TWI588820B - 音訊強化系統 - Google Patents

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TWI588820B
TWI588820B TW102146863A TW102146863A TWI588820B TW I588820 B TWI588820 B TW I588820B TW 102146863 A TW102146863 A TW 102146863A TW 102146863 A TW102146863 A TW 102146863A TW I588820 B TWI588820 B TW I588820B
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吉利斯 密特
史泰法諾 薩西尼
耐吉 佩頓
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輝達公司
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    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/175—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound
    • G10K11/178—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound by electro-acoustically regenerating the original acoustic waves in anti-phase
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Description

音訊強化系統 【相關申請案之交互參考】
本申請案主張於2013年1月17日由Gilles Miet,Stefano Sarghini與Nigel Paton所申請的美國臨時專利申請編號61/753760之優先權，其名為「音訊即時調諧與偵測工具」(Audio Real Time Tuning and Debug Tool)，其與本申請案共同受讓，並在此引述加入做為參照。
本申請案一般關於回聲與背景雜訊消除，更特定而言係關於一種音訊強化系統(audio enhancement system)與一種麥克風訊號強化方法。
行動裝置已經相當普遍，它們更多地在吵雜的環境中使用，例如像是機場、戶外街道、與交通場所或餐廳。聲音雜訊抑制可處理基本上與由該等行動裝置本身產生的資訊性音訊訊號無關的背景雜訊源，但會降低這些獨立的資訊性音訊訊號之訊號對雜訊比(signal to noise ratio)，因此需要被降低或消除。聲學回聲消除主要是處理由於在一使用者環境中聲音反射造成或是由於一行動裝置的喇叭與其附屬麥克風過於接近所造成的該等獨立資訊性音訊訊號之聲學回聲。
這些環境使其很難在一通訊鏈路之上被正確地聽到或理 解。此外，許多通訊系統更多地依賴電腦語音命令或音訊辨識來適當地操作。高度的背景聲音干擾會造這種系統的高錯誤率。相對於背景雜訊源或音訊反射器移動的一行動裝置對於在這些環境中要正常操作都增加了其複雜度。因此，特別是能夠增強行動裝置的能力來補償這些環境在本技術中將可證實有其好處。
本發明之具體實施例提供一種音訊強化系統與一種麥克風強化方法。
在一具體實施例中，該音訊強化系統包括一顯示單元，其用於呈現對應於受到音訊干擾的一麥克風訊號之波形。該音訊強化系統亦包括一干擾降低單元，其耦接於該麥克風訊號，並用於提供該音訊干擾的降低，其中一經降低的音訊干擾由該波形即時地指明。
在另一種態樣中，該麥克風強化方法的一具體實施例包括顯示對應於受到一音訊干擾的一麥克風訊號之波形，並提供該麥克風訊號之音訊干擾的降低，其中一經降低的音訊干擾由該波形即時地指明。
上述已經一般說明了本發明的較佳與其它的特徵，使得本技術專業人士可更為瞭解以下本發明之詳細說明。本發明的額外特徵將在以下形成本發明之該等申請專利範圍的意旨之內文中做說明。本技術專業人士將可瞭解到他們將可立即採用該等揭示之概念與特定具體實施例做為基礎來設計或修改其它結構而能實施本發明之相同目的。
100‧‧‧通訊配置
105‧‧‧喇叭
106‧‧‧輸入喇叭訊號
110‧‧‧麥克風
111‧‧‧麥克風訊號
115‧‧‧音訊強化系統
116‧‧‧干擾降低單元
117‧‧‧聲學回聲消除器
118‧‧‧音訊背景雜訊抑制器
120‧‧‧分析單元
125‧‧‧資料記錄記憶體
130‧‧‧顯示單元
200、210、220‧‧‧波形
205‧‧‧觀察時間
212‧‧‧第一分量波形
214‧‧‧第二分量波形
305‧‧‧觀察時間
314‧‧‧第二分量波形
316‧‧‧第一突波
318‧‧‧第二突波
320‧‧‧波形
325‧‧‧主要峰值
400、450‧‧‧通訊系統
410‧‧‧第一行動裝置(第一行動電話)
415‧‧‧第二行動裝置(第二行動電話)
420‧‧‧網路
430‧‧‧獨立主控裝置
430‧‧‧筆記型電腦
440‧‧‧資料連接
440、442、444、448、464、468‧‧‧波形
500、550‧‧‧通訊系統
510‧‧‧第一行動裝置(第一智慧型手機)
515‧‧‧第二行動裝置(第二智慧型手機)
520‧‧‧網路
540、542、544、548、564、568‧‧‧波形
t1‧‧‧時間
現在請參照配合該等附屬圖式所做的以下說明，其中：圖1例示根據本發明之原理所建構的一通訊配置的一部份之方塊圖； 圖2A、圖2B與圖2C例示參照圖1所述之對應於一回聲消除的波形示例；圖3A、圖3B與圖3C例示針對比圖2A到圖2C要稍晚的觀察時間所得到之波形的另一示例；圖4A與圖4B例示根據本發明之原理所建構的一種採用行動裝置與一相關聯的獨立主控裝置的通訊系統之一具體實施例的示意圖；圖5A與圖5B例示根據本發明之原理所建構的一種採用行動裝置之通訊系統的另一具體實施例的示意圖；及圖6例示根據本發明之原理所實施的一種麥克風訊號強化方法之流程圖。
本發明之具體實施例提供一種圖形化的方式來改變、調整或調諧(tune)聲學回聲消除與背景雜訊抑制，其在行動裝置中特別有用。概言之，利用了即時修正或分析來增進與音訊品質有關的問題，其中能量被改變。
為了本說明書在回聲消除或雜訊抑制中採用的術語「即時」(real time)係定義為一段足夠短的時間可經驗到一既存或進行中通訊之音訊品質的改善。此外，一行動裝置係定義為任何一種具有一顯示器，並採用一麥克風與一喇叭用於傳遞音訊訊號的攜帶式電子單元。
圖1例示根據本發明之原理所建構的一通訊配置(標示為100)的一部份之方塊圖。通訊配置100的該部份包括一喇叭105、一麥克風110與一音訊強化系統115。音訊強化系統115包括一干擾降低單元116，其中具有耦接於一分析單元120的一聲學回聲消除器(acoustic echo canceller)117與一音訊背景雜訊抑制器(audio background noise suppressor)118。音訊強化系統115亦包括一資料記錄記憶體125與一顯示 單元130。聲學回聲消除器117、音訊背景雜訊抑制器118與分析單元120即時地提供與驗證音訊品質增進。
概言之，顯示單元130用於呈現對應於受到一音訊干擾的一麥克風訊號111的一波形。此音訊干擾基本上由以下所構成：喇叭105所產生的聲學回聲反饋，以及由一使用者側環境所產生的聲音背景雜訊。干擾降低單元116耦接於麥克風訊號111，並可耦接於一輸入喇叭訊號106來提供該音訊干擾的降低，其中一經降低的音訊干擾由該波形即時地指明。
在該例示的具體實施例中，音訊背景雜訊抑制器118耦接於聲學回聲消除器117，並用於在達到該聲學回聲訊號的回聲消除之一預先選擇的程度之後即時地降低背景雜訊。概言之，該等處理方塊(回聲消除與雜訊抑制)的順序係根據一演算法設計選擇。在此處所示之該處理順序為示例性，基於本發明之原理任何處理順序皆可接受。
喇叭105提供與輸入喇叭訊號106成比例的一音訊輸出。來自喇叭105的此音訊輸出中一不想要的部份被回送到麥克風110成為一聲學回聲，其中在麥克風訊號111中另提供做為一電子輸入到聲學回聲消除器117用於聲學回聲訊號降低。在一具體實施例中，聲學回聲消除器117利用一種正規化的最小均方(normalized least mean square，NLMS)濾波器結構或演算法來降低該聲學回聲到一可接受或預先選擇的回聲消除程度。相對應地，分析單元120可以提供一種估計的回聲脈衝反應指示(echo impulse response indication)。
此外，一回聲消除或音訊雜訊抑制演算法可以自我調適來達到一預先選擇的音訊干擾降低程度。在一例中，輸入喇叭訊號106可做為對聲學回聲消除器117的一參考輸入。在另一例中，一回聲消除演算法可包括一可調適回聲延遲估計來提供該回聲消除的程度。另外，一回聲消除或音訊背景雜訊抑制演算法可由使用者指示來達到一預先選擇的消除或抑制程度，其中例如使用者指示的注意(attention，AT)命令可用於修改適當的 參數。
資料記錄記憶體125可用於在回聲消除與雜訊抑制期間保存回聲與背景雜訊資料以及用於未來分析或測試(例如回聲或雜訊演算法測試)的資料。該回聲與背景雜訊資料可對應於被保存在資料記錄記憶體125中用於額外分析的一波形之記錄樣本。該額外分析可包括一音訊檔案的顯示、回放(play-back)或轉換(conversion)。
在該例示的具體實施例中，在聲學回聲消除器117達到一需要或預先選擇的回聲消除程度之後，其輸出訊號允許音訊背景雜訊抑制器118提供一殘餘背景雜訊的雜訊抑制。該殘餘背景雜訊基本上可包括能量改變訊號，例如點擊、突現或其它類似的干擾雜訊，以及其它例如關於風、飛機、火車、汽車或人群的環境雜訊。概言之，來自聲學回聲消除器117、音訊背景雜訊抑制器118、分析單元120與資料記錄記憶體125的個別輸入106、111與輸出皆可以在顯示單元130上觀察。
圖2A、圖2B與圖2C例示對應於圖1所討論之聲學回聲消除的波形示例，標示為200、210、220。此處，請注意一觀察時間205可以對應於例如在聲學回聲消除器117中一初始回聲消除濾波器或演算法設定。在圖2A、圖2B與圖2C的該等示例中，此初始回聲消除演算法或濾波器設定提供一不可接受的回聲消除程度。
波形200對應於如同可被施加於圖1的喇叭105之一喇叭波形。波形210包含兩個分量波形。一第一分量波形212對應於由喇叭105啟始，並回送到麥克風110藉此提供輸入111給聲學回聲消除器117的一音訊回聲波形。第一分量波形212指明由喇叭105到麥克風110之回聲耦合很高。此外，第一分量波形212亦指明一麥克風訊號強度不足以造成第一分量波形212的截取(clipping)，藉此可避免不需要的訊號失真(signal distortion)。第一分量波形212額外地指明該麥克風訊號強度足以提供用於其適當處理。
基於在回聲消除觀察時間205提供給聲學回聲消除器117的輸入的該聲學回聲訊號，一第二分量波形214對應於聲學回聲消除器117的一輸出。由此可看出，聲學回聲消除器117的該輸出(即第二分量波形214)指明聲學回聲能量中有一很大比例仍包含在聲學回聲消除器117的該輸出中。
波形220對應於一結果回聲消除簽章(resulting echo cancellation signature)，如同由圖1的分析單元120所供應者。此處，波形220對應於由聲學回聲消除器117所採用的一回聲消除濾波器或演算法的一係數快照(coefficients snapshot)。此波形220基本上提供了一估計的回聲脈衝反應。雖然未特定示出，波形220亦可對應於由聲學回聲消除器117採用的該回聲消除濾波器或演算法的一係數加總(coefficients summation)，其將額外地指明仍然存在的一輸出聲學回聲能量的位準。
波形220亦指明在聲學回聲消除器117中所應用的回聲消除演算法消除該聲學回聲的效果如何。波形220指明該應用的回聲消除演算法或濾波器對於消除該聲學回聲沒有效果。
圖3A、圖3B與圖3C例示針對比圖2A到2C要稍晚的觀察時間之波形的另一示例，標示為300、310、320。此處，一觀察時間305對應於在聲學回聲消除器117中一更新的回聲消除設定。此係在該聲學回聲消除器中該回聲消除濾波器設定或演算法在時間t1做修正之後才發生。此處，此更新的回聲消除濾波器或演算法設定可提供一可接受的回聲消除程度。
圖3A與圖3B的該等波形係相同於圖2A與圖2B中所示之波形200、210。在回聲消除觀察時間305時，可看出第一分量波形212指明施加於聲學回聲消除器117的一聲學回聲能量與以前一樣強。
但是，代表聲學回聲消除器117的該輸出之一改善的第二分量波形314指明該聲學回聲已被實質地消除(例如進一步的分析可指明在此 示例中聲學回聲能量已經降低80dB)。可看到有數個背景雜訊突波(一第一突波316與一第二突波318)，並由音訊背景雜訊抑制器118降低到一可接受位準。
波形320另指明在聲學回聲消除器117中該更新的回聲消除演算法消除該聲學回聲的效果如何。波形320指明該應用的回聲消除演算法或濾波器對於消除該聲學回聲有效果。此處，該濾波器係數快照顯示一回聲複製式形狀，其具有一主要峰值325(不像是對應的波形220)指明可有效的移除該聲學回聲能量。
圖4A與圖4B例示根據本發明之原理所建構的一種採用行動裝置與相關的獨立主控裝置(separate host device)之通訊系統(一般標示為400、450)的一具體實施例之圖。通訊系統400包括由一網路420耦接在一起的第一與第二行動裝置410、415(第一與第二行動電話410、415)。通訊系統400亦包括一獨立主控裝置430(一筆記型電腦430)，其經由一資料連接440耦接於第一行動電話410。
給第二電話415的一音訊輸入經由網路420被提供給第一電話410，然後提供一相對應音訊輸出，如所示。第一電話410的一音訊反射式環境(audio reflective surrounding)造成此音訊輸出的一聲學回聲，其被回送到其麥克風。此音訊回聲回饋在當第一電話110在「擴音器」模式下使用時特別嚴重。一回聲的音訊以及關聯於第一電話410的音訊背景雜訊經由網路420傳送到第二電話415，如所示，藉此提供造成第二電話415的音訊品質降低的回聲與背景雜訊音訊干擾。
在該例示的具體實施例中，第一電話410並不具有聲學回聲消除或音訊背景雜訊抑制能力。筆記型電腦430使用資料連接440對於第一電話410提供這些聲學回聲消除器與音訊背景雜訊抑制器(即干擾降低單元)的能力。此外，筆記型電腦430亦提供該回聲消除與背景雜訊抑制的一分析單元能力，以及將它們相關的波形顯示在其電腦螢幕上。
在此示例中，一初始回聲消除演算法並不適合將一音訊回聲降低到第二電話415所需要的程度。波形440、442、444與448分別對應於圖2A、圖2B與圖2C中所示之指明此不適合回聲消除狀況的波形200、212、214與220。
圖4B對應於一稍晚的觀察時間，其中一更新的回聲消除設定(例如在該聲學回聲消除器中一更新的回聲消除濾波器或演算法設定)提供一可接受的回聲消除程度，如圖3A、圖3B與圖3C中所述。此處，波形440、442、464與468分別對應於圖3A、圖3B與圖3C中所示之指明此可接受回聲消除的波形200、212、314與320。
在圖4A與圖4B的該等示例中，資料連接440由筆記型電腦430利用來接收來自第一電話410的必要麥克風訊號，用於回聲消除與背景雜訊抑制。相對應地，回聲消除器與背景雜訊抑制器輸出訊號由筆記型電腦430藉由資料連接440提供給第一電話410來進一步調整並傳輸到第二電話415。
圖5A與圖5B例示根據本發明之原理所建構的一種採用行動裝置之通訊系統(一般標示為500、550)的另一具體實施例之圖。通訊系統500包括第一與第二行動裝置510、515(第一與第二智慧型手機510、515)，其由一網路520耦接在一起。在此具體實施例中，一回聲消除器與一背景雜訊抑制器(即一干擾降低單元)與一分析單元係包含在第一智慧型手機510中。此外，其行動裝置螢幕用於顯示關聯於回聲消除、背景雜訊抑制與分析的波形。
如前所述，給第二智慧型手機515的一音訊輸入經由網路520被提供給第一智慧型手機510，然後提供一相對應音訊輸出，如所示。第一智慧型手機510的音訊反射環境造成此音訊輸出的一聲學回聲。此被回送到其麥克風造成一回聲的音訊，以及關聯於第一電話510的音訊背景雜訊經由網路520傳送到第二電話515，造成第二電話515之音訊品質的降 低。
如關於圖4A中所述，圖5A例示一示例，其中一初始回聲消除演算法並不適合來將一音訊回聲降低到第二電話515所需要的程度。波形540、542、544與548分別對應於圖2A、圖2B與圖2C中所示之指明此不適合的回聲消除狀況的波形200、212、214與220。
圖5B對應於一稍晚的觀察時間，其中一更新的回聲消除設定(例如在該聲學回聲消除器中一更新的回聲消除濾波器或演算法設定)提供一可接受的回聲消除程度，如圖3A、圖3B與圖3C中所述。此處，波形540、542、564與568分別對應於圖3A、圖3B與圖3C中所示之指明此可接受回聲消除的程度的波形200、212、314及320。
在圖4A、圖4B、圖5A與圖5B例示的該等示例中，回聲消除、背景雜訊抑制與分析能力完全包含在一獨立主控裝置或一行動裝置當中。利用本發明之原理的其它具體實施例可以分散這些能力其中至少一部份在該獨立主控裝置與該行動裝置之間。
圖6例示根據本發明之原理所實施的一種麥克風訊號強化方法(標示為600)之一具體實施例的流程圖。方法600開始於步驟605，在步驟610，顯示出對應於受到一音訊干擾的一麥克風訊號之一波形。在步驟615提供了對於該麥克風訊號的音訊干擾之降低，其中一經降低的音訊干擾由該波形即時地指明。此外，在步驟620，該經降低的音訊干擾經過分析而提供已經達到一所需要的音訊干擾降低程度之指示。
概言之，在該音訊干擾中提供該降低係包括具有音訊干擾之該麥克風訊號之一聲學回聲消除與一音訊背景雜訊抑制。在一具體實施例中，在達成一預先選擇的回聲消除程度之後，該音訊背景雜訊抑制耦接於該聲學回聲消除來即時地降低音訊背景雜訊。此外，該分析可利用正規化的最小均方(NLMS)係數(例如在一回聲脈衝反應分析中)。
一種控制回聲消除或音訊背景雜訊抑制的演算法可以自我 調適來達到一預先選擇的音訊干擾降低程度。另外，該演算法可由使用者指示來達到該預先選擇的音訊干擾降低程度。相對應地，使用者指示的注意(AT)命令可用於修改該演算法的參數。另外，一演算法可包括一適應性回聲延遲或雜訊頻譜估計，或一估計的回聲或雜訊能量，以提供該音訊干擾降低的程度。
在另一具體實施例中，提供在該音訊干擾之降低的至少一部份係包含在一行動裝置或一獨立主控裝置中。相對應地，該行動裝置可為一行動電話，而該獨立主控裝置可為一筆記型電腦。在又另一具體實施例中，對應於該麥克風訊號的記錄樣本在保存在一資料記錄記憶體中用於額外的分析。相對應地，該額外分析可包括一音訊檔案的顯示、回放或轉換。 在又一其它具體實施例中，一麥克風訊號強度位準由該波形即時地指明。方法600結束於步驟625。
此處所揭示的該方法已經參照以一特定順序執行的特定步驟來做說明與顯示，但將可瞭解到，在不背離本發明之該等教示之下這些步驟可被組合、分解或重新排序來形成一同等方法。因此，除非在此處特定地指明，該等步驟之順序或群組並非本發明的限制。
與本申請案相關的技術專業人士將可瞭解到可對該等描述的具體實施例進行其它與進一步的加入、刪除、取代或/和修改。
100‧‧‧通訊配置
105‧‧‧喇叭
106‧‧‧輸入喇叭訊號
110‧‧‧麥克風
111‧‧‧麥克風訊號
115‧‧‧音訊強化系統
116‧‧‧干擾降低單元
117‧‧‧聲學回聲消除器
118‧‧‧音訊背景雜訊抑制器
120‧‧‧分析單元
125‧‧‧資料記錄記憶體
130‧‧‧顯示單元

Claims (10)

  1. 一種音訊強化系統，其包含：一顯示單元，其用於呈現對應於具有一喇叭的一行動裝置的一麥克風的一麥克風訊號的一麥克風訊號波形，施加於該喇叭的一喇叭輸入波形以及一聲學回聲消除器的一輸出的一回聲消除波形，其中該麥克風訊號受到音訊干擾，該音訊干擾來自與該行動裝置有關的音訊背景雜訊以及來自來該喇叭的聲學回聲反饋；及一干擾降低單元，其耦接於該麥克風訊號，並用於提供該音訊干擾的降低，其中一經降低的音訊干擾由該回聲消除波形即時地指明，其中該干擾降低單元包含耦接於一音訊背景雜訊抑制器的該聲學回聲消除器，以提供該經降低的音訊干擾。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該干擾降低單元其中至少一部份係包含在該行動裝置或與該行動裝置具有一資料連接的一獨立主控裝置中。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該行動裝置為一行動電話，而該獨立主控裝置為一筆記型電腦。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該音訊背景雜訊抑制器用於在達到一預先選擇的回聲消除程度之後即時地降低音訊背景雜訊。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，另包含一分析單元，其耦接於該干擾降低單元，並用於分析該經降低的音訊干擾，並指明已達成一需要的音訊干擾降低程度。
  6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該顯示單元更用於呈現由該分析單元所提供的一回聲消除簽章波形。
  7. 如申請專利範圍第5項之系統，其中一分析包括正規化的最小均方係數。
  8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中對應於該麥克風訊號的多個記錄樣本保存於一資料記錄記憶體中用於額外分析。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統，其中該額外分析包括一音訊檔案的顯示、回放或轉換。
  10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中一麥克風訊號強度由該麥克風訊號波形即時地指明。
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