ifrån väsentligen samma fysiska position och som möter väsentligen samma utrustning som en mål- brussignal, - lagring av' kalibreringssignalen (signalerna) i ett digitalt minne, - förseende en adaptiv lobformare med summan av en ren brussignal och kalibreringssignalen (signalerna) och en av eller en kombination av kalibreringssignalerna såsom önskad signal för adapteringsförfarandet, - utförande en adaptering i den adaptiva lobformaren och tillhandahållande av adapteringskoefficienter så att den adaptiva lobformaren undertrycker omgivande brus och lyssnar till en kalibreringssignal, - kopiering av de adapterande koefficienterna fràn den adaptiva lobformaren till en filtrerande lobformare, 10 502 888 14 - förseende av den filtrerande lobførmaren med en mål- brussignal, under tillhandahàllandet av vilken adapteringen stänges av, - tillhandahållande en utsignal från den filtrerande lobformaren.

21. Förafarande enligt patentkrav 20, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att i vilket den filtrerande lobformaren arbetar utan kalibreringssignal på ett kontinuerligt sätt.