專利名稱：處理信號的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理在設(shè)備中接收到的信號。
背景技術(shù)：
設(shè)備可具有可被用來從周圍環(huán)境接收傳輸?shù)男盘柕妮斎胙b置。例如，設(shè)備可具有諸如麥克風(fēng)的音頻輸入裝置，其可被用來從周圍環(huán)境接收音頻信號。例如，用戶設(shè)備的麥克風(fēng)可接收主要音頻信號(諸如來自用戶的語音)和其他音頻信號。其他音頻信號可以是在設(shè)備的麥克風(fēng)接收到的干擾音頻信號，可以是從干擾源接收到的或者可以是環(huán)境背景噪聲或麥克風(fēng)的自身噪聲。干擾音頻信號可擾亂在設(shè)備中接收到的主要音頻信號。設(shè)備可出于許多不同的目的而使用接收到的音頻信號。例如，在接收到的音頻信號是從用戶處接收到的語音信號的情形下，設(shè)備可處理語音信號以將其用于通信事件，例如，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸語音信號到與通信事件的另一個用戶相關(guān)聯(lián)的另一個設(shè)備?？商鎿Q地，或附加地，接收到的音頻信號可被用于本領(lǐng)域公知的其他目的。在其他例子中，設(shè)備可具有用于接收其他類型的傳輸信號(諸如一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達(dá)信號、聲納信號、天線信號、無線電波或微波)的接收裝置。對于這些其他類型的傳輸信號也會發(fā)生同樣的情況，其中在接收裝置中接收主要信號和干擾信號。以下所提供的描述主要涉及在設(shè)備中對音頻信號的接收，但是相同的原理將適用于設(shè)備中對其他類型的傳輸信號(諸如以上所述的一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達(dá)信號、聲納信號、天線信號、無線電波和微波)的接收。為了提高接收到的音頻信號(例如從用戶處接收到的用于在呼叫中使用的語音信號)的質(zhì)量，希望抑制在用戶設(shè)備的麥克風(fēng)中接收到的干擾音頻信號(例如背景噪聲和從干擾音頻源接收到的干擾音頻信號)。其中多個麥克風(fēng)操作為單個音頻輸入裝置的立體聲麥克風(fēng)和其他麥克風(fēng)陣列的使用已經(jīng)變得越來越普 遍。在設(shè)備上使用多個麥克風(fēng)使得除了能夠使用從由單個麥克風(fēng)接收到的音頻信號提取出的信息之外，還能夠使用從接收到的音頻信號中提取出的空間信息。當(dāng)使用這樣的設(shè)備時，一種用于抑制干擾音頻信號的方法是應(yīng)用波束成型器(beamformer)到由多個麥克風(fēng)接收到的音頻信號。波束成型是通過應(yīng)用信號處理來聚焦由麥克風(fēng)陣列接收到的音頻信號的處理，從而增強麥克風(fēng)陣列中從一個或多個期望方向接收到的特定音頻信號。出于簡明的目的，此處我們將描述僅有單個期望方向的情況，但是相同的方法也可應(yīng)用到具有多個感興趣方向的情況。在波束成型處理之前可以確定或設(shè)置被稱為到達(dá)方向(Direction of Arrival (DOA))的信息,也就是麥克風(fēng)陣列中接收期望的音頻信號的角度。將期望的到達(dá)方向設(shè)置為固定的是有益的，這是因為到達(dá)方向的估計可能很復(fù)雜。然而，在可替換的情況中，使期望的到達(dá)方向適應(yīng)變化的條件是有益的，所以在使用波束成型器時實時估計期望的到達(dá)方向也是有益的。自適應(yīng)波束成型器應(yīng)用波束成型器系數(shù)到接收到的音頻信號，由此他們使用DOA信息來處理由多個麥克風(fēng)接收到的音頻信號以形成“波束”，從而高增益被應(yīng)用到麥克風(fēng)接收到期望的音頻信號的方向，而低增益被應(yīng)用到任何干擾源的方向。當(dāng)波束成型器試圖抑制來自不希望的方向的不希望的音頻信號時，麥克風(fēng)的數(shù)量以及麥克風(fēng)陣列的外形和大小將限制波束成型器的效果，因此雖然抑制了不希望的音頻信號，但是不希望的音頻信號還是可聽見的?？稍谠O(shè)備中通過與處理來自單個麥克風(fēng)的接收到的音頻信號的相同的方式進(jìn)一步處理波束成型器的輸出，例如以便作為通信事件的一部分傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備。例如，波束成型器的輸出可作為輸入信號提供到設(shè)備中的回聲消除階段(echo cancellation stage)、自動增益控制(AGC)處理階段和單通道噪聲降低階段中的至少一個。確定與來自特定干擾源的特定干擾音頻信號相關(guān)的特定的到達(dá)麥克風(fēng)的方向可能是有用的。接著可能是有益的是，適配波束成型器的波束成型器系數(shù)以向從已知干擾的特定方向(例如干擾到達(dá)方向)接收到的音頻信號應(yīng)用更高等級的抑制。通過這種方式，可以降低對主要(或者期望的)音頻信號的干擾?？赏ㄟ^計算輸入音頻信號之間的互協(xié)方差(cross-covariance)來確定用于干擾源的到達(dá)方向，從而確定音頻信號的到達(dá)方向?；f(xié)方差指示多個麥克風(fēng)中接收到的音頻信號最高度相關(guān)的到達(dá)方向。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人認(rèn)識到使用現(xiàn)有技術(shù)中的互協(xié)方差方法，其中在麥克風(fēng)中接收多個音頻信號，對于在接收時具有微弱功率的音頻信號，更強的信號能支配互協(xié)方差的計算，因此可能無法成功地計算出微弱音頻信號的到達(dá)方向。例如，當(dāng)主揚聲器(也就是期望的音頻信號源)活動時，同時麥克風(fēng)中接收到來自干擾源的音頻信號，接著這個信號和麥克風(fēng)陣列的瑕疵將支配互協(xié)方差方法，因為主要揚聲器的功率支配互協(xié)方差估計。發(fā)明人進(jìn)一步認(rèn)識到僅僅當(dāng)期望的音頻信號源活動時才可能產(chǎn)生一些類型的干擾音頻信號。例如，在干擾音頻信號是來自主揚聲器的語音回響的情形下，根據(jù)定義只有當(dāng)揚聲器活動時才會產(chǎn)生該干擾音頻信號，在這種情況下，用于計算語音回響的到達(dá)方向的互協(xié)方差方法執(zhí)行不佳，這是因為來自主揚聲器的主要音頻信號支配麥克風(fēng)中接收到的音頻信號的功率。本發(fā)明的實施方式提供一種用于不使用以上所描述的現(xiàn)有技術(shù)中的互協(xié)方差方法而確定干擾音頻信號到達(dá)設(shè)備的干擾到達(dá)方向的方法和設(shè)備，即使當(dāng)主要音頻信號的功率大于設(shè)備中接收到的干擾音頻信號的功率時，該方法和設(shè)備也可指示干擾音頻信號的干擾方向。根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種處理設(shè)備中的信號的方法，該方法包括:在設(shè)備的輸入裝置中接收一角度范圍的信號，信號包括在到達(dá)輸入裝置的主到達(dá)方向接收到的主要信號和在到達(dá)輸入裝置的相應(yīng)的至少一個干擾到達(dá)方向接收到的至少一個干擾信號；為所述角度范圍的接收信號確定多個測量值(measurement)，每個測量值涉及特定角度，并指示從特定角度接收到的接收信號的能量；以及對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，基于如下各項中的最小值從用于那個角度的測量值中移除一個值:(i)用于那個角度的測量值，和(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)測量值，其中多個測量值的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。測量值提供在特定方向的接收到的信號的能量的指示。因此測量值可被用來指示設(shè)備中接收到比其他方向更大能量的方向。在優(yōu)選的實施方式中，確定多個測量值的步驟包括確定當(dāng)在所述角度范圍上操縱(steer)時被應(yīng)用到接收的信號的波束成型裝置的波束成型器輸出能量的范圍，從用于所述角度范圍內(nèi)的每個角度的測量值中移除值的步驟包括基于如下各項中的最小值從用于那個角度的波束成型器輸出能量中移除一個值:(i)用于那個角度的波束成型器輸出的能量；(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)的波束成型器輸出的能量，其中多個波束成型器輸出的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。在其他實施方式中，可以使用其他測量值(波束成型器輸出能量之外)來指示設(shè)備中從不同方向接收的能量。例如，測量值可以是指示接收到的信號之間作為接收到的信號的到達(dá)角度的函數(shù)的相關(guān)性的相關(guān)性測量值。在優(yōu)選實施方式中，所述信號是音頻信號，但在其他實施方式中，所述信號可以是其他類型的傳輸信號(諸如一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達(dá)信號、聲納信號、天線信號、無線電波或微波)。發(fā)明者認(rèn)識到如果沒有干擾信號，即在具有無窮大信噪比(SNR)的理論環(huán)境中，輸入裝置首先將接收到從期望源方向接收的主要信號，在確定多個波束成型器輸出后，波束成型器輸出的能量將圍繞主到達(dá)方向?qū)ΨQ地展開，如果應(yīng)用的波束成型器具有對稱的波束圖案(beampattern)的話。會發(fā)生這樣的情況部分是由于麥克風(fēng)的瑕疵，更重要的是由于輸入信號作為平面波到達(dá)的波束成型器假設(shè)，這是因為波束成型裝置不會將全部衰減應(yīng)用到它們操縱朝向的方向以外的其他方向。具體而言，主波瓣的寬度將導(dǎo)致靠近干擾源的角度還指示因該干擾源而產(chǎn)生的干擾。因此期望的信號源將對稱地存在于多個波束成型器輸出能量中。設(shè)備的輸入裝置中接收到的信號的多個波束成型器輸出能量的不對稱指示從遠(yuǎn)離主要信號的主到達(dá)方向的特定方向接收到的干擾信號。有利的是，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式從波束成型器輸出能量中移除對稱組分(symmetric contribution),使得剩余值強調(diào)設(shè)備中接收到的信號的不對稱。該方式強調(diào)干擾信號的干擾到達(dá)方向。在從波束成型器輸出能量中移除對稱組分之后，在波束成型器輸出能量中的剩余值對于從中接收到干擾信號的方向來說較高。本發(fā)明的實施方式有效地在以下兩種情況中使用，當(dāng)主要信號支配接收到的信號時的情況(也就是當(dāng)主要信號具有接收到的信號的最高功率時)，以及當(dāng)主要信號沒有支配接收到的信號的情況(也就是當(dāng)主要信號不具有接收到的信號的最高功率時)。這是因為主要信號將向波束成型器輸出能量提供對稱組分，因此根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法將其移除，以使得剩余波束成型器輸出的值僅包括干擾信號。然而，使用互協(xié)方差方法的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在主要信號支配接收到的信號時執(zhí)行特別差。因此本發(fā)明的實施方式特別適用于指示當(dāng)主要信號支配接收到的信號時的干擾到達(dá)方向。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用于處理信號的設(shè)備，該設(shè)備包括:用于在一角度范圍內(nèi)接收信號的輸入裝置，信號包括從到達(dá)音頻輸入裝置的主到達(dá)方向接收的主要信號以及從到達(dá)輸入裝置的相應(yīng)的至少一個干擾到達(dá)方向接收的至少一個干擾信號；用于為所述角度范圍的接收信號確定多個測量值的確定裝置，每個測量值涉及特定角度，并指示從特定角度接收到的接收信號的能量；和移除裝置，用于對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，基于如下各項中的最小值從用于那個角度的測量值中移除一個值:(i)用于那個角度的測量值，和(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)測量值，其中多個測量值的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供了一種用于處理在設(shè)備的輸入裝置中在一角度范圍內(nèi)接收到的信號的計算機程序產(chǎn)品，信號包括從到達(dá)輸入裝置的主到達(dá)方向接收的主要信號以及從到達(dá)輸入裝置的相應(yīng)的至少一個干擾到達(dá)方向接收的至少一個干擾信號；計算機程序產(chǎn)品被包含在非易失性計算機可讀媒介上，并且其被配置為當(dāng)在設(shè)備的處理器上執(zhí)行時執(zhí)行以下步驟:為一角度范圍的接收信號確定多個測量值，每個測量值涉及特定角度，并指示從特定角度接收到的接收信號的能量。對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，基于以下各項中的最小值從用于那個角度的測量值中移除一個值:(i)用于那個角度的測量值，和
(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)測量值，其中多個測量值的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。在優(yōu)選的實施方式中，該方法進(jìn)一步包括抑制在所述測量值的剩余值指示的至少一個干擾到達(dá)方向接收到的信號。該方法可進(jìn)一步包括通過分析接收到的信號來確定主到達(dá)方向。該方法可進(jìn)一步包括設(shè)置所述角度范圍以使得主到達(dá)方向處于所述角度范圍的中間。在優(yōu)選實施方式中，輸入裝置包括用于接收信號(例如音頻信號)的多個傳感器(例如麥克風(fēng))，該方法進(jìn)一步包括使用主要波束成型器以應(yīng)用波束成型器系數(shù)到接收到的信號，從而對在至少一個干擾到達(dá)方向接收到的信號應(yīng)用比在主到達(dá)方向接收到的信號更聞級別的抑制。在一些實施方式中，根據(jù)主要信號具有接收到的信號的最高功率的確定而執(zhí)行移除步驟。設(shè)備可以是電視機或計算機。用于計算來自多個角度的輸出能量的波束成型裝置可包括延遲并相加(delay-and-add)波束成型器，以及隨后被用來抑制干擾源的主要波束成型器可包括最小方差無失真響應(yīng)波束成型器。


為了更好地理解本發(fā)明以及為了顯示本發(fā)明如何實施，將通過示例方式參考以下附圖，其中:
圖1顯示根據(jù)優(yōu)選實施方式的設(shè)備的示意 圖2顯示根據(jù)優(yōu)選實施方式的系統(tǒng)；
圖3顯示根據(jù)優(yōu)選實施方式的設(shè)備的元件的功能框 圖4是根據(jù)優(yōu)選實施方式處理音頻信號的過程的流程 圖5a是作為到達(dá)方向的函數(shù)的延遲并相加波束成型器輸出能量的第一示 圖5b是在移除了對稱部分后的作為到達(dá)方向的函數(shù)的延遲并相加波束成型器輸出能量的第二示 圖6a是作為到達(dá)方向的函數(shù)的延遲并相加波束成型器輸出能量的第三示 圖6b是在移除了對稱部分后的作為到達(dá)方向的函數(shù)的延遲并相加波束成型器輸出能量的第四示 圖7顯示代表在一個實施方式中如何估計到達(dá)方向信息的圖示。
具體實施方式
以下將僅以示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。在本發(fā)明的以下實施方式中，描述了一些技術(shù)，其中將指示各個干擾信號的干擾到達(dá)方向?？梢钥紤]所指示的干擾到達(dá)方向而適配波束成型器的系數(shù)，從而抑制干擾信號。以下所描述的實施方式涉及信號是音頻信號的情況。然而，其他實施方式涉及信號是其他類型的傳輸信號(諸如一般寬帶信號、一般窄帶信號、雷達(dá)信號、聲納信號、天線信號、無線電波或微波)的情況。當(dāng)以比主要(或期望的)音頻信號更低的功率接收到干擾音頻信號時，這些技術(shù)尤其工作良好。一種確定音頻信號的到達(dá)方向的技術(shù)在多個不同方向上使用延遲并相加波束成型器，并選擇在輸出中具有最大能量的方向作為最活躍源(most activesource)的方向。該方法可與語音活動檢測器相組合以搜尋期望的揚聲器的方向，可以預(yù)先操控波束成型器面對所述方向。首先參見圖1，其示出了設(shè)備102的示意圖。設(shè)備102可以是固定或移動設(shè)備。設(shè)備102包括CPU 104，連接到CPU 104的有用于接收音頻信號的麥克風(fēng)陣列106、用于輸出音頻信號的揚聲器110、用于向設(shè)備102的用戶輸出可視數(shù)據(jù)的諸如屏幕的顯示器112以及用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器114?，F(xiàn)在參見圖2，其示出了設(shè)備102在其中操作的示例環(huán)境200。設(shè)備102的麥克風(fēng)陣列106從環(huán)境200接收音頻信號。例如，如圖2所示，麥克風(fēng)陣列106接收來自用戶202的音頻信號(圖2中標(biāo)示為屯)、來自另一個用戶204的音頻信號(圖2中標(biāo)示為d2)、來自風(fēng)扇206的音頻信號(圖2中標(biāo)示為d3)和來自墻208反射的用戶202的音頻信號(圖2中標(biāo)示為d4)。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，麥克風(fēng)陣列106還可接收除了圖2所示的音頻信號之外的其他音頻信號，例如麥克風(fēng)自身噪音。在如圖2所示的場景中，直接從用戶202到 達(dá)的音頻信號是期望的音頻信號，麥克風(fēng)陣列106中接收到的所有其他音頻信號都是干擾音頻信號。當(dāng)用戶202說話時從墻反射的信號增加回響到由麥克風(fēng)陣列106記錄的信號。在其他實施方式中，麥克風(fēng)陣列106中接收到的超過一個的音頻信號可以被認(rèn)為是“期望的”音頻信號，但是出于簡明的目的，在此處描述的實施方式中，僅有一個期望的音頻信號(也就是來自用戶202的音頻信號)，其他音頻信號都被認(rèn)為是干擾。圖
2顯示了作為干擾源的另一個用戶204、風(fēng)扇206或來自墻208的反射。其他不希望的噪聲信號源可包括例如空調(diào)系統(tǒng)和播放音樂的設(shè)備。當(dāng)在麥克風(fēng)陣列106接收到音頻信號后對其進(jìn)行處理時識別期望的音頻信號。在處理期間，基于語音類特征的檢測而識別期望的音頻信號，并且確定主揚聲器的主方向。圖
2顯示了從主方向Cl1到達(dá)麥克風(fēng)陣列106的作為期望的音頻信號源的主揚聲器(用戶202)。現(xiàn)在參見圖3，其示出了設(shè)備102的元件的功能表示。麥克風(fēng)陣列106包括多個麥克風(fēng)302^3(^和3023。設(shè)備102進(jìn)一步包括到達(dá)方向(DOA)估計塊303、波束成型器304和處理裝置306。可以以在CPU104上執(zhí)行的軟件方式實現(xiàn)或以在設(shè)備102內(nèi)的硬件方式來實現(xiàn)DOA估計塊303、波束成型器304和處理裝置306。麥克風(fēng)陣列106中的每個麥克風(fēng)的輸出耦合到DOA估計塊303的相應(yīng)輸入。將來自麥克風(fēng)的輸出從DOA估計塊303傳遞到波束成型器304。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了需要多個輸入以實現(xiàn)波束成型。圖3中所示的麥克風(fēng)陣列106具有三個麥克風(fēng)(302^3022和3023)，但是將理解的是這些數(shù)量的麥克風(fēng)僅是示例，并不以任何方式作為限制。DOA估計塊303和波束成型器304包括用于從麥克風(fēng)陣列106的麥克風(fēng)接收并處理音頻信號的裝置。例如，DOA估計塊303可包括語音活動檢測器(VAD)。在操作中，波束成型器304確定由麥克風(fēng)陣列106接收到的音頻信號的特性，并且基于由VAD和DOA估計塊303執(zhí)行的語音類質(zhì)量檢測,主揚聲器的一個或多個主方向被確定。在其他實施方式中，可預(yù)先設(shè)置主揚聲器的主方向以供波束成型器304使用，以使得波束成型器304聚焦到固定方向。在圖2所示的例子中，從用戶202接收到的音頻信號(Cl1)的方向被確定為主方向。波束成型器304使用DOA信息以通過形成在麥克風(fēng)陣列106中接收到期望信號的主方向(Cl1)上具有高增益，而在干擾源方向上具有低增益的波束而處理音頻信號。如果波束成型器304知道干擾到達(dá)方向((12、(13和d4)，那么可向從那些干擾到達(dá)方向接收到的音頻信號應(yīng)用特別低的增益，從而更好地抑制干擾音頻信號。盡管以上已描述了波束成型器304可確定任意數(shù)量的主方向，但是所確定的主方向的數(shù)量影響波束成型器的特性，例如，對于大量的主方向，波束成型器304將能夠應(yīng)用比僅僅確定了單個主方向的情形更少的衰減在麥克風(fēng)陣列中從其他(不希望的)方向接收到的信號上。將波束成型器304的輸出以將要處理的單個通道的形式提供到設(shè)備102的其他處理裝置。當(dāng)然輸出超過一個通道也是有可能的，例如為了維持或虛擬地生成立體圖像。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了在設(shè)備102中可通過多種不同方式來使用波束成型器304的輸出。例如，波束成型器304的輸出可被用作用戶202使用設(shè)備102正在參與的通信事件的一部分。波束成型器304的輸出可遭受進(jìn)一步的信號處理(諸如自動增益控制、噪聲抑制和/或回聲消除)。這些進(jìn)一步的信號處理的細(xì)節(jié)超出了本發(fā)明的范圍，因此在此處沒有給出進(jìn)一步的信號處理的詳情，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到可以在設(shè)備102中處理波束成型器304的輸出的多種方式。波束成型器304的輸出被傳遞到處理裝置306。處理裝置306可以分析來自波束成型器304的輸出并控制波束成型器304，從而適配由波束成型器304應(yīng)用到從麥克風(fēng)陣列106的麥克風(fēng)302^3022和3023接收到的音頻信號的波束成型器系數(shù)。如果在環(huán)境200中不存在干擾，從而由麥克風(fēng)陣列106接收到的唯一音頻信號是來自用戶202的期望的音頻信號，那么麥克風(fēng)陣列106中接收到的音頻信號的能量分布在以期望信號的方向為中心的在一個角度范圍內(nèi)將會是對稱的。因此，沒有干擾的話，當(dāng)以相對于期望麥克風(fēng)的主方向的特定角度接收時，主方向所創(chuàng)建的音頻信號的能量將等于具有相對應(yīng)角度但是處于期望麥克風(fēng)的主方向的相對側(cè)(也就是圍繞主到達(dá)方向鏡像的角度)的相對應(yīng)的音頻信號的能量。這意味著，沒有干擾的話，因為輸入音頻信號以及所應(yīng)用的波束成型器的完美對稱性，延遲并相加波束成型器的輸出在特定角度和鏡像角度中具有相同能量。這意味著如果完全沒有干擾源，波束成型器304的輸出在一個角度范圍內(nèi)的空間能量分布將圍繞主到達(dá)方向?qū)ΨQ。在本發(fā)明的實施方式中，通過在所有角度從波束成型器輸出能量中減去來自該角度本身的能量和圍繞期望的揚聲器的主方向鏡像的能量中的最小值而移除波束成型器輸出能量在所述角度范圍內(nèi)的空間對稱組分。利用在任何環(huán)境(例如環(huán)境200)中通?？梢姷耐昝缹ΨQ性的缺失來確定干 擾音頻信號的方向。有利的是，在減法之后的剩余波束成型器輸出能量的值清楚地識別麥克風(fēng)陣列106中接收到的干擾音頻信號的方向。例如，干擾音頻信號可以是導(dǎo)致回響的反射(例如圖2中標(biāo)示為d4的墻208的反射)，或者可以是來自與期望的揚聲器202空間分離的其他噪聲源(例如用戶204和風(fēng)扇206)的任何其他干擾音頻信號。盡管本發(fā)明的實施方式確實有助于指示這些其他干擾音頻信號(例如用戶204和風(fēng)扇206)的方向，但是他們特別有助于確定回響(諸如來自墻208的音頻信號)的主要貢獻(xiàn)來源(contributor)的方向，這是因為使用其他方式這個干擾音頻信號(d4)很難(例如使用以上所述的互協(xié)方差方法)來識別，因為來自用戶202的語音的更高能量在從揚聲器202到麥克風(fēng)陣列106的主要/直接路徑(dl)上來回移動(traverse)。參見圖4，現(xiàn)在描述根據(jù)優(yōu)選實施方式的處理音頻信號的方法。在步驟S402，在麥克風(fēng)陣列106的麥克風(fēng)(302^3022和3023)中接收音頻信號。例如，從如圖2所示的用戶202、用戶204、風(fēng)扇206和墻208接收音頻信號。麥克風(fēng)陣列106的麥克風(fēng)(302^3(^和3023)中還可接收到諸如背景噪聲的其他干擾音頻信號。由麥克風(fēng)陣列106的每個麥克風(fēng)(302^3022和3023)接收到的音頻信號被傳遞到波束成型器304。在步驟S404，確定來自用戶202的期望的音頻信號的主到達(dá)方向?？赏ㄟ^分析音頻信號以確定語音信號具有最強相關(guān)性的角度而實現(xiàn)步驟S404的操作，以下參照圖7對其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在步驟S406，處理裝置306確定來自波束成型器304的波束成型器輸出，因為波束成型器是在所述角度范圍內(nèi)操縱的。通過這樣的方式，處理裝置306可從接收到的音頻信號中提取空間信息，并且可以確定波束成型器輸出的能量如何隨著角度變化。顯示波束成型器輸出的能量如何作為角度的函數(shù)而變化的圖示的示例在圖5a和圖6a中顯示，以下將對其進(jìn)行詳細(xì)描述。處理裝置306可在所述角度范圍內(nèi)操縱波束成型器304，從而確定所述角度范圍內(nèi)的波束成型器輸出。在步驟S407，處理裝置306處理來自波束成型器304的波束成型器輸出，以使得對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，可以計算輸出信號的能量。在步驟S408，處理裝置306處理來自波束成型器304的波束成型器輸出，以使得對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，從用于那個角度的波束成型器輸出能量中移除是以下各項中的最小值的值:(i)用于那個角度的波束成型器輸出的能量；和(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對 應(yīng)波束成型器輸出的能量。在一些實施方式中，基于(但是可以等于或者可以不等于)以下各項中的最小值:(i)用于那個角度的波束成型器輸出的能量，和(i i )用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)波束成型器輸出的能量來移除能量。例如，可隨時間來平滑能量分布?？商鎿Q地或附加地，可隨時間來平滑作為結(jié)果產(chǎn)生的能量分布。所有這些都減低了隨機波動的不利效果。在步驟S408移除了信號值之后，波束成型器輸出的范圍中的剩余信號值指示來自干擾源(204、206和208)的干擾音頻信號的到達(dá)方向。在步驟S410，處理裝置306從波束成型器輸出的范圍中的剩余信號值確定干擾到達(dá)方向。圖5a至6b提供步驟S408對于波束成型器輸出能量的效果的實驗結(jié)果。圖5a顯示了當(dāng)以O(shè)角度從主到達(dá)方向接收到來自用戶202的期望的語音信號時，作為到達(dá)方向的函數(shù)的延遲并相加波束成型器輸出能量的圖示。圖5a是在步驟S406中執(zhí)行的確定從-90度至90度的角度范圍內(nèi)的波束成型器輸出的結(jié)果。如圖5a中可見的，在O度(也就是主到達(dá)方向)的音頻信號最強，這指示主要音頻信號(來自用戶202的語音)支配接收到的音頻信號，并且麥克風(fēng)陣列106中接收到的干擾音頻信號具有比主要音頻信號更低的功率。然而，如從圖5a可見的，接收到的音頻信號的能量分布不是圍繞O度完全對稱的。當(dāng)波束成型器304被操縱朝向右側(cè)(也就是在圖中的正角度)時的波束成型器輸出具有比波束成型器304被操縱朝向左側(cè)(也就是圖中的負(fù)角度，也就是相對一側(cè))時更高的能量。例如，波束成型器輸出在40度具有略低于4.44 χ 108dB的能量，而波束成型器輸出在-40度具有略低于4.42 χ 108dB的能量。這樣的不對稱性是由于在麥克風(fēng)陣列106中從正角度接收到比從負(fù)角度接收到的干擾更高等級的干擾。在使用中，可以操縱波束成型器304，以使得波束成型器304的角度范圍具有O度的主到達(dá)方向。相比于被設(shè)置為使得主方向偏離O度的波束成型器304，具有O度的主到達(dá)方向的波束成型器304 —般提供更簡單的波束成型處理。然而，在具有超過一個主到達(dá)方向(也就是超過一個的期望的音頻信號)的情況下，在優(yōu)化設(shè)置中，可將波束成型器304的至少一些主到達(dá)方向設(shè)置為偏離O度。波束成型器304的系數(shù)可適配來聚焦于從超過一個方向接收到的音頻信號，從而聚焦到超過一個的主到達(dá)方向。圖5b顯示了步驟S408的結(jié)果，其中處理裝置306處理如圖5a所示的來自波束成型器304的波束成型器輸出，以使得對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，基于以下各項中的最小值從用于那個角度的波束成型器輸出能量中移除一個值:(i)用于那個角度的波束成型器輸出的能量；(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)波束成型器輸出的能量。在一個理想的場景中，其中麥克風(fēng)陣列106中沒有接收到干擾音頻信號，則圖5b所示的圖示在零能量處將完全平坦，這是因為所有接收到的音頻信號將圍繞主到達(dá)方向?qū)ΨQ，并且因而將被全部移除。圖5b清楚地顯示了更高等級的干擾從右手側(cè)(也就是正角度)到達(dá)，并且似乎顯示了最大干擾來自90度的角度。在理論上來說，如果步驟S408移除了在每個角度中如下各項中的最小值的確切能量:(i )用于那個角度的波束成型器輸出的能量；和(i i )用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)波束成型器輸出的能量，那么可以預(yù)計圖5b的左手側(cè)(也就是負(fù)角度)將位于零等級，并且可以預(yù)計圖5b的右手側(cè)(也就是正角度)具有正的值，而峰值位于對應(yīng)于干擾音頻信號的干擾到達(dá)方向的角度。然而，圖5b顯示了對波束成型器輸出能量應(yīng)用了時間平滑的實際試驗結(jié)果，并且作為結(jié)果在負(fù)值處的能量并非完全等于零。然而，圖5b指示干擾音頻信號的干擾到達(dá)方向，并且似乎指示干擾到達(dá)方向位于90度。替代僅檢測一個干擾角度，可使用如圖5b所示的值來縮放正則化噪聲(regularization noise)?？苫谡齽t化噪聲來控制抑制程度，以使得向整個右側(cè)增加較強抑制，從而保證對干擾源的顯著抑制。圖6a顯示了當(dāng)從45度的干擾到達(dá)方向接收到來自用戶204的干擾語音信號時，作為到達(dá)方向的函數(shù)的延遲并相加波束成型器輸出能量的圖示。圖6a是在步驟S406中執(zhí)行的確定從-90度至90度的角度范圍內(nèi)的波束成型器輸出能量的結(jié)果。如圖6a中可見的，在45度(也就是干擾到達(dá)方向)音頻信號最強，其指示干擾音頻信號(來自用戶204的語音)支配接收到的音頻信號。因此，如圖6a所示的接收到的音頻信號的空間分布并非圍繞O度對稱。圖6b顯示了步驟S408的結(jié)果，其中處理裝置306處理如圖6a所示的來自波束成型器304的波束成型器輸出，以使得對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，基于以下各項中的最小值從用于那個角度的波束成型器輸出能量中移除一個值:(i)用于那個角度的波束成型器輸出的能量，和(i i )用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)波束成型器輸出的能量。圖6b顯示了對波束成型器輸出應(yīng)用平滑的實際試驗結(jié)果。如圖6b所示的波束成型器輸出能量隨著角度增加超過45度而保持升高。這是因為麥克風(fēng)的數(shù)量如此少以至于處于干擾之一旁邊的角度的波束成型器的主波瓣包括大量來自干擾源的組分。對于數(shù)量少的麥克風(fēng)，該次優(yōu)性差別不大，因為我們大多只能抑制一側(cè)或另一側(cè)，對于陣列中更多數(shù)量的麥克風(fēng)，主波瓣將更窄，因而這將導(dǎo)致輸出能量中具有更少的干擾拖尾效應(yīng)(smearing)。圖6b清楚地顯示了更高等級的干擾從右手側(cè)(也就是從正角度)到達(dá)，其指示干擾音頻信號的干擾到達(dá)方向?；氐綀D4，一旦在以上所述的步驟S410中確定了干擾音頻信號的干擾到達(dá)方向，接著在步驟S412中，處理裝置306適配波束成型器304以抑制從確定的干擾到達(dá)方向接收到的干擾音頻信號。在這個意義上，處理裝置306適配由波束成型器304應(yīng)用到接收到的音頻信號上的波束成型器系數(shù)。波束成型器系數(shù)描述作為在麥克風(fēng)陣列106中接收音頻信號的角度的函數(shù)的衰減，波束成型器304將其應(yīng)用到音頻信號。適配波束成型器系數(shù)以使得向麥克風(fēng)陣列106中從確定的干擾到達(dá)方向接收到的音頻信號應(yīng)用更高等級的抑制。在步驟S414，波束成型 器輸出處理后的音頻信號以用于在設(shè)備102中做進(jìn)一步處理。在步驟S412中的波束成型器系數(shù)的適配通過降低波束成型器輸出中的干擾而提高了波束成型器輸出中的主要音頻信號的質(zhì)量。在一個例子中，波束成型器304是最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)波束成型器，在不失真麥克風(fēng)陣列106中從主到達(dá)方向接收到的主要音頻信號的約束下，其最小化波束成型器304的輸出的能量。由波束成型器304和/或處理裝置306執(zhí)行到達(dá)方向(DOA)估計操作以確定來自用戶202的語音信號的主到達(dá)方向，以下將參照圖7對其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。由DOA估計塊303通過如下操作估計DOA信息:例如使用相關(guān)方法來估計在麥克風(fēng)陣列106的多個麥克風(fēng)中接收到的音頻信號之間的時間延遲，以及使用關(guān)于麥克風(fēng)陣列106的多個麥克風(fēng)302^3022和3023的位置的先驗知識來估計音頻信號源。作為一個例子，圖7顯示了從主要音頻源202接收兩個單獨輸入通道上的音頻信號的麥克風(fēng)陣列106的麥克風(fēng)302i和3022。為了便于理解，圖5顯示了一個點源202，其中聲波以圓周運動方式遠(yuǎn)離源202傳播。在真實情況下就是這樣的，但是以下所示的公式假設(shè)在麥克風(fēng)302i和3022中將接收到的音頻信號作為平面波來接收。當(dāng)點源202離麥克風(fēng)302!和3022足夠遠(yuǎn)時，這樣的假設(shè)是好的假設(shè)?？墒褂霉?I)在平面波的假設(shè)下估計音頻信號到達(dá)以距離d分離的麥克風(fēng)302i和3022的方向:
^.(TnIJ^
Θ = arc sm(I)
Id J
其中V是聲速，&是來自主要源202的音頻信號到達(dá)麥克風(fēng)302i和3022的時間之間的差，也就是時間延遲。距離d是麥克風(fēng)陣列106的已知參數(shù)，聲速V也是已知的(大致為340m/s)。時間延遲匕作為最大化麥克風(fēng)302i和3022的輸出中接收到的主要音頻信號之間的互相關(guān)性的時間標(biāo)簽而被獲得。接著可使用以上給出的公式(I)得到相應(yīng)于該時間延遲的角度5?？稍谝宰畲蠡ハ嚓P(guān)性的延遲接收到的音頻信號中檢測語音特征以確定主揚聲器的一個或多個主方向。
可以明了的是，計算信號的互相關(guān)性是信號處理領(lǐng)域的公知技術(shù)，此處不對其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在優(yōu)選的實施方式中，無論何時來自用戶202的具有主到達(dá)方向的期望的語音信號支配輸入信號的時候，也就是說，無論何時在從波束成型器輸出的范圍內(nèi)減去任何值之前的最大能量是來自延遲并相加波束成型器在O度的輸出的時候，根據(jù)以上所述方法的干擾到達(dá)方向的確定都是激活。在這些條件下，該方法特別有用，例如用于確定語音信號的回響的到達(dá)方向。如上所述，本發(fā)明的實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)的具體優(yōu)點在于用于干擾源的到達(dá)方向的清楚識別，并且期望的揚聲器的聲音反射的方向的識別是其特定的強項。在以上所述的實施方式中，DOA估計塊303和處理裝置306被顯示為與波束成型器304分離的元件，但在可替換的實施方式中，DOA估計塊303、處理裝置306和波束成型器304可實現(xiàn)為設(shè)備102內(nèi)的單個單元?？芍芷谛缘貓?zhí)行步驟S404至S412以確保波束成型器304的系數(shù)被如此適配，從而正確地抑制麥克風(fēng)陣列106中當(dāng)前接收到的干擾音頻信號。盡管在以上所述的實施方式以及如圖3所示都僅使用了一個波束成型器304，都是在其他實施方式中，可以使用兩個或多個波束成型器。在一個例子中，可以使用主要波束成型器(例如最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)波束成型器)來處理接收到的音頻信號，從而提供輸出以用于在設(shè)備102中做進(jìn)一步處理，而在步驟S406至S410中可使用次要波束成型器(例如延遲并相加波束成型器)來確定干擾音頻信號的干擾方向。在這個例子中，當(dāng)在所述角度范圍上操縱時，處理裝置306將接收來自次要波束成型器的波束成型器輸出，并且使用這些波束成型器輸出來確定干擾到達(dá)角度(在步驟S408和S410中)，但是接著處理裝置306將適配主要波束成型器的系數(shù)(在步驟S412中)，以使得在傳遞主要波束成型器的波束成型器輸出以供在設(shè)備102中做進(jìn)一步處理之前，將正確的波束成型器系數(shù)應(yīng)用到波束成型器的接收音頻信號以抑制干擾音頻信號。如上所述，可將DOA估計塊303、波束成型器304和處理裝置306實現(xiàn)為在CPU 104上執(zhí)行的軟件或?qū)崿F(xiàn)為設(shè)備102中的硬件。當(dāng)DOA估計塊303、波束成型器304和處理裝置306實現(xiàn)為軟件時，可通過包含在非瞬態(tài)計算機可讀媒介上的計算機程序產(chǎn)品的方式來提供DOA估計塊303、波束成型器304和處理裝置306，該計算機程序產(chǎn)品被配置為當(dāng)在設(shè)備102的CPU 104上執(zhí)行時，執(zhí)行以上所述的DOA估計塊303、波束成型器304和處理裝置306的功能。雖然以上所述的實施方式提及了從單個用戶202接收一個期望的音頻信號(屯)的麥克風(fēng)陣列106，但是可以理解的是麥克風(fēng)陣列106可接收來自多個用戶的音頻信號，例如在可以全部都被視為期望的音頻信號的會議呼叫中。在該場景中，多個希望音頻信號源到達(dá)麥克風(fēng)陣列106。雖然以上所述的實施方式提及了使用波束成型器輸出，但是還可以使用指示每個特定角度的接收信號的能量的其他測量值。在任何合適的測量值中的空間不對稱性將指示干擾信號的到達(dá)方向，這是因為在測量值中主要信號看起來是對稱的。以上所述的波束成型器輸出僅是合適的相關(guān)性測量值的一個例子。其他可用量度的例子是互相關(guān)性系數(shù)、互協(xié)方差系數(shù)、相干性和互相關(guān)性以及基于以上的一個或多個的任何量度。此外，雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施方式特別地顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以做出各種形式或細(xì)節(jié)上的改變而不脫離于由所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在設(shè)備(102)中處理信號的方法,所述方法包括: 在所述設(shè)備(102)的輸入裝置(106)處在一個角度范圍上接收信號，所述信號包括在到達(dá)所述輸入裝置(106)的主到達(dá)方向接收到的主要信號和在到達(dá)所述輸入裝置(106)的相應(yīng)的至少一個干擾到達(dá)方向接收到的至少一個干擾信號； 確定用于所述角度范圍上接收到的信號的多個測量值，每個測量值涉及特定角度，并且指示從所述特定角度接收到的所述接收信號的能量；和 對于所述角度范圍的每個角度，基于以下各項中的最小值從用于那個角度的所述測量值中移除一個值:(i)用于那個角度的測量值，和(ii)用于圍繞所述主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)測量值，其中所述多個測量值的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括抑制從由所述測量值的剩余值指示的所述至少一個干擾到達(dá)方向接收到的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，進(jìn)一步包括以下的至少一個:(i)通過分析接收到的信號來確定所述主到達(dá)方向，和(ii )設(shè)置所述角度范圍以使得所述主到達(dá)方向位于所述角度范圍的中間。
4.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的方法，其中確定多個測量值的步驟包括當(dāng)在所述角度范圍上操縱時，確定將應(yīng)用到所述接收到的信號的波束成型裝置(304)的波束成型器輸出的范圍，和 其中從用于所述角度范圍內(nèi)的每個角度的測量值中移除一個值的步驟包括基于以下各項中的最小值從用于那個角度的所述波束成型器輸出能量中移除一個值:(i)用于那個角度的所述波束成型器輸出的能量，和(ii)用于圍繞所述主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)波束成型器輸出的能量，其中所述多個波束成型器輸出的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其中所述測量值是指示作為接收信號的角度的函數(shù)的接收信號的相關(guān)性的相關(guān)性測量值。
6.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述輸入裝置(106)包括用于接收所述信號的多個傳感器(302)，并且所述方法進(jìn)一步包括使用主要波束成型器以對接收到的信號應(yīng)用波束成型器系數(shù)，從而對在所述至少一個干擾到達(dá)方向接收到的信號應(yīng)用比在所述主到達(dá)方向接收到的信號更高等級的抑制。
7.一種用于處理信號的設(shè)備(102)，所述設(shè)備(102)包括: 輸入裝置(106)，用于在一個角度范圍內(nèi)接收信號，所述信號包括在到達(dá)所述輸入裝置(106)的主到達(dá)方向接收到的主要信號和在到達(dá)所述輸入裝置(106)的相應(yīng)的至少一個干擾到達(dá)方向接收到的至少一個干擾信號； 確定裝置，用于確定用于所述角度范圍內(nèi)接收到的信號的多個測量值，每個測量值涉及特定角度，并且指示從所述特定角度接收到的所述接收信號的能量；和 移除裝置，用于對于所述角度范圍的每個角度，基于以下各項中的最小值從用于那個角度的所述測量值中移除一個值:(i)用于那個角度的測量值，和(ii)用于圍繞所述主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)測量值，其中所述多個測量值的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述輸入裝置(106)包括用于接收所述信號的多個傳感器(302)，并且其中所述設(shè)備(102)包括用于應(yīng)用波束成型器系數(shù)到接收到的信號的主要波束成型器(304)，從而對在所述至少一個干擾到達(dá)方向接收到的信號應(yīng)用比在所述主到達(dá)方向接收到的信號更高等級的抑制，其中所述主要波束成型器(304)包括最小方差無失真響應(yīng)波束成型器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其中所述信號是音頻信號，并且所述輸入裝置(106)包括用于接收所述音頻信號的多個麥克風(fēng)(302)。
10.一種用于處理在設(shè)備(102)的輸入裝置(106)中在一個角度范圍上接收到的信號的計算機程序產(chǎn)品，所述信號包括在到達(dá)所述輸入裝置(106)的主到達(dá)方向接收到的主要信號和在到達(dá)所述輸入裝置(106)的至少一個干擾到達(dá)方向接收到的至少一個干擾信號；所述計算機程序產(chǎn)品包含在非瞬態(tài)計算機可讀媒介上，并且被配置為當(dāng)在所述設(shè)備(102)的處理器(104)上執(zhí)行時，執(zhí)行 權(quán)利要求1至6中任何一項的步驟。
全文摘要
公開了一種用于在設(shè)備中處理信號的方法、設(shè)備和計算機程序產(chǎn)品。在設(shè)備的輸入裝置中，信號在一角度范圍上接收，信號包括在到達(dá)輸入裝置的主到達(dá)方向接收到的主要信號和在到達(dá)輸入裝置的相應(yīng)的至少一個干擾到達(dá)方向接收到的至少一個干擾信號。為所述角度范圍上接收到的信號確定多個測量值，每個測量值涉及特定的角度，并指示從該特定角度接收到的接收信號的能量。對于所述角度范圍內(nèi)的每個角度，從用于那個角度的測量值中移除一個值，該值基于以下各項中的最小值(i)用于那個角度的測量值的能量，和(ii)用于圍繞主到達(dá)方向鏡像的相對應(yīng)角度的相對應(yīng)測量值的能量，其中多個測量值中的剩余值指示所述至少一個干擾到達(dá)方向。
文檔編號G10L21/02GK103117064SQ201210367888
公開日2013年5月22日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者K.索倫森 申請人:斯凱普公司