专利名称：用于方向相关空间噪声减低的设备和方法
技术领域：
本发明涉及方向相关空间噪声减低，例如，用于在双耳助听器中使用。
背景技术：
对于非稳定信号，诸如在具有多个说话者的复杂听觉环境中的语音，为了通过增强期望信号来改善语音可懂度，方向信号处理至关重要。例如，传统助听器利用简单的差动麦克风来聚焦于用户前方或后方的目标。在许多听觉境况中，期望的说话者方位角不同于这些预定方向。因而，让聚焦方向可导引的方向信号处理在增强期望源方面将是有效的。最近，已经提出用于双耳波束形成的方法。文献
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中使用具有两个3通道助听器的配置来设计双耳波束形成器。基于期望观察方向设置波束形成器约束，以利用每个助听器中的三个麦克风来实现可导引波束，这在现有技术助听器的状态下是不实用的。显示该系统性能依赖于在表述导引矢量(steeringvector)时使用的传播模型。文献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中使用双耳多通道维纳滤波器(MWF)，以通过估计每个助听器中的语音信号的统计值来获得可导引波束。MWF计算量大，而且给出的结果是使用完全VAD (话音活动检测)来估计噪音同时假定噪音在话音活动期间稳定而取得的。文献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个空间零位(spatial null)的另一种技术,但其对麦克风阵列几何形状敏感，因而不适用于助听器配置。
发明内容
本发明的目的在于提供用于方向相关空间噪声减低的设备和方法，其可以用于将具有最大灵敏度的角度聚焦于处在任意给定方位角的目标声源，即，包括除0° (S卩，用户正前方)或180° (即，用户正后方)之外的方向。借助根据权利要求I所述的方法和根据权利要求8所述的设备实现上述目的。本发明的基本思路在于获得目标信号信号电平和噪声信号电平的估计的方式，以使得聚焦于位于任意方向的期望声源。通过结合在信号方向相互具有最大响应的至少两个方向输出(一个单耳和一个双耳)获得目标信号功率估计。通过测量在期望源的方向相互具有最小敏感度的至少两个方向信号(一个单耳和一个双耳)的最大功率获得噪声信号功率估计。因而，本发明的根本特征在于结合单耳和双耳方向信号用于估计目标和噪声信号电平。在一个实施例中，为了获得在声信号源方向的期望目标信号电平，提出的方法进一步包括通过选择在声源方向相互具有最大响应的至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号的最小值来估计目标信号电平。在一个实施例中，为了在声源的方向导引波束，提出的方法进一步包括通过选择在声源的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号 和至少一个双耳方向信号的最大值来估计噪声信号电平。在替换实施例中，提出的方法进一步包括通过计算在声源方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号的和来估计噪声信号电平。在另一实施例中，提出的方法进一步包括使用下列公式从估计的目标信号电平和估计的噪声信号电平计算维纳滤波器放大增益放大增益=目标信号电平/ [噪声信号电平+目标信号电平]。将上述增益应用于输入信号产生增强的信号输出，其具有在声源方向减低的噪声。在预期实施例中，由于方向信号处理电路的响应是声频的函数，将声输入信号分成多个频带，并且对所述多个频带分别使用上述方法。在多种不同的实施例中，对于所述信号电平，使用下列单位的一种或多种功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平。
以下参照附图中示出的实施例进一步描述本发明，其中图I图示可以应用本发明的实施例的具有无线链路的双耳助听器配置；图2是图示一阶差动麦克风阵列电路的框图；图3是图示自适应差动麦克风阵列电路的框图；图4是侧视导引系统的框图；图5是图示根据本发明的可导引双耳波束形成器的示意图；图6A至图6D图示用于单耳和双耳情形的差动麦克风阵列输出，图6A示出side_select=l时的输出，图6B不出side_select=0时的输出，图6C不出plane_select=l时的输出，图6D示出plane_select=0时的输出；图7是根据本发明的一个实施例的用于方向相关空间噪声减低的设备的框图；图8A图示如何估计目标信号电平的示例；图8B图不如何估计噪声/[目号电平的不例；以及图9A至图9D图示为多种测试情形形成的导引波束样式，图9A图示以250Hz导引至左侧的波束的样式；图9B图示以2kHz导引至左侧的波束的样式；图9C图示以250Hz导引至45°的波束的样式，图9D图示以500Hz导引至45°的波束的样式。
具体实施例方式以下讨论的本发明的实施例提供用于方向相关空间噪声减低的设备和方法，其可以在如图I所示的双耳助听器配置I中使用。配置I包括右助听器，包括第一对单耳麦克风2、3 ;以及左助听器，包括第二对单耳麦克风4、5。左右助听器分别安装在用户6的左右耳中。每个助听器中的单耳麦克风以距离I1分开，由于尺寸限制，距离I1例如可以近似等于10mm。左右助听器以距离I2分开，并且通过双向音频链路8连接，音频链路8典型地是无线链路。为了最小化功耗，只有一个麦克风信号可以从一个助听器传送至另一助听器。该示例中，左右助听器的前麦克风4、2分别形成双耳对，通过音频链路8传输信号。图I中，Xei [n]和XK2 [n]代表由右助听器的前麦克风2和后麦克风3分别测量的第n个全向信号,而Xli [n]和Xli2Iin]代表由左助听器的前麦克风4和后麦克风5分别测量的第n个全向信号。因而，信号Xki[n]和Xu [n]分别对应于从左右助听器的前麦克风4、2分别传送的信号。单耳麦克风对2、3和单耳麦克风对4、5各自提供对直接位于用户6前方或后方的目标声源的方向敏感度。借助双耳麦克风2、4，实现侧视波束导引，其提供对位于用户6侧 方(左或右)的目标声源的方向敏感度。本发明的基本思路在于提供方向相关空间噪声减低，其可以用于将助听器的最大敏感度的角度聚焦至位于任意给定方位角0st_处的目标声源7，该方位角esteOT包括除0° /180° (前后方向)以及270° /90° (左右侧方)以外的角度。在讨论本发明的实施例之前，以下段落讨论如何实现单耳方向敏感度(用于前后方向)和双耳侧视导引(用于左右侧方)。借助方向信号处理电路实现方向敏感度，方向信号处理电路通常包括差动麦克风阵列(DMA)。参照图2说明典型的一阶DMA电路22。这样的一阶DMA电路22通常在包括以距离I (大约IOmm)分开的两个全向麦克风23、24以产生方向响应的传统助听器中使用。只要间距I相对于声波波长、较小的假设成立，该方向响应就与频率无关。该示例中，考虑麦克风23位于聚焦侧，并且考虑麦克风24位于干扰侧。DMA 22包括延时电路25，用于将位于干扰侧的麦克风24的响应延迟时间间隔T。在节点26处，从麦克风23的响应中减去麦克风24的延迟响应以得到方向输出信号y[n]。对于以角度0撞击到一阶DMA 22上的信号X[n]，在远场条件下，DMA 22的频率和角度相关响应的幅值由下式给出
,,I* cijsif)!= I -I(I)其中，c是声速。可以调整延迟T以消除来自特定方向的信号，从而获得期望的方向性响应。在助听器中，将该延迟T固定以匹配麦克风间距1/c，并且代以使用如图3的自适应差动麦克风阵列(ADMA) 27中所示的背对背心形系统来实现期望的方向性响应。如图所示，ADMA电路27包括延时电路30和31，用于延迟来自以距离I隔开的麦克风28和29的响应。Cf是从衰减来自干扰方向的信号的节点33获得的心形波束形成器输出，而Ck是从衰减来自聚焦方向的信号的节点32获得的反心形(反向心形)波束形成器输出。将反心形波束形成器输出(^乘以增益P，并且在节点35处从心形波束形成器输出Cf中减去，使得阵列输出y[n]由下式给出
y [n] Cf- ^ Ce ⑵对于来自等式(2)的y[n]，来自0°的信号不被衰减，而且在由下式给出的对于3值的方向9 :形成单一空间凹口(notch):ft = arccos ---(3)
/i + l '在用于助听器的ADMA中，将参数P适配为将凹口导引至噪声源的方向0 i以优化方向性指数。这是通过最小化输出信号y[n]的MSE (均方差)执行的。使用梯度下降技术来跟踪MSE代价函数的负梯度，通过下列等式(4)来适配参数3 B[h +1] = P\n][/ ])( 4 )OfJ在听觉情形下，当期望声源位于用户一侧时，使用具有双向音频链路的双耳助听器实现侧视波束导引。已知在高频率处，由于头部遮蔽效应，头部两侧处测得信号之间的耳间电平差(ILD)显著。ILD随频率而增大。在用于较高频率的双耳维纳滤波器的设计中可以利用该头部遮蔽效应。在较低频率处，声波波长X s相对于头部直径较长。因而，在头部两侧的声压等级之间有最小变化，并且发现耳间时间差(ITD)是更显著的声线索。在较低频率处，设计双耳一阶DMA以建立侧视。因而，可以将侧视导引的问题分解为两个较小的问题，将双耳DMA用于较低频率，并且将双耳维纳滤波器方法用于较高频率，如图4中的侧视导引系统36所示。这里，输入的有噪声输入信号x[n]由下式给出x[n]=s[n]+d[n]其中，s[n]是与聚焦侧对应的来自方向0 s G [90°，-90° ]的目标信号，而d[n]是与干扰侧对应的从方向ed (这里ed=-es)入射的噪声信号。通过分析滤波器组37将输入信号x[n]分解成频率子带。分解的子带信号由高频带方向信号处理模块38和低频带方向信号处理模块39分别处理，前者包括维纳滤波器，而后者包括DMA电路。最后,合成滤波器组40重建输出信Ss其导引于聚焦侧的方向0 S。在高频带方向信号处理模块38处，在双耳系统的设计中利用头部遮蔽效应以在较高频率(例如，对大于Ik Hz的频率)下执行侧视。来自干扰侧的信号在这些较高频率下横跨头部被衰减，下面给出提出的系统的分析。考虑这样的情景，根据图1，目标信号s[n]从助听器用户的左侧(-90° )到达，而干扰信号d[n]位于右侧(90° )，在左前麦克风处记录的信号Xu [n]和在右前麦克风处记录的信号Xki [n]由下式给出xL1 [n] =s [n] +hL1 [n] *d [n] (5)xE1 [n] = hE1[n]*s[n]+d[n] (6)其中，hu[n]是从右前麦克风到左前麦克风的传递函数，而hK1[n]是从左前麦克风到右前麦克风的传递函数。将等式(5)、(6)变换到频域得到Xli ( Q )=S( Q )+IIL1 (Q)*D(Q) (7)XE1(Q)=IIE1(Q)*S(Q)+D(Q) (8)将信号Xa(Q)的短时间谱功率记作Oa(Q)。由于左侧是聚焦侧，而右侧是干扰侦牝可以推导出经典维纳滤波器为
权利要求
1.一种用于方向相关空间噪声减低的方法，包括无特定次序的下列步骤 —测量来自声源(7)的声输入信号(XK1，XK2，Xu)； 一从所述输入信号(XK1，XE2, Xu)获得至少一个单耳方向信号(Y1, N1)和至少一个双耳方向信号(Y2, N2)； 一通过结合所述单耳方向信号的至少一个(Y1)和所述双耳方向信号的至少一个(Y2)来估计目标信号电平()，该至少一个单耳方向信号(Y1)和至少一个双耳方向信号(Y2)在所述声源(7)的方向相互具有最大响应；以及 一通过结合所述单耳方向信号的至少一个(N1)和所述双耳方向信号的至少一个(N2)来估计噪声信号电平(4>d ),该至少一个单耳方向信号(N1)和至少一个双耳方向信号(N2)在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度。
2.根据权利要求I所述的方法，包括无特定次序的更多步骤 一通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最大响应的至少一个单耳方向信号(1)和至少一个双耳方向信号(Y2)的最小值来估计所述目标信号电平()。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的方法，包括无特定次序的更多步骤 一通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N1)和至少一个双耳方向信号(N2)的最大值来估计所述噪声信号电平(0
4.根据权利要求I或权利要求2所述的方法，包括无特定次序的更多步骤 一通过计算在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N1)与至少一个双耳方向信号(N2)的和来估计所述噪声信号电平(Od )o
5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，包括无特定次序的更多步骤 使用下列公式从所述估计的目标信号电5h CD )和所述估计的噪声信号电平(占D!计算维纳滤波器放大增益(W) 放大增益(W)=目标信号电平()/[噪声信号电平(‘D )+目标信号电平(￠, ) I
6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，将声输入信号(Xki, XK2, Xu )分成多个频带，而且其中，对于所述多个频带分别地使用所述方法。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，对于所述信号电平(4, <!> )，使用下列单位的一种或多种功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平。
8.一种用于方向相关空间噪声减低的设备(70),包括 一多个麦克风(。。，^〖允用于测量来自声源^彡的声输入信号丨乂…乂…乂^义所述多个麦克风(2，3，4，5)形成至少一个单耳对(2，3)和至少一个双耳对(2，4)； 一方向信号处理电路(71，72，73，74)，用于从所述输入信号(XK1，XK2，XU)获得至少一个单耳方向信号(Y1, N1)和至少一个双耳方向信号(Y2，N2)； -目标信号电平估计器(76 )，用于通过结合所述单耳方向信号的至少一个(Y1)和所述双耳方向信号的至少一个(Y2)来估计目标信号电平()，该至少一个单耳方向信号(Y1)和至少一个双耳方向信号(Y2)在所述声源(7)的方向相互具有最大响应；以及 -噪声信号电平估计器(75 )，用于通过结合所述单耳方向信号的至少一个(N1)和所述双耳方向信号的至少一个(N2)来估计噪声信号电平(Od )，该至少一个单耳方向信号(N1)和至少一个双耳方向信号(N2)在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度。
9.根据权利要求8所述的设备(70)，其中所述目标信号电平估计器(76)被配置用于通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最大响应的至少一个单耳方向信号(Y1)和至少一个双耳方向信号(Y2)的最小值来估计所述目标信号电平(o )。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，其中，所述噪声信号电平估计器(75)被配置用于通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N1)和至少一个双耳方向信号(N2)的最大值来估计所述噪声信号电平()o
11.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，其中，所述噪声信号电平估计器(75)被配置用于通过计算在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N1)与至少一个双耳方向信号(N2)的和来估计所述噪声信号电5 ( Cl))。
12.根据权利要求8至权利要求11中任一项权利要求所述的设备UO)进一步包括信号放大器(77，78)，用于基于使用下列公式计算的基于维纳滤波器的放大增益(W)来放大声输入信号 放大增益(W)=目标信号电平(边)/[噪声信号电平(‘D)+目标信号电平(I)]。
13.根据权利要求8至权利要求12中任一项权利要求所述的设备(70)，其中，对于所述信号电平(￠,, )，使用下列单位的一种或多种功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平。
14.根据权利要求8至权利要求13中任一项权利要求所述的设备(70)，包括用于将声输入信号(XK1，XK2，Xu)分成多个频带的部件，其中，对于所述多个频带分别地计算所述目标信号电平()和所述噪声信号电平()。
15.根据权利要求8至权利要求14中任一项权利要求所述的设备(70)，其中，所述方向信号处理电路进一步包括 一单耳差动麦克风阵列电路(71，72)，用于获得所述至少一个单耳方向信号(YnN1);以及 一双耳差动麦克风阵列电路(73，74)，用于获得所述至少一个双耳方向信号(Y2，N2)。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的设备，其中，所述方向信号处理电路进一步包括双耳维纳滤波器电路，用于获得所述至少一个双耳方向信号，对于门限值以上的频带，所述双耳维纳滤波器电路具有基于与麦克风的双耳对(2，4)之间的传递函数相对应的信号衰减而计算的放大增益。
全文摘要
本发明涉及用于减低方向相关空间噪声的设备和方法。该设备包括用于测量来自声源(7)的声输入信号(XR1，XR2，XL1)的多个麦克风(2，3，4，5)，其形成至少一单耳对(2，3)和至少一双耳对(2，4)。方向信号处理电路(71，72，73，74)从输入信号(XR1，XR2，XL1)获得至少一单耳方向信号(Y1，N1)和至少一双耳方向信号(Y2，N2)。目标信号电平估计器(76)通过结合在声源(7)的方向相互具有最大响应的至少一单耳方向信号(Y1)和至少一双耳方向信号(Y2)来估计目标信号电平噪声信号电平估计器(75)通过结合在声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一单耳方向信号(N1)和至少一双耳方向信号(N2)来估计噪声信号电平
文档编号H04R25/00GK102771144SQ201080064240
公开日2012年11月7日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年2月19日
发明者E.费舍尔, N.查特拉尼 申请人:西门子医疗器械公司