專利名稱：用于方向相關(guān)空間噪聲減低的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及方向相關(guān)空間噪聲減低，例如，用于在雙耳助聽器中使用。
背景技術(shù)：
對于非穩(wěn)定信號，諸如在具有多個說話者的復(fù)雜聽覺環(huán)境中的語音，為了通過增強期望信號來改善語音可懂度，方向信號處理至關(guān)重要。例如，傳統(tǒng)助聽器利用簡單的差動麥克風(fēng)來聚焦于用戶前方或后方的目標。在許多聽覺境況中，期望的說話者方位角不同于這些預(yù)定方向。因而，讓聚焦方向可導(dǎo)引的方向信號處理在增強期望源方面將是有效的。最近，已經(jīng)提出用于雙耳波束形成的方法。文獻
T. Rohdenburg, V.Hohmann, B.KollmeierjaRobustnessAnalysis of BinauralHearing Aid Beamformer Algorithms by Means of objective Perceptual QualityMeasures，，，in 2007 IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audioand Acoustics，pp. 315-318，Oct 2007中使用具有兩個3通道助聽器的配置來設(shè)計雙耳波束形成器。基于期望觀察方向設(shè)置波束形成器約束，以利用每個助聽器中的三個麥克風(fēng)來實現(xiàn)可導(dǎo)引波束，這在現(xiàn)有技術(shù)助聽器的狀態(tài)下是不實用的。顯示該系統(tǒng)性能依賴于在表述導(dǎo)引矢量(steeringvector)時使用的傳播模型。文獻S. Doclo, M. Moonen, T. Van den Bogaert, J. Wouters, “Reduced-Bandwidthand Distributed MWF-Based Noise Re-duction Algorithms for Binaural HearingAids, ”IEEETransactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol.17, no. I,pp. 38-51, Jan 2009中使用雙耳多通道維納濾波器(MWF)，以通過估計每個助聽器中的語音信號的統(tǒng)計值來獲得可導(dǎo)引波束。MWF計算量大，而且給出的結(jié)果是使用完全VAD (話音活動檢測)來估計噪音同時假定噪音在話音活動期間穩(wěn)定而取得的。文獻M. Ihle, “Differential Microphone Arrays for Spectral Subtraction，，，inIht’ I Workshop on Acoustic Echo and Noise Control(IWAENC 2003), Sep 2003中示出用于在期望方向形成一個空間零位(spatial null)的另一種技術(shù),但其對麥克風(fēng)陣列幾何形狀敏感，因而不適用于助聽器配置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供用于方向相關(guān)空間噪聲減低的設(shè)備和方法，其可以用于將具有最大靈敏度的角度聚焦于處在任意給定方位角的目標聲源，即，包括除0° (S卩，用戶正前方)或180° (即，用戶正后方)之外的方向。借助根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法和根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備實現(xiàn)上述目的。本發(fā)明的基本思路在于獲得目標信號信號電平和噪聲信號電平的估計的方式，以使得聚焦于位于任意方向的期望聲源。通過結(jié)合在信號方向相互具有最大響應(yīng)的至少兩個方向輸出(一個單耳和一個雙耳)獲得目標信號功率估計。通過測量在期望源的方向相互具有最小敏感度的至少兩個方向信號(一個單耳和一個雙耳)的最大功率獲得噪聲信號功率估計。因而，本發(fā)明的根本特征在于結(jié)合單耳和雙耳方向信號用于估計目標和噪聲信號電平。在一個實施例中，為了獲得在聲信號源方向的期望目標信號電平，提出的方法進一步包括通過選擇在聲源方向相互具有最大響應(yīng)的至少一個單耳方向信號和至少一個雙耳方向信號的最小值來估計目標信號電平。在一個實施例中，為了在聲源的方向?qū)бㄊ岢龅姆椒ㄟM一步包括通過選擇在聲源的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號 和至少一個雙耳方向信號的最大值來估計噪聲信號電平。在替換實施例中，提出的方法進一步包括通過計算在聲源方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號和至少一個雙耳方向信號的和來估計噪聲信號電平。在另一實施例中，提出的方法進一步包括使用下列公式從估計的目標信號電平和估計的噪聲信號電平計算維納濾波器放大增益放大增益=目標信號電平/ [噪聲信號電平+目標信號電平]。將上述增益應(yīng)用于輸入信號產(chǎn)生增強的信號輸出，其具有在聲源方向減低的噪聲。在預(yù)期實施例中，由于方向信號處理電路的響應(yīng)是聲頻的函數(shù)，將聲輸入信號分成多個頻帶，并且對所述多個頻帶分別使用上述方法。在多種不同的實施例中，對于所述信號電平，使用下列單位的一種或多種功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、絕對電平。


以下參照附圖中示出的實施例進一步描述本發(fā)明，其中圖I圖示可以應(yīng)用本發(fā)明的實施例的具有無線鏈路的雙耳助聽器配置；圖2是圖示一階差動麥克風(fēng)陣列電路的框圖；圖3是圖示自適應(yīng)差動麥克風(fēng)陣列電路的框圖；圖4是側(cè)視導(dǎo)引系統(tǒng)的框圖；圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明的可導(dǎo)引雙耳波束形成器的示意圖；圖6A至圖6D圖示用于單耳和雙耳情形的差動麥克風(fēng)陣列輸出，圖6A示出side_select=l時的輸出，圖6B不出side_select=0時的輸出，圖6C不出plane_select=l時的輸出，圖6D示出plane_select=0時的輸出；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于方向相關(guān)空間噪聲減低的設(shè)備的框圖；圖8A圖示如何估計目標信號電平的示例；圖8B圖不如何估計噪聲/[目號電平的不例；以及圖9A至圖9D圖示為多種測試情形形成的導(dǎo)引波束樣式，圖9A圖示以250Hz導(dǎo)引至左側(cè)的波束的樣式；圖9B圖示以2kHz導(dǎo)引至左側(cè)的波束的樣式；圖9C圖示以250Hz導(dǎo)引至45°的波束的樣式，圖9D圖示以500Hz導(dǎo)引至45°的波束的樣式。
具體實施例方式以下討論的本發(fā)明的實施例提供用于方向相關(guān)空間噪聲減低的設(shè)備和方法，其可以在如圖I所示的雙耳助聽器配置I中使用。配置I包括右助聽器，包括第一對單耳麥克風(fēng)2、3 ;以及左助聽器，包括第二對單耳麥克風(fēng)4、5。左右助聽器分別安裝在用戶6的左右耳中。每個助聽器中的單耳麥克風(fēng)以距離I1分開，由于尺寸限制，距離I1例如可以近似等于10mm。左右助聽器以距離I2分開，并且通過雙向音頻鏈路8連接，音頻鏈路8典型地是無線鏈路。為了最小化功耗，只有一個麥克風(fēng)信號可以從一個助聽器傳送至另一助聽器。該示例中，左右助聽器的前麥克風(fēng)4、2分別形成雙耳對，通過音頻鏈路8傳輸信號。圖I中，Xei [n]和XK2 [n]代表由右助聽器的前麥克風(fēng)2和后麥克風(fēng)3分別測量的第n個全向信號,而Xli [n]和Xli2Iin]代表由左助聽器的前麥克風(fēng)4和后麥克風(fēng)5分別測量的第n個全向信號。因而，信號Xki[n]和Xu [n]分別對應(yīng)于從左右助聽器的前麥克風(fēng)4、2分別傳送的信號。單耳麥克風(fēng)對2、3和單耳麥克風(fēng)對4、5各自提供對直接位于用戶6前方或后方的目標聲源的方向敏感度。借助雙耳麥克風(fēng)2、4，實現(xiàn)側(cè)視波束導(dǎo)引，其提供對位于用戶6側(cè) 方(左或右)的目標聲源的方向敏感度。本發(fā)明的基本思路在于提供方向相關(guān)空間噪聲減低，其可以用于將助聽器的最大敏感度的角度聚焦至位于任意給定方位角0st_處的目標聲源7，該方位角esteOT包括除0° /180° (前后方向)以及270° /90° (左右側(cè)方)以外的角度。在討論本發(fā)明的實施例之前，以下段落討論如何實現(xiàn)單耳方向敏感度(用于前后方向)和雙耳側(cè)視導(dǎo)引(用于左右側(cè)方)。借助方向信號處理電路實現(xiàn)方向敏感度，方向信號處理電路通常包括差動麥克風(fēng)陣列(DMA)。參照圖2說明典型的一階DMA電路22。這樣的一階DMA電路22通常在包括以距離I (大約IOmm)分開的兩個全向麥克風(fēng)23、24以產(chǎn)生方向響應(yīng)的傳統(tǒng)助聽器中使用。只要間距I相對于聲波波長、較小的假設(shè)成立，該方向響應(yīng)就與頻率無關(guān)。該示例中，考慮麥克風(fēng)23位于聚焦側(cè)，并且考慮麥克風(fēng)24位于干擾側(cè)。DMA 22包括延時電路25，用于將位于干擾側(cè)的麥克風(fēng)24的響應(yīng)延遲時間間隔T。在節(jié)點26處，從麥克風(fēng)23的響應(yīng)中減去麥克風(fēng)24的延遲響應(yīng)以得到方向輸出信號y[n]。對于以角度0撞擊到一階DMA 22上的信號X[n]，在遠場條件下，DMA 22的頻率和角度相關(guān)響應(yīng)的幅值由下式給出
,,I* cijsif)!= I -I(I)其中，c是聲速?？梢哉{(diào)整延遲T以消除來自特定方向的信號，從而獲得期望的方向性響應(yīng)。在助聽器中，將該延遲T固定以匹配麥克風(fēng)間距1/c，并且代以使用如圖3的自適應(yīng)差動麥克風(fēng)陣列(ADMA) 27中所示的背對背心形系統(tǒng)來實現(xiàn)期望的方向性響應(yīng)。如圖所示，ADMA電路27包括延時電路30和31，用于延遲來自以距離I隔開的麥克風(fēng)28和29的響應(yīng)。Cf是從衰減來自干擾方向的信號的節(jié)點33獲得的心形波束形成器輸出，而Ck是從衰減來自聚焦方向的信號的節(jié)點32獲得的反心形(反向心形)波束形成器輸出。將反心形波束形成器輸出(^乘以增益P，并且在節(jié)點35處從心形波束形成器輸出Cf中減去，使得陣列輸出y[n]由下式給出
y [n] Cf- ^ Ce ⑵對于來自等式(2)的y[n]，來自0°的信號不被衰減，而且在由下式給出的對于3值的方向9 :形成單一空間凹口(notch):ft = arccos ---(3)
/i + l '在用于助聽器的ADMA中，將參數(shù)P適配為將凹口導(dǎo)引至噪聲源的方向0 i以優(yōu)化方向性指數(shù)。這是通過最小化輸出信號y[n]的MSE (均方差)執(zhí)行的。使用梯度下降技術(shù)來跟蹤MSE代價函數(shù)的負梯度，通過下列等式(4)來適配參數(shù)3 B[h +1] = P\n][/ ])( 4 )OfJ在聽覺情形下，當(dāng)期望聲源位于用戶一側(cè)時，使用具有雙向音頻鏈路的雙耳助聽器實現(xiàn)側(cè)視波束導(dǎo)引。已知在高頻率處，由于頭部遮蔽效應(yīng)，頭部兩側(cè)處測得信號之間的耳間電平差(ILD)顯著。ILD隨頻率而增大。在用于較高頻率的雙耳維納濾波器的設(shè)計中可以利用該頭部遮蔽效應(yīng)。在較低頻率處，聲波波長X s相對于頭部直徑較長。因而，在頭部兩側(cè)的聲壓等級之間有最小變化，并且發(fā)現(xiàn)耳間時間差(ITD)是更顯著的聲線索。在較低頻率處，設(shè)計雙耳一階DMA以建立側(cè)視。因而，可以將側(cè)視導(dǎo)引的問題分解為兩個較小的問題，將雙耳DMA用于較低頻率，并且將雙耳維納濾波器方法用于較高頻率，如圖4中的側(cè)視導(dǎo)引系統(tǒng)36所示。這里，輸入的有噪聲輸入信號x[n]由下式給出x[n]=s[n]+d[n]其中，s[n]是與聚焦側(cè)對應(yīng)的來自方向0 s G [90°，-90° ]的目標信號，而d[n]是與干擾側(cè)對應(yīng)的從方向ed (這里ed=-es)入射的噪聲信號。通過分析濾波器組37將輸入信號x[n]分解成頻率子帶。分解的子帶信號由高頻帶方向信號處理模塊38和低頻帶方向信號處理模塊39分別處理，前者包括維納濾波器，而后者包括DMA電路。最后,合成濾波器組40重建輸出信Ss其導(dǎo)引于聚焦側(cè)的方向0 S。在高頻帶方向信號處理模塊38處，在雙耳系統(tǒng)的設(shè)計中利用頭部遮蔽效應(yīng)以在較高頻率(例如，對大于Ik Hz的頻率)下執(zhí)行側(cè)視。來自干擾側(cè)的信號在這些較高頻率下橫跨頭部被衰減，下面給出提出的系統(tǒng)的分析?？紤]這樣的情景，根據(jù)圖1，目標信號s[n]從助聽器用戶的左側(cè)(-90° )到達，而干擾信號d[n]位于右側(cè)(90° )，在左前麥克風(fēng)處記錄的信號Xu [n]和在右前麥克風(fēng)處記錄的信號Xki [n]由下式給出xL1 [n] =s [n] +hL1 [n] *d [n] (5)xE1 [n] = hE1[n]*s[n]+d[n] (6)其中，hu[n]是從右前麥克風(fēng)到左前麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)，而hK1[n]是從左前麥克風(fēng)到右前麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)。將等式(5)、(6)變換到頻域得到Xli ( Q )=S( Q )+IIL1 (Q)*D(Q) (7)XE1(Q)=IIE1(Q)*S(Q)+D(Q) (8)將信號Xa(Q)的短時間譜功率記作Oa(Q)。由于左側(cè)是聚焦側(cè)，而右側(cè)是干擾偵牝可以推導(dǎo)出經(jīng)典維納濾波器為
權(quán)利要求
1.一種用于方向相關(guān)空間噪聲減低的方法，包括無特定次序的下列步驟 —測量來自聲源(7)的聲輸入信號(XK1，XK2，Xu)； 一從所述輸入信號(XK1，XE2, Xu)獲得至少一個單耳方向信號(Y1, N1)和至少一個雙耳方向信號(Y2, N2)； 一通過結(jié)合所述單耳方向信號的至少一個(Y1)和所述雙耳方向信號的至少一個(Y2)來估計目標信號電平()，該至少一個單耳方向信號(Y1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應(yīng)；以及 一通過結(jié)合所述單耳方向信號的至少一個(N1)和所述雙耳方向信號的至少一個(N2)來估計噪聲信號電平(4>d ),該至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 一通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應(yīng)的至少一個單耳方向信號(1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)的最小值來估計所述目標信號電平()。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 一通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)的最大值來估計所述噪聲信號電平(0
4.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 一通過計算在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)與至少一個雙耳方向信號(N2)的和來估計所述噪聲信號電平(Od )o
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 使用下列公式從所述估計的目標信號電5h CD )和所述估計的噪聲信號電平(占D!計算維納濾波器放大增益(W) 放大增益(W)=目標信號電平()/[噪聲信號電平(‘D )+目標信號電平(￠, ) I
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，將聲輸入信號(Xki, XK2, Xu )分成多個頻帶，而且其中，對于所述多個頻帶分別地使用所述方法。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，對于所述信號電平(4, <!> )，使用下列單位的一種或多種功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、絕對電平。
8.一種用于方向相關(guān)空間噪聲減低的設(shè)備(70),包括 一多個麥克風(fēng)(。。，^〖允用于測量來自聲源^彡的聲輸入信號丨乂…乂…乂^義所述多個麥克風(fēng)(2，3，4，5)形成至少一個單耳對(2，3)和至少一個雙耳對(2，4)； 一方向信號處理電路(71，72，73，74)，用于從所述輸入信號(XK1，XK2，XU)獲得至少一個單耳方向信號(Y1, N1)和至少一個雙耳方向信號(Y2，N2)； -目標信號電平估計器(76 )，用于通過結(jié)合所述單耳方向信號的至少一個(Y1)和所述雙耳方向信號的至少一個(Y2)來估計目標信號電平()，該至少一個單耳方向信號(Y1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應(yīng)；以及 -噪聲信號電平估計器(75 )，用于通過結(jié)合所述單耳方向信號的至少一個(N1)和所述雙耳方向信號的至少一個(N2)來估計噪聲信號電平(Od )，該至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備(70)，其中所述目標信號電平估計器(76)被配置用于通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應(yīng)的至少一個單耳方向信號(Y1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)的最小值來估計所述目標信號電平(o )。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的設(shè)備(70)，其中，所述噪聲信號電平估計器(75)被配置用于通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)的最大值來估計所述噪聲信號電平()o
11.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的設(shè)備(70)，其中，所述噪聲信號電平估計器(75)被配置用于通過計算在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)與至少一個雙耳方向信號(N2)的和來估計所述噪聲信號電5 ( Cl))。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至權(quán)利要求11中任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備UO)進一步包括信號放大器(77，78)，用于基于使用下列公式計算的基于維納濾波器的放大增益(W)來放大聲輸入信號 放大增益(W)=目標信號電平(邊)/[噪聲信號電平(‘D)+目標信號電平(I)]。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至權(quán)利要求12中任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備(70)，其中，對于所述信號電平(￠,, )，使用下列單位的一種或多種功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、絕對電平。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至權(quán)利要求13中任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備(70)，包括用于將聲輸入信號(XK1，XK2，Xu)分成多個頻帶的部件，其中，對于所述多個頻帶分別地計算所述目標信號電平()和所述噪聲信號電平()。
15.根據(jù)權(quán)利要求8至權(quán)利要求14中任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備(70)，其中，所述方向信號處理電路進一步包括 一單耳差動麥克風(fēng)陣列電路(71，72)，用于獲得所述至少一個單耳方向信號(YnN1);以及 一雙耳差動麥克風(fēng)陣列電路(73，74)，用于獲得所述至少一個雙耳方向信號(Y2，N2)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，所述方向信號處理電路進一步包括雙耳維納濾波器電路，用于獲得所述至少一個雙耳方向信號，對于門限值以上的頻帶，所述雙耳維納濾波器電路具有基于與麥克風(fēng)的雙耳對(2，4)之間的傳遞函數(shù)相對應(yīng)的信號衰減而計算的放大增益。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減低方向相關(guān)空間噪聲的設(shè)備和方法。該設(shè)備包括用于測量來自聲源(7)的聲輸入信號(XR1，XR2，XL1)的多個麥克風(fēng)(2，3，4，5)，其形成至少一單耳對(2，3)和至少一雙耳對(2，4)。方向信號處理電路(71，72，73，74)從輸入信號(XR1，XR2，XL1)獲得至少一單耳方向信號(Y1，N1)和至少一雙耳方向信號(Y2，N2)。目標信號電平估計器(76)通過結(jié)合在聲源(7)的方向相互具有最大響應(yīng)的至少一單耳方向信號(Y1)和至少一雙耳方向信號(Y2)來估計目標信號電平噪聲信號電平估計器(75)通過結(jié)合在聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一單耳方向信號(N1)和至少一雙耳方向信號(N2)來估計噪聲信號電平
文檔編號H04R25/00GK102771144SQ201080064240
公開日2012年11月7日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者E.費舍爾, N.查特拉尼 申請人:西門子醫(yī)療器械公司