TW425827B - Digital and analog directional microphone - Google Patents

Description

425827 五、發明説明（/) 發明之背景 本發明大槪有關於一種指向性麥克風，而更特別的是 ，有關一種具有最小化本質雜訊準位的指向性麥克風，以 實現改善動態範圍的性能。 指向性麥克風廣泛地使用於種種應用的專業市場’例 如新聞的收集、運動的比賽項目、戶外的拍片以及戶外的 錄影。在這些情況下，現場雜訊的出現’以及沒有實用的 方式可將麥克風放置靠近其聲音來源’所以指向性麥克風 的使用乃是必須的。 現今使用兩種的指向性麥克風。第一種型式的指向性 麥克風稱爲獵槍式麥克風，其也是已知的一種直線加傾斜 的麥克風。獵槍式麥克風典型地包含一個聲學電子管，藉 由其機械架構以減少雜訊，其中的雜訊以除了麥克風前方 以外的方向，沿著電子管軸到達其機械架構。第二種型式 的指向性麥克風爲一種拋物線碟型的麥克風，其藉由反射 開其它的雜訊來源，集中來自一個方向的聲音信號，其雜 訊來源則係遠離所要方向的一個方向。 這兩種型式的麥克風皆具有固定的指向性，其提供適 合於減低來自麥克風背後方向的雜訊之方式。無論如何， 典型的指向性麥克風遭遇了一些的缺點，例如無法充分地 減低來自麥声;風前方雜訊源所產生的雜訊，在例如語音信 號的低頻帶(其典型爲300-500HZ的層級），缺乏令人滿意的 , 雜訊減低能力，以及在頻率方面，麥克風指向性的緊密從 屬所產生的歪曲化問題。因此，在"離軸'角度的麥克風頻 _______4____ 本紙掁尺度通用中國國家榡準（CNS〉Μ規格（210X 297公t ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 425827 A7 B7 五、發明説明（>) 率響應變得不規則，而且其輸出可能發出奇怪的聲音。 麥克風陣列(典型地包含使用類比技術，於聲音上相加 的五個或十一個組件)可以用來提供一種類似獵槍式麥克風 或拋物線碟型的指向拾取模型。在這些型式的麥克風中， 其指向性爲固定的，並且其頻率響應在數學上的定義，限 制於500-5000HZ。改善這種型式麥克風的性能，唯一的方 式乃是增大其陣列的尺寸，或在其陣列中使用更爲獨特的 麥克風》由於干擾及切斷語音信號接收的頻率響應限制， 獵槍式或拋物線式的麥克風典型則是較佳的。 手握式麥克風可以用於採訪的用途。這種應用的一個 重要之標準規範爲排除不要的背景雜訊，特別當其採訪是 在戶外實施時，可能出現種種的雜訊源加在所要的目標源 上。儘管獵槍式或拋物線式的麥克風能將背景雜訊去除， 但是在採訪的狀況下，由於它們巨大的尺寸、在狹窄的範 圍中笨拙的性能，以及手握其裝置的難處，這些裝置仍然 是不實用的。 數位的技術提供一種已知的聚焦技巧，來自空間分佈 的感測器組件陣列之信號組合於其中，且以一種方式加強 來自所要的方向之信號，同時抑制來自除了所要方向之外 的其他方向之信號。如此具有提供相同於類比麥克風所設 有的指向性之能力，而其類比麥克風的尺寸則相同於感測 器陣列。一般而言，有兩種的聚焦技術，之後將更爲詳細 地討論。 首先’一種非適應性聚焦器可包含一個濾波器，其濾； 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本頁) ： 425827 A7 B7 五、發明説明（今） 波器具有一些預定的係數，且允許聚焦器沿著一個所要的 方向展現最大的靈敏度或最小的靈敏度（一個零値）。由於 所預定的濾波器係數在干擾的方向上並不能夠允許設置爲 零値，因此而限制了非適應性聚焦器之性能，其中的干擾 在動態的改變環境中可能存在或移除。再者，一種適應性 聚焦器包含一個具有係數的濾波器，而其係數在動態的改 變環境中，會不斷地更新，以允許聚焦器適應於所要的信 號之所改變的位置。因此，在動態的改變環境中，適應性 聚焦器根據雜訊來源的變動而允許設置零値。 儘管適應性聚焦器提供重要的優點多於一個比得上的 類比裝置，自適應聚焦裝置仍受限於解析度'動態範圍以 及信號雜訊比，並且對合倂而言，以及對利用一種例如獵 槍式麥克風的指向性麥克風而言，其乃是困難的。 本發明之簡略槪要 本發明的一個主要目的爲提供一種利用一個自適應聚 焦器之數位和類比指向性麥克風，其具有最小化的本質雜 訊準位，例如，用以實現最大的動態範圍之性能，以及使 用容易。 根據本發明的一種指向性麥克風包含：一個具有加長 電子管的獵槍式麥克風，其中加長電子管在高於所預定的 頻率下，乃是設計來控制該指向性麥克風的方向；至少四 個在該獵槍式麥克風周圍空間中所排列的基準麥克風；以 及一個信號處理器，電氣地連接到該獵槍式和基準麥克風 ，該信號處理器從來自該基準麥克風信號的一部分中產生 __6__ 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公埃） 7 Α7 Β7 經濟部中央螵隼局Η工消費合作社印裝 五、發明説明) 干擾約去信號’而該基準麥克風所具有的頻率通常低於該 預定的頻率，該信號處理器結合該約去信號以及來自該獵 槍式麥克風的信號’以產生一個輸出信號，於其中沿著該 電子管縱軸方向加強來自指向性麥克風前方的信號，並且 沿著該加長電子管縱軸方向抑制來自指向性麥克風前方以 外的其它位置之信號。 本發明的其它目的包含，例如，提供一種數位和類比 的指向性麥克風’其提供所改善的目標信號之解析度，並 且改善其信號雜訊比。 圖式簡單說明 圖和1B爲一個根據本發明的數位及類比指向性麥 克風之立體圖和一個剖面立體圖； 圖2爲一個用於圖1-1B所示的數位及類比指向性麥克 風之電路示意方塊圖； 圖3A和3B爲電源供應器電路的示意圖，其提供低雜 訊的電力給圖2所示的電路； 圖4A爲前置放大器和限制器之電路的示意圖，其乃 是用來放大和限制來自圖2所示的獵槍式麥克風之信號； 圖4B爲一個偏壓電路之示意圖，其提供一個供給圖 4A所示的電路之偏壓； 圖5A和5B爲圖2所示的差動放大器和延置電路的示 意圖； 圖6A爲一個抗交疊現象濾波器的電路圖，其處理來 自圖2所示的前置放大器和限制器之電波信號； 7 {請先閲讀背面之辻4事項再π,-本頁) -y.u IV» 本紙張尺度適用中國國家標隼（CN'S ) A4規樁（2Κ)χ2<)7公淹） 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 425827 A7 _____B7 五、發明説明（(） 圖6B爲一個偏壓電路圖，其提供一個供給圖όΛ所示 的電路之偏壓； 圖7爲一個圖2所示的重建濾波器和接腳之電路圖； 圖8爲一個圖2所τκ的雙耳式耳機之電路圖； 圖9爲一個方塊圖，其乃是闉述圖2所示的數位信號 處理器運作的一種方法；以及 圖10爲一個方塊圖，其乃是闡述圖2所示的數位信號 處理器運作的第二種方法。 詳細說明 參照圖1A-1C，顯示一個根據本發明的數位及類比指 向性麥克風10之一些透視圖和剖面透視圖。麥克風丨〇包 含一個握柄部份12和一個感測部份丨4。在麥克風1〇感測 部份14的內部中’一個獵槍式麥克風16設置於托架μ之 上。四個心臟線形的基準麥克風20、22、24和26設置於 托架18之上’並且空間地排列於獵槍式麥克風16的縱軸 周圍。感測部份14包含三塊紡織布料部份28，或其它適 合聲音滲透的材質，其允許獵槍式麥克風16和基準麥克風 20-26接收來自位於麥克風1〇前方而沿著獵槍式麥克風16 縱軸的目標源之信號。部份28也允許基準麥克風20-26接 收來自種種雜訊來源的干擾信號，其雜訊源則是設置在離 軸於麥克風10而沿著獵槍式麥克風16縱軸方向以外的其 它方向。麥克風10也包含一個印刷電路板30，其設®於 握柄12中’以及包含配置於其上的電路，如同之後更爲詳 細的說明。 (諳先閱讀背面之注念事項再斤-本頁) 订 _______8 425827 A7 B7 五、發明説明（L) 獵槍式麥克風16包含一個加長的電子管部份32，以 及一個裝附於如圖1B所示的托架18之基座部份34。干擾 電子管32的長度控制著獵槍式麥克風16的指向性型態。 典型地，具有相對較長的電子管部份之獵槍式麥克風乃是 設計來工作於低至從大約200到300Hz的頻率。無論如何 ，在較高的頻率，電子管部份的長度產生並不想要的波瓣 。換言之，電子管越長，所不想要的波瓣開始自我顯現於 越低的頻率。由於一種自適應演算法用來控制低於3kHz的 指向性，選擇電子管部份32的長度，以允許獵槍式麥克風 16在3kHZ或者以上頻率的指向性由電子管部份32自己所 控制。電子管部份32的指向性型態降到低於此頻率的一種 標準第一階緊迫加傾斜型態。較佳地，電子管部份32大約 爲5英尺長，其例如允許麥克風1〇方便地使用於採訪目的 圖2爲一個使用於麥克風1〇並且設置於電路板30上 的電路之槪要方塊圖。獵槍式麥克風16和基準麥克風20-26連接到所示的前置放大器和限制器36-44。電路36-44爲 等效的，並且包含一個具有增益架構的低雜訊前置放大器 ’其設計乃是爲了使得前置放大器的增益設定在一個準位 ’以將麥克風的本質雜訊準位設置於恰好低於設置在電路 46和48的類比對數位(A/D)轉換器之雜訊門檻。圖4Α和 4Β閫述連接到獵槍式麥克風16的前置放大器和限制器電 ^之一個較佳實施例。如同在有所關連的技術中，顯而易 見的一種一般技術，可以使用其他的電路。 ‘· -- _ 本紙法尺度通用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210'Χ297公f 請 先 閱 讀 背 意 事 項 耳 ip

嫂濟部中央標準局員工消費合作社印策 4 5582 7 A7 B7 經濟部中央標準局負工消费合作社印装 五、發明説明（1 ) 一個典型的獵槍式麥克風具有大約112分貝左右或更 大的動態範圍’其乃是由獵槍式麥克風12DB SPL的本質 雜訊規格和124db SPL的最大SPL能力所引起的。由於需 要拾取大距離的聲音’以及當接近於巨大的音場使用麥克 風10之時，需要最小化其失真，這些規格在獵槍式麥克風 的應用中是必需的。最小化本質雜訊準位提供了實現最佳 動態範圍的性能β 用於電路46和48的類比對數位轉換器較佳地使用16 個的位元，其提供98dB的動態範圍。爲了增加視在的動態 範圍，一個輸出準位限制器設置於電路36-44每一個之中 。每一個限制器皆執行大致爲17分貝的限制動作，其增加 類比對數位轉換器的動態範圍至115分貝的視在動態範圍 。例如，儘管藉由在類比對數位轉換器中使用較多的位元 來增加動態範圍，但在數位信號處理器50中處理較多數的 位元，卻相對地增加了運算的複雜度，並且限制了每一個 樣本可處理的時數，因此使用輸出準位限制器乃是較佳的 。差動放大器和延置濾波器52和54分別電氣地連接到前 置放大器和限制器電路36/38和42/44的輸出。電路52產 生一個信號，其等效於來自麥克風20的信號減去來自麥克 風24的信號。電路54產生一個信號，其等效於來自麥克 風22的信號減去來自麥克風26的信號。電路52和54執 行一種延置濾波器的功能，其提昇較低頻率的信號1.5dB， 其對之後將詳細討論的自適應聚焦目的而言，乃是有益的 。藉由減少較高頻的信號輸出以產生所提昇的1.5dB，其意 (請先閎讀背面之注意事項再項1 本頁) 訂 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨Ox297公趦） 425 82 7 at B7 經濟部中央嘌準局員工消费合作社印製 五、發明説明（k) 謂著低頻信號以一致的增益通過，而較高的聲頻信號的大 小則減少了 l,5dB。圖5A和5B闡述差動放大器和延置濾 波器52和54的一個較佳實施例。如同在有所關連的技術 中，顯而易見的一種一般技術，可以使用其他的電路。 濾波器56和60連接到類比對數位轉換器電路46 ’而 濾波器電路58則連接到類比對數位轉換器電路48。類比 對數位轉換器電路46和48包含64x過取樣Sigma_Delta轉 換器、一個信號平衡器以及一個16位元的類比對數位轉換 器。Sigma-Delta轉換器，結合抗交疊現象濾波電路56-60 ，容許交疊現象型式的雜訊保持在低於類比對數位轉換器 的最低限度之準位。藉由信號平衡器平衡來自每一個 Sigma-Delta轉換器的輸出信號，以使得所產生的信號供應 到一個分離類比對數位轉換器。 數位轉換來自濾波電路56-60的輸出信號，以供給一 個數位信號處理器（”DSP")50。DSP 50有效地結合一個 EPROM 62，以允許提供自適應聚焦，其如同之後將參照圖 9詳細討論的。DSP 50經由數位對類比轉換器62，連接到 一個重建濾波器和增損電路64。電路62包含一個10分貝 的增損電路，其將輸出信號的準位降到低於在電極66的標 準麥克風之輸出。一個雙耳式耳機電路68連接到重建濾波 器和增損器電路64，以允許使用者在輸出端70和72能聽 得到數位和類比麥克風10的輸出。電路64和68的一個較 佳實施例顯示於圖7和圖8中。所要注意的是，圖7和圖 8所示的電路於節點74電氣地連接在一起。如同在有所關 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注#事項再";/本页) 年 •^ 嗥 425827 A7 B7 五、發明説明（5 ) 經濟部十央標华局員工消費合作社印製 連的技術中’顯而易見的一種一般技術，可以使用其他的 電路64和68的實施例。 圖3A和3B闡述電源供應電路，其供應電源給圖4A 到8所示的電路。能夠將麥克風1 〇連接到一個外部的電源 供應器，例如’藉由連接插頭76和78連接到一個手提的 影像攝影機電池。無論如何’應該體會得到的是，可以選 擇圖4A到8所示電路的各個組件’來最小化電流的消耗 ，以允許在攜帶的場合中運作，例如’其電路能夠在六個 AA電池（並無顯示於圖中）下運作。要注意的是’電路76 於一個共同節點電氣地連接到電路78。因此，電路76和 78於節點82、84和86提供三個不同的電壓，以提供電源 給圖4A到8所示的電路。 之後將討論一個較佳的方法，其藉由DSP 50可以執行 自適應聚焦。類比對數位轉換器46和48定期地將基準麥 克風差模信號的數位樣本從濾波器56和58(麥克風20/24 和22/26)供應到低通濾波器88和90。以減弱並且濾出包含 於其差模信號的所有頻率來設計濾波器88和90，其所有 的頻率高於電子管部份所要設計來控制獵槍式麥克風16的 指向性之頻率。在此較佳實施例中，濾波器88和90去除 具有3kHz及以上頻率的差模信號。從濾波器88和卯所濾 的信號代表從除了所要的方向以外的所有方向所接收到的 干擾信號，並且所濾的信號供給一個自適應濾波器92 ’而 其中所要的方向則爲獵槍式麥克風16所瞄準的。 自適應濾波器92處理來自濾波器88和92的信號’並 12 請 先 閲 意 訂 % 本紙張尺度適用中國國家標準 (CNS ) Λ4規樁（210X297公埯） 425827 A7 B7 經濟部中央樣华局員工消費合作社印f 五、發明説明（p ) 且產生低頻約去信號，其低頻約去信號通常代表出現在來 自獵槍式麥克風16信號的低頻部份之干擾' 而來自獵槍式 麥克風16的信號定期地儲存於延遲電路94中。間插器96 將自適應濾波器92輸出的低頻約去信號轉換爲寬頻信號。 加法器電路98用來將儲存於延遲電路94的信號減掉約去 信號，以及用來提供輸出於節點100的信號，其中的節點 1◦◦電氣地連接到數位對類比轉換器電路62。藉由低通濾 波器和抽取電路102來處理節點100的信號並且回授到自 適應濾波器92。 EPROM 62可以容納用來控制DSP 50自適應聚焦運作 的各個程式。使用者可以藉由一個切換器(並無顯示於圖中 )來選擇每一個個別的程式，而切換器則可以設置於麥克風 10的握柄部份12上。例如，切換器准許使用者改變程式 的參數’以修正低於3kHz的指向性數量，或只允許來自獵 槍式麥克風16的信號通過，而不需DSP 50的自適應聚焦 處理。在如此的考量下，由於圖2所示的數位信號處理器 50可以執行自適應聚焦，之後將參照圖10來討論第二種 方法。 參照圖10，A/D電路56和58定期地將來自濾波器56 和58(麥克風20/24和22/26)的基準麥克風差模信號之數位 樣本供給帶通濾波器1〇4和1〇6以及低通濾波器108和110 。設計帶通濾波器1〇4和106以提供一個從其頻率降到一 個較低頻率的信號頻帶，而電子管部份乃是於其頻率下設 計來控制獵槍式麥克風16的指向性。低通濾波器108和 請 先 閲 讀 背

I %, i' 頁 訂 13 本紙尺度適用中國國豕標辛（CNS ) Λ4規格（2丨0:<297公埃 A7 425827 五、發明说明（// ) 11◦設計來減弱並且濾出高於以上所指的"較低"頻率之所有 頻率。 自適應濾波器112處理來自濾波器104和106的帶通 信號，並且產生帶通頻率約去信號’其帶通頻率約去信號 通常代表出現於來自獵槍式麥克風16的信號帶通部份之干 擾，而來自獵槍式麥克風16的信號則定期地儲存於延遲電 路114中。自適應濾波器116處理來自濾波器108和110 的低頻信號，其低頻信號通常代表出現於來自獵槍式麥克 風16的信號帶通部份之干擾β間插器118和120分別將來 自自適應濾波器112和116的帶通和低頻信號轉換爲寬頻 信號。使用加法器電路122將來自獵槍式麥克風16的信號 減掉間插器118和120所輸出的約去信號，而來自獵槍式 麥克風16的信號則定期地儲存於延遲電路114中。加法器 電路122輸出於一個節點124,其電氣地連接到數位對類 比轉換器電路62。節點124上的信號經由帶通濾波器和g 取電路126回授到自適應濾波器112,以及經由低通 器和抽取電路128回授到自適應濾波器116。 在附圖以及之前的記述中，儘管已經詳細地闡述及言兌 明了本發明，但是上述內容係例示性而非限制性的，其可 了解的是，只顯示了並說明了較佳實施例，而在本發明精 神中的所有改變和修改則意欲保護之。 本纸張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（2丨0X297公釐）

Claims (1)

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   經濟部中央榡準局貝工消費合+,1.印製 六、申請專利範圍 1. 一種指向性麥克風，包含：' 一個具有加長電子管的獵槍式麥克風，其乃是以高於 一個預定的頻率設計來控制該指向性麥克風的指向性； 至少兩個的基準麥克風’其在空間上設置於該獵槍式 麥克風的周圍；以及 一個信號處理器’其電氣地連接到該獵槍式麥克風和 基準麥克風，該信號處理器從該基準麥克風的部份信號中 產生干擾約去信號，該基準麥克風所具有的頻率通常低於 該所預定的頻率，該信號處理器結合該約去信號和來自該 獵槍式麥克風的信號，以產生一個輸出信號，於其中沿著 該電子管縱軸方向加強來自指向性麥克風前方的信號，並 且沿著該電子管縱軸方向抑制來自指向性麥克風前方以外 的其它位置之信號。 2. 如申請專利範圔第丨項的指向性麥克風，其中該指 向性麥克風包含至少四個的基準麥克風。 3_如申請專利範圍第2項的指向性麥克風，其中該信 號處理器結合該至少四個的基準麥克風之輸出信號，以形 成至少兩個的差模信號，該信號處理器從該差模的信號之 一部份中產生該約去信號，而該差模信號所具有的頻率通 常低於該預定的頻率。 ' 4.如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該信 號處理器包含一個前置放大器和限制器電路，電氣地連接 到每一個該獵槍式和基準麥克風，而一個類比對數位轉換 電路電:氣地連接到每一個該前置放大器及限制器電路，每 (請先閲讀背面之注意事項再-*-本頁) 裝 订 線 ( CNS ) A4MM { 210X297^* ) 425827 B8 C8 D8 經濟部中央梂举局員工消費合作社印«. 六、申請專利範圍 一個該前置放大器及限制器電路具有增益以及限制器參數 ，平衡其參數以允許該獵槍式和基準麥克風的一個雜訊基 準和動態範圍，以匹配該類比對數位轉換電路的一個雜訊 I 基準和動態範圍。 5. 如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該信 號處理器包含一個濾波器電路和一個類比對數位轉換電路 ，電氣地連接到每一個該獵槍式和基準麥克風，該濾波器 電路允許交疊現象型態的雜訊減至相當於一個低於該類比 對數位轉換電路的雜訊門檻之準位。 6. 如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該濾 波器電路包含一個抗交疊現象濾波器，和一個過取樣 Sigma-Delta 轉換器。 7. 如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該信 號處理器包含一個自適應濾波器。 8. 如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該信 號處理器從該基準麥克風信號的差模部份，產生至少兩組 的約去信號，而該基準麥克風信號所具有的頻率通常低於 該預定的頻率。 9. 如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該預 定的頻率大約爲3kHz左右。 10. 如申Jf專利範圍第1項的指向性麥克風，其中該信 號處理器包含一個輸出準位限制器電路，連接到每一個該 獵槍式和基準麥克風以及包含一個類比對數位轉換器電路 ，連接到每一個該輸出準位限制電路，該類比對數位轉換 ___2___ 本紙張尺度逍用中國國家標丰（CNS ) A4规格（2!0x297公羡） (請先《讀背面之注意事項再* i本頁) 裝 ΐτ·— 線 B8 C8 D8 425827 六、申請專利範圍 電路設有一預定的最大動態範圍，其中該輸出準位限制器 電路藉由一預定的數量，降低該獵槍式和基準麥克風的輸 出信號準位，以允許視在動態範圍增加。 11.如申請專利範圍第10項的指向性麥克風，其中該 動態範圍大約爲95dB左右，而該限制器電路將信號準位大 約降低17dB左右’以提供一個ii2dB的視在動態範圍。 12·如申請專利範圍第1項的指向性麥克風，其中一個 延置濾波器電路連接到每一個該至少兩個的基準麥克風， 該延置濾波器提昇來自基準麥克風而傳到其延置濾波器的 輸出信號之一部分’其輸出信號之一部分則是低於某一頻 率的部分。 13. 如申請專利範圔第12項的指向性麥克風，其中每 一個該延置電路提昇來自基準麥克風而傳到其延置濾波器 的輸出信號之一部分，乃是藉由降低高於該某頻率的該輸 出信號之一部分。 14. 如申請專利k圍第1項的指向性麥克風，其中該加 長的電子管之長度大約爲五英吋左右》 (請先閲讀背面之注意事項再'*·f頁 ，裝. 線 經涛部中央揉率局負工消费合作社印装 ____2_ 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規^ ( 2〖0X297公* )