专利名称：数字及模拟定向麦克风的制作方法
技术领域：
本发明背景本发明涉及定向麦克风，特别涉及为达到改善的动态范围性能而具有最小化的固有噪声电平的定向麦克风。
定向麦克风广泛应用于新闻采集，体育报道，室外电影、电视录音等专业市场。在这些情况下定向麦克风的使用是必要的，这种情况下存在噪音，并且无法将麦克风与声源充分靠近。
现今使用的定向麦克风一般有两种，第一种称为“猎枪式式”麦克风，也称为直线加斜度(line plus gradient)麦克风。典型的猎枪式式麦克风包括一声管，用于靠其机械结构减小麦克风正前方声管轴向以外方向到来的噪声。第二种定向麦克风是抛物面反射器(parabolic dish)，它通过将所需方向以外方向上的噪声源反射离开来集中一个方向上的声音信号。
这两种麦克风都具有固定的方向性，减小了麦克风后方的噪声。然而，典型的定向麦克风也有一些缺点，如麦克风前方噪声源减噪效果差，语音信号之类的低频带(通常在300-500Hz级)减噪性能不显著，以及由严格依赖麦克风频率的方向性带来的色彩化(colorization)问题等。造成麦克风“轴偏离”角度上的频率响应异常以及输出声音异常。
麦克风阵列(通常包括5或11个单元，靠模拟技术声音汇集)也可以提供与猎枪式麦克风或抛物面反射器类似的方向拾音特性。在此类麦克风中，方向性是固定的，其频率响应也因数学定义而限定在500-5000Hz的范围内。唯一改善此类麦克风的性能的方法是增加阵列的物理大小或使用阵列中更多的单个麦克风。由于频率响应限制干扰和切断了声音信号的接收，通常首选猎枪式或抛物面式麦克风。
手持麦克风可用于采访。这种应用中一个很重要的要求是去除不需要的背景噪声，特别是当采访在室外进行时，存在各种所需目标声源之外的噪声源。猎枪式或抛物面麦克风可以去除背景噪声，然而这些设备因体积大、近距离效果差、和握持方面的困难等在采访的情况下不实用。
数字技术中有一种“束形成”(beamform)的技术，其中来自空间上分散的传感器单元阵列的信号被按一方法组合以增强所需方向上的信号同时抑制所需方向以外方向上的信号。此技术可以提供具有传感器阵列大小的模拟麦克风所能提供的同样大小的方向性。通常有两种束形成技术，之后还将详细说明。
首先，非自适应束形成器可包括带有若干预定系数的滤波器以使束形成器沿所需方向呈现最大灵敏度或最小灵敏度(零)。非自适应束形成器的性能是有限的，因为预定滤波器系数不允许在可能存在的干扰方向上设置零(nulls)或在动态变化的环境中去除零。其次，自适应束形成器包括其系数不断被更新的滤波器，以使束形成器在动态变化的环境中适应于所需信号的变化位置。因此，在变化的环境中，自适应束形成器允许按照噪声源的运动设置零。
虽然自适应束形成器比可比的模拟设备具有明显的优点，自适应束形成设备在分辨率、动态范围、和信噪比上有限且难以置入猎枪式麦克风之类的定向麦克风与之共同使用。
本发明概述本发明的主要目的之一是提供数字模拟定向麦克风，该定向麦克风使用自适应束形成器，且具有最小化的固有噪声电平，以，例如，获得最大动态范围性能，并且易于使用。
按照本发明的定向麦克风包括具有加长音管的猎枪式麦克风，其能在大于预定频率的频率上控制所述定向麦克风的方向性；在所述猎枪式麦克风上相间排列的至少四个基准麦克风；以及电连接于所述猎枪式和基准麦克风上的信号处理器，所述信号处理器从所述基准麦克风的部分信号中产生具有通常低于预定频率的频率的干扰消除信号，所述信号处理器组合所述消除信号和来自猎枪式麦克风的信号以产生输出信号，在该输出信号中，来自管纵轴方向的定向麦克风前方的信号被增强，以及来自所述加长管纵轴方向上定向麦克风前方以外的方向上的信号被抑制。
本发明的其它目的包括，例如，提供改善的目标信号分辨率以及改善的目标信号信噪比的数字及模拟定向麦克风。
图1A和1B是按照本发明的数字及模拟定向麦克风的透视图和剖面透视图；图2是图1-1B的数字及模拟定向麦克风中使用的电路的示意性方框图；图3A和3B是提供低噪声功率到图2的电路的电源电路的示意图；图4A是用于放大和限定图2的猎枪式麦克风的信号的前置放大器和限幅器电路的示意图；图4B是向图4A的电路提供偏置电压的偏置电路的示意图；图5A和5B是图2的养分放大器和斜坡(shelving)电路的示意图；图6A是处理图2的前置放大器和限幅器电路的束信号的抗混淆滤波器的示意图；图6B是向图6A的电路提供偏置电压的偏置电路的示意图；图7是图2的重构滤波器和衰减器的示意图；图8是图2的耳机电路的示意图；图9是操作图2所示数字信号处理器的一种方法的方框图；以及图10是操作图2所示数字信号处理器的另一种方法的方框图。
详细说明参照图1A-1C，说明按照本发明的数字及模拟定向麦克风10的透视以及剖面图。麦克风10包括把手部分12和传感器部分14。猎枪式麦克风16安装在麦克风10的传感器部分14中的托架18上。四个心形的基准麦克风20、22、24、26安装在托架18上以及围绕猎枪式麦克风16的纵轴相间排列。传感器部分14包括三个编制网部分28或其它适合声音透过的材料，以允许猎枪式麦克风16和基准麦克风20-26接收位于麦克风10的前方的沿麦克风16纵轴方向的目标声源发来的信号。部分28还允许基准麦克风20-26接收干扰信号，这些干扰信号来自于猎枪式麦克风16的纵轴以外方向上相对麦克风10的偏离轴的各种噪声源。麦克风10还包括印刷线电板30，其安装在把手部分12中且包括安装在其上的之后将详细说明的电路。
猎枪式麦克风16包括加长的管部分32和基座部分34，其安装在图1B所示的托架18上。干扰管32的长度控制猎枪式麦克风16的方向性模式。一般地，具有较长管部分的猎枪式麦克风工作在低至200-300Hz的频率上，但管部分的长度在高频时造成了不必要的凸角。或者说，管越长，频率越低，且其上不需要的凸角越明显。因为自适应算法用于控制3kHz以下的方向性，管部分32的长度被选择为允许猎枪式麦克风16的方向性在3kHz频率或之上由管部分32自身控制。管部分32的方向特性下降至在此频率之下的一标准一阶压力加斜度特性。最好管部分32是大约5英寸长以允许，例如，麦克风10方便地用于采访目的。
图2是麦克风10中使用的安装在电路板30上的电路的方框图。猎枪式麦克风16和基准麦克风20-26被连接至前置放大器和限幅器电路36-44，如所示。电路36-44等同且包括具有增益结构的低噪声前置放大器，其设计为前置放大器的增益被设定在这样一电平，使得麦克风的固有噪声电平恰好低于电路46和48中的模数(A／D)转换器的噪声门限。图4A和4B说明了连接到猎枪式麦克风16上的前置放大器和限幅器电路的优选实施例。现有技术普通技术人员显然应知道还可使用其它的电路。
典型的猎枪式麦克风具有112分贝或更大的动态范围，该范围从12DBSPL的猎枪式麦克风固有噪声指标上升且具有最大为124db SPL的SPL能力。这些指标在猎枪式麦克风应用中是必要的，因为当麦克风10用在接近大声场时需要在远距离拾音和最小化失真。最小化固有噪声电平使得达到最大的动态范围。
电路46和48中使用的模数转换器最好使用16位以提供98分贝的动态范围。为增加明显的动态范围，输出电平限幅器被安置在每一电路36-44中。每一限幅器给出大约17分贝的限幅操作，以增加模数转换器的动态范围至明显的115分贝的动态范围。最好使用输出电平限幅器，因为，例如，当使用较大数目的比特在模数转换过程中增加动态范围时，在数字信号处理器50中处理较大数目比特相应增加了计算的复杂性以及限制了可以用于每一采样的处理时间量。
差分放大器和斜坡(shelving)滤波器52和54电连接至前置放大器和限幅器电路36／38和42／44的输出并被相应提供信号。电路52产生一信号，该信号等于麦克风20的信号减去麦克风24的信号。电路54产生一等于麦克风22的信号减去麦克风26的信号的信号。电路52和54都执行斜坡滤波器的功能，其以1．5分贝放大低频信号，这有益于自适应束形成目的，对此之后更详细说明。放大的1．5分贝产生于减小高频信号的输出，此意味着低频信号以一致增益通过和较高音频频率信号被减小1．5分贝的幅度。图5A和5B说明了差分放大器和斜坡滤波器电路52和54的优选实施例。本领域普通技术人员显然应明白，还可以用其它的电路。
从差分放大器斜坡滤波器电路52和54输出的信号和从前置放大器限幅器电路40输出的信号被提供到抗混淆滤波器电路56-60，如图2所示。在优选实施例中，每一滤波器包括三阶18分贝／倍频程抗混淆滤波器，其以15kHz为中心。图6A和6B说明了抗混淆滤波器56-60的优选实施例，以及本领域一般技术人员显然应明白，还可以用其它的电路。
滤波器电路56和60被连接至模数转换电路46和滤波器电路58被连接至模数转换电路48。转换器电路46和48包括64x过采样Sigma-Delta转换器、信号平衡器、16比特模数转换器。Sigma-Delta转换器，与抗混淆滤波器电路56-60一同，允许混淆类型噪声保持在低于模拟数字转换器的噪声底线的电平。每一Sigma-Delta转换器的输出信号由信号平衡器来平衡，其结果信号送至分离的模数转换器。
从滤波器电路56-60输出的信号的数字形式被送至数字信号处理器(“DSP”)50。DSP50被可操作地连接至EPROM62以允许自适应束形成发生，如以下参照图9详细说明的。DSP50通过数模转换器62连接至重构滤波器和衰减器(pad)电路64。电路62包括10分贝衰减器电路，其使得输出信号的电平在端子66降至标准麦克风输出。耳机电路68连接至重构滤波器和衰减器电路64以使用户在输出70和72听到数字及模拟麦克风10的输出。电路64和68的优选实施例如图7和8所示。注意图7和8所示电路在节点74电连接在一起。本领域一般技术人员显然应明白，还可以用电路64和68的其它的实施例。
图3A和3B说明了向图4A到8所示电路提供电源的电路。麦克风1O可以通过连接器76和78连接至外部电源，例如，便携视频摄像机电池。然而，应当理解，可以选择图4A到8所示电路的各组成部分以最小化电流损耗，以使，例如，电路工作在6个外部AA电池(未示出)上，以适于便携领域的应用。这样，电路76和78在节点82、84、和86提供三个分离的电压，以提供电源至图4A到8所示电路。
现在说明SDP50执行自适应束形成的优选方法。模数转换器电路46和48周期地将滤波器56和58(麦克风20／24和22／26)输出的基准麦克风差信号的数字采样提供至低通滤波器88和90。滤波器88和90用于衰减和滤除所有包括在差信号中的频率，这些频率在管部分32控制猎枪式麦克风16的方向性的频率之上。在优选实施例中，滤波器88和90去除具有3kHz及以上频率的差信号。从滤波器88和90输出的该滤波的信号表示从猎枪式麦克风16所指向的所需方向以外的所有方向接收的干扰信号并被送至自适应滤波器92。
自适应滤波器92处理滤波器88和90输出的信号和产生低频率消除信号，该信号一般表示周期地存储在延迟电路94中的猎枪式麦克风16的输出信号的低频部分中存在干扰。较对器96转换自适应滤波器92的低频消除信号成宽带信号。求和电路98用于从延迟电路94存储的信号中减去消除信号并在电连接至数模转换器电路62的节点100上施加输出信号。节点100上的信号由低通滤波器和抽取电路102处理并反馈回自适应滤波器92。
EPROM 62可以包括不同的程序，用于控制DSP50的自适应束形成操作。每一不同的程序可由用户用开关选择(未示出)，此开关可设于麦克风10的把手部分12上。例如，开关的活动可以使用户改变程序参数以修改3kHz以下的方向性的量或仅允许来自猎枪式麦克风16的信号通过而不用DSP50的自适应束形成处理。对此，参照图10说明图2所示数字信号处理器50可以用来进行自适应束形成的第二方法。
参照图10，A／D电路56和58周期地提供来自滤波器56和58(麦克风20／24和22／26)的基准麦克风差信号的数字采样至带通滤波器104和106以及低通滤波器108和110。带通滤波器104和106用于允许信号频带从一频率下降至较低的频率，在该频率上管部分32用于控制猎枪式麦克风16的方向性。低通滤波器108和110用于衰减和滤除所有高于基本“较低”频率的频率。
自适应滤波器112处理滤波器104和106输出的带通信号并产生带通频率消除信号，该信号一般表示周期地存储在延迟电路114中的猎枪式麦克风16的信号中的带通部分中存在的干扰。自适应滤波器116处理一般表示猎枪式麦克风16的低频部分存在干扰的滤波器108和110的低频信号。内插器118和120分别转换自适应滤波器112和116的带通和低频信号成宽带信号。求和电路122用于从周期地存储在延迟电路114中的猎枪式麦克风16的信号中减去内插器118和120的消除信号。求和电路122的输出被施加到电连接至数模转换器电路62的节点124。该节点124上的信号被通过带通滤波器和抽取电路126反馈至自适应滤波器112并通过低通滤波器和被抽取电路128反馈至自适应滤波器116。
以上按优选实施例对本发明进行了详细说明，但这仅是说明性的而非限制性的，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的实质和精神的范围内还可对本发明作各种替代和修改。
权利要求
1.一种定向麦克风，包括具有加长音管的猎枪式麦克风，其能在预定频率之上的频率控制所述定向麦克风的方向性；在所述猎枪式麦克风上相间排列的至少两个基准麦克风；以及电连接于所述猎枪式和基准麦克风上的信号处理器，所述信号处理器从所述基准麦克风的部分信号中产生具有一般低于预定频率的频率的干扰消除信号，所述信号处理器组合所述消除信号和来自猎枪式麦克风的信号以产生输出信号，在该输出信号中，来自所述管纵轴方向的定向麦克风前方的信号被增强，而来自所述加长管的纵向轴方向上定向麦克风前方以外的方向上的信号被抑制。
2.如权利要求1所述的定向麦克风，其中定向麦克风包括至少4个基准麦克风。
3.如权利要求2所述的定向麦克风，其中所述信号处理器组合至少4个基准麦克风的输出信号以形成至少两个基准麦克风的差分信号，所述信号处理器从所述差分信号的部分信号中产生具有一般低于预定频率的频率的所述消除信号。
4.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述信号处理器包括一前置放大器和限幅器电路，电连接至所述猎枪式和基准麦克风中的每一个以及一模数转换电路，电连接至所述前置放大器和限幅器电路的每一个，所述前置放大器和限幅器电路的每一个具有可被平衡的增益和限幅器参数，以允许所述猎枪式和基准麦克风的动态范围和噪声底线与所述模数转换器电路的动态范围和噪声底线匹配。
5.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述信号处理器包括一滤波器电路和一模数转换电路，其电连接至所述猎枪式和基准麦克风中的每一个，所述滤波器电路使混淆类型的噪声被减小到低于对应的模数转换电路的噪声门限。
6.如权利要求5所述的定向麦克风，其中每一所述滤波器电路包括一抗混淆滤波器和一过采样Sigma-Delta转换器。
7.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述信号处理器包括一自适应束形成器。
8.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述信号处理器从具有通常低于所述预定频率的频率的所述基准麦克风信号的各个部分中产生两组消除信号。
9.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述预定频率为大约3kHz。
10.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述信号处理器包括一输出电平限幅器电路，其连接至每一个所述猎枪式和基准麦克风，以及一模数转换电路，连接至每一个所述输出电平限幅器电路，所述模数转换电路提供预定的最大动态范围，其中所述输出电平限幅器电路按照预定量减小所述猎枪式和基准麦克风的输出信号的电平以允许增加明显的动态范围。
11.如权利要求10所述的定向麦克风，其中所述最大动态范围是大约95分贝以及所述限幅器电路减小信号电平大约17分贝以提供112分贝的明显动态范围。
12.如权利要求1所述的定向麦克风，其中斜坡滤波器电路被连接至每一所述的至少两个基准麦克风，所述斜坡滤波器电路放大低于某一频率的对应的基准麦克风的输出信号的一部分。
13.如权利要求12所述的定向麦克风，其中每一斜坡电路通过减小所述高于某一频率的输出信号的部分放大对应的基准麦克风的输出信号的一部分。
14.如权利要求1所述的定向麦克风，其中所述加长的管是大约5英寸长。
全文摘要
一种定向麦克风包括:具有加长管的猎枪式麦克风(16)其能在高于预定频率的频率上控制定向麦克风的方向性;在猎枪式麦克风(16)上相间排列的至少四个基准麦克风(20,22,24,26)。电连接于猎枪式和基准麦克风上的信号处理器(50)从基准麦克风的部分信号中产生具有低于预定频率的频率的干扰消除信号(自96)。信号处理器(50)组合(98)消除信号和来自猎枪式麦克风(16)的信号以产生输出信号(100),其中来自管纵轴方向的定向麦克风前方的信号被增强,而来自管纵轴方向上定向麦克风前方以外的方向上的信号被抑制。
文档编号H04R3/00GK1290467SQ98812543
公开日2001年4月4日 申请日期1998年12月21日 优先权日1997年12月22日
发明者杰奎琳·格林, 罗伯特·T·格林第三, 菊谷正 申请人:声音技术美国公司