TW386330B - Method and apparatus for measuring signal level and delay at multiple sensors - Google Patents

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經濟部中央標準局属工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1) 【發明之背景】 本發明是關於信號處理，更具體而言，是關於多個信 號傳感器之信號位準與時延之測量。 在許多信號處理應用中，需要判斷多個信號傅感器相 對於特定信號源之相對靈敏度。舉例而言，在免手持行動 電話情境下，雙麥克風可以與波束形成方法共同使用以降 低汽車中的背景雜訊及回音效應。要如此做，關於麥克風 對應於不同聲源之相對重敏度的資紈被用來形成例如朝向 特定用戶的空間波束及/或形成抗拒另一個用戶或擴音器 的空間陷波。這種方法必須能快速且精確的取得關於麥克 風璽敏度的動態資訊。 固一描述在免手持行動電話情境下測量雙麥克風相對 於不同信號源之相對霣敏度的傳統技藝系統100。如圖， 傳統技藝系統100包括一個第一麥克風115、一個第二麥克 風125、一個匹配濾波器135、以及一個加總裝置140。第 —麥克風115的輸出yi(k)被耦合至加總裝置140的正向輸 入，而第二麥克風125的輪出y2(k)則被耦合至匹配濾波器 135的輸入。匹配濾波器135的輸出A(fc)被耦合至加總裝 置140的負向輸入，且加總裝置140的輸出e(k)則被用來作 爲匹配濾波器135的反饋信號。 如圈所示，第一麥克風115的位置較接近第一源110， 而第二麥克風125的位匱則較接近第二源120。舉例而言， 第一麥克風115可以是一個接在汽車接近駕駛座的遮陽板 上之免手持式麥克風，而第二麥克風125則可能是接在靠 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部中央標準局員工消费合作社印装 A7 B7__ 五、發明説明（2) 近車內某乘客的行動單元內之內建麥克風。雖然圖一未示 ，嫻熟於本領域人士可以瞭解類比前處理及類比對數位轉 換電路可以被加在第一及第二麥克風115、125各自的輸出 使得匹配濾波器135及加總裝置140處理的是數位信號。加 總裝置140的輸出e(k)代表第一麥克風115輸出y/k)及匹 配濾波器135的輸出力⑻的差，並且在此被視爲是誤差信 號。 在運算中，使用最小平方演算法調整匹配濾波器135 的濾波器係數使得誤差信號e(k)最小化。換句話說，匹配 濾波器135被調整以使匹配濾波器135的輸出儘可能 接近第一麥克風115的輸出yi(k)(亦即，成爲其估計値）。 因此，匹配濾波器135試圖建立由麥克風115、125實際分 離所産生的信號效應之模型。例如，當乘客120在說話時 ，他或她的聲音抵達第一麥克風115的時間將會比抵達第 二麥克風125的時間稍晚，而且第一麥克風115接收到的語 音信號位準將比第二麥克風125接收到的位準稍微衰減。 因此，匹配濾波器135會被調整以提供類似的時延及衰減 效應。 結果，麥克風對應於每位用戶的相對時延及信號衰減 可以根據匹配濾波器135的係數加以計算，如Y. T. Chan, J. M. Riley及J. B. Plant的「一種時延估計及信號檢 測之參數估計方法」，IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. ASSP-28, Feb. 1980在此提及以供參考。然而，圖一系統的一個缺點在於 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4规格（2丨0><297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本I) -裝· 訂 i i 經漪部中央標準局貝工消費合作社印褽 A7 B7 五、發明説明（3) 它的效能在出現背景雜訊時會大幅降低。結果，圖一的系 統在卑常有相當的背景雜訊（如馬路及交通的雜訊）之最 實際的應用中並沒有用。因此，需要有改良的方法及裝置 以測量多個傅感器之相對信號位準及時延。 【發明之概要】 本發明藉由提供一個系統，其中使用了固定濾波器及 匹配濾波器的組合以提供多個傳感器信號位準及時延之精 確而健全的估計，以實現上述及其他需要。在實施例中， 固定濾波器包含至少一個相當窄的傳輸頻帶用來將關心的 信號源從寬頻帶背景雜訊中區分出來。在該實施例中，固 定濾波器被耦合至一個參考傳感器而匹配濾波器則被耦合 至第二傳感器。從固定濾波器及匹配濾波器輸出中得到的 誤差信號被用來根據適當的最小平方演算法以調整匹配濾 波器的濾波器係數。固定濾波器及匹配濾波器的係數被用 來計算這兩個傳感器間的時延及相對位準之估計値。估計 値隨即可以被用來進行關於傳感器的選擇及波束形成之決 定。 在實施例中，系統的功能由能指示出關心之信號何時 沒有出現的活動檢測器加以彌補。在活動檢測器中，匹配 濾波器所累積的能量會與由固定濾波器係數所得到的最小 期望値相比。當累積的能量小於期望値時，表示關心的信 號沒有出現（亦即只出現背景雜訊）時延及相對位準的估 計被設定至適當的値以確保即使關心的信號沒有出現時系 統仍能適當運作。 -4 _ 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Λ4规格（2I0X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

< 經濟部中央標準局負工消費合作社印聚 A7 ____B7_ 五、發明説明（4) 在另外的實施例中則建置了超過兩個的傳感器。在這 種實施例中，一個傳感器被當作參考傳感器並且耦合至固

I 定濾¥器，而每一個額外附加的傳感器則耦合至一個匹配 濾波器。對每個附加傳感器而言，從固定濾波器及對應之 匹配濾波器的輸出所得到的誤差信號被用來更新對應之匹 配濾波器的係數。因此，可以計算出參考傳感器與每個附 加傳感器間的時延與相對信號位準之强固的估計，並且得 到相對於傳感器的選取及波束形成之複雜決定。 一般而言，本發明提供了一種計算簡單但精確且强固 的方法來估計多個傳感器之時延及相對信號位準。本發明 的指導可以應用於廣泛的信號處理情境。舉例而言，除了 上述之免手持行動電話應用外，本發明也可以用於諸如視 訊會議等其他的聲音應用。除此之外，本發明可應用於關 心的信號是以射頻傳輸（如來自細胞式無線電系統中的行 動單元及/或基地台）且傳感器是對射頻敏感的天線元件之 無線電通訊應用。本發明的這些及其他特色及儍點在後面 將參考附帶圈式中的範例進行解釋。 【圖式之簡式】 圖一描示前述傳統技藝之信號位準及時延測量系統。 圖二描示根據本發明建構之信號位準及時延測量系統。 圖三描示在雙信號傳感器偵測到的兩個信號之相對信 號位準及時延。 圖四描示根據本發明建構之另一信號位準及時延測量 系統。 本紙張尺度適用中國國家樣枣（CNS ) Λ4規格（2丨Ο X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局貝工消費合作社印t Α7 Β7 五、發明説明（5) 圖五描示可以建置在圖二及圖四之範例系統的範例信 號濾_器之量級及相位響應。 ^六描示用來展示本發明實施例運作之範例語音及雜 纨信號。 圖七描示本發明實施例根據圖六信號所產生的信號位 準及時延估計。 【較佳實施例之詳細說明】 圖二描示根據本發明主張所建構之信號位準及時延測 量系統200。如圖所示，系統200包含一個第一傳感器215 、一個第二傳感器225、一個固定FIR濾波器230、一個匹 配FIR濾波器235、及一個加總裝置240。第一傳感器215的 輸出yi(k)是耦合至固定濾波器230的輪入，而固定濾波器 230的輸出yF(k)則耦合至加總裝置240的正向輪入上。第 二傳感器225的輸出y2(k)是耦合至匹配濾波器235的輪入 ，而匹配濾波器235的輸出外幻則耦合至加總裝置240的負 向輸入上。由加總裝置240輸出的誤差信號e(k)會被反饋 至匹配濾波器235。 如圖所示，第一傳感器215的位置較接近第一信號源 210，而第二傅感器225的位置則較接近第二信號源220。 舉例而言，第一傳感器215可以是一個接在汽車接近駕駛 座的遮陽板上之免手持式麥克風，而第二傳感器225則可 能ΐ接在靠近車內某乘客的行動單元內之內建麥克風。另 一種選擇是，第一及第二傳感器215、225可以是分別位於 接近第一及第二射頻信號源的天線元件。雖然圖二中未示 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4規格（2丨OX297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝' ,11 ί ί 經濟部中央標苯局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（6) ，嫻熟於本領域的人士應該瞭解可以在第一及第二傳感器 215、225每個之輸出加入類比前處理及類比對數位轉換電

I 路以使得固定濾波器230、匹配濾波器235、及加總裝置240 處理的是數位信號。 固定濾波器230被設計爲包含至少一個相當窄的關心 之傳输頻帶。舉例而言，在行動電話情境下，一個傳輸頻 帶可以對應於多數人類語音能量所集中的300-600 Hz頻率 頻帶。在無線電通訊應用中，一個傳輸頻帶可以對應於配 置給射頻傳输的頻寬。無論如何，固定濾波器230的係數 可以視需要進行調整以補償應用需求或環境狀況的改變。 舉例而言，在免手持行動電話應用中，固定濾波器230可 以針對特定汽車配備設定以最佳化接收到的信號雜訊比。 更進一步，濾波器230的係數可以根據諸如測得的信號雜 訊比動態地調整。 根據本發明，固定濾波器230被設計爲在每一傳輸頻 帶提供統一的增益及零相位。除此之外，固定濾波器230 的雜訊增益會被最小化以確保有最大的阻帶衰減。如下將 更詳細描述，由固定濾波器230所提供之先驗資訊（亦即 由面定濾波器230所輸出之信號的窄頻本質）被用來使系統 能强固地抵抗背景雜訊。 在運作中，匹配濾波器235的濾波器係數被使用適當 的最小平方演算法進行調整以最小化誤差信號e(k)並且使 得匹配濾波器235的輸出丨㈨儘可能接近适1定濾波器230 的輸出yF(k)。如下所述，對應於每個來源210、220的第 本紙張尺度適用中國國家梯率（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公釐） (請先閲讀背面之注意^•項再填寫本頁) -裝 訂 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 ___B7_ 五、發明説明（7) 一及第二傳感器215、225之相對時延及信號衰減的計算是 根據q配濾波器235的係數及對應於固定濾波器230之先驗 資訊。雖然圖二中沒有明顳表示，嫻熟於本領域之人士應 該瞭解可以在系統200中整合適當的數位信號處理器以進 行匹配濾波器235的最小平方更新並且計算時延及信號位 準的估計。 爲了釐清圖二之系統200的運作，下面將對應於圖三 及圖四發展嚴格的數學分析。雖然分析是明白地針對兩個 傳感器及兩個信號源進行，但嫻熟於本領域人士當能瞭解 上述方法也可應用於包含任意數目的信號源及傳感器。除 此之外，雖然有時會參考到前述免手持行動電話的聲音應 用，但嫻熟於本領域人士應該瞭解前述方法也可應用於許 多其他的信號處理情境，包括前述的無線電通訊應用。 圖三描示的是來源及傅感器放置在兩個向度的典型範 例。在圖中，第一及第二傳感器215、225的位置鄰接於兩 個信號源210、220。如圖所示，從第一信號源210發出的 信號（由第一虛線弧315表示）將會在撞擊第二信號傳感器 225之前先撞擊到第一信號傅感器215。因此，在第二傳感 器225所接收到的第一信號源210之信號會是第一傳感器215 接收到的同一來源210之信號的時延及衰減後之版本。除 此之外，從第二信號源220發出的信號（由第二虛線弧325 表示）將會在撞擊第一信號傳感器215之前先撞到第二信號 傳感器225，並且，在第一傳感器215所接收到的第二信號 源220之信號會是第二傳感器225接收到的同一來源220之 本紙張尺度適用中國國家標绛（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） --------— (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁 訂 < < 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印聚 A7 _B7 _ 五、發明説明（8) 信號的時延及衰減後之版本。傳感器215、225相對於第一 及第；信號源210、220的空間分隔（及因此對應的時延及 位準衰減）在圖三中分別以第二及第一線段320、310所表 示0 如果第一及第二傳感器在時間點k的輸入（在經過類比 前處理及類比對數位轉換之後）分別以Xl(k)及x2(k)表示 ，則第二傳感器的輪Ax2(k)通常是第一傳感器輸入Xl(l〇 的延遲及比例版本。換句話說，= ，此 處比例因子S大於零，且延遲5可以是正或負値。嚴格來說 ，對5 <0(例如，信號從第二信號源220發出），第一输 入Xl(k)是第二輪入x2(k)的延遲及比例版本。然而，爲了 簡化表示，第二输入x2(k)被指定爲沒有一般損失下所有 5値的時延信號。 爲了提供一個因果濾波問題，固定時延Δ被加入跟隨 第一傳感器的信號路徑中。雖然這在多數應用中是很自然 的做法，但是本發明並不要求一定要如此運作。這項事實 稍後將有更詳細的描述。加入額外的時延△後，可以定義 第一及第二中間信號yi(k)、y2(k)如下： y^ik) ^ x^k-A) ⑴ y2(fc) = Χβ) = ^q^y^k) = ^y^D) (2) 此處q表示已知的時延運算子（亦即qy(k)=y(k+l)， 本紙浪尺度適用中國國家橾準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (请先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 經濟部中央標準局员工消费合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（9) (Γ1 y(k)=y(k-l)等），且此處的D定義爲△-& 。請注意 ，對$果濾波而言，。 爲了輔助討論，圖四描示的是在位準及時延測量系統 情境下的輸入信號Xl(k)，x2(k)及中間信號yi(k)，y2(k) 。圖四的系統400除了在第一傅感器215及固定濾波器230 之間放置了時延方塊410 (對應於上述的固定時延△外）， 其他與圖二的系統200—樣。在下面的討論中，假設固定 濾波器230的係數是儲存在第一係數向量(：。中，而匹配濾 波器235的時變係數則是儲存於第二係數向量以幻中。 —般而言，本發明提供了一種計算簡單但精確的方法， 能根據測得的傳感器輸入Xl(k)及x2(k)來估計時延D及比 例因子S。其優點爲，該方法在抵抗背景雜訊上相當强固 ，使得它可以成功的應用於例如上述的免手持行動電話情 境中。被估計的數量，亦即仏及反（此處的k表示傳感器 直到且包括時間點k的輸入，用來計算D及S)，可以被用來 改善系統效能。 舉例而言，在行動電話情境中，估計的么及&可以 用來與已知的波束形成技術共同進行電子改良並且降低傳 感器215、225相對於第一及第二源210、220的靈敏度。舉 例而言，當特定來源在作用時（例如當駕駛者在說話時）， 波束可能在該聲源方向形成以最佳化它的接收。另一種情 況是，當某來源提供應該與傳感器隔離的信號（例如當來 源是可能造成討厭的反饋或迴音之擴大器時），可以使用 空間濾波以減少傳感器相對於該來源的靈敏度。 -10 - 本紙浪尺度適用中國國家榡净(CNS ) Λ4規格（210X297公嫠） <請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局兵工消費合作社印製 A7 ---- B7_______ 五、發明説明（1〇) 更進一步，當特定源在作用時系統可以選擇性地只傳 輪在特[定傅感器檢測到的信號。舉例而言，如果某個傳感 器對乘客比對駕駛人敏感許多（例如因爲實際位置接近乘 客），則當只有乘客說話時可能需要只傳輸在該傳感器所-接收到的信號。 回到圖四，固定濾波器230輸出的信號yF(k)(亦即第 ~中間信號71(1〇的濾波後版本）爲： y/X) = yi(*)rc〇 ⑶ yi(*) = (y^ky-y^k-Lyf (4) C〇 = (c〇-ci)r (5) 此處的L是固定濾波器230的級數，且此處的{cj， 名=〇,···,L是固定濾波器係數。除此之外，由匹配濾波器235 輸出的信號(亦即第二中間信號y, (k)的濾波後版本） 爲： yW = y2(*)rc(*-i) ⑹ y#)= (y2(幻· ·、㈣))Γ ⑺ £(λ-1) = (Ci^-D-c^-l))7, ⑻ -11 -

--------! (請先閲讀背面之注項再填寫本頁J 本紙張尺度適州中國國家標準（〇«)八4規格（210父297公釐） A7 B7 五、發明説明（u) 此處的向量e(幻包含匹配濾波器235的時變濾波器係 數。啤量是根據下列誤差信號e(k)所更新： β(λ) = y^k)-y(k) (9) 經濟部中央橾準局負工消费合作社印裝 jJk) c(k) * c(^-l)+/i-^· e(k) ly2 ⑽2 (ίο) 此處的是//位於區間0蠤# <2中的增益因子（常數或 時變），且此處的I ·丨2表示平方的歐幾里德向量模方。 由公式（9)、（10)所描示的匹配演算法是眾所熟知的正常 化最小平均平方（N-LMS)演算法。另一種匹配設計，諸如 遞迴最小平方（RLS)演算法或最小平均平方（LMS)演算 法也可以使用。對一般性匹配演算法更詳細的描述，請參 見例如B. Widrow及S. D. Stearns的「匹配式信號處理」 ，Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1985以及 L. Ljung及T. Soderstrom的「遞迴識別的理論與實踐」，Μ. I.T. Press, Cambridge, ΜΑ, 1983 ,在此提及僅供參考 。有利的是，上述每一個所定義的量都可以使用標準數位 信號處理元件來計算。 就衝擊傳感器215、225的寬頻源而言，匹配滤波器235 的係數會朝向固定濾波器230係數的時延及比例版本收斂 。特別是，如果固定向董c〇的每個係數都是U亦即如果實 質上沒有使用固定濾波器），則時變向量以 fc)會朝向比 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝 訂 /L, 本紙蒗尺度適扣中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（12) 例時延（亦即S卜=S《D' )的近似値收激。這種結果被 用於评統技藝系統中以估計時延。請參見例如Y. T. Chan, J. M. F. Riley及J. B. Plant的「建立時延模型以及它 在非靜止時延估計的應用j，IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol. ASSP-29, No. 3, pp. 577-581, June 1981，在此提及以供參 考。這種系統的一個缺點在於當出現背景雜訊時整個系統 的效能會嚴重惡化，使得這種系統在大多數現實世界應用 上並不實際。 其優點是，在本發明主張下加入從背景雜訊區分來源 信號的先驗知識，可以大幅改良系統的效能。要確保整體 效能的改進，先驗必須在所有情況下都爲眞。例如，本發 /明主張當關心的來源信號之能量集中在一或多個中心頻率 周圍，而當背景雜訊具有相當平坦及寬頻內容、或功率頻 譜密度時，該種先驗資訊就可以取得。在這種情境下，本 發明主張固定FIR濾波器230可以設計爲具有一或數個傳輸 頻帶的帶通濾波器。 舉例而言，就免手持行動情境下的語音信號而言，可 以合理的假設語音信號的能量是集中在100-250HZ區間中 。更具體而言，男性說話者的基本頻率通常大約是100Hz ，而女性說話者的基本頻率則通常大約爲250Hz。有鑑於 該資訊，本發明主張關於固定濾波器230的數種可能設計 選擇。舉例而言，固定濾波器230可以設計爲包含兩個傳 輸賴帶，第一及第二傳輸頻帶分別具有中心頻率100Hz及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） --------裝------訂------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) < A7 B7 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印繁 五、發明説明（13) 250Hz。另一方面，固定濾波器230也可以設計爲包括具有 200Hz,中心頻率的單一傳輸頻帶以及跨越包含女性說話者 及男性說話者第一諧頻的頻帶.。 事實上，前面的方法與後面方法相比需要使用較高級 數的濾波器。通常，如果設計頻率數加倍，則濾波器的級 數L也會加倍。在隨後的討論中，考廉具有m個不同的傳輸 頻帶之固定濾波器230。在中心頻率{ω,}，/=1, ···,!!!，濾 波器的設計是提供統一增益及零相位。除此之外，固定濾 波器230是設計爲藉由最小化濾波器雜訊增益（NG)以在阻 帶提供最大衰減，NG之定義如下： NG = (11) 此處== c。+ ce+.u+c,#，且沿著單位圓周進行積 分。透過巴色伐（Parseval)關係式，得到FIR濾波器的雜 訊增益爲： NG = Σ^.2· (Π) 要設計固定濾波器230 ,考慮由正弦波型加總構成的 輸入信號如下： m α|3Ϊη(ω^+0^ q3) 此處的{ω,}』= 1 ,…，m，是固定FIR濾波器所需的中 心頻率，ω,€(〇，ΤΓ)，ω, # ωμ # j，{α<}是未知的常數> 0，f = 1 ，"、，111,且冰}是均勻分布隨機變數《^(-7^]，£ = 1,".,历.接 -14 - 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝_ 訂 ,4 A7 B7 五、發明説明（14) 下來考慮具有係數向量cd並且提供輸出y。《(幻的固定FIR 濾波f230 ,其中：yw(fc)是對輸入的d階精確預測（在 任何起始暫態衰減之後），對任意d而言，-〇< 値如下： 3 < ci < °°，其 y〇J^*d) = yjkfci (14) yinW = (y^yy.jk-L))1, (15) Ci = (c0"ci)r (16) --------ί餐—— {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 對d=0(亦即對係數向量c。）而言，固定FIR濾波器230 在中心頻率= 1 ,…，m時依照需要提供統一增益及 零相位。除此之外，如果對寬頻雜訊的靈敏度被最小化（ 亦即如果公式（12)的置被最小化），則（對濾波器長度 L，使得L > 2m-l)下列結果爲眞： 此處的L是2m x (L+l)矩陣： 訂 (17) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製

L coso). ··· οοε(Ζ+1)ω. cos<yw .·. ο〇8(Ι+1)ωΛ siiKUj - sin(I+l)<y 15 (18) 本纸張纽適用中國國家縣（CNS) Λ4規格（2麻297公·） i 五、發明説明 15 A7 B7 而此處的P(d)是2m預測向量： COSil-dJty^ cos(l-办 sin(l-<i)( (19) sin(l-i〇<y \ Λ* j 圖五的第一及第二曲線圖510及520分別描示使用前述 方法設計的固定濾波器230在d=0, L=32, ¢=1,叫=2〇〇Hz 且取樣速率爲8000 Hz時之量級及相位響應。如圖五的虛 線所示，固定濾波器230在中心頻率200Hz時如同預期提供 統一的增益及零相位。 如上所述，被用來更新匹配濾波器235的匹配演算法 會造成匹S濾波器235朝向固定濾波器230的時延及比例複 製方向收斂。更具髖而言，對具有d=0(亦即係數C())的固 定FIR濾波器230而言，匹配濾波器235的係數會收斂如下： t(k) 5c. (20) I I 訂— I I I (請先閲讀背面之注^^項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 此處的S及D分別是由傳感器125、225實際分離所造成 的比例因子及時延。因此，本發明主張比例因子S及時延D 可以從公式（20)的向董關係中計算。例如，假設良表示 根據匹配濾波器235的係數ε⑻對s的估計，則估計値良 可以從公式（20)計算如下： 〜

Skc.D^(k) (21) 16 - 本紙浪尺度適用中國國家標牟（CNS ) A4規格（210X297公釐） i A7 B7 五、發明説明（16) 更進一步，S的估計可以不需要對D的先驗知識。要瞭 解這,，請先注意公式（21)是個向量等式，其中的c-D及 e(幻都是長度爲L+1的向童。則從公式（17)，得知Lc-D= P(-D)。因此，公式（21)的兩邊各從左方乘以公式（18) 所定義的2m X (L+1)矩陣L，得到下列結果： (22) 此處公式（22)的兩邊都是2m的向量。接著，給定 p(D)Tp(D)=m(見公式（19))，則公式（22)可以重寫如下： ☆ = (L卿姆) (23) 根據公式（23)，及根據S>0的事寊，在時間點Κ的比 例因子S之佔計値良可以計算爲：

Sk =細(桃咖 (24) 給定比例因子s的估計値4，則時延D的估計値4可 以使用最小平方配合計算如下： --------W裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 ^ |Lc(i:)-S4p(-D)I2 同樣地，時延D的估計A可以計算爲：

argimn * D 17 - (25) (26) 本紙張尺度適用中國國家標咩（CNS ) Μ規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（17) 其優點爲，估計値4在實際上可以反覆地計算。請 注意_公式（19)中已經可求出時延的梯度dp(D)/dD。 因此，本發明主張比例因子S及時延D可以直接的方式 計算。其優點爲，前述的每一個計算都可以使用已知的數 位信號處理元件進行。由於固定濾波器230所提供的一致 之先驗資訊，估計値即使在有背景雜訊出現下仍然有效。 系統的提升還可以藉由加入活動檢測器以確保即使當 所有信號源都沒有作用時仍能有適當系統效能。舉例而言 ，當來源210、220都沒有作用時，在傳感器215、225所接 收到的信號xjk)及x2(k)將只包含不相關的雜訊。在這種 情形下，匹鼦濾波器係數奶會朝向空値收斂，表示比例 因子估計値足會朝向零，而時延估計値4則可能是任 何的値。要防止這種情形，在活動檢測器發現沒有相關信 號的時候可以另行將估計値 設定爲適當的値。 範例活動檢測器會將濾波器雜訊增益的估計與預定的 臨界値（亦即預期的雜訊增益値）相比。適當的臨界値可 以從公式（12)得到如下： NG = c〇c〇 =(Lr(LLr)_1P ⑽ VCLl/rVD) (27) =p(D)Ta.LT)-lLLT(LLTylv(D) \ 在運作中，活動檢測器會計算匹配濾波器分接頭的平 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標率（（:NS ) Λ4規格（2丨0X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明説明（18) A7 B7 經濟部中央標率局貝工消费合作社印製 方和作爲濾波器雜訊增益的估計値免3 (亦即 。如—估計値&G比預定臨界値小得多，則時延估計値4 會被設爲零，且比例因子估計値Sk會被統一設定以確保 適當的系統運作。 範例系統可以使用下列虛擬碼進行實作。嫻熟於本領 域人士應該瞭解這種虛擬碼已經被調整爲可用標準的數位 信號處理元件進行實作。 比例因子及時延估計常式 濾波：計算從固定FIR濾波器及匹配FIR濾波器的输出（κ表 示運轉時間指數） Y1 = yl(k：-l：k-L); Y2 = y2(k:-l:k-L); 、 ylhat(k) = Y2' * C; ylfil(k) = Yl* * CO； err(k) = ylfil(k) - ylhat(fc); 能量計算及增益控制：一簡單增益控制方案用來在如果輪 入爲低能量時使增益#設定爲零。瞬間能量是與一長時間 平窄値比較 emom(k) s sumiylhat (k：-l：k-L) . A2)/ eave(k) a 0.999 * eave(k-l) + 0.001 * emom(k)； if (emom(k) > ,5*eave (k)) g(k) = mu； else g(k) = 〇； end 更新：應用N-LMS演算以更新匹配濾波器係數 C = C + g(k) * Y2 * err(k) / ( (Y2f*Y2) + 0.01)； 更新S及下的估計jl™：定標佶計由第一級遞迴平滑化，而ΐ是 由反覆增減方法估計。delta表示在頻道1之pi定時延。_ LLC = LL*C; PPD =： [cos (warr* (1-Dhat+delta)) ； sin(warr* (l*Dhat+delta))]; DPD = [sin (warr* (1-Dhat+delta)) ； -cos (warr* (1-Dhat+delta))]; Shat = (l-mu) *Shat + mu*sqrt ((LLC'*LLC)/m); Dhat = Dhat + mu*DPD#*(LLC - Shat * PPD); -19 - (讀先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 IL·. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐）

I I 經濟部中央標準局貝工消費合作社印策 A7 ______B7___ 五、發明説明（19) 活動檢波器：如果估計的濾波器分支的平方和爲20 dB低於 預期@濾波器分支的平方和時，增益被强制至1而時延估 計値則趨於零。 «c = c*c； if (eC < 0.01.' * eCO)

Shat = 1;

Dhat = 〇; end S及D的估計値進一步由第一次運轉裝置加以平滑化

Sh(k)»rho*Sh(k-l) + (1-rho)*Shat；

Dh(k)arho*Dh(k-l) + (1-rho)*Dhat； 爲了進一步說明實施例的運作，提供一個使用上述虛 擬碼的數値範例。在範例中，考虑一個聲音情境，其中傳 感器假設爲麥克風且來源假設爲說話的人或傳送人的聲音 的擴音器。如前面所述，這種情境可以發生在使用免手持 行動電話之汽車環境的情境下。雖然範例侷限在兩個傳感 器及兩個來源，但嫻熟於本領域人士應該瞭解本方法可以 應用於使用任意數目的來源及傳感器。 第一源210與第一傳感器215距離0.5米，且第一傳感 器215被當作參考傳感器的情況下，第二傅感器225相對於 第一源210在取樣速率爲8kHz時的眞正時延是=2.25。使 用同樣的假設，在第二個傳感器225相對於第二源220的眞 正時延是5 =-8.75個樣本。在例如汽車空間中有一行動電 話（包含第二傳感器225 )放在接近乘客（第二源220)的 支架上，且另一支額外的可黏式麥克風（第一傳感器215) 被放在駕駛人（第一源210)前方的遮陽板上，則這些假設 -20 - 本紙張尺度適州中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐i I ----------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Α7 Β7 五、發明説明（20) 是合理的。 今這種汽車空間中，通常會出現相當嚴重的背景雜訊 (例如來自AC風扇、汽車引擎、馬路、風聲等）。爲了數 値示範的目的，麥克風在不同方向的靈敏度假設如表—所 示〇 表~:麥克風對漫射的背景雜訊及不同位置的信號源 之靈敏度。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印策

信號源 第一傳感器215 (例如遮陽板上 的麥克風） 第二傳感器225 (例如內建式麥 克風） 漫射的背景雜訊 OdB OdB 第一源210(例如 駕駛人） +3dB OdB 第二源220(例如 乘客） -10dB ： OdB 除此之外，，以男性說話者在第一源210的位置而女性 03- -β (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） 經濟部中央橾隼局員工消費合作杜印裝 A7 B7 五、發明説明（21) 說話者在第二源220的位置用來建立綜合性的兩頻道測量 。將g案連結使得在第一秒時沒有說話者的活動，接著男 性說話者作用7秒，隨即在3秒內沒有活動，然後女性說話 者再作用10秒。相對於第二傳感器225的信號雜訊比，男 性爲8dB而女性爲7dB (在他們作用的總期間內測量的）。 在第一及第二傳感器215、225所檢測到的語音信號分別描 示於圃六的第一及第二曲線圖610、620中。 附加的背景雜訊是模擬爲白色高斯雜訊。在第一及第 二傳感器215、225所檢測到的雜訊信號分別描示於圖六的 第三及第四曲線圖630、640中。在第一及第二傳感器215 、225所測量到的語音及雜訊信號組合則分別描示於圖六 的第五及第六曲線圖650、660中。 在模擬中，使用的參數爲：L=32, ^ = 10,0=2^ 200/ 8000, m=l, #.=0.01且rho=0.99。結果表示於圖七。更具 體而言，時延估計么描示於第一個曲線圖710中，而比 例因子久則是描示於第二個曲線圖720中。在曲線圖710 、720中，毎一個第50個的樣本會被展示。水平的虛線指 示-3、0、及9個樣本以及-10dB、（MB、及3dB的增益。如 圖所示，系統分別適當地提供了比例因子及時延估計，當 駕駿員在講話時爲〇db及大約-3個樣本，以及當乘客在講 話時爲-10db及大約9個樣本。除此之外，活動檢測器在駕 駛人與乘客都保持安靜時分別將活動因子及時延估計値適 當的設定爲Odb及0個樣本。 $ 雖然前述實、施例是在因果濾波的情境下（亦即△>〇)， (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) -裝i 訂 ♦ -22 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0XM7公釐） A7 B7 五、發明説明（22) 但本發明的主張同樣可應用於非因果的濾波情境下。更具 惬而-，對△=0而言，匹配架構將包含一個可以作爲信號 平滑器的匹配區塊、一個反向預測器（D<0)及/或一個正 向預測器（D>0)。因此，固定延遲不必被加入信號流中（ 如透過時延區塊410)，且可以實現具有最小繼承時延的匹 配架構。道種特性在許多即時應用中具有相當的實用性。 然而，因爲估計値的品質會比非因果方式稍差（而且因爲 固定FIR濾波器230會需要較窄的傳輸頻帶），所以△確實 的値要根搛系統設計考慮設定。舉例而言，△可以設定爲 涵蓋「大多數情況」、但不是「所有可能情況」，因爲系 統即使在稀少的極端情況下也會提供合理的結果。， 嫻熟於此技藝之人士可瞭解本發明在不脫離其精神及 基本特性下可以其他特定形式予以實現。因此，在此所揭 示之實施例僅是爲相關之說明而不是爲限制之用，本發明 之範圍係由下面之申請專利範圍所指明，而非由前文之說 明限制。是故，凡在本案意思及等效範疇內之改變應被視 爲涵蓋在本發明範圍內。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 經濟部中失標隼局員工消費合作社印装 -23 - 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公漦）

Claims (1)

1. 經濟部中央梯準局工消費合作社印装 A8 68 C8 D8 六、申請專利範圍 1. —種信號處理裝置，由下列構件構成： 一個第一信號傳感器； —個將輸入耦合至前述第一傳感器輸出的第一濾波器； 一個第二信號傳感器； 一個將輸入耦合至前述第二傳感器输出且具有可調整 性濾波特徵的第二濾波器； —個將第一輸入耦合至前述第一濾波器输出且第二輸 入耦合至前述第二濾波器的輸出之加總裝置，其中前述第 二濾波器的可調整性濾波特徵是根掾前述加總裝置的輸出 進行調整；以及 一個計算關於前述第一及第二傳感器之至少一假參數 估計値的處理器，其中該估計値是根嫌前述第一濾波器的 濾波特徵及前述第二濾波器的可調整性濾波特徵而計算。 2. 依申請専利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 處理器會計算前述第一及第二傳感器間相對於一個信號源 的相對時延及相對比例因子之估計値。 3. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 第一濾波器、前述第二濾波器、前述加總裝置、及前述處 理器的實作是使用數位信號處理器(DSP)積體電路（1C)而 構成。 4. 依申諝専利範圔第1項之信號處理裝置，其中前述 第一濾波器、前述第二濾波器、前述加總裝置、及前述處 理器的實作是使用特定應用積體鼋路（ASIC)而構成。 5. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，·其中前述 -24 - 本紙垠^^逋用中躅两家橾率（〇阳>八4«1格（210><297公嫠） (請先聞讀背面之注$¾再填寫本頁) .裝· 訂 經濟部中央揉準局負工消費合作社印$«. A8 B8 _S_ 六、申請專利範圍 信號處理裝置是一個電話，且其中前述第一及第二傳感器 是麥克風。 6. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝匱，其中前述 信號處理裝置是一個無線電收發兩用機，且其中前述第一 及第二傳感器是天線元件。 7. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 第一濾波器是一個具有固定濾波特徴的有限脈衢響應（FIR) 濾波器。 8. 依申請専利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 第一濾波器的濾波特徵包括至少一個在傳輸頻帶中心頻率 上提供統一增益及零相位時延的傳輸頻帶。 9. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 第一濾波器的濾波特徵包含被設定以使前述第一濾波器雜 訊增益最小化的係數。 10. 依申請専利範園第1項之信號處理裝置，其中前述 第一濾波器的濾波特徵包含被調整以使前述第一濾波器之 信號雜訊比最佳化的係數。 11. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 第二濾波器的可調整濾波特徵是使用歸一化最小平均平方 (NLMS)演算法。 12·依申請専利範圍第1項之信號處理裝置，其中前述 第二濾波器的可調整濾波特徵是使用最小平均平方（LMS) 演算法。 13.依申請專矛I」範圍第1項之信號處理裝置；其中前述 -25 - 本紙張尺度逋用t國國家橾準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先W讀背面之注項再埃寫本頁) 訂 經濟部中央橾準局負工消费合作社印装 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範唤 第二濾波器的可調整濾波特徵是使用遞迴最小平方（RLS) 演算法。 14. 依申請專利範圍第2項之信號處理裝置，進一步由 下列構件構成：一個由前述第—及第二傳感器所提供根據 前述第一及第二傳感器間的相對時延及相對比例因子以形 成波束模式的波束形成器。 15. 依申請專利範圍第14項之信號處理裝置，其中該波 束模式包含目標朝向特定信號源的空間波束。 16. 依申請專利範圍第14項之信號處理裝置，其中該波 束模式包含抵抗特定信號源的空間陷波。 17. 依申請專利範圍第2項之信號處理裝置，其中前述 處理器會根據在前述第一及第二傳感器間的相對時延及相 對比例因子的估計値以選擇從前述第一及第二傳感器其中 特定一個所感P的信號進行傳输。 18. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，進一步由 下列構件構成：至少一個附加傳感器及至少一個具有可調 整濾波特徵的附加濾波器， 其中前述附加濾波器的可調整濾波特徵是根據前述第 一濾波器的输出及前述附加濾波器的输出間的差進行調整 ，以及 ： 其中前述處理器會根嫌前述第一濾波器的濾波特徵及 前述附加濾波器的可調整濾波特徵以計算關於前述第一傳 感器及前述附加傳感器的至少一個參數估計値。 19. 依申請専.利範圍第18項之信號處理裝置，’其中前述 -26 - 本纸張尺度逋用中國國家揉準（CNS > A4规格（210X297公釐） --------------1T------L (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉率局属工消费合作社印*. it s_ 六、申請專利範圍 處理器會計算前述第一傳感器及前述附加傳感器關於一個 信號源之相對時延及相對比例因子的估計値。 20. 依申請專利範圍第2項之信號處理裝置，進一步由 下列構件構成：一個用以偵測何時關心的信號源在作用的 活動檢測器，其中當前述活動檢測器指示沒有關心的信號 源正在作用時前述處理器會將相對時延及相對比例因子之 估計値設定爲預定値。 21. 依申請専利範圍第20項之信號處理裝置，其中當前 述活動檢測器指示沒有關心的信號源正在作用時前述處理 器會將相對時延的估計値設定爲零而相對比例因子之估計 値設定爲一。 ， 22. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置，進一步由 下列構件構成：一個位在對應於前述第一傳感器之信號流 路徑上之固定時延方塊。 23. 依申請專利範圍第1項之信號處理裝置， 其中前述第一及第二濾波器各自的濾波特徵都包含數 目L個濾波係數； 其中前述第一濾波器的漶波特徵包含數目m個傳輸頻 帶，每個傅輸頻帶‘，具有中心頻率，以及 其中在時間點k，在前述第一及第二傳感器間的相對 時延D之估計値么，以及在前述第一及第二傳感器間的相對 比例因子S之估計値良的計算是根據前述第二濾波器的可 調整濾波特徵以幻、矩陣L、及預測向量p(D)計算如下： ， 卜 >/_))姆) k m -27 - 本紙張尺度逋用t國國家揉準（CNS )八4規格（210X297公釐1~ (請先Μ讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 A8 B8 C8 D8 L ρφ) 六、申請專利範圍 ^ »^)Λρ(-ι))»2 其中矩陣L及預測向量p(D)的計算如下： cos<yt …《»(£+1)6^ ； :· C〇s〇m - cos(I+l)cum sin^ … ； ·: 、sin<ym .·，ώχ〇ί>1)ωΛ cos。-!^ cos(l-£>)a)m sin(l-D)〇j. sin(卜 D)% 24.—種信號處理的方法，包括下列步驟： 使用第一信號傳感器偵測第一信號； 使用第一濾被器對第一信號進行濾波以提供第一濾波 28 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） U3 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 信號； 使用第二信號傳感器偵測第二信號； (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 使用第二濾波器對第二信號進行濾波以提供第二濾波 信號； 計算第一濾波信號及第二濾波信號間的差； 根據前述計算步驟取得的差調整第二濾波器的濾波特 徵；以及 根據前述第一濾波器的濾波特徵及前述第二濾波器的 濾波特徵估計關於第一及第二傳感器至少一個的參數。 25. 依申請專利範圍第24項之方法，其中估計至少一個 參數之前述步驟包括估計前述第一及第二傳感器間相對於 —個信號源的相對時延及相對比例因子之步驟。 26. 依申請專利範圍第24項之方法，其中第一濾波器的 濾波特徵包括在傳輸頻帶的中心頻率提供統一增益及零相 位時延的至少一個傳输頻帶。 27. 依申請専利範圍第24項之方法，其中前述第二濾波 器濾波特徵可以使用歸一化最小平均平方（NLMS)演算法進 行調整。 經濟部中央梯準局貝工消费合作社印簟 28. 依申請專利範圍第25項之方法，進一步包括根據前 述估計步驟所得結果之相對時延及相對比例因子形成由前 述第一及第二傳感器所提供之波束模式的步驟。 29. 依申請専利範圍第25項之方法，進一步包括根據前 述估計步驟所得結果之相對時延及相對比例因子選擇及傳 送由前述第一及第二傳感器特定一個所測得之信號的步驟。 -29 - 本纸張尺農逋用中••家樣準（CNS > A4规格（210X297公嫠） 38633C A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 30.依申請專利範圍第24項之方法，進一步包括偵測是 否有關心的信號源正在作用，並且在前述檢測步驟指示沒 有關心的來源在作用時將相對時延及比例因子估計値設定 爲預定値的步驟。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印装 -30 - 本紙張尺度逋用中國鬮家揉準（CNS ) A4规格（21〇Χ297公釐）