[发明专利]用于声束形成的设备和方法

说明书

本发明涉及用于声束形成的设备和方法，并且尤其涉及但不是唯一涉及用于语音源的波束形成。

音频到电信号的转换是很重要的过程，今天在许多应用中都有所使用并且目的各有不同。例如，音频信号到采样的数字化信号的转换已经成为很多通信服务和应用的基础。例如，由诸如固定的传统电话系统、蜂窝通信系统或基于分组的网络(例如因特网)之类的通信系统支持的语音通信在大多数国家已经成为通信服务规定的重要部分。

为了实现高质量的通信服务，必不可少的是实现希望的具有高信噪比的信号的转换。然而，通信终端越来越多地在艰难的环境和有挑战性的条件下使用。例如，日益流行的移动通信已经导致在嘈杂和快速变化的环境中发生的电话通话的大量增加。作为典型的示例，在汽车环境中可能经常使用免持操作进行移动语音呼叫。

显然，在这些环境中对想要的语音信号而不是背景噪声的高质量产生转换信号是有挑战性的任务。已经提出的一种方法是使用多个麦克风并且处理该多个信号以产生朝向希望的音频源的声束形成。这种波束形成可以有效地增加希望的信噪比，因为希望的信号可以被放大而来自其他源和方向的背景噪声可以被减小。

已经提出了各种方法和算法用于声束形成。然而，这些算法面临的问题是如何提供精确的音频源跟踪，同时保证只跟踪希望的音频源。

具体地，由于音频源可以相对麦克风移动，声束形成算法必须跟随这种移动，以确保最佳性能。然而，由于可能存在干扰噪声源，波束形成滤波器的适应只跟随希望的音频源是很重要的，并且希望减小波束形成算法锁定到强噪声源的风险。对于诸如人类语音的非连续音频源，这个问题甚至更具有挑战性，因为即使当希望的语音源是安静的，波束形成算法也必须跟随希望的语音源而不是干扰源。

解决该问题的一种方法是将更新限制到小的、缓慢的变化，并且抛弃大的、突然的变化。具体来说，波束形成算法可以包括一种标准，该标准只有当存在相当大的波束内信号时才允许更新波束形成特性。因此，如果没有波束内信号存在时可以阻止更新，因为假设任何波束外部的音频源都是噪声源。然而，这种方法具有许多缺点并且具体来说限制了波束形成算法跟踪希望的音频源的大的或突然移动和/或锁定到新音频源的能力。此外，难以设计用于可靠地检测波束内音频的鲁棒的检测器，并且该检测器的设计对于自适应声束形成器的实际应用是主要障碍。

因此，一种用于声束形成的改进系统将是有利的，并且特别地，一种允许具有在采集和跟踪性能之间的改进的权衡、改进的波束形成精度、对希望的音频源的大的和/或突然变化的改进的适应性、改进的采集性能、改进的波束内检测、简化的实施、改进的跟踪性能和/或改进的波束形成性能的系统将是有利的。

因此，本发明旨在分别地或者以任意组合优选地减轻、缓和或消除上面提及的缺点中的一个或多个。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于声束形成的设备，该设备包括：用于从第一音频输入产生第一输入信号的装置；用于从第二音频输入产生第二输入信号的装置；波束形成装置，包括用于对第一和第二输入信号进行滤波以产生组合的波束形成信号的波束形成滤波器；更新装置，用于当满足更新标准时更新波束形成滤波器；自适应滤波器，用于对第一输入信号进行滤波以产生第一滤波信号；用于对第二输入信号和第一滤波信号产生差分信号的装置；用于调整自适应滤波器以最小化差分信号的装置；以及用于响应于归一化的差分信号而修改更新标准的修改装置。

本发明可以允许改进的声束形成。特别地，本发明可以允许对新音频源和/或具有重大和/或突然变化的位置的音频源的改进的适应。本发明可以允许其中可以实现有效跟踪和采集性能的波束形成算法。可以实现高效和/或低复杂性的实施。

组合的波束形成信号可以具体地对应于语音信号。波束形成装置可以包括用于对第一输入信号进行滤波的第一自适应滤波器，用于对第二输入信号进行滤波的第二自适应滤波器以及用于通过组合(例如求和)得到的经过滤波的信号产生组合的波束形成信号的组合装置。差分信号可能是归一化的差分信号。

根据本发明的可选特征，波束形成装置被配置成产生第一输入信号和第二输入信号的至少其中一个相对于组合波束形成信号的噪声参考信号。

这可以允许改进的性能并且允许用于控制设备操作的额外信息。例如可以通过从第一和/或第二输入信号中减去对应于希望的信号的分量来产生噪声参考信号。例如，噪声参考信号可以是第一输入信号和/或第二输入信号与对应于时间反转(time inverse)的滤波的组合波束形成信号的差分的指示，其中时间反转滤波对应于波束形成装置的滤波。