聲反饋抑制的製作方法
2023-05-26 09:39:31 2
專利名稱：聲反饋抑制的製作方法
技術領域：
本發明涉及聲反饋抑制。更具體而言，本發明涉及適合用在聲音放大系統中的用於聲反饋抑制的設備。
聲音可以從揚聲器反饋到麥克風，導致所謂的「嘯鳴」，這是聲音放大系統中眾所周知的一個問題由於這樣的反饋，特定頻率的聲音不合需要地被系統放大，產生嘯鳴效應。人們已經做出了各種嘗試以解決這個問題。提出的一些解決方案中包括一個可以對揚聲器和麥克風之間空氣路徑的聲傳播特性進行建模並進行模擬的濾波器。該濾波器用來產生一個補償信號，該補償信號要從麥克風信號中減去。最後產生的剩餘信號理論上不受幹擾反饋效應的影響。
由於濾波器模擬的空氣路徑特性可隨時間而變化，比如由於溫度的變化或者物體或人的移動而變化，該濾波器典型地是一個自適應濾波器，其濾波器係數被周期性或連續性地調整，也就是，適應變化的環境。為此，聲反饋補償電路通常包括用於調整自適應濾波器係數的調整單元。這樣的調整單元可被安排來確定以上提到的上述剩餘信號和輸出信號之間的相關性，並調整濾波器係數使得所述相關性減至最小。濾波器係數的適配速度通常取決於反饋到調整單元的信號級。
但是，當輸出信號與剩餘信號固有相關的時候，例如當輸出信號是通過將剩餘信號放大而得到的時候，調整單元會引入誤差。因為這個原因，提出了去除剩餘信號和輸出信號之間的相關性，例如通過使輸入信號的頻率移位。美國專利US 5,748,751公開了這種方法的一個例子。儘管此頻率移位的方法非常有效，但是它不能用於所有的應用之中，因為頻率移位是可以聽得出來的，因而聲音放大系統的用戶可能不接受。
此外還提出了注入與輸入信號不相關的噪聲信號，並利用剩餘信號和注入的噪聲信號調整濾波器係數。歐洲專利申請EP 0 415 677公開了此方法的一個例子，用於助聽器中補償聲反饋的特殊目的。所述噪聲在助聽器的整個頻率範圍內具有基本上平坦的等級。可替換地，噪聲級可以以輸入信號級為函數而變化，使信噪比或多或少保持為一個常數。為此，噪聲信號被乘以一個取決於剩餘信號級的值。
儘管這種注入噪聲的方法可能是行之有效的，然而它在提供合理的濾波器係數適配速度上具有缺陷，其噪聲級必須要相對比較高。這在助聽器領域中可能並不成為問題，在該領域中可以接受一些聽得到的噪聲，因為可理解性比聲音質量更為重要，並且在該領域中由於通常的用戶具有很窄的有效頻率範圍，其感知到的噪聲級可能依然是非常低的。但是，在相對很寬的頻率範圍內放大演講或者音樂的聲音放大系統中，尤其當用在寬大的房間和迴廊的時候，高噪聲級無疑是不期望的。此外，用在諸如擴音系統之類的聲音放大系統中的自適應濾波器的濾波器長度可為助聽器濾波器長度的10到30倍，因而在相應的注入噪聲級其適配速度低得多。
僅僅降低噪聲級並非一個可行的解決方案，因為在低噪聲級，自適應濾波器係數的適配速度相對很低，這會在聲音信號中產生不期望的瞬變，如果在適配過程中聲路發生變化，甚至會產生嘯鳴。
本發明的一個目的是克服現有技術的這些以及其他問題，並提供一種允許在相對較低的噪聲級具有相對較高的適配速度的聲反饋補償設備。
本發明的另一個目的是提供一個利用這樣的聲反饋補償設備的聲系統。
因此，本發明提供了一種用於聲反饋補償的設備，該設備包括-自適應濾波器，用以提供聲反饋補償信號，-第一組合單元，用以組合聲反饋補償信號和輸入信號，以產生剩餘信號，-噪聲單元，用以產生噪聲信號，-調整單元，用以調整自適應濾波器的係數，以及-第二組合單元，用以組合剩餘信號和噪聲信號，以形成輸出信號，其中，噪聲單元被安排用以提供頻譜由剩餘信號控制的噪聲信號。
通過提供頻譜由剩餘信號控制的噪聲信號，有可能獲得感知的噪聲級和濾波器適配速度之間的更好的折衷。特別是，相比於利用不變頻譜的噪聲信號，可獲得更高的濾波器適配速度。此外，適配到剩餘信號的噪聲允許更好地遮蔽注入的噪聲信號。
注意到，在本發明中，不光噪聲信號的幅度，還有其頻譜的形狀都可由剩餘信號控制。因此，剩餘信號可被稱為塑造了噪聲頻譜形狀，以獲得最優遮蔽。
在現有技術排布中，噪聲級低於剩餘信號級，以獲得噪聲的很好遮蔽，並因而防止聽到噪聲。當利用恆定噪聲級時，這就要求噪聲級顯著低於剩餘信號級。然而，在本發明中，噪聲級由剩餘信號控制，上述要求不再適用於所有頻率，並且在一些頻率處噪聲級可以超出剩餘信號級。由於自適應濾波器的任何誤適配都正比於(剩餘)信號(注入)噪聲比和濾波器的適配速度，上述方法是非常有利的。因此，恆定適配速度時相對較高的噪聲級將會產生濾波器最小的誤適配，並因而產生高質量聲音。可替換地，可使適配速度正比於(剩餘)信號(注入)噪聲比，使自適應濾波器的誤適配保持為常數。於是，相對高的噪聲級產生更高的適配速度。
在一個優選實施方案中，配置噪聲單元以根據聽覺遮蔽模型提供噪聲信號。也就是，在有期望信號存在的情況下，基於人類噪聲感知的模型被用來控制噪聲信號的頻譜。用來最小化噪聲感知的同時最大化噪聲級的這種聽覺遮蔽模型可顧名思義的由其本身得知。一些聽覺遮蔽模型允許噪聲級在一些頻率超過剩餘信號級。
因此，在一個優選實施方案中，配置噪聲單元以在剩餘信號幅度相對較大的頻率提供幅度小於剩餘信號的噪聲信號，並在剩餘信號幅度相對較小的的頻率提供幅度大於剩餘信號的噪聲信號。換句話說，配置噪聲單元以在剩餘信號處於峰值時產生幅度小於剩餘信號的噪聲信號，並在剩餘信號處于波谷時產生幅度大於剩餘信號的噪聲信號。於是，噪聲信號至少在一部分頻率處大於剩餘信號，因而允許自適應濾波器的快速適配。
已經發現，噪聲信號不必在所有頻率下幅度都小於剩餘信號。通過確保噪聲級在剩餘信號級相對較高的那些頻率下小於剩餘信號級，就可以實現噪聲信號的充分遮蔽。結果，噪聲信號就是聽不到的，即使是在其幅度超過剩餘信號幅度的頻率下也是。
在一個有利的實施方案中，噪聲單元包括一個隨機相位單元，以產生隨機相位。通過提供隨機相位，確保了噪聲信號不與任何其他信號相關，特別是與剩餘信號不相關。
如果噪聲單元包括一個用於產生剩餘信號的頻譜的頻譜單元，一個用於確定頻譜的幅度的幅度單元，一個用於確定遮蔽噪聲相對頻譜幅度的幅度的噪聲幅度單元，以及一個用於根據遮蔽的噪聲幅度和隨機相位重構遮蔽噪聲信號的重構單元，那就更為有利。在此實施方案中，噪聲信號是基於剩餘信號的，但是由於隨機相位而被去相關，並被調整幅度以提供合適的遮蔽。注意到噪聲幅度單元確定一個幅度，此幅度取決於頻率，並尤其取決於特定頻率或特定頻段內剩餘信號的幅度。
有利地，調整單元被耦合到第一組合單元和噪聲單元，以便根據剩餘信號和噪聲信號調整自適應濾波器的係數。更為有利地，為自適應濾波器的恆定誤適配而配置調整單元，使得自適應濾波器在所有頻率下的適配速度反比於(剩餘)信號(注入)噪聲比。優選的，選擇此誤適配為相對較小，以便只引起聲音質量的輕微下降。
如果本發明的設備還包括一個放大單元，它可被用作聲音放大設備。
本發明還提供一個聲音放大系統，包括至少一個麥克風，至少一個揚聲器以及一個上面定義的設備。
另外，本發明提供一種聲反饋補償的方法，該方法包括以下步驟-將輸入信號與聲反饋補償信號組合，以產生剩餘信號，-產生噪聲信號，-將剩餘信號與噪聲信號組合，以形成輸出信號，以及-自適應過濾輸出信號，以提供聲反饋補償信號，其中，噪聲信號具有由剩餘信號控制的頻譜。
優選的，噪聲信號在剩餘信號幅度相對較大的頻率具有小於剩餘信號的幅度，在剩餘信號幅度相對較小的頻率具有大於剩餘信號的幅度。
本發明還提供一種電腦程式產品以實現上面定義的方法。
參照附圖中圖示的示範性實施方案，下面將進一步解釋說明本發明，其中
圖1示意性示出根據現有技術用於聲反饋補償的第一設備。
圖2示意性示出根據現有技術用於聲反饋補償的第二設備。
圖3示意性示出根據本發明用於聲反饋補償的設備的第一實施方案。
圖4示意性示出根據本發明的噪聲遮蔽。
圖5示意性示出根據本發明的噪聲單元。
圖6示意性示出根據本發明用於聲反饋補償的設備的第二實施方案。
圖1示意性示出的現有技術設備1』包括信號組合單元3，自適應濾波器4，調整單元5和去相關器6。設備1』被耦合到產生輸入信號z(n)的麥克風2和再現設備1』的輸出信號x(n)的揚聲器9。自適應濾波器4產生聲反饋補償信號y(n)，該信號在組合(加法器)電路3中從輸入信號z(n)中被減去，導致產生剩餘信號r(n)。去相關器6將剩餘信號r(n)去相關，並產生輸出信號x(n)，該輸出信號被(可選的)放大器11放大。應注意到，為了清楚起見，任何A/D(模/數)和D/A(數/模)轉換器都沒有在圖1中示出。
調整單元5根據剩餘信號r(n)和輸出信號x(n)調整自適應濾波器4的係數。典型的，調整單元5是一個確定剩餘信號r(n)和輸出信號x(n)之間的任何(殘餘)相關性的相關器。調整單元5調整自適應濾波器係數的方式是使r(n)和x(n)之間的相關最小化，理想的，使其消失。
沒有去相關器6，輸出信號x(n)會基本上等於剩餘信號r(n)，結果自適應濾波器4將會試圖去除剩餘信號，這將會導致信號的失真。儘管可以存在其他電路元件，比如放大器，結果使x(n)不等於r(n)，但是信號x(n)和r(n)將仍然高度相關，輸入信號z(n)將基本上被自適應濾波器去除。
典型的去相關器涉及頻率移位。儘管頻率移位在將信號去相關時非常有效，但是它的效果通常是聽得到的，尤其在音樂信號中。因此，頻率移位去相關器並不是普遍適用的。
圖2的現有技術設備1」採用了一種替代性解決方案，其中採用噪聲發生器8』取代圖1的去相關器6。這種用於助聽器的已知聲反饋補償設備1」在歐洲專利申請EP0 415 677中被詳細描述，它進一步包括一個限制器13用以限制剩餘信號r(n)的幅度。噪聲發生器8』的輸出信號被饋入到調整單元5，剩餘信號也是如此，以調整自適應濾波器4的係數。由噪聲發生器8』產生的噪聲信號m(n)在第二組合單元7中被添加到輸出信號x(n)，從而有助於生成過濾信號y(n)。
在圖2的設備中，輸出信號x(n)中的噪聲級由乘法單元12控制，該乘法單元12控制添加到(幅度受限的)剩餘信號的噪聲信號級。注入噪聲的等級被控制以作為剩餘信號級的函數而改變，保持(剩餘)信號噪聲比基本恆定。
然而，恆定的信噪比意味著當信號級低的時候，噪聲級就低，導致自適應濾波器4的適配速度很低。本發明就此問題提供一種解決方案。
圖3中僅以非限定實施例方式示出的本發明的設備1同樣包括第一組合單元3，自適應濾波器4，調整單元5，第二組合單元7，噪聲(發生器)單元8以及(可選的)放大器11。可以是相關器的調整單元5接收剩餘信號r(n)和噪聲信號rN(n)以產生合適的濾波器調整信號用以調整自適應濾波器4的係數。噪聲發生器8產生的噪聲信號rN(n)在第二組合單元7被「注入」到輸出信號x(n)，同時被饋送到調整單元5。與圖2的設備不同，圖3的噪聲單元8根據剩餘信號r(n)產生噪聲。這將參照圖4進一步解釋。
在圖4的例子中，以dB(分貝)為單位的聲壓級SPL作為以Hz(赫茲)為單位的頻率f的函數被示出。聲壓級與頻譜(的絕對值)相一致，在一定頻率下表明聲音等級(幅度)。實線圖S代表剩餘信號r(n)的頻譜，虛線RN表明圖3的噪聲單元8產生的(注入)噪聲信號rN(n)的頻譜。
在圖4的例子中，頻譜S具有兩個波峰和一個波谷。第一個波峰在頻率f1處，波谷在頻率f2處。噪聲頻譜RN隨頻率改變，也具有波峰和波谷。在頻率f1處，RN的等級比S的等級低D1dB，以在這個頻率下提供足夠的噪聲遮蔽。但是，在頻率D2處，RN的等級比S的等級高D2dB。也就是，在圖形的波谷處噪聲級超過信號級。已經發現，這依然提供噪聲信號的足夠遮蔽，同時在這些頻率下允許濾波器係數的快速適配。
注意到頻譜RN的大小的確定可利用描述的公知的遮蔽模型來實現，例如，2000年IEEE學報，88卷，451-513頁T.Painter和A.Spanias的論文「Perceptual coding of digital audio」。這樣的遮蔽模型已被用於音頻編碼應用，但還沒有用於聲反饋抑制。
噪聲單元8安排用來反覆確定噪聲信號rN(n)，例如每10或20毫秒，儘管也可採用更大和更小的時間間隔，例如，每5，50或100毫秒。注意到每次確定噪聲信號rN(n)及其頻譜RN時，噪聲信號與剩餘信號的比值對於任一個頻率通常都是不同的。因此，在任何頻率下，例如頻率f2(圖4)，噪聲級會在某一時刻大於剩餘信號級，而在另一時刻小於剩餘信號級。如此，在任一頻率下，濾波器係數的適配在一些時刻採用相對高的噪聲級來實現，導致快速而有效的適配調整。
圖5更詳細的圖示了噪聲單元8的一個示範性實施方案。在示出的實施方案中，噪聲單元8包括用於產生剩餘信號r(n)的頻譜的頻譜單元81，用於確定該頻譜的幅度的幅度單元82，用於確定遮蔽噪聲相對於頻譜幅度的幅度的噪聲幅度單元83，用於產生隨機相位的隨機相位單元84，以及用於根據遮蔽的噪聲的幅度和隨機相位重構遮蔽噪聲信號的重構單元85。
如上所述，隨機相位有效地去除剩餘信號r(n)和噪聲信號rN(n)的相關性。噪聲幅度單元83確定不同頻率下噪聲信號rN(n)的幅度或等級，例如圖4的圖示。噪聲幅度單元83有利地利用上面討論的聽覺遮蔽模型將噪聲的頻譜適配至剩餘信號的頻譜，以使所有頻率下噪聲級最大化，同時又將感知到的噪聲級最小化或消除。
圖6示出本發明的設備1的一個替代性實施方案，圖中顯示該設備另外包括一個動態回聲抑制器14。當聲路的改變導致自適應濾波器產生的聲反饋補償信號包含相位誤差時，這樣的動態回聲抑制器就會暫時降低剩餘信號的幅度。
動態回聲抑制器14接收聲反饋補償信號y(n)，剩餘信號r(n)和輸入信號z(n)，以產生回聲補償的剩餘信號r』(n)。該動態回聲抑制器14修改輸入信號的頻率分量的幅度而不改變其相位(排除單純的延遲)。此項功能的實現是通過如下操作來實現的確定聲反饋補償信號y(n)，輸入信號z(n)和剩餘信號r(n)的頻譜(傅立葉變換)以獲得變換的信號Y，Z和R，確定變換信號Y，Z和R的幅度和R的相位，利用Y，Z和R的幅度獲得組合的變換信號R」，利用組合變換信號R」的幅度和R的相位重構時間信號r』(n)。這種類型的動態回聲抑制器在美國專利申請US 2003/0026437中進行了描述，其全部內容在此通過引用被引入本文件。
注意到在以上的討論中，已經假設所有信號是在特定的離散時間點(n)具有特定值的數位訊號。但是，本發明並非如此狹窄，也可以構想出模擬信號的實施方案。類似的，本發明已經參照耦合到單個麥克風和單個揚聲器上的設備進行了解釋說明，但是發明也可以應用於多麥克風和/或揚聲器或等同的轉換器。本發明尤其適用於，但不局限於，擴音系統，會議系統以及車內通信系統。
本發明是基於這樣一種理解，那就是具有由剩餘信號控制的頻譜的注入噪聲信號可被用在包括自適應濾波器的設備中，以獲得濾波器係數的快速適配，同時避免聽到任何噪聲。本發明得益於更進一步的理解，即聽覺遮蔽模型可有利地被用於確定自適應濾波器設備中的注入噪聲，結果，遮蔽的噪聲級在遮蔽信號相對較低的特定頻率下可以超過遮蔽信號級，只要遮蔽噪聲級在其他頻率下低於遮蔽信號級。
注意到本文件中用到的任何術語不應該被解釋為限制本發明的範圍。尤其是，詞語「包括」並不旨在排除任何沒有具體提到的元件。單個(電路)元件可由多個(電路)元件或其等同物替代。
在一系列裝載步驟以將命令裝載到處理器之後，使得通用或專用處理器能夠執行任何本發明的特徵功能的命令集的物理實現，例如製造產品，應該在電腦程式產品下進行理解。特別是，電腦程式產品可在諸如磁碟或其他插件元件的載體上被實現為程序編碼，從該程序編碼推導出的處理器適應碼，或此程序編碼的任何中間轉譯，可存在於存儲器，臨時存在於有線或無線的網絡連接上，或紙上的程序代碼。排除程序編碼，該程序要求的發明特徵數據也可以作為電腦程式產品被實施。
本領域普通技術人員可以理解的是，本發明並不限於以上闡明的實施方案，在不偏離所附權利要求所定義的本發明的範圍的情況，可做出許多變體和添加。
權利要求
1.一種用於聲反饋補償的設備(1)，該設備包括-自適應濾波器(4)，用於提供聲反饋補償信號，-第一組合單元(3)，用於將聲反饋補償信號和輸入信號組合，以產生剩餘信號，-噪聲單元(8)，用於產生噪聲信號，-調整單元(5)，用於調整自適應濾波器的係數，以及-第二組合單元(7)，用於將剩餘信號和噪聲信號組合，以形成輸出信號，其中噪聲單元(8)被安排用來提供具有受剩餘信號控制的頻譜(RN)的噪聲信號。
2.如權利要求1的設備，其特徵在於，噪聲單元(8)被安排用來根據聽覺遮蔽模型提供噪聲信號。
3.如權利要求1或2的設備，其特徵在於，噪聲單元(8)被安排用來提供這樣一個噪聲信號，該噪聲信號在剩餘信號幅度相對較大的頻率下具有小於剩餘信號的幅度，至少在剩餘信號幅度相對較小的一些頻率下具有大於剩餘信號的幅度。
4.如權利要求1，2或3的設備，其特徵在於，噪聲單元(8)被安排用來將噪聲信號的頻譜反覆適配至剩餘信號。
5.如權利要求4的設備，其特徵在於，噪聲單元(8)被安排用來以小於100毫秒的間隔適配噪聲信號的頻譜，優選的，所述間隔小於30毫秒，更優選的，約15毫秒。
6.如任何前述權利要求的設備，其特徵在於，噪聲單元(8)包括隨機相位單元(84)，用於產生隨機相位。
7.如權利要求6的設備，其特徵在於，噪聲遮蔽單元(8)包括用於產生剩餘信號的頻譜的頻譜單元(81)，用於確定該頻譜的幅度的幅度單元(82)，用於確定遮蔽噪聲相對於該頻譜幅度的幅度的噪聲幅度單元(83)，以及用於根據遮蔽信號幅度和隨機相位重構遮蔽噪聲信號的重構單元(85)。
8.如任何前述權利要求的設備，其特徵在於，調整單元(5)被耦合到第一組合單元(3)和噪聲單元(8)，以根據剩餘信號和噪聲信號調整自適應濾波器的係數。
9.如權利要求8的設備，其特徵在於，調整單元(5)被安排用於自適應濾波器的恆定誤適配以實現高適配速度。
10.如任何前述權利要求的設備，還包括放大單元(11)。
11.如任何前述權利要求的設備，其特徵在於，還包括動態回聲抑制器(14)，被安排用來抑制剩餘信號中的回聲。
12.如權利要求11的設備，其特徵在於，動態回聲抑制器(14)被安排用來接收聲反饋補償信號，輸入信號和剩餘信號，以產生回聲抑制的剩餘信號。
13.一種用於聲音放大的系統，包括至少一個麥克風(2)，至少一個揚聲器(9)和根據權利要求1-12中任何一個權利要求的設備(1)。
14.一種聲反饋補償方法，該方法包括以下步驟-將輸入信號與聲反饋補償信號組合，以產生剩餘信號，-產生噪聲信號，-將剩餘信號與噪聲信號組合，以形成輸出信號，-自適應過濾輸出信號，以提供聲反饋補償信號，其中，噪聲信號具有由剩餘信號控制的頻譜。
15.如權利要求14的方法，其特徵在於，噪聲信號根據聽覺遮蔽模型提供。
16.如權利要求14或15的方法，其特徵在於，噪聲信號在剩餘信號幅度相對較大的頻率下具有小於剩餘信號的幅度，至少在剩餘信號幅度相對較小的一些頻率下具有大於剩餘信號的幅度。
17.如權利要求14，15或16的方法，其特徵在於，噪聲信號的頻譜被反覆適配至剩餘信號。
18.如權利要求14-17中任一權利要求的方法，其特徵在於，噪聲信號的頻譜以小於100毫秒的間隔被適配，優選的，所述間隔小於30毫秒，更優選的，約15毫秒。
19.如權利要求14-18中任一權利要求的方法，其特徵在於，噪聲信號具有隨機相位。
20.一種電腦程式產品，用於執行根據權利要求14-19中任一權利要求的方法。
全文摘要
一種用於聲反饋補償的設備(1)包括一個自適應濾波器(4)、用於調整自適應濾波器係數的調整單元(5)、用於從輸入信號中減掉自適應濾波器信號以產生剩餘信號的組合單元(3)和產生噪聲信號的噪聲單元(8)。該噪聲單元(8)被安排用來根據剩餘信號產生遮蔽噪聲，噪聲信號具有由剩餘信號控制的頻譜。聽覺遮蔽模型可被用來塑造噪聲譜。該噪聲信號在剩餘信號幅度相對較大的頻率處具有比剩餘信號更小的幅度，在剩餘信號具有相對較小振幅的頻率處具有比剩餘信號更大的振幅。
文檔編號H04R25/00GK1918942SQ200580004573
公開日2007年2月21日 申請日期2005年1月28日 優先權日2004年2月11日
發明者C·P·詹塞, C·C·張 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司