具有端射麦克风阵列的头戴式耳机以及端射阵列的自动校准的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明在一个实施例中设及双麦克风端射(end firing)阵列。标准头戴式耳机包 括具有麦克风拾音器臂的耳杯(ear cup)。在本发明的实施例中，两个麦克风被附着到耳杯 并且被配置为端射阵列。端射阵列使用自适应频谱方法和频谱减法来抑制不想要的声音。 根据第二实施例，提供了端射麦克风阵列的自动校准。
【背景技术】
[0002] 阵列的【背景技术】
[0003] 当前端射实现方式在麦克风阵列的指向性图案(directivity pattern)中创建了 定向零位(null)。在反射环境中，噪音源可能不会来自单一方向。因此，需要有效且简单的 系统和方法来提高对期望的音频信号的拾取。
[0004] 在具有两个或更多麦克风的系统(该系统具有后续信号处理）中，可能需要麦克风 的适当平衡W使得后续信号处理在设计参数内执行。针对平衡问题的现有解决方案是:a) 对匹配的麦克风进行仔细选择;或者b)通过注入诊断音调、测量、和永久存储补偿系数来手 动校准。相反地，本发明的实施例介绍了对被安排在将结合已知位置中的输入源使用的已 知配置中的不匹配麦克风对(例如，头戴式耳机对)的自动且连续校准。
[0005] 标准头戴式耳机包括一个(或两个)耳杯和麦克风拾音器臂。该臂将麦克风置于用 户的嘴的前面，并且拾取用户的语音和背景噪声。使麦克风靠近佩戴者的嘴允许用户的语 音优先于大部分背景声音被听到。缺点在于佩戴运些头戴式耳机可能是恼人的。
[0006] 参考信号
[0007] 在本申请中，我们提出了将麦克风置于头戴式耳机的耳杯来替代麦克风臂的方 法。为减少背景噪声并提升近场语音拾取，我们使用端射双麦克风阵列。运些麦克风被配置 为产生两个屯、型阵列。后向屯、型曲线的零点被定为指向期望的信号的方向并且前向屯、型曲 线的零点在相反的方向。后向屯、型信号被用作参考信号来确定与前向屯、型信号的任何相似 之处。我们然后在知道前向屯、型信号是包含直接话语的唯一信号的情况下减去任何相似之 处。我们使用基于频率的自适应方法来估计运些相似之处，仅在未检测到直接话语时进行 自适应更新。对于残余抑制，我们使用频谱减法。频谱减法还在检测到话语时被用来移除背 景噪声。
[000引端射算法
[0009] 端射阵列已经被用于蓝牙头戴式耳机和助听器中来拾取用户的语音同时有助于 抑制背景噪声。在本节中，我们回顾一些当前的方法。一种方法能够被描述为零位形成 (nuU-化rming)方案，其中指向性图案中的零位被导向噪声源的方向。然而，另一方法是从 阵列产生噪声参考信号，然后从期望的信号中减去噪声参考信号。我们通过边使用屯、型阵 列边讨论该阵列来开始。
[0010] 屯、型曲线
[0011] 两个全向麦克风能够被用于通过向其中之一添加延迟τ来创建定向麦克风。例如， 在图1中，端射阵列100包括之间相隔距离d的前向麦克风301和后向麦克风302。延迟块303 被用于创建定向麦克风。如果我们考虑来自方向0的平面声波扣(*)6^"1^<'^，则对于相距距 离d的两个全向麦克风而言，它们的压力差为
[001引如果我腿延迟τ - ，其中C为声速，d为麦克风之间的距离，贝峨照到图2A中 C 所示的指向性图案（屯、型曲线）。通过改变延迟τ，我们获得了不同指向性图案，参见图2B和 图2C，其中对于图2Β，T = d/3c(超屯、型曲线化ypercardioid))，对于图2C，T = 2d/3c(超级屯、 型曲线（supercardioid))。从运些图我们可W发现通过改变τ，我们能够改变零位的位置。 因此，如果我们知道声音(噪声)来自固定的方向并且想要对其进行抑制，则我们能够调整τ 的值来将零位移动到该方向。使用延迟和求和来创建定向麦克风是已知的。
[0016] 我们发现我们能够通过调整延迟来将零位导向某一方向。在数字系统中，运将会 要求我们实现分数插值器，如果我们使用两个全向麦克风来形成前向和后向双麦克风端射 阵列则可W避免运样，参见图3。除增益块"b"外，还使用了两个延迟块104和105。例如，设
[0017] y(t) =ci(t)-b*C2(t) [2.4]
[001引则对于b = l，我们得到图4A。随着我们在0非。.0的区间内改变b，我们能够在V 2<θ^π之间调整零位角Θ的位置。在数字系统中，改变增益比分数延迟容易些。（图4示出了 对于b=1.0(图4A);b = 0.75(图4B);b = 0.5(图4C);和b = 0.25(图4D)的前向和后向屯、型曲 线)。
[0019]如果我腿τ= ^则前向和后向屯、型信号的表达式为
、. 一
[0022] 其中k是波数k=w/c。
[0023] 在图5中，我们示出了调整等式2.4中的参数b的值的自适应信号处理方法。图5示 出了自适应前后双麦克风301、302;延迟块304、305; W及自适应增益调整块308。期望的信 号被包含在前向屯、型阵列中而不在后向屯、型阵列中。但是前向屯、型阵列包含话语和环境噪 声，而后向屯、型阵列包含环境噪声和反射的话语。为降低环境噪声，我们能够找到y和cr之 间的互相关，参见等式2.4。我们能够使用已知归一化最小均方(LMS)来运样做。运种归一化 自适应方法通过使用最速下降（Steepest Descent)方法找到最小值来减小最小均方E (y2)。也就是说，对可调整参数做出小的改变来降低E(y2)。在等式2.4中，我们仅有一个参数 b要调整，W降低y和cr之间的互相关。归一化自适应方法通过将W下更新用于b来减小最小 均方E(y2)
[0024]
[0025] 其中，μ是小参数，Σ (cr2)是cr的平均平滑乘方。在上面的方法中，我们具有单一 参数b，我们可W改变此单一参数bW降低环境噪声。如果我们对信号进行带通滤波，W比如 说创建8个频带，则我们可W使用8个系数b〇、bi、……、67，并且将1^15算法2.7用于每个频带 来调整bi，来提高抑制。该方法能够被用于在每个频带中创建零位。
[0026] 在图6中，我们示出了针对四个不同角方向θ = 0°、30°、60°和90°的频率扫描的范 围（参见602、604、606和608)。图6示出了对于T = d/c并且θ = 〇°、30°、60°和90°的幅度的变 化。因此，随着发言者移出拾音器指向性图案的波瓣，信号被抑制。从运些扫描图我们看到 通过均衡该麦克风信号，我们保留了该定向行为，全部曲线具有相同的恒定斜率。如从图6 中可见屯、型信号表现为高通。为补偿该行为，我们通过创建屯、型信号高通行为的镜像来均 衡麦克风信号。图7示出了对于屯、型信号的补偿，运是在图5中标注为滤波器511的块中实现 的(也参见等式2.5)。
[0027] 全部麦克风具有一些残余噪声，并且通过均衡该屯、型端阵列，该残余噪声会被放 大。麦克风被放置地越靠近，则需要的放大越大。如果我们使麦克风之间的距离从1cm加倍 到2cm(例如，我们增大屯、型信号约6dB)，则需要较低的均衡增益。但是由于延迟τ是由采样 率确定的，为简便起见，麦克风分开距离为T*c，其中C为声速。
[0028] 到现在为止，我们假设麦克风具有理想的平坦响应。但运远非真实的，有时需要补 偿运种变化性的方法。麦克风制造商一般规定Ik化的灵敏度，并且提供了约为该值或低于 该值的变化性的包络线。对于一些频率值，该变化性可能超出10地，并且运将会显著影响对 屯、型指向图的抑制的效果。在后面的章节中，我们将描述匹配多个不同频带中的麦克风的 方法和用于抑制不想要的噪声的方法。
【发明内容】
[0029] 为实现上述目的，本发明提供了有效且简单的系统。根据一个实施例，后向和前向 屯、型信号的能量被用于确定自适应滤波器是否应当被更新。多相滤波器组将前向和后向屯、 型信号分成