一种用于声干扰消除的波束成形技术的制作方法

1.本公开内容涉及一种用于声干扰消除的波束成形技术。


背景技术：

2.本公开总体上涉及对机动车辆音频和声音抑制系统进行编程。更具体地，本公开的各方面涉及用于鲁棒干扰跟踪和消除的系统、方法和设备，以通过利用最佳调谐线性约束最小方差(lcmv)波束成形器的替代方案来跟踪和消除不期望的噪声源，从而为多麦克风处理保持期望的源不失真响应。
3.驾驶员的注意力是车辆安全运行的主要因素。随着移动设备和车辆自动化使用的增加，驾驶员分心的机会继续增加。免提呼叫已经在现代车辆中广泛实施，使得驾驶员可以通过移动电话进行双向语音对话，同时不会分散驾驶员的手和注意力。免提通话使用无线连接在移动电话和车辆信息娱乐系统之间传输音频数据。驾驶员的声音由车厢内的麦克风捕捉，远程方的声音通过车厢内的扬声器播放。出现的问题在于，来自扬声器的声音以及其他车辆乘客的声音和其他环境噪声可能被麦克风拾取，从而导致反馈和/或使得驾驶员的声音变得不可理解。为了解决这个问题，波束成形已经被使用，使用多个麦克风来增加系统对驾驶员的灵敏度，并且衰减不是来自于驾驶员位置的声音。
4.线性约束最小方差(lcmv)波束成形是一种多通道信号处理技术，用于增强来自已知方向的声学信号，并衰减来自其他方向的不想要的声学信号。波束成形技术被广泛用于增强期望的语音信号。它们利用多个麦克风的空间分集来增强所需的扬声器声音。例如，车厢内的免提呼叫系统采用多个麦克风来增强车厢噪音和环境中竞争扬声器下的驾驶员声音。为此，通常使用lcmv波束成形技术。指向干扰的lcmv空间陷波通常非常尖锐，导致干扰消除效果不佳，即使干扰源的移动很小。这一事实要求快速跟踪干扰源并频繁更新lcmv解决方案。lcmv波束成形器的高节奏更新在计算上是昂贵的，并且会导致较差的噪声消除，特别是对于基于gsc的lcmv实现。希望解决这些问题以提供用于声学干扰消除的改进的波束成形技术。在这个背景部分中公开的上述信息仅仅是为了增强对本发明背景的理解，因此它可能包含不构成在这个国家已经为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本文公开了车辆通信系统、车辆用户界面系统和用于提供车辆用户界面系统的相关控制逻辑、制造和操作这种系统的方法以及配备有用户界面系统的机动车辆。作为示例而非限制，提供了一种用户界面系统，用于隔离由车辆麦克风接收的期望的声学信号，执行波束成形器操作以隔离期望的声学信号，从不期望的声学信号路径中消除期望的信号，过滤不期望的声学信号路径，以及用过滤的不期望的声学信号消除期望的信号路径中的不期望的信号。
6.根据本公开的一个方面，一种设备包括两个或更多个麦克风，用于接收包括期望声学信号和不期望声学信号的输入声学信号；信号处理器，其被配置为对输入声学信号执
行第一波束成形操作，以将期望信号与输入声学信号隔离；执行第二波束成形操作，以将不期望信号与输入声学信号隔离；对期望信号进行滤波以生成滤波后的期望信号，将滤波后的期望信号的逆信号与不期望信号组合以生成组合的不期望信号，对组合的不期望信号进行滤波以生成滤波后的组合的不期望信号，并将滤波后的组合的不期望信号的逆信号与期望信号组合以生成输出信号，以及通信处理器，其响应于输出信号生成数据信号以经由无线网络传输。
7.根据本公开的另一方面，其中麦克风阵列包括车辆乘客座舱内的多个麦克风。
8.根据本公开的另一方面，其中对输入声学信号的第一波束成形操作还被配置为对不期望信号的相位角应用线性权重。
9.根据本公开的另一个方面，其中期望信号的滤波是以期望信号的频率为中心的频率的自适应滤波。
10.根据本公开的另一个方面，其中对输入声学信号的第二波束成形操作还被配置为对期望信号的相位角应用线性权重。
11.根据本公开的另一方面，其中期望信号包括双向语音通信的输出部分，并且其中无线网络包括蜂窝网络。
12.根据本公开的另一方面，其中对期望信号的滤波衰减具有期望信号的不期望信号。
13.根据本公开的另一方面，其中对组合的不期望信号的滤波衰减具有组合的不期望信号的期望信号。
14.根据本公开的另一方面，其中不期望的信号源自车辆车厢内第一位置的第一源，而期望的信号源自车辆车厢内第二位置的第二源。
15.根据本公开的另一方面，一种方法包括经由多个麦克风接收包括期望信号和不期望信号的输入声学信号，由信号处理器对输入信号执行第一波束成形操作以将期望信号与输入声学信号隔离，由信号处理器执行第二波束成形操作以将不期望信号与输入声学信号隔离，由信号处理器进行滤波期望信号以产生滤波后的期望信号，将滤波后的期望信号的逆信号与不期望信号组合以产生组合的不期望信号，由信号处理器滤波组合的不期望信号以产生滤波后的组合的不期望信号，由信号处理器组合滤波后的组合的不期望信号的逆信号和期望信号以产生输出信号，以及由通信处理器响应于输出信号产生数据信号以经由无线网络传输。
16.根据本公开的另一方面，其中麦克风阵列包括车辆乘客座舱内的多个麦克风。
17.根据本公开的另一个方面，其中对输入声学信号的第二波束成形操作还被配置为对期望信号的相位角应用线性权重。
18.根据本公开的另一个方面，其中期望信号的滤波是以期望信号的频率为中心的频率的自适应滤波。
19.根据本公开的另一方面，其中对输入声学信号的第一波束成形操作还被配置为对不期望信号的相位角应用线性权重。
20.根据本公开的另一方面，其中对期望信号的滤波衰减具有期望信号的不期望信号。
21.根据本公开的另一方面，其中对组合的不期望信号的滤波衰减具有组合的不期望
信号的期望信号。
22.根据本公开的另一方面，其中不期望的信号源自车辆车厢内第一位置的第一源，而期望的信号源自车辆车厢内第二位置的第二源。
23.根据本公开的另一方面，其中期望信号是双向语音通信的输出部分，并且其中无线网络是蜂窝网络。
24.根据本公开的另一方面，一种车辆车厢内的免提电信系统包括:多个麦克风，用于接收包括期望信号和不期望信号的输入声音信号；模数转换器，用于将输入声音信号转换成包括期望声音信号和不期望声音信号的数字信号；数字信号处理器，用于对数字信号执行第一波束成形操作以将期望信号与数字信号隔离，执行第二波束成形操作以将不期望信号与数字信号隔离，对期望信号进行滤波以生成滤波后的期望信号，将滤波后的期望信号的逆信号与不期望信号进行组合以生成组合后的不期望信号，对组合的不期望信号进行滤波以生成滤波后的组合的不期望信号，并将滤波后的组合的不期望信号的逆信号与期望信号进行组合以生成输出信号，以及通信处理器响应于输出信号生成数据信号以经由无线网络传输。
25.根据本公开的另一方面，其中对输入声学信号的第一波束成形操作还被配置为对不期望信号的相位角应用线性权重。
26.当结合附图时，从下面对优选实施例的详细描述中，本公开的上述优点和其他优点和特征将变得显而易见。
附图说明
27.通过结合附图参考本发明实施例的以下描述，本发明的上述和其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本发明将被更好地理解。
28.图1示出了根据示例性实施例的用于在双向车辆通信系统中提供用于声干扰消除的波束成形技术的操作环境。
29.图2示出了说明根据示例性实施例的用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的示例性系统的框图。
30.图3示出了说明根据另一示例性实施例的用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的示例性方法的流程图。
31.图4示出了图示根据另一示例性实施例的用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的另一示例性系统的框图。
32.图5示出了说明根据另一示例性实施例的用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的另一示例性方法的流程图。
33.这里阐述的示例说明了本发明的优选实施例，并且这些示例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
34.本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例，其他实施例可以采取各种替代形式。这些数字不一定是按比例的；一些特征可以被放大或缩小以显示特定组件的细节。因此，这里公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而
仅仅是代表性的。参考任何一个附图说明和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中说明的特征相结合，以产生没有明确说明或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实现是期望的。
35.图1示出了根据示例性实施例的用于在双向车辆通信系统中提供用于声干扰消除的波束成形技术的操作环境。示例性环境100示出了具有耦合到通信系统140的多个扬声器120和麦克风阵列130的车厢110。在车厢110内还有多个车辆乘客座位125。多个扬声器120中的每一个都可以被配置成从通信系统140接收音频对话的输入部分，并在车厢110内广播该输入部分。麦克风阵列130内的多个麦克风中的每一个可操作来接收音频对话的输出部分，并将该输出部分发送到通信系统140，以便经由无线网络(例如蜂窝电话网络等)进行传输。
36.采用麦克风阵列130来允许波束成形阵列的方向性，以便在一些方向上增强声音检测灵敏度，同时在其他方向上降低灵敏度。例如，在汽车应用中，希望在驾驶员头部方向具有更高的灵敏度，同时降低扬声器方向的灵敏度。通信系统140可以包括信号处理器，用于执行波束成形操作，例如最小方差无失真响应(mvdr)波束成形操作。mvdr波束成形器在感兴趣信号的方向上产生无失真响应，这是由于感兴趣信号的相角处的线性权重，同时衰减来自不同方向的其他信号。该示例性系统可以跟踪和消除来自其他源的不期望的信号，同时保持期望的源完好无损。该示例性系统可以实现最佳性能，这可以通过完美调谐的lcmv波束成形器来实现，同时引入高鲁棒性和低复杂性实现，这将确保最终产品的优异性能。
37.应当理解，为了便于理解已经简化了图示的实施例，并且双向通信系统100可以包括支持这里不需要详细描述的附加特征和功能的附加设备、处理模块和元件。同样，本领域技术人员将认识到，车辆驾驶室110的实施例将包括现代车辆中常见的许多传统特征、子系统和部件。这里将不描述车辆驾驶室110的这种传统方面。
38.现在转到图2，示出了说明用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的系统200的示例性实现的框图。系统示例200可以包括排列成麦克风阵列的多个麦克风210、期望源s0、不期望源s1、第一声传递函数h0、第二声传递函数h1、期望信号波束成形器212、不期望信号波束成形器215、第一混频器225、第二混频器235、第一自适应滤波器220和第二自适应滤波器230。在一些实施例中，这些组件中的一些可以是由诸如数字信号处理器等信号处理器255执行的功能。多个麦克风210可以包括两个或更多作为阵列位于车辆车厢内的位置的麦克风，或者可以包括位于车辆车厢内不同位置的多个麦克风。
39.考虑具有两个源、一个期望的源s0和一个不期望的源s1的范围。源撞击在多个麦克风210上。在每个源s0、s1和多个麦克风210之间存在第一声传递函数h0和第二声传递函数h1。麦克风阵列210拾取由白色噪声、扩散噪声和方向噪声的任意组合组成的噪声信号(v)。噪声相干矩阵表示为φv，并假设为厄米特φv＝φhv。系统200的目标有三个:1)保持对期望扬声器的无失真响应，2)消除不期望的源，3)最小化输出信号处的噪声功率。这分两个阶段进行；第一级将针对每个源产生两个无失真响应，以最小化输出信号中的噪声。第二阶段将采用自适应滤波(af)技术，以便从所需信号中消除不需要的源。
40.特定的两级方法类似于线性约束最小方差(lcmv)波束成形器性能，对于期望的源
具有无失真约束，对于不期望的源具有完全消除约束。期望的源s0发射期望的信号以被系统200增强和传输。例如，期望的源s0可以是发出期望的语音信号的车辆乘客。期望源s0和多个麦克风210之间的声传递函数h0取决于相对于麦克风阵列、传输介质、环境内的反射表面的源方向，并且定义了源的声级和在多个麦克风210处接收的声级之间的关系。不期望的信号s1可以是第二乘客的声音、车辆发动机噪声或其他不期望噪声的点源等。多个麦克风210被配置成经由不期望源s1和多个麦克风210之间的声传递函数h1接收来自期望源s0的感兴趣信号和来自不期望源s1的不期望信号。多个麦克风还可以包括模数转换器，用于将接收到的声学信号(例如期望信号和不期望信号)转换成数字声学信号。
41.在期望信号和不期望信号在多个麦克风处被接收之后，包括期望信号和不期望信号的组合信号x被耦合到干扰消除系统的第一级，并且被定义为:
42.x＝h0s0+h1s1+v
43.在第一信号路径中，信号x耦合到期望信号第一级波束成形器212，用于在期望信号路径上应用干扰消除器的第一波束成形器权重w0，以及不期望信号第一级波束成形器215，用于在不期望信号路径上应用干扰消除器的第二波束成形器权重w1。波束成形器权重w0、w1可以通过应用mvdr标准来配置，从而产生两个波束成形器权重w0、w1，以如下限定
[0044][0045]
每个第一级mvdr的信号输出定义如下:
[0046][0047]
其中v是可变噪声分量。
[0048]
在mvdr的第一阶段之后，可以使用自适应滤波器来进一步减少不期望的信号分量。典型地，在lcmv应用中，不期望的信号s1将从x中移除，从而仅留下期望的信号s0。然而，指向非期望源的lcmv方向陷波滤波器非常尖锐，要求lcmv滤波器针对s1的每个运动进行更新，这是一个计算量很大的过程。相反，建议使用系统200所描绘的自适应滤波技术。自适应滤波器可以跟踪s1位置的变化，因此使lcmv跟踪问题变得无关紧要。当在y0和y1之间使用简单的自适应滤波器时，出现了一个问题，即不期望的信号y1可能仍然包括s0的衰减分量，因此当y1从y0中移除时，一些期望的信号s0可能从y0中移除，导致一些自消除。当前提出的系统采用第一自适应滤波器220来首先从y1中去除s0的分量。第一自适应滤波器220的期望信号消除器权重a0可以由下式定义:
[0049][0050]
在使用权重a0对期望信号进行滤波并从信号y1中扣除之后，使用第一混频器225来生成由下式定义的干净参考信道y2:
[0051]
[0052]
其中
[0053][0054]
干净参考信号y2然后可以被施加到第二自适应滤波器230，该第二自适应滤波器230由下式定义:
[0055][0056]
然后使用第二混频器235从信号y0中扣除以产生干净的输出信号z，其中:
[0057][0058][0059][0060]zs0
是期望的信号分量，z
s1
是不期望的信号分量，zv是噪声分量。如上公式所述，实施例200对s0产生无失真响应，并对不希望的信号s1实现完全消除。噪声输出能量与相同约束下的lcmv波束成形器的性能相同，从而使得所建议的实施例的性能与lcmv波束成形器的性能相同。
[0061]
现在转到图3，示出了说明用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的方法300的示例性实现的流程图。最初，该方法用于在麦克风阵列处接收310声学信号，其中声学信号包括期望的音频信号和不期望的音频信号。例如，期望的音频信号可以包括驾驶员的声音，而不期望的信号可以包括后座谈话或机械噪声。麦克风阵列可以由布置在车厢周围不同位置的多个麦克风组成。
[0062]
接下来将第一波束成形权重应用320到声学信号，以隔离期望信号并衰减不期望信号。波束成形器的结果是保留的期望信号和过滤的不期望信号。该方法还将声学信号应用于330第二波束成形权重以生成参考信号。参考信号可以隔离不期望的信号并过滤期望的信号。
[0063]
该方法接下来对保留的期望信号应用340第一自适应滤波器，以进一步隔离期望信号并抑制不期望信号。然后，滤波后的期望信号被反相并与参考信号组合350，以抑制参考信号中的期望信号，并进一步隔离不期望的信号。
[0064]
然后，第二自适应滤波器被应用360到参考信号，以近似不期望的信号。然后，滤波后的参考信号被反相，并与期望信号组合370，以产生输出信号。输出信号然后被耦合380到通信处理器等，用于进一步处理。
[0065]
现在转到图4，示出了图示用于在双向车辆通信系统中提供用于声干扰消除的波束成形技术的系统400的另一示例性实现的框图。示例性系统400可以形成包括通信处理器410、信号处理器420、第一麦克风430和第二麦克风440的车厢免提电信系统的一部分，其中第一麦克风430和第二麦克风440形成天线阵列450的一部分。
[0066]
通信处理器410用于处理通过无线网络接收的信号，例如从蜂窝电话或数据网络接收的信号，并准备信号用于通过无线网络传输。通信处理器410可以被配置为从信号处理器420接收音频信号，将音频信号格式化为适于经由通信网络等传输的格式，并将该格式化的音频信号耦合到网络接口、通用串行端口、天线或其他传输装置。通信处理器410还可以被配置为生成代表音频信号的扬声器信号，用于耦合到扬声器等，以便在车厢内广播。
[0067]
示例性系统400可以进一步包括麦克风阵列450，其包括第一麦克风430和第二麦克风440，用于接收声音信号。麦克风阵列450可以安装在车厢内，用于从免提呼叫会话参与者接收期望的声学语音信号。例如，参与者可以是经由连接到车辆信息娱乐系统的移动设备进行免提电话呼叫的车辆操作者，其中接收到的语音声学信号由信息娱乐系统扬声器在车厢内广播，并且输出的语音声学信号，例如操作者的语音，其由麦克风阵列450检测并耦合到信号处理器420，用于在经由无线网络传输之前进一步处理。在一些示例中，无线网络信号的发送和接收可以由移动设备进行。在其他示例中，车辆可以包括用于通过无线网络发送和接收数据的无线通信系统。
[0068]
麦克风阵列450被配置成接收包括期望声学信号和不期望声学信号的输入声学信号。在一些示例中，期望的声音信号可以是对话参与者的声音，而不期望的信号可以是另一个乘客的声音、车辆系统噪声或来自车辆车厢内的源的其它噪声。麦克风阵列450可以将输入的声学信号耦合到信号处理器420等。在一些示例中，麦克风阵列450可以包括模数转换器、调谐器和/或下变频器，用于改变输入声学信号的频率。
[0069]
信号处理器420可以被配置为对输入声学信号执行第一波束成形操作，以在第一信号路径中将期望信号与输入声学信号隔离。第一信号路径可以是期望的信号路径。对输入声学信号的第一波束成形操作可以包括对不期望信号的相位角应用线性权重。信号处理器420还可以被配置为执行第二波束成形操作，以在第二信号路径中将不期望的信号与传入的声学信号隔离。第二信号路径可以是不期望的信号路径。对输入声学信号的第二波束成形操作可以包括对期望信号的相位角应用线性权重。虽然该示例性实施例描述了隔离期望信号的第一波束成形操作和隔离不期望信号的第二波束成形操作，但是信号处理器420可以被配置为根据所描述的系统和方法执行多个波束成形操作，以隔离多个期望信号和/或多个不期望信号，并生成包括多个期望信号的输出信号。
[0070]
信号处理器420接下来可以对期望信号进行滤波，以生成滤波后的期望信号。可以使用自适应滤波算法等来执行滤波。期望信号的滤波可以是以期望信号的频率为中心的频率的自适应滤波操作。滤波后的期望信号可以包括具有通过滤波过程衰减的其他信号的期望信号。例如，自适应滤波算法可以衰减在第一次波束成形操作之后可能残留的来自输入声学信号的任何残留的不期望信号。
[0071]
信号处理器420接下来操作以将滤波后的期望信号的逆信号与不期望信号组合，以生成组合的不期望信号。这可以具有消除或进一步衰减在第二波束成形操作之后残留在不期望信号路径内的任何期望信号的期望效果。处理器420接下来用于过滤组合的不期望信号，以产生过滤的组合的不期望信号。该滤波过程可以是自适应滤波处理器，以进一步减少可能保留在不期望信号路径中的任何期望信号。信号处理器420然后可以组合期望信号和组合的不期望信号的逆信号，以生成输出信号，从而消除期望信号路径内的所有或部分剩余不期望信号。信号处理器420然后可以将输出信号耦合到通信处理器410，以响应于输
出信号生成数据信号，用于经由无线网络传输。
[0072]
在一些示例性实施例中，系统400可以是车厢内的免提电信系统，包括麦克风阵列450，用于接收包括期望信号和不期望信号的输入声学信号，以及模数转换器，用于将输入声学信号转换成包括期望语音信号和不期望语音信号的数字信号。该系统还可以包括处理器420，例如数字信号处理器，用于对数字信号执行第一波束成形操作以将期望信号与数字信号隔离，执行第二波束成形操作以将不期望信号与数字信号隔离，对期望信号进行滤波以生成滤波后的期望信号，将滤波后的期望信号的逆信号与不期望信号进行组合以生成组合的不期望信号，对组合的不期望信号进行滤波以产生滤波后的组合的不期望信号，并且对组合的不期望信号的逆信号和期望信号进行组合以产生输出信号。在一些实施例中，第一波束成形操作和/或第二波束成形操作可以对不期望信号的相位角应用线性权重。一些示例性系统400可以进一步包括通信处理器，以响应于输出信号生成数据信号，用于经由无线网络传输。
[0073]
现在转到图5，示出了说明用于在双向车辆通信系统中提供声干扰消除的波束成形技术的系统500的示例性实现的流程图。示例性方法500首先用于经由麦克风阵列接收510包括期望信号和不期望信号的输入声学信号。麦克风阵列可以包括车辆座舱内的多个麦克风。不期望的信号源自车厢内第一位置的第一源，期望的信号源自车厢内第二位置的第二源。期望的信号是双向语音通信的输出部分，并且其中无线网络是蜂窝网络。
[0074]
该方法接下来可操作来由信号处理器对输入信号执行520第一波束成形操作，以将期望信号与输入声学信号隔离；对输入声学信号的第一波束成形操作还被配置为对不期望信号的相位角应用线性权重。
[0075]
接下来，由信号处理器执行530第二波束成形操作，以从输入声学信号中分离出不期望的信号；对输入声学信号的第二波束成形操作还被配置为对期望信号的相位角应用线性权重。
[0076]
然后，信号处理器对通过第一波束成形操作部分隔离的期望信号进行滤波540，以进一步衰减任何剩余的不期望信号，从而生成滤波后的期望信号。在一些示例性实施例中，期望信号的滤波可以是以期望信号的频率为中心的频率的自适应滤波。
[0077]
接下来，滤波后的期望信号被逆相，并与不期望信号组合545，以生成组合的不期望信号。将期望信号的逆信号添加到不期望信号路径内的不期望信号具有在第二波束成形操作之后消除或减小不期望信号路径中剩余的任何期望信号的幅度的优点。信号处理器接下来对组合的不期望信号进行滤波550，以进一步抑制任何剩余的期望信号或其他噪声，从而生成滤波后的组合的不期望信号。对组合的非期望信号的滤波可以估计由期望信号路径接收的非期望信号分量。
[0078]
该方法接下来通过信号处理器组合560组合的期望信号和非期望信号的逆信号，以生成输出信号。信号的这种组合有利地衰减了在第一次波束成形操作之后出现在期望信号路径上的不期望信号。此外，由于期望信号在不期望信号路径上被极大地衰减，期望信号上的期望信号不会受到不期望信号路径上的期望信号的逆信号的组合的显著影响。
[0079]
最后，通信处理器可以被配置为响应于输出信号生成570数据信号，以便经由无线网络传输。输出信号可以通过信号处理器或其他设备耦合到通信处理器。无线网络可以是蜂窝通信或无线数据通信网络，或者可以是车辆对车辆、车辆对基础设施或车辆对所有通
信。
[0080]
虽然在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变化。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其法律等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。