具有端射麥克風(fēng)陣列的頭戴式耳機以及端射陣列的自動校準(zhǔn)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明在一個實施例中設(shè)及雙麥克風(fēng)端射(end firing)陣列。標(biāo)準(zhǔn)頭戴式耳機包 括具有麥克風(fēng)拾音器臂的耳杯(ear cup)。在本發(fā)明的實施例中，兩個麥克風(fēng)被附著到耳杯 并且被配置為端射陣列。端射陣列使用自適應(yīng)頻譜方法和頻譜減法來抑制不想要的聲音。 根據(jù)第二實施例，提供了端射麥克風(fēng)陣列的自動校準(zhǔn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列的【背景技術(shù)】
[0003] 當(dāng)前端射實現(xiàn)方式在麥克風(fēng)陣列的指向性圖案(directivity pattern)中創(chuàng)建了 定向零位(null)。在反射環(huán)境中，噪音源可能不會來自單一方向。因此，需要有效且簡單的 系統(tǒng)和方法來提高對期望的音頻信號的拾取。
[0004] 在具有兩個或更多麥克風(fēng)的系統(tǒng)(該系統(tǒng)具有后續(xù)信號處理）中，可能需要麥克風(fēng) 的適當(dāng)平衡W使得后續(xù)信號處理在設(shè)計參數(shù)內(nèi)執(zhí)行。針對平衡問題的現(xiàn)有解決方案是:a) 對匹配的麥克風(fēng)進行仔細(xì)選擇;或者b)通過注入診斷音調(diào)、測量、和永久存儲補償系數(shù)來手 動校準(zhǔn)。相反地，本發(fā)明的實施例介紹了對被安排在將結(jié)合已知位置中的輸入源使用的已 知配置中的不匹配麥克風(fēng)對(例如，頭戴式耳機對)的自動且連續(xù)校準(zhǔn)。
[0005] 標(biāo)準(zhǔn)頭戴式耳機包括一個(或兩個)耳杯和麥克風(fēng)拾音器臂。該臂將麥克風(fēng)置于用 戶的嘴的前面，并且拾取用戶的語音和背景噪聲。使麥克風(fēng)靠近佩戴者的嘴允許用戶的語 音優(yōu)先于大部分背景聲音被聽到。缺點在于佩戴運些頭戴式耳機可能是惱人的。
[0006] 參考信號
[0007] 在本申請中，我們提出了將麥克風(fēng)置于頭戴式耳機的耳杯來替代麥克風(fēng)臂的方 法。為減少背景噪聲并提升近場語音拾取，我們使用端射雙麥克風(fēng)陣列。運些麥克風(fēng)被配置 為產(chǎn)生兩個屯、型陣列。后向屯、型曲線的零點被定為指向期望的信號的方向并且前向屯、型曲 線的零點在相反的方向。后向屯、型信號被用作參考信號來確定與前向屯、型信號的任何相似 之處。我們?nèi)缓笤谥狼跋蛲汀⑿托盘柺前苯釉捳Z的唯一信號的情況下減去任何相似之 處。我們使用基于頻率的自適應(yīng)方法來估計運些相似之處，僅在未檢測到直接話語時進行 自適應(yīng)更新。對于殘余抑制，我們使用頻譜減法。頻譜減法還在檢測到話語時被用來移除背 景噪聲。
[000引端射算法
[0009] 端射陣列已經(jīng)被用于藍(lán)牙頭戴式耳機和助聽器中來拾取用戶的語音同時有助于 抑制背景噪聲。在本節(jié)中，我們回顧一些當(dāng)前的方法。一種方法能夠被描述為零位形成 (nuU-化rming)方案，其中指向性圖案中的零位被導(dǎo)向噪聲源的方向。然而，另一方法是從 陣列產(chǎn)生噪聲參考信號，然后從期望的信號中減去噪聲參考信號。我們通過邊使用屯、型陣 列邊討論該陣列來開始。
[0010] 屯、型曲線
[0011] 兩個全向麥克風(fēng)能夠被用于通過向其中之一添加延遲τ來創(chuàng)建定向麥克風(fēng)。例如， 在圖1中，端射陣列100包括之間相隔距離d的前向麥克風(fēng)301和后向麥克風(fēng)302。延遲塊303 被用于創(chuàng)建定向麥克風(fēng)。如果我們考慮來自方向0的平面聲波扣(*)6^"1^<'^，則對于相距距 離d的兩個全向麥克風(fēng)而言，它們的壓力差為
[001引如果我腿延遲τ - ，其中C為聲速，d為麥克風(fēng)之間的距離，貝峨照到圖2A中 C 所示的指向性圖案（屯、型曲線）。通過改變延遲τ，我們獲得了不同指向性圖案，參見圖2B和 圖2C，其中對于圖2Β，T = d/3c(超屯、型曲線化ypercardioid))，對于圖2C，T = 2d/3c(超級屯、 型曲線（supercardioid))。從運些圖我們可W發(fā)現(xiàn)通過改變τ，我們能夠改變零位的位置。 因此，如果我們知道聲音(噪聲)來自固定的方向并且想要對其進行抑制，則我們能夠調(diào)整τ 的值來將零位移動到該方向。使用延遲和求和來創(chuàng)建定向麥克風(fēng)是已知的。
[0016] 我們發(fā)現(xiàn)我們能夠通過調(diào)整延遲來將零位導(dǎo)向某一方向。在數(shù)字系統(tǒng)中，運將會 要求我們實現(xiàn)分?jǐn)?shù)插值器，如果我們使用兩個全向麥克風(fēng)來形成前向和后向雙麥克風(fēng)端射 陣列則可W避免運樣，參見圖3。除增益塊"b"外，還使用了兩個延遲塊104和105。例如，設(shè)
[0017] y(t) =ci(t)-b*C2(t) [2.4]
[001引則對于b = l，我們得到圖4A。隨著我們在0非。.0的區(qū)間內(nèi)改變b，我們能夠在V 2<θ^π之間調(diào)整零位角Θ的位置。在數(shù)字系統(tǒng)中，改變增益比分?jǐn)?shù)延遲容易些。（圖4示出了 對于b=1.0(圖4A);b = 0.75(圖4B);b = 0.5(圖4C);和b = 0.25(圖4D)的前向和后向屯、型曲 線)。
[0019]如果我腿τ= ^則前向和后向屯、型信號的表達(dá)式為
、. 一
[0022] 其中k是波數(shù)k=w/c。
[0023] 在圖5中，我們示出了調(diào)整等式2.4中的參數(shù)b的值的自適應(yīng)信號處理方法。圖5示 出了自適應(yīng)前后雙麥克風(fēng)301、302;延遲塊304、305; W及自適應(yīng)增益調(diào)整塊308。期望的信 號被包含在前向屯、型陣列中而不在后向屯、型陣列中。但是前向屯、型陣列包含話語和環(huán)境噪 聲，而后向屯、型陣列包含環(huán)境噪聲和反射的話語。為降低環(huán)境噪聲，我們能夠找到y(tǒng)和cr之 間的互相關(guān)，參見等式2.4。我們能夠使用已知歸一化最小均方(LMS)來運樣做。運種歸一化 自適應(yīng)方法通過使用最速下降（Steepest Descent)方法找到最小值來減小最小均方E (y2)。也就是說，對可調(diào)整參數(shù)做出小的改變來降低E(y2)。在等式2.4中，我們僅有一個參數(shù) b要調(diào)整，W降低y和cr之間的互相關(guān)。歸一化自適應(yīng)方法通過將W下更新用于b來減小最小 均方E(y2)
[0024]
[0025] 其中，μ是小參數(shù)，Σ (cr2)是cr的平均平滑乘方。在上面的方法中，我們具有單一 參數(shù)b，我們可W改變此單一參數(shù)bW降低環(huán)境噪聲。如果我們對信號進行帶通濾波，W比如 說創(chuàng)建8個頻帶，則我們可W使用8個系數(shù)b〇、bi、……、67，并且將1^15算法2.7用于每個頻帶 來調(diào)整bi，來提高抑制。該方法能夠被用于在每個頻帶中創(chuàng)建零位。
[0026] 在圖6中，我們示出了針對四個不同角方向θ = 0°、30°、60°和90°的頻率掃描的范 圍（參見602、604、606和608)。圖6示出了對于T = d/c并且θ = 〇°、30°、60°和90°的幅度的變 化。因此，隨著發(fā)言者移出拾音器指向性圖案的波瓣，信號被抑制。從運些掃描圖我們看到 通過均衡該麥克風(fēng)信號，我們保留了該定向行為，全部曲線具有相同的恒定斜率。如從圖6 中可見屯、型信號表現(xiàn)為高通。為補償該行為，我們通過創(chuàng)建屯、型信號高通行為的鏡像來均 衡麥克風(fēng)信號。圖7示出了對于屯、型信號的補償，運是在圖5中標(biāo)注為濾波器511的塊中實現(xiàn) 的(也參見等式2.5)。
[0027] 全部麥克風(fēng)具有一些殘余噪聲，并且通過均衡該屯、型端陣列，該殘余噪聲會被放 大。麥克風(fēng)被放置地越靠近，則需要的放大越大。如果我們使麥克風(fēng)之間的距離從1cm加倍 到2cm(例如，我們增大屯、型信號約6dB)，則需要較低的均衡增益。但是由于延遲τ是由采樣 率確定的，為簡便起見，麥克風(fēng)分開距離為T*c，其中C為聲速。
[0028] 到現(xiàn)在為止，我們假設(shè)麥克風(fēng)具有理想的平坦響應(yīng)。但運遠(yuǎn)非真實的，有時需要補 償運種變化性的方法。麥克風(fēng)制造商一般規(guī)定Ik化的靈敏度，并且提供了約為該值或低于 該值的變化性的包絡(luò)線。對于一些頻率值，該變化性可能超出10地，并且運將會顯著影響對 屯、型指向圖的抑制的效果。在后面的章節(jié)中，我們將描述匹配多個不同頻帶中的麥克風(fēng)的 方法和用于抑制不想要的噪聲的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了有效且簡單的系統(tǒng)。根據(jù)一個實施例，后向和前向 屯、型信號的能量被用于確定自適應(yīng)濾波器是否應(yīng)當(dāng)被更新。多相濾波器組將前向和后向屯、 型信號分成