TWI355207B - Broad small array microphone beamforming unit - Google Patents

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I 九、發明說明： 案號 097100780 IOQ^rb 0? 修正替換頁 修正頁 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於廣域小陣列麥克風聲束形成單元’特 是有低_難聲束之廣域切列麥克風聲束 单70。 【先前技術 許多通訊“和語音辨識n皆被設計用來抑制雜 訊’例如應用在車用通訊或行動環境上（街道上）之語立 辨識，針對這些應用系統中的麥克風不止錄到想要的聲二 也同時錄到雜訊’假如沒有有效方法處理這些雜訊 雜訊會使通訊品質惡化並降低語音辨離能。 - 在：多通訊系統以及語音辨識裳置中通常需要 制雜訊來改善通訊品質以及語音辨識效能。雜訊抑p 由許多不同的技術來達成，這些技術被分類為單麥克^ 術以及陣列麥克風技術。 夜 單麥克風雜訊降低技術是在頻谱中去抑制雜訊 用頻错雜訊降低技術，雜訊之總頻譜能量可以被= 來，然後從具有雜訊之語音信號中去降低㈣，由於 低雜訊之語音信號之相位與原具有雜訊之語音信號 相同，所以語音信號失真的情形可以降到最低，： 降低技術對崎額㈣财效，以對於降㈣固定= 訊則就不㈣有效，並且即使是Μ雜訊，在低訊= 比（SNR)情況下，這些技術往往會使原語音作號失真。汛 for06-0026/0958-A4 ] 044TWfl 1355207 陣列麥克風雜訊降低技術係 彼此分隔最切離的多麥克風來形^二同位置並且 聲束係拾波用來降低聲束外部拾波雜訊的語I般來說’該 •列麥克風技術可抑制非定性雜訊。然而，多ς因此，陣 會產生更多的雜訊。 見風本身亦 統與語音辨 因此，期望發展出一種可有效抑制通訊系 識裝置中雜訊的方法。 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供一種廣域小陣列麥 成單元用以調整—聲束方向並減低—參考通道之: 訊’ ^包括第—全向性麥克風、第二全向性麥克風/第1 延遲單几、第二延遲單元'第一減法器、第二減法器、 三延遲單元、增益功能單元和減法器。第一全向性麥克風 根據一輸入音源產生一第一信號X1(t)，第二全向性麥克1 根據輸入音源產生一第二信號乂2⑴，第一延遲單元二遲^ 一信號Xl(t)—時間τ以產生一第三信號xl(t_T)，第二延 遲單元延遲第二信號x2(t)時間τ以產生一第四信號 X2(t-T) ’第一減法器將第二信號X2(t)減第三信號χ〗 以產生一第五仏號R(t)=〇Q(t)- XI (t-T)，第二減法器將第— 信號XI⑴減第四信號X2(t_T)以產生一第六信號乙⑴ =Xl(t)- X2(t-T)’第三延遲單元延遲第五信號R(t) D個取 樣時間以產生一第七信號R，(t)=R(t_D)，增益功能單元將第 六信號L(t)和一功能函數g⑴摺積以產生一第八信號 L’(t)=L(t)-G*(t-T)’減法器將第七信號R，⑴減第八信號L，⑴ f〇r06-0026/0958-A41044TWfl 1355207 ---- 丨ooW修正替換頁 以產生一第九信號B，(t)=R，(t)-L，(t)。 本發明提供一種廣域小陣列麥克風聲束形成單元用以 調整一聲束方向並減低一參考通道之内部雜訊，其包括、 第一聲音變化偵測器、第二聲音變化偵測器、第一延遲單 元、第二延遲單元、第一自適應濾波器和第二自適應濾波 器。第一聲音變化偵測器VAD1偵測第一信號A⑴和第二 k號B⑴之關聯性部份以產生一相關信號v〗(t)，第二聲 音變化偵測器VAD2偵測第一信號A(t)和第二信號B，(t) 之非關聯性部份以產生一非相關信號V2(t)，第一延遲單元 延遲第二信號B，(t) D1個取樣時間以產生第三信號 B’(t-Dl)’第二延遲單元延遲第二信號B，⑴〇2個取樣時間 以產生一第四信號B’(t-D2)，第一自適應濾波器根據相關 信號vi⑴將第一信號A(t)和第三信號B，(t_D1)之相關部 份壓制並留下不相關部份以產生一第五信號c⑴，第二自 適應濾波器根據非相關信號V2⑴將第四信號B，(t-D2)和第 五信號c (t)之不相關部份壓制以產生一第六信號B，, (t)。 【實施方式】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式， 細說明如下： # 第1圖係顯示根據本發明一實施例之廣域小陣列麥 風聲束形成之示意圖，如第i圖所示，兩全向性麥克風W 和20並列設置在不同位置以產生雙通道以形成—聲束，盆 中一為參考通道，另—為主通道，將兩全向性麥克風1〇 for06-0026/0958-A4 丨 〇44TWfl 1355207 脚年A·， 和20分別產生的信號相加以提供給具有全向性主葉 (Omni-directional l〇be)60之主通道使用，全向性麥克風⑺ 和20可形成兩具有單一主葉4Μσ5〇之指向性麥克風盆 中一主葉指向右邊，另一主葉指向左邊，具有單一主葉之 之兩指向性麥克風更可以形成—雙指向麥克風以提供給參 考通道=用。單音源30言曼置於距離兩單主葉4〇# %相同 距離之交又點（Cross p〇int)或是相對於雙指向麥克風之零 點（null point) ’在本發明中，雙指向麥克風被參考通道使 用，其中一全向性麥克風被主通道使用，以形成一窄聲束 指向音源30。 藉由全向性麥克風形成具有兩單主葉之雙指向麥克風 時，參考通道會產生額外的雜訊，尤其是在低頻端，道些 雜訊會麵合至主通這並進而影響到聲音的品質和減低雜訊 抑制的效果，另外雙指向麥克風之零點（null卯丨加)決定了 聲束的方向，在一例子中，聲束方向是固定的，有砂錐不 適合某一些應用，在本發明中，聲束的方向是可以調整以 應用於一些特殊的應用。 第2圖係顯示根據本發明另一實施例之參考通遒聲柬 形成單元200之示意圖，兩全向性麥克風211和2丨2彬成 具有單主葉之兩指向性麥克風，其中一主葉指向左邊，为 一主葉指向右邊，全向性麥克風211和212分別設爹不同 位置並相距dl的距離，分別根據輸入聲音產生信號χ1(ί) 和X2(t) ’延遲單元213接收信號X1⑴並延遲信號χίΟ) -延遲時間τ以產生信號xl(t_T)，延遲單元2i4接收一

for06-0026/0958-A41044TWfI 9 1355207 - 从F正替換頁1 X2(t)並延遲信號;X2(t)—延遲時間T以產生信號X2(t-T)， 減法器215將信號X2⑴減Xl(t-T)以產生信號R⑴=X2(t)-Xl(t-T)，信號R(t)為指向右邊之指向麥克風的信號，減法 器216將信號Xl(t)減X2(t-T)以產生信號L⑴=Xl(t)-X2(t-T)，信號L⑴為指向左邊之指向麥克風的信號，這兩 指向麥克風之指向圖騰(polar pattern)是由延遲時間T來決 定的，減法器217將信號R(t)減信號L⑴以產生參考通道 信號B(t)=R(t)-L⑴以供雙指向麥克風使用，然而指向麥克 風之零點（null)是固定的，也就是指向圖騰之方向是垂直於 兩麥克風之連線，然而，利用上述方法形成之雙指向麥克 風會造成更多雜訊’原因是因為兩麥克風之内部雜訊是各 自獨立之雜訊，因此在形成雙指向麥克風時，内部雜訊並 不能被抵銷’另外，由於形成雙指向麥克風時，低頻信號 會損失’因而常需要在增強低頻部份的信號，而同時低頻 部份的雜訊也同時被增強，因此信噪比（SNR)在低頻端往往 也比較低或較差。 第3圖係顯示根據本發明另一實施例之參考通道聲束 形成單元200之示意圖’第3圖之參考通道聲束形成單元 300是將第2圖之參考通道聲束形成單元2〇〇修改而來 的’參考通道聲束形成單元300可以調整聲束方向至特定 範圍以避免壓制到想要取得的音源，雙全向性麥克風 和312形成兩具有單主葉之方向性麥克風，苴中 向左邊另-主葉指向右邊’全向性麥克風311、和312^曰 設置在不同位置並距離cH並根據輸 for06-0026/0958-A41044TWfl 10

1355207 X1⑴和X2 (t)，延遲單元313接收信號χ 1⑴並延遲信號X1⑴ 一延遲時間T以產生信號Xl(t-T)，延遲單元314接收信號 X2(t)並延遲信號X2(t)一延遲時間T以產生信號X2(t-T)， 減法器315將信號X2⑴減Xl(t-T)以產生信號 R(t)=X2(t)-Xl(t-T)，信號R(t)為指向麥克風指向右邊的信 號’ D取樣(D-sample)延遲單元317延遲信號R⑴D個取 樣時間以產生信號R，(t)=R(t-D)，減法器316將信號Xl(t) 減X2(t-T)以產生信號L(t)=Xl(t)-X2(t-T)，信號L⑴為指向 麥克風指向左邊的信號，增益功能單元（gain function unit)318將信號L⑴與功能函數G⑴摺積以產生信號 L’(t)=L(t)-G*(t-T)，減法器319將信號R，(t)減信號L，⑴以 產生參考通道信號B，(t)=R，(t)-L，(t)，功能函數G(t)是根據 參考通道4§號B⑴並採用適應濾波算法(adaptive filtering algorithm)來得到，在本發明一實施例中，功能函數g⑴之 調整是根據參考通道信號B’⑴並且調整到使參考通道信 號B’(t)極小化(minimize) ’在本發明另一實施例中，加入 一些限制至功能函數G⑴上以限制其範圍，例如： Thl⑴IGG-i^Th〗⑴’其中Th(i)為限制函數，例如：D小 功能函數 G(t-i)為二個（tap)，Thl(i)=[〇」，〇.5，〇.1]和 Th2(i)=[0.2, 1.5, 0.2]。 第4圖係顯示根據本發明另一實施例之主通道聲束產 生單元400之示意圖，全向性麥克風311和312分別產生 信號XI⑴和X2⑴’加法器320將信號X1(t)加信號χ2⑴ 以產生主通這信號A(t)，在另一實施例中，主通道信號可 for06-0026/0958-A41044TWfl 1355207 m正替換頁 以是信號xi(t)和X2(t)之其中一（第4圖未顯示）。 第5圖係顯示根據本發明另一實施例之參考通道聲束 形成單元500之示意圖，參考通道聲束形成單元5〇〇在雙 指向麥克風形成時將内部雜訊信號減少以改善參考通道信 號B，’(t)以利聲束形成，主通道信號A(t)被傳送至自適應濾 波器（adaptive filter)5〇l、聲音變化偵測器（v〇ice activity detector) VAD1和VAD2 ’參考通道信號B，⑴被傳送至延 遲單元503和504以及聲音變化偵測器VAD1和VAD2， 延遲單元503延遲參考通道信號B’⑴D1取樣時間，以產 生信號B’(t-Dl)，然後傳送信號B’(t-Dl)至自適應濾波器 501 ’延遲單元504延遲參考通道信號B，(t)D2取樣時間， 以產生信號B’(t-D2)，然後傳送信號B，(t_D2)至自適應濾 波杰502，在本發明一實施例中，延遲取樣時間比延遲 取樣時間D1長’聲音變化偵測器VAD1和VAD2侦測參 考通道信號B’(t)和主通道信號A⑴彼此之間的關連性，例 如：當VAD=1表示參考通道信號B，(t)和主通道信號a⑴ 之間有相關’自適應濾波器501接收主通道信號a⑴和信 號B’(t-D 1)後並根據相關信號v 1⑴過濾主通道信號A⑴和 信號B’(t-Dl)以產生信號C⑴，其中信號c(t)是壓制主通 道信號A(t)和信號B’(t-Dl)之相關的部份，留下其不相關 的部份的信號，將限制1加到自適應濾波器5〇1上以減低 剩餘之期望聲音(residual desired voice)，限制1之範圍為 |C(t)|<|B’(t-Dl)卜因為兩麥克風之内部雜訊是互不相關連 的，而聲音（voice)部份是相關連的，因此信號c⑴可以視 for06-0026/0958-A41044T Wfl 12 1355207 - ϋ 2§修正替換頁 為壓制期望聲音而保留内部雜訊之信號，信號c⑴和 B’’(t-D2)皆被送至自適應濾波器502，自適應濾波器502 是被聲音變化偵測器VAD2所傳送之非相關信號V2(t)所 控制的，這裡的聲音變化偵測器VAD2只負責偵測互不關 連之雜訊部份，將限制2加至自適應濾波器502上以限制 過份濾波部份以改善雜訊壓抑，限制2之範圍為 W(i)=W(i)/||W(i)||，自適應濾波器502過濾信號C⑴和 B’’(t-D2)以產生壓制不相關連雜訊之參考通道信號B’’(t)。 本發明提供一參考通道聲束形成單元以減低參考通道 信號之内部雜訊，減少雜訊耦合並增強聲束形成之效能， 尤其是在低頻方面，並引進參數T以調整聲束方向變動在 一定範圍内，進而增加彈性和減低期望聲音被壓制。 本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示根據本發明一實施例之廣域小陣列麥克 風聲束形成之示意圖； 第2圖係顯示根據本發明另一實施例之參考通道聲束 形成單元之示意圖； 第3圖係顯示根據本發明另一實施例之參考通道聲束 形成單元之示意圖； 第4圖係顯示根據本發明另一實施例之主通道聲束產 for06-0026/0958-A41044TWfl 13 1355207 年月日修正替換頁 m 8. _ 生單元之示意圖；以及 第5圖係顯示根據本發明另一實施例之參考通道聲束 形成單元之示意圖。 【主要元件符號說明】 10、20〜全向性麥克風 3 0〜音源 40、50〜主葉 60〜全向性主葉 200〜參考通道聲束形成單元 211、212、311、312〜全向性麥克風 213、214、313、314〜延遲單元 215、216、217、315、316、317〜減法器 300〜參考通道聲束形成單元 400〜主通道聲束產生單元 318〜增益功能單元 dl〜距離

Xl(t)、X2(t)、Xl(t-T)、X2(t-T)、R(t)、R(t)，、L(t)、 L(t)，、B(t)、C(t)、B’(t-Dl)、B’(t-D2)、B’’(t，D2)〜信號 B’(t)、B’’⑴〜參考通道信號 A(t)〜主通道信號 VAD1、VAD2〜聲音變化偵測器 VI⑴〜相關信號 V2(t)〜非相關信號 501、502〜自適應濾波器 for06-0026/095 8-A41044TWfl 14 1355207 503 A i 504〜延遲單元 for06-0026/095 8-A41044TWfl

Claims (1)

1355207 案號097100780 100年8月23日 修正本 十、申請專利範圍： 1.一種廣域小陣列麥克風聲束形成單元，用以調整一 聲束方向並減低一參考通道之内部雜訊，包括： 一第一全向性麥克風，根據一輸入音源產生一第一信 號 Xl(t); 一第二全向性麥克風，根據上述輸入音源產生一第二 信號X2(t); 一第一延遲單元，延遲上述第一信號Xl(t)—時間T以 產生一第三信號Xl(t-T); 一第二延遲單元，延遲上述第二信號X2(t)上述時間T 以產生一第四信號X2(t-T); 一第一減法器，將上述第二信號X2(t)減上述第三信號 Xl(t-T)以產生一第五信號 R(t)=X2(t)-Xl(t-T); 一第二減法器，將上述第一信號Xl(t)減上述第四信號 X2(t-T)以產生一第六信號 L(t) =Xl(t)- X2(t-T); 一第三延遲單元，延遲上述第五信號R(t) D個取樣時 間以產生一第七信號R’(t)=R(t-D); 一增益功能單元，將上述第六信號L(t)和一功能函數 G⑴摺積以產生一第八信號L’⑴=L(t)-G*(t-T);以及 一減法器，將上述第七信號R’⑴減上述第八信號L’(t) 以產生一第九信號B’(t)=R’⑴-L’(t)。 2.如申請專利範圍第1項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，其中上述功能函數G⑴根據上述第九信號B ’⑴ 來作調整。 for06-0026/0958-A41044TWA 16

1355207 3. 如申請專利範圍第2項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，其中上述功能函數G(t)是根據上述第九信號 B’⑴作調整使上述第九信號B’⑴減到最小。 4. 如申請專利範圍第1項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，更包括一加法器，上述加法器將上述第一信 號Xl(t)加上述第二信號X2(t)以產生一第十信號 A(t)=Xl(t)+X2(t)。 5. 如申請專利範圍第4項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，更包括： 一第一聲音變化偵測器VAD1偵測上述第十信號A(t) 和上述第九信號B’⑴之關聯性部份以產生一相關信號 Vl(t); 一第二聲音變化偵測器VAD2偵測上述第十信號A⑴ 和上述第九信號B’⑴之非關聯性部份以產生一非相關信 號 V2(t); 一第四延遲單元，延遲上述第九信號B’(t) D1個取樣 時間以產生一第十一信號B’(t-Dl); 一第五延遲單元，延遲上述第九信號B’(t) D2個取樣 時間以產生一第十二信號B’(t-D2); 一第一自適應濾波器，根據上述相關信號VI⑴將上述 第十信號A⑴和上述第十一信號B’(t-Dl)之相關部份壓制 並留下不相關部份以產生一第十三信號C(t); 一第二自適應濾波器，根據上述非相關信號V2(t)將上 述第十二信號B’(t-D2)和上述第十三信號C⑴之不相關部 for06-0026/095 8-A41044TWA 17 1355207 湖年8月23日修正替換頁 份壓制以產生一第十四信號B ’’(t)。 6. 如申請專利範圍第5項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，其中上述第一自適應濾波器具有一第一限制 以使上述第十三信號之絕對值小於上述第十一信號之絕對 值 |c(〇|<|5’(i-z^。 7. 如申請專利範圍第5項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，其中上述第二自適應濾波器具有一第二限制 _ =妒(〇/|旷(〇| ° 8. 如申請專利範圍第1項所述之廣域小陣列麥克風聲 束形成單元，其中上述第一全向性麥克風和上述第二全向 性麥克風相距一預設距離。 9. 一種廣域小陣列麥克風聲束形成單元，用以調整一 聲束方向並減低一參考通道之内部雜訊，包括： 一第一聲音變化偵測器VAD1偵測一第一信號A⑴和 一第二信號B’⑴之關聯性部份以產生一相關信號Vl(t); 一第二聲音變化偵測器VAD2偵測上述第一信號A(t) 和上述第二信號B’(t)之非關聯性部份以產生一非相關信 號 V2(t); 一第一延遲單元，延遲上述第二信號B’(t) D1個取樣 時間以產生一第三信號B’(t-Dl); 一第二延遲單元，延遲上述第二信號B’(t) D2個取樣 時間以產生一第四信號B’(t-D2); 一第一自適應濾波器，根據上述相關信號Vl(t)將上述 第一信號A⑴和上述第三信號B’(t-Dl)之相關部份壓制並 for06-0026/0958-A41044TWfl 18 丄

留下不相關部份以產生一第五信號C⑴； 、#第一自適應濾波器，根據上述非相關信號V2(t)將上 ，第四U虎B (t-D2)和上述第五信號c⑴之不相關部份壓 制以產生一第六信號B，，(t)。 申請專利範圍第9項所述之廣域小陣列麥克風聲 以其中上述第一自適應濾波器具有一第-限制 I叫< 丨五信號之絕對值小於上述第三信號之絕對值 糊翻第9項所叙廣則、㈣麥克風聲 ，其中上述第二自適應濾波器具有—第二限制 束开利耗圍第9項所述之廣域小陣列麥克風聲 y 兀，/、中一處理單元接收來自兩全向麥 信號二生上述第一信號A(t)和上述第二信號：克風之 聲束形專利範圍第12項所述之廣域小陣列麥克風 第七信 令音源產生_ 根據上述輸入音源產生一第 第二全向性麥克風， 信號X2⑴； 以 -延遲單元，延遲上述第 產生一第九信號Xl(t-T); 一第四延遲單元，延遲 以產生—第十錢X2(t^;、^號X2⑴上述時間丁 for06-0026/0958-A4] 044TWA 19 1355207 修正替換頁 一第一減法器，將上述第八信號X2(t)減上述第九信號 XI (t-T)以產生一第十一信號 R(t)=X2(t)- XI (t-T); 一第二減法器，將上述第七信號Xl(t)減上述第十信號 X2(t-T)以產生一第十二信號 L(t) =Xl(t)- X2(t-T); 一第五延遲單元，延遲上述第十一信號R⑴D個取樣 時間以產生一第十三信號R’ (t)=R(t-D); 一增益功能單元，將上述第十二信號L⑴和一功能函 數G⑴摺積以產生一第十四信號L’(t)=L(t)-G*(t-T);以及 一減法器，將上述第十三信號R’⑴減上述第十四信號 L’(t)以產生上述第二信號B’(t)= R’(t)-L’(t)。 14. 如申請專利範圍第13項所述之廣域小陣列麥克風 聲束形成單元，其中上述功能函數G⑴根據上述第二信號 B’(t)來作調整。 15. 如申請專利範圍第14項所述之廣域小陣列麥克風 聲束形成單元，其中上述功能函數G⑴是根據上述第二信 號B’(t)作調整使上述第二信號B’⑴減到最小。 16. 如申請專利範圍第13項所述之廣域小陣列麥克風 聲束形成單元，更包括一加法器，上述加法器將上述第七 信號Xl(t)加上述第八信號X2(t)以產生上述第一信號 A(t)=Xl(t)+X2(t)。 17. 如申請專利範圍第13項所述之廣域小陣列麥克風 聲束形成單元，其中上述第一全向性麥克風和上述第二全 向性麥克風相距一預設距離。 for06-0026/0958-A41044TWfl 20