用于分离混合信号的方法和设备的制作方法

文档序号:7956622
专利名称:用于分离混合信号的方法和设备的制作方法
技术领域
本发明涉及混和信号的信号分离,所述混和信号源于波形混和环境,在这种环境有多个用于提供混和信号的传感器。本发明特别适用于,但不限于,对源于混和环境中的传感器的混和信号进行信号分离,在混和环境中的传感器的数量可以不同。
背景技术
为了分离源于具有一个以上信号源的混和环境,如会议室和具有能够产生音频信号的空调、计算机和人群的办公室的信号,具有多个传感器的环境得到了广泛的应用。
从用多个传感器记录的多个信号的叠加中分离出信号在很多应用中都非常重要,如通信、生物医学和语音处理。对输入信号的知之甚少使这项工作变得非常困难,并使得这种分离通常被看作是盲信号分离,如Zhang和A.Cichocki的文章“Blind Deconvolution of Dynamical SystemsA StateSpace Approach”,Journal of Signal Processing,第2期第4卷,2000年3月,111-130页。
在WO9858450中描述了一种用于分离来自一个波形混和环境的混和信号的方法和装置。该方法和装置使用盲信号分离技术,且只适用于相关传感器的数量保持不变的混和环境。
在WO0176319中也描述了一种用于分离源于一个波形混和环境的混和信号的方法和装置。该方法和装置采用预先设定麦克风位置的传感器阵列技术,且只适用于所涉及的传感器的数量和位置保持不变的混和环境。
理想的情况是,传感器的数量如果不多于信号源数量的话,最少应该等于信号源的数量,以便提供有效的波形分离。这样,具有固定数量传感器的静态分离系统就不适用于信号源的最大数量不能确定的动态系统。
在本说明书中,包括权利要求中,术语“包括”、“包括”或类似术语都是非排他性的包括,这样,包括一些元件的一种方法或设备并不只包括那些已列出的元件,还可以包括其他没有列出的元件。

发明内容
根据本发明的一个方面,提供了一种用于分离由传感器提供的混和信号的信号分离方法,这些混和信号来源于传感器检测各个混和波形,这些波形包括多个源于混和在混和环境中的波形发生源的源波形,该方法包括以下步骤在处理器和多个处于混和环境的传感器之间建立通信,这种建立是依赖于所述环境中传感器数量的变化而动态实现的;所述处理器从传感器接收各个所述混和信号;根据传感器的数量确定环境的未混和(un-mixing)参数;以及有选择地将所述未混和参数应用于至少一个所述混和信号,从而分离所述至少一个所述混和信号,并提供至少一个与一传感器相关的输出源信号,这个输出源信号表明所述源波形中未混和的一个波形。
建立通信的步骤最好可以通过所述处理器不断检测混和环境中是否存在传感器和在所述处理器和在所述环境中检测出的传感器之间建立通信的方法来实现。
检测传感器是否存在的特征可以是,至少一些传感器不断向处理器发送存在信号。
建立通信的步骤的特征最好还可以在于,处理器不断更新环境中传感器的存在列表,存在列表表示环境中与处理器进行通信的传感器。
在一种形式中,确定未混和参数的步骤可以用盲信号分离来实施。
盲信号分离最好用解方程[W,D]=eig(XXT,R)的方法来实现,其中X是N×T混和信号矩阵,包括混和信号的N个传感器读数的T个采样(N是在建立步骤22中建立的环境中的传感器数量);eig是广义特征值过程,对于A.V=B.V.D,由[V,D]=eig(A,B)来定义,即,V联合对角化A和B,R是一个基于加在源信号上的假设的矩阵。
有选择地应用步骤的特征可以在于分离混和信号,以便为每个所述传感器提供所述输出源信号。
有选择地应用步骤最好可以用由方程S=WTX一次性分离的输出源信号来实施,其中S是一个输出源信号的矩阵。
在另一种形式中,有选择地应用步骤可以用输出源信号来实施,这些信号分别作为矩阵WT的特定行和矩阵W的列的乘积来分别进行分离。
在有选择地应用步骤之后还可以有一个发送所述至少一个输出源信号的步骤。
根据本发明的另一个方面,提供了一种用于对混和信号进行信号分离的电子设备,所述混和信号是由与设备连接的传感器提供的,源于传感器检测各个混和波形,这些波形包括多个源于混和在混和环境中的波形发生源的源波形,该电子设备包括一处理器,具有与之相连的存储器,该存储器用于存储处理器所用的操作码;一用于从传感器接收混和信号的采样器,该采样器与处理器相连,其中在使用中操作码实现如下步骤在处理器和多个处于混和环境的传感器之间建立通信,这种建立是依赖于环境中传感器数量的变化而动态实现的;所述处理器从传感器接收各个所述混和信号;根据传感器的数量确定环境的未混和参数;以及有选择地将所述未混和参数应用于至少一个所述混和信号,从而分离所述至少一个所述混和信号,并提供至少一个与一传感器相关的输出源信号,这个输出源信号表明所述源波形中的一个未混合波形。
建立通信的步骤最好可以通过所述处理器不断检测混和环境中是否存在传感器和在所述处理器和在所述环境中检测出的传感器之间建立通信的方法来实现。
在一种形式中,该设备可以用盲信号分离来实施确定未混和参数的步骤。
该设备最好可以通过解方程[W,D]=eig(XXT,R)的方法来实施盲信号分离,其中X是N×T混和信号矩阵,包括混和信号的N个传感器读数的T个采样(N是在建立步骤22中建立的环境中的传感器数量);eig是广义特征值过程,对于A.V=B.V.D,由[V,D]=eig(A,B)来定义,即,V联合对角化A和B,R是一个基于加在源信号上的假设的矩阵。
该设备可以通过分离混和信号执行有选择地应用的步骤,以便为每个所述传感器提供所述输出源信号。
该设备可以最好通过利用方程S=WTX一次性分离输出源信号来执行有选择地应用的步骤,其中S是一个输出源信号的矩阵。
在另一种形式中,设备可以通过输出源信号来执行有选择地应用的步骤,这些信号是作为矩阵WT的特定行和矩阵W的列的乘积分别分离的。
该设备可以具有一个发射机,用来发送所述至少一个输出源信号。


为了更好的理解本发明并且将其付诸实践,下面参照附图对优选非限制性实施例进行说明,其中图1是根据本发明的一个实施例的电子设备的框图;以及图2是图1设备执行的信号分离方法的流程图。
优选实施例的详细说明在附图中,相同的数字表示所有相同的元件。参见图1,图中所示为一个具有多个波形源的动态环境10中的电子设备1。设备1具有一个处理器3,处理器3与随机存储器(RAM)4、只读存储器(ROM)5、用户接口6和通信单元2相连。还有一个与处理器3相连的采样器7和一个与采样器7相连的无线链接12。用户接口6通常是一个扬声器、小键盘和一个可视显示单元。
在动态环境10中还有多个麦克风11形式的与采样器7相连的静态传感器。而且,还有一个集成在设备1上的麦克风13形式的传感器。还有在混和环境中的蜂窝式电话14和个人数字助理16形式的动态传感器Ds,它们都通过无线链接12与采样器7保持通信,无线链接接12最好是根据www.bluetooth.com上的说明的蓝牙BluetoothTM系统,本说明书将其引入作为参考。然而,对于本领域技术人员来说,显然也可以采用其它链接,如红外链接。在本说明书中,传感器是指一个或麦克风11、13和动态传感器Ds的任何组合,它们与设备1相连,并为设备1提供多个信号源。
参见图2,图中所示是用于分离混和信号的方法20,这些混和信号是由麦克风11、13和动态传感器Ds形式的传感器提供的。这些混和信号来源于传感器检测各个混和波形,这些波形包括多个源于混和在混和环境10中的波形发生源的源波形。方法20包括一个开始步骤21,由一个用户在用户接口6上启动键来执行。开始步骤21之后是建立通信步骤22,在处理器3和混和环境10中的多个传感器之间建立通信,这种建立动态地依赖于传感器数量的不同而实施。在建立通信步骤22,处理器3不断更新环境中传感器的存在列表,这个存在列表中所列的是环境中与处理器3保持通信的传感器。这是通过蜂窝式电话14或个人数字助理16不断的通过链接12向采样器7发送存在信号Ps来实现的,存在信号Ps被处理器3接收。由于传感器的数量可能会改变,因此,麦克风11也要不断地向处理器发送存在信号(注意,传感器13是永久性连接在处理器3上的,因此不必发送存在信号Ps)。
处理器3从ROM5中下载操作码,不断更新混合环境10中的检测到的传感器DS和麦克风11的存在列表,这个存在列表被存在RAM4中。
然后,通过实施接收步骤23,处理器3接收分别来自各传感器的混和信号。此后,实施确定步骤24来确定环境10的未混和参数,未混和参数是基于传感器数量的。确定通常是通过一种广为人知的盲信号分离技术,如在Cardoso,J.F.“Blind signal separationstatistical principles”IEEE会议论文集,第9卷,第10期,2009-2026页,1998年10月中描述的一种技术。Cardoso描述的盲信号分离技术作为参考被引入本说明书。
为了确定未混和参数,一个由未混和参数组成的未混和矩阵W由下式决定[W,D]=eig(XXT,R)-(1)其中X是N×T混和信号矩阵,包括对混和信号的N个传感器读数的T个采样(N是在建立步骤22中建立的环境中的传感器数量);eig是广义特征值过程,对于A.V=B.V.D,可以用[V,D]=eig(A,B)来定义,即,V联合对角化A和B。
矩阵R要根据加在源信号上的假设来选择。例如对于非白噪声源信号,R=在某个延时τ2处的相互关系;对于非稳定源信号,R=在不同时刻t2的协方差;对于非高斯源信号,R=某些更高阶m的积累量。
在确定步骤24之后,将实施应用步骤25来有选择地将未混和参数应用到至少一个混和信号上,以分离至少一个混和信号并提供至少一个与一传感器相关的输出源信号,输出源信号即为源波形中的一个未混和波形。
源信号通常用下面的等式一次性全部分离S=WTX-(2)其中S是输出源信号的矩阵。
输出源信号可以分别作为矩阵,的特定行或者矩阵X的列的积进行分离。
然后,在发送步骤26由通信单元2将输出源信号发送出去。
而后,测试步骤27确定用户是否已经启动了用户接口上的键盘来结束该方法20,如果没有启动任何按键,那么方法20将回到建立步骤22,否则,该方法将在结束步骤28终止。
本发明可以允许提供一个或多个来自混和环境的输出信号波形分离,其中,混和环境的传感器个数可以变化。例如,如果电子设备1是一个被放置在一个房间内的会议通信单元,那么一个集成麦克风13就被安装在会议通信单元上。其余的麦克风11通常被放置在形成混和环境10的房间中的固定位置上。
在使用中,用户通过启动用户接口6上的小键盘,通过链接在电话中继系统上的通信单元2或用其它通信媒介建立一个呼叫,就可以召开电话会议。在电话会议期间,在混和环境中的很多人可能同时说话,并且环境噪声提供了由集成麦克风13提供的混和噪声的一部分。其他的混和信号由用于检测环境噪声和语音的麦克风11和动态传感器Ds提供。由于像蜂窝式电话14和个人数字助理16的设备可以只暂时处于环境中,方法20在所有的传感器和处理器3之间动态的建立通信,以便改善信号的分离。
由于传感器数量的增加提高了环境中传感器数量和噪声源数量的比率,而噪声源的数量可以根据,例如人群的数量改变,因此,信号分离得到了改善。这样,用改善了的输出信号代表的、用于通信并输入到集成麦克风13中的语音可以从噪声中分离出来,并用通信单元2发送出去。尽管这个例子将电子设备1描述为会议通信单元,该设备可以是任何的需要信号分离的适合的设备,如蜂窝电话或者双向无线电接收装置。
本详细说明只提供了一个优选的示范性实施例,但并不打算限制本发明的范围、应用、或者配置。相反,该优选范例实施例的详细说明给本领域技术人员提供了可以用于实现本发明优选范例实施例的描述。应该明白,在不背离所附权利要求中列出的本发明的精神和范围的前提下,可以对本发明中要素的功能和配置进行不同的修改。
权利要求
1.一种信号分离方法,用于分离由传感器提供的混和信号,所述混和信号来源于传感器检测各混和波形,所述波形包括多个源于混和在混和环境中的波形发生源的源波形,该方法包括如下步骤在处理器和多个处于混和环境中的传感器之间建立通信,这种建立是依赖于环境中传感器数量的变化而动态实现的;所述处理器从传感器接收各个所述混和信号;根据传感器的数量确定环境的未混和参数;以及有选择地将所述未混和参数应用于至少一个所述混和信号,从而分离至少一个所述混和信号,并提供至少一个与一传感器相关的输出源信号,该输出源信号表明所述源波形中的一个未混和波形。
2.根据权利要求1的方法,其中建立通信的步骤通过所述处理器不断检测混和环境中的传感器是否存在和建立在所述处理器和所检测出的环境中的传感器之间的通信的方法来进行。
3.根据权利要求2的方法,其中对传感器是否存在的不断检测的特征在于,至少一些传感器不断地向处理器发送存在信号。
4.根据权利要求3的方法,其中建立通信的步骤的特征还在于,处理器不断更新环境中传感器的存在列表,所述存在列表指明环境中与处理器进行通信的传感器。
5.根据权利要求1的方法,其中确定未混和参数的步骤可以用盲信号分离来实现。
6.根据权利要求5的方法,其中盲信号分离用解方程[W,D]=eig(XXT,R)的方法来实施,其中X是N×T混和信号矩阵,包括对混和信号的N个传感器读数的T个采样(N是在建立步骤中建立的环境中传感器的数量);eig是广义特征值过程,对于A.V=B.V.D,可以用[V,D]=eig(A,B)来定义,V联合对角化A和B,R是一个基于加在源信号上的假设的矩阵。
7.根据权利要求1的方法,其中有选择地应用步骤的特征在于分离混和信号,以为每个所述传感器提供所述输出源信号。
8.根据权利要求1的方法,其中所述引诱选择地应用步骤由输出源信号来实现,所述输出信号是用方程S=WTX一次性分离的,其中S是一个输出源信号的矩阵。
9.根据权利要求1的方法,其中有选择地应用步骤由输出源信号来实现,所述信号作为矩阵WT的特定行和矩阵W的列的乘积分别被分离。
10.根据权利要求1的方法,其中在有选择地应用步骤之后还有一个发送所述至少一个输出源信号的步骤。
11.一种用于对混和信号进行信号分离的电子设备,所述混和信号是由与设备连接的传感器提供的,并来源于传感器检测各个混和波形,这些波形包括多个源于混和在混和环境中的波形发生源的源波形,该电子设备包括一个处理器,具有与之相连的存储器,用于存储处理器所用的操作码;一个采样器,用于从传感器接收混和信号,该采样器与处理器相连,在使用中,处理器中的操作码实现如下步骤在处理器和多个处于混和环境的传感器之间建立通信,这种建立是依赖于环境中传感器数量的变化而动态实现的;所述处理器从传感器接收各个所述混和信号;根据传感器的数量确定环境的未混和参数;以及有选择地将所述未混和参数应用于至少一个所述混和信号,从而分离所述至少一个所述混和信号,并提供至少一个与一传感器相关的输出源信号,所述输出源信号表明所述源波形中的一个波形。
12.根据权利要求11的电子设备,其中在通信建立步骤,操作码控制所述处理器不断检测混和环境中的传感器是否存在并建立所述处理器和所检测出的环境中的传感器之间的通信。
13.根据权利要求11的电子设备,其中该设备用盲信号分离来实施确定未混和参数的步骤。
14.根据权利要求13的电子设备,其中该设备用解方程[W,D]=eig(XXT,R)实现盲信号分离,其中X是N×T混和信号矩阵,包括对混和信号N个传感器读数的T个采样(N是在建立步骤中建立的环境中传感器的数量);eig是广义特征值过程,对于A.V=B.V.D,可以用[V,D]=eig(A,B)来定义,V联合对角化A和B,R是一个基于加在源信号上的假设的矩阵。
15.根据权利要求11的电子设备,其中该设备通过分离混和信号,以为每个所述传感器提供所述输出源信号执行有选择地应用步骤。
16.根据权利要求11的电子设备,其中该设备通过输出源信号来执行有选择地应用步骤,所述信号是用方程S=WTX一次性分离的,其中S是一个输出源信号的矩阵。
17.根据权利要求11的电子设备,其中该设备通过输出源信号来执行有选择地应用步骤,所述信号分别作为矩阵WT的特定行和矩阵W的列的乘积被分离的。
18.根据权利要求11的电子设备,其中该设备具有一个发射器,用来发送所述至少一个输出源信号。
全文摘要
用于分离混和信号的方法(20)和设备(1),混和信号由与设备连接的传感器(11、13)提供并源于传感器(11、13)检测各个混和波形,这些波形包括多个源于混和在混和环境(10)中的波形发生源的源波形。该方法(20)和设备(1)在处理器(3)和多个处于混和环境(10)的传感器(11、13)之间建立通信(22),这种建立依赖于环境中传感器(11、13)数量的不同而动态实现。在接收步骤(23),处理器(3)分别从传感器(11、13)接收混和信号,根据传感器(11、13)的数量实施确定步骤(24),确定环境的未混和参数。然后,选择步骤(25)将未混和参数应用于至少一个混和信号,从而分离至少一个混和信号并提供至少一个与一传感器(11、13)相关的输出源信号,输出源信号为源波形的一个未混和波形。
文档编号H04R3/00GK1492393SQ0315744
公开日2004年4月28日 申请日期2003年9月19日 优先权日2002年9月23日
发明者A·马迪夫斯基, M·汤姆森, A 马迪夫斯基, 飞 申请人:摩托罗拉公司
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