专利名称：校准麦克风的设备和方法
技术领域：
本发明涉及麦克风输出信号电平，并且更具体地涉及把麦克风校准到所需电平上的技术。当比较不同麦克风的输出电平时，假定它们的声激励是相同的。制造商提供其输出电平在规定的均值附近变化的麦克风。对于通常使用的背面驻极体麦克风，这种容差为±4dB。因此，这种麦克风的输出电平能显示出高达8dB的差异。有时也可以得到容差为±2dB的麦克风。但是它们较贵。
通常麦克风增益校准的方案是在消声室(即无反射或回响的室)内进行的。在该消声室内把一个扬声器放在麦克风的前面(角度为0°)该扬声器以某一已知功率电平播放一个噪声序列，并测量该麦克风的响应功率。然后，设定可调的增益。
在WO 99/27522专利申请中公开了另一种声频处理方案。根据该现有技术资料，产生滤波和的与加权和的聚束(beamforming)，以使输出上的功率最大。滤波和聚束(FSB)使得在添加FSB下造成最大相干的直接影响。
对于诸如聚束的多麦克风算法，非常重要的是要在生产过程中对麦克风分类以获得电平差异在所要求的容限内的麦克风组。
另外，对于一些多麦克风系统，消费者可能在晚些时候购买添加的麦克风，它们在安装前也必须得到校准。
本发明提供一种麦克风的校准设备，其包括一个扬声器，用于把扬声器输入信号转换成声音；一个麦克风，用于把接收到的声音转换成麦克风输出信号；以及校准装置，用于相对于所需的功率电平校准该麦克风的输出功率，所述校准装置包括脉冲响应测定装置，后者用于在该麦克风接收来自该扬声器的声音时，通过关联麦克风输出信号和扬声器输入信号，测定该扬声器的声脉冲响应和/或该麦克风处的麦克风环境，从而测定该麦克风的输出功率。
如前面指出那样，对于多麦克风系统的优良性能而言，麦克风校准通常是至关键重要的。本发明所涉及的是在混响室条件下对麦克风的自适应校准(用软件)。本发明的一个优点是不需要在制造声频系统时挑选或校准麦克风，从而节约生产时间并且有时节省附加的硬件。本发明可应用于所有其中存在有一个或多个麦克风和扬声器的语音通信系统中。人们可以想到免提的电信系统，并且还可想到用于例如电视设备的声音控制的免提语音识别系统。
通过本发明，还可以中和麦克风的会导致输出电平差异的不均匀老化。
在本发明的一个优选实施例中，提供一个直射部分去除装置，用于去除所谓的声脉冲响应(a.i.r.)的直射部分以便特别地利用a.i.r.的漫射部分。它的一个优点是可以在常规环境，例如一般的房间中使用麦克风过程中，不必添加硬件而完成校准。实际使用过程中的校准还可用于绝对校准和相对校准。
另一优选实施例包含高低通滤波装置，用于过滤低频和高频，使得能通过采用其信号质量最适宜处理的频率范围达到更好的校准。
另一优选实施例包含求平方及求和装置，用于产生一个对麦克风的漫射声场响应的当前功率电平的表象，以便产生可以和所需电平相关联的值。
本发明最好还包括关联装置，用于把麦克风的(漫射)响应的功率电平和所需功率电平相关联。
尽管有可能得到用于所需功率电平的绝对值，最好能从一基准麦克风得到该所需功率电平。
通过参照各附图阅读下面的说明，本发明的其它优点，特征和细节会变得更加清晰。附图中
图1是在一个声频会议系统中本发明的一优选实施例的透视和部分示意图；图2是现有技术在消音室中麦克风校准的设置示意图；图3是典型的作为时间的函数的麦克风0°处的声脉冲响应(a.i.r.)以及相应的能量衰减曲线(e.d.c.)图；图4是和图3相同的麦克风在180°处的典型的作为时间函数的声脉冲响应(a.i.r.)以及相应的能量衰减曲线(e.d.c.)图；图5是图1实施例中包含的自适应麦克风校准的示意图；图6是和也可在图1的实施例中使用的基准麦克风相关的自适应麦克风校准的示意图7是和也可在图1的实施例中使用的基准麦克风相关的相对校准的示意图；以及图8是供在图5-7中使用的带通滤波器以及随后的求平方及求和运算框图。
图1示出一个声频会议系统。它包括主操纵台1和一个或二个各含有一个麦克风并与地板单元23连接的用于拣拾较大的语音范围的卫星麦克风2，其中地板单元与电源24以及某种类型的电话网25，例如PSTN(RJ 11)或ISDN(RF 45)相连接。主操纵台包括一个用于生成(语音)声音的扬声器和三个用于拣拾(语音)声音的麦克风。此外，还包括用于通过电话网和其它电话相连接的电话装置。这些麦克风最好共同运行成尽可能地是无缝的。出于此目的，本发明设置各种装置以允许卫星麦克风中的麦克风或者甚至主操纵台中的麦克风不需要预安装的校准。
依据本发明的设备的另一个使用例子(图中未示出)涉及通过利用麦克风输入，基于语音对电视设备发出例如切换频道、控制音量等的指令。这也可以以带有一个或多个麦克风的形式予以实现。对于使用麦克风输出信号的系统，校准则是必需的。
关于校准，在此对一些与理解对各附图的详细说明有关的声学概念作出解释。在图2中，示出室内的一个扬声器3和一个对准(即0°)该扬声器的麦克风4。
通过关联技术可以从扬声器的激励信号以及麦克风的响应测定声脉冲响应(a.i.r.)。a.i.r.是声脉冲激励下的响应。在图3中描绘这种测定的a.i.r.的一个例子。由于空气中音速有限造成的延迟，在前几个毫秒中响应为零。接着，可以观察到一个大的峰值，这归因于对声音从该扬声器到该麦克风的直射声传播的响应，并被称为直射声场影响。此峰值具有归一化为1.0的值。与该值相关的尾部如曲线所示。a.i.r.的尾部归因于对房间边界的反射，并被称为漫射声场影响。这些反射具有随机特征而且随着时间的推移统计上增加密度并指数地减小振幅。各种反射的组合效果称为混响。
a.i.r.的一个重要函数是能量衰减。在n为采样指数的离散时间下，指数n处的能量衰减合计成a.i.r.的尾部中剩余的能量。在图3中，还对数地绘出对应于a.i.r.的所谓能量衰减曲线(e.d.c.)。沿Y轴数值用dB计量。e.d.c.示出直射分量造成的突变。紧靠着该跳跃前后的能量衰减差异被称为透明指数(clarity index)。较大的透明指数意味着较大的直射/漫射比并且从而混响较小。a.i.r.的漫射尾部的包络具有指数性衰减，这导致e.d.c.的尾部的对数具有固定斜率。混响时间T60是在其中混响电平下降60dB的时间间隔。已经发现对于该情况下，T60＝0.36秒麦克风可以具有单方向的线束特性。单向麦克风只拣拾来自0°附近某角度范围内的声信号；它们或多或少地阻挡按180°角度到达的声信号。这意味着在180°测量的a.i.r.的直射场影响几乎等于零。
在图4中绘出和图3相同的(单向)麦克风但现在位于180°处的a.i.r.和e.d.c.曲线。具有对1归一化的值，其只显示出代表漫射响应的尾部。通过比较图3和图4可以看出，在180°处直射影响已消失但两图中漫射影响具有相同的指数性包络。
在以下，假定a.i.r.的漫射尾部不依赖于麦克风或扬声器的取向及其在该房间中的位置。在实践中发现了取决于取向和位置的变化，但是当该房间中的声吸收特性或多或少是均匀的并且混响在时间上不是太短(T60＞100毫秒)时，这些变化是小的。值得提到的是，典型的房间具有大于300毫秒的混响。一条总规律是房间越大混响时间越长。
本发明不仅把麦克风响应而且还把扬声器的激励信号(见图2)用作为输入。首先，在测定装置中利用周知的相关方法测定从扬声器到麦克风的a.i.r.。在进行声消除时，已经可使用自适应滤波器。在直射部分去除装置中选择a.i.r.的漫射部分。在低频率下扬声器的输出和/或麦克风的灵敏度是低的，这导致不可靠的a.i.r.系数。从而在靠近尼奎斯特(Nyquist)频率的最高频率对a.i.r.的漫射部分施加高通滤波器，但由于去假频滤波器信号电平也是低的。因此，为了对付高频处的不可靠a.i.r.系数，应用一个低通滤波器。
在图5中，这些高通和低通滤波器组合成一个带通滤波器。在求平方及求和装置中对滤波后的系数求平方及求和，这产生代表麦克风漫射响应的当前功率的实际功率电平14。该功率电平和所需的功率电平20相关，并且此增益因子被确定为这些功率电平之商的平方根。
在该优选实施例中，每次该自适应滤波器提供一个新的a.i.r.测定时都可使用该校准方法。为了提高回声抵消器的坚固性，有时采用可编程滤波器(如美国4,903,247号专利中所说明的)。自适应滤波器在后台运行，而有条件地从该自适应滤波器取系数的可编程过滤器则用于实际的回声消除。在这种情况下最好取该可编程滤波器的系数并且在每次系数变换后施加校准过程。
扬声器3(图5)得到扬声器输入信号5。麦克风4接收扬声器3产生的声音并且把它变换成麦克风输出信号6。把信号5和6的数字值馈入到测定器7。测定器7产生通过以软件形式实现的直射部分去掉部分的测定值9。从此处数字值10馈入到数字带通滤波器11。来自这些带通滤波器的信号12馈入求平方及求和程序13。
测定的实际功率电平(P)和(外部)所需功率电平(Q)20一样馈入一个关联程序15。从此处校准增益因子16馈入平均装置17。调整后的校准增益因子18反馈到麦克风输出信号用以形成经校准后信号19。
尤其当与用于回声消除的自适应滤波器相组合时，所提出的麦克风校准方法可在该系统现用的所有时间内得到应用。在图5中，对校准因子取平均值，而该校准因子等于所需功率电平除以实际功率电平之商的平方根，以便确保相继的校准增益因子平滑地改变。该取平均可借助一个阶递归式完成。也可以在计算所需功率电子除以实际功率电平之商的平方根之前，对实际功率14和所需功率20施加该取平均过程。
下面，说明图5实施例的处理。本发明的该优选实施例不仅需要麦克风响应6而且需要扬声器的激励信号5(图2)作为输入。首先，利用测定装置7中的相关方法测定从该扬声器到该麦克风的a.i.r.。在直射部分去除装置8中只选出a.i.r.的漫散部分。利用带通滤波器11过滤掉高频和低频。在求平方及求和装置13中取得过滤后系数的平方及和，这产生代表漫射麦克风响应的当前功率的实际功率电平14。该功率电平和所需功率电平20相关联，并且将增益因子确定为用所需功率电平除以实际功率电平之商的平方根。
图6示出除平均装置17和关联程序15之外和图5相同的配置。该配置用于为基准麦克风的参照校准情况，其中所需功率电平20是利用该基准麦克风作为其基准的其它麦克风校准装置的关联装置15的输入。
图7示出如何组合图5和6的积木式部件以用于例如图1中的声频会议系统中的参照校准。
图8示意性地示出在计算麦克风的漫射声场响应的功率P中取平均算法如何工作。该图包括后面接着对输出值的平方取和的带通滤波器。在采样率为9千赫时，分别在大约200赫和3.6千赫处产生低通和高通截止频率(-3 dB)的适当滤波器参数是b＝0.800，a1＝0.128和a2＝0.621。
本发明不受限于上面的各实施例，所申请的权利在由所附权利要求书中定义。
权利要求
1.一种用于校准麦克风的设备，包括一个扬声器(3)，用于把扬声器输入信号(5)转换成声音；一个麦克风(4)，用于把接收到的声音转换成麦克风输出信号(16)，以及校准装置，用于相对于一所需功率电平校准该麦克风的输出功率，所述校准装置包括脉冲响应测定装置(7)，后者用于在该麦克风(4)接收来自该扬声器(3)的声音时，通过关联麦克风输出信号(6)和扬声器输入信号(5)来测定该麦克风的声脉冲响应，从而测定该麦克风(4)的输出功率。
2.依据权利要求1的设备，还包括直射部分提取装置(8)，用于提取该声脉冲响应的直射部分。
3.依据权利要求1的设备，还包括高通和低通滤波器装置(11)，用于过滤低频和高频。
4.依据权利要求1的设备，还包括求平均及求和装置(13)，用于产生麦克风漫射响应的当前功率电平的表象。
5.依据权利要求1的设备，还包括关联装置(15)，用于关联麦克风漫射响应的功率电平(14)和一所需功率电平(20)。
6.依据权利要求5的设备，其中关联装置(15)的输出(16)或者平均装置(17)作为校准因子(18)反馈到麦克风输出信号(6)。
7.依据权利要求5的设备，其中该所需功率电平(20)具有用于麦克风的绝对校准的预定值。
8.依据权利要求5的设备，其包括一个基准麦克风(B)用于相对于该基准麦克风(B)对一个或多个麦克风(A)的相对校准，其中该基准麦克风的求平方及求和装置(13)的输出形成用于其它麦克风的关联装置(15)的输入。
9.依据权利要求3的设备，其中该高通和低通滤波器装置组合成一个带通滤波器(11)。
10.依据权利要求1的设备，其中设置成对校准因子(16)取平均值。
11.依据权利要求10的设备，其中在计算所需功率(20)除以实际功率(14)之商的平方根之前进行取平均。
12.一种使用依据权利要求1的设备的校准麦克风的方法。
全文摘要
一种校准麦克风的设备和方法，包括用于把扬声器输入信号(5)转换成声音的扬声器(3)，用于把接收到的声音转换成麦克风输出信号(16)的麦克风(4)，以及用于相对于所需功率电平校准该麦克风的输出功率的校准装置。该校准装置包括脉冲响应测定装置(7)，后者用于在该麦克风(4)接收来自该扬声器(3)的声音时，通过关联麦克风输出信号(6)和扬声器输入信号(5)来测定该麦克风的声脉冲响应，从而估测该麦克风(4)的输出功率。
文档编号H04R29/00GK1419795SQ01801829
公开日2003年5月21日 申请日期2001年6月22日 优先权日2000年6月30日
发明者C·P·杨斯, H·J·W·贝尔特 申请人:皇家菲利浦电子有限公司