自適應拖音消除器的製作方法
2023-05-03 05:33:56
專利名稱：自適應拖音消除器的製作方法
技術領域：
本發明涉及針對一種自適應拖音消除器，用於防止安裝在音樂廳、禮堂等處的聲音增強系統中出現的拖音(hauling)。
背景技術：
迄今為止，存在通過利用自適應濾波器(自適應數字濾波器)來防止出現拖音的公知自適應拖音消除器。例如，在Inazumi、Imai和Konishi所寫的非專利文獻「hauling prevention in asound-reinforcement system using the LMS algorithm」，Acoustical Society of Japan，Proceedings第417-418頁(1991，3)中公開了這樣一種技術。
圖12示出了配備有拖音消除器類型的聲音增強系統的示意電路圖。將麥克風1和揚聲器4設置在給定空間中。通過A/D(模擬到數字)轉換處理，將通過麥克風1輸入的音頻信號轉換為數字域中的信號y(k)。y(k)表示時間kT(其中T表示音頻信號的採樣時間間隔)處的信號。通過加法器2將信號y(k)提供到放大器3用於放大。G(z)表示放大器3的傳遞函數。利用D/A(數字到模擬)轉換處理，將從放大器3輸出的信號x(k)轉換為模擬域中的信號，然後，利用揚聲器4將該電信號轉換為聲信號。
聲反饋環路5是從揚聲器4到麥克風1的聲路徑，其具有傳遞函數H(z)。在輸入到麥克風1之前，將通過聲反饋環路5反饋回的反饋聲信號d(k)與聲源信號s(k)相混合，由來自例如敘述者等聲源的音頻信號構成所述聲源信號。麥克風1對來自輸入的混合音頻信號進行變換，以便輸出電信號。
如上所述的聲音增強系統可以建立閉環，由從麥克風1通過放大器3到揚聲器4、然後通過聲反饋環路5到麥克風1的路徑構成，導致了由於反饋聲信號d(k)的增加而出現展開的拖音。已經提出了自適應拖音消除器，以便防止這種拖音的展開(development)，其包括延遲器6、自適應濾波器7和加法器2。
延遲器6可以輸出具有與聲反饋環路5中的時延量相對應的時延τ的信號x(k)，並將輸出信號x(k-τ)提供給自適應濾波器7。如圖13所示，自適應濾波器7包括數字濾波器7a和濾波器係數估計單元7b，將信號x(k-τ)同時輸入到數字濾波器7a和濾波器係數估計單元7b。數字濾波器7a根據傳遞函數F(z)來輸出仿真反饋音頻信號d(k)的信號do(k)，並且通過加法器2從信號y(k)中減去信號do(k)。可以利用表達式y(k)＝s(k)+d(k)來表示信號y(k)。可以將加法器2的輸出信號e(k)表示為表達式e(k)＝y(k)-do(k)＝s(k)+Δ(k){其中Δ(k)＝d(k)-do(k)}。因此，假設Δ(k)足夠小，在沒有信號d(k)影響的前提下，信號e(k)實質上等於s(k)，從而防止了拖音的出現。在沒有延遲器6的情況下，將輸入到麥克風1的音頻源信號s(k)輸入到加法器2，同時還沒有延遲地輸入到自適應濾波器7。由於自適應濾波器7更新了濾波器係數從而減小了誤差信號e(k)，隨著濾波器係數的更新處理，通過來自自適應濾波器7的輸出信號消除了加法器2中的音頻源信號s(k)。因此，延遲器6是不可缺少的，以便利用信號do(k)消除反饋音頻信號d(k)，同時防止音頻源信號s(k)被消除。
濾波器係數估計單元7b循環地更新數字濾波器7a的濾波器係數，從而通過利用自適應算法並根據信號x(k-τ)和e(k)，使傳遞函數F(z)與傳遞函數H(z)匹配或近似。例如，所使用的典型自適應算法包括LMS(最小均方根)算法。當將信號e(k)的均方根值表示為J＝E[e(k)2]時(其中E[*]表示期望值)，通過計算估計使J最小的濾波器係數，以便通過利用如此估計出的濾波器係數來更新數字濾波器7a的濾波器係數。結果，針對信號do(k)，能夠得到仿真信號d(k)的信號，防止防止拖音的展開。
根據上述現有技術，當使用與傳遞函數H(z)相比較短(具有較少數目的抽頭)的自適應濾波器7時，可能出現的問題在於嚴重地影響了聲音質量。本發明的發明人已經利用圖12所示的聲音增強系統進行了拖音防止的實驗仿真。
圖11示出了實驗仿真的結果。在圖11中，當將縱坐標中的e2(k)讀作e(k)時，圖11示出了信號e(k)的變更時間。在實驗中，傳遞函數H(z)具有48000個抽頭集合，而自適應濾波器7分別具有256個抽頭。在圖11中，不存在幅度的發散，表示已經防止了拖音的展開。然而，相對於具有總共48000個抽頭的傳遞函數H(z)，由於自適應濾波器7隻仿真了頭部的256個抽頭，傳遞函數H(z)的仿真是不充分的，因此信號e(k)具有較高的電平，並且顯著地影響了聲音質量。
為了減小對聲音質量的影響，充分的是，使自適應濾波器7的數目近似於傳遞函數H(z)的整個長度。然而，由於LMS算法對於每一個採樣來更新濾波器係數，則更新間隔顯然很短(計算新濾波器係數的時間很短)，同時，更新濾波器係數所需的每單位時間的計算量(以下簡稱為「計算量」)與抽頭的數目成比例地增大。因此，在傳遞函數H(z)分別較長的空間中(即，混響時間相對較長)，則計算量限制了抽頭的數目，並且即使試圖增加抽頭數目以便使其接近於傳遞函數H(z)的長度，也不能增加抽頭數目。因此，嚴重地影響了聲音質量，並且不可避免地降低了聲音質量。
另一方面，對於自適應算法，存在具有更長更新間隔的公知技術，以便在每數千個採樣到數萬個採樣內更新濾波器係數，例如STFT-CS(短時傅立葉變換和交叉譜)，並且能夠設想利用這種算法之一來更新自適應濾波器7的濾波器係數。在這種情況下，即使當自適應濾波器的抽頭數目增加時，也能夠利用較少的計算量來更新濾波器係數，因此對於具有較長傳遞函數的空間(即，較長的混響時間)，能夠充分地仿真傳遞函數，同時能夠較少地影響聲音質量。然而，如果拖音比濾波器係數的更新周期更快地展開，當與拖音的展開相比時，可能延遲了濾波器係數的更新，可能會瞬間展開一些拖音。
發明內容
本發明的目的是提供一種新穎的自適應拖音消除器，能夠在具有較長混響時間的空間中，完全地防止了拖音的展開。
提供了一種根據本發明的第一自適應拖音消除器，用於在聲音增強系統中使用，所述聲音增強系統包括安裝在給定空間中的麥克風，用於採集音頻信號；安裝在空間中的揚聲器，以便形成從揚聲器到麥克風的反饋路徑；以及連接在麥克風的輸出和揚聲器的輸入之間的放大器，用於放大從麥克風提供的音頻信號，以便向揚聲器提供電信號。本發明的自適應拖音消除器用於抑制從揚聲器通過具有給定時延的聲反饋路徑來反饋到麥克風的音頻信號的反饋分量。本發明的自適應拖音消除器包括延遲部分，用於將與聲反饋路徑的時延相對應的時延添加到由放大器提供的電信號，由此將添加了時延的電信號作為輸出信號輸出；第一自適應濾波器，其具有用於接收從延遲部分提供的輸出信號的輸入，並且利用第一濾波器係數對延遲部分的輸出信號進行濾波，在更新間隔處周期性地更新所述第一濾波器係數；第二自適應濾波器，其具有用於接收從延遲部分提供的輸出信號的輸入，並且利用第二濾波器係數對延遲部分的輸出信號進行濾波，在設置的短於第一濾波器係數的更新間隔的其它更新間隔處周期性地更新所述第二濾波器係數；第一加法器部分，其具有用於接收從第一自適應濾波器提供的輸出信號的輸入，並且從提供自麥克風的音頻信號中減去第一自適應濾波器的輸出信號，由此提供作為相減結果的輸出信號；以及第二加法器部分，其具有用於接收從第二自適應濾波器提供的輸出信號的輸入，並且從第一加法器部分的輸出信號中減去第二自適應濾波器的輸出信號，由此提供作為相減結果的輸出信號。在本發明的自適應拖音消除器中，將來自第一加法器部分的輸出信號輸入到第一自適應濾波器，並將來自第二加法器部分的輸出信號輸入到第二自適應濾波器。此外，通過放大器，將來自第二加法器部分的輸出信號作為電信號輸入到揚聲器和延遲部分。此外，通過第一自適應濾波器來更新第一濾波器係數，以便根據第一加法器部分和延遲部分的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數，並且通過第二自適應濾波器來更新第二濾波器係數，以便根據第二加法器部分和延遲部分的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數。
根據上述第一本發明自適應拖音消除器，第一自適應濾波器具有設置為較長的濾波器係數的更新間隔，而第二自適應濾波器具有設置為較短的濾波器係數的更新間隔。在第一自適應濾波器中，抽頭的數目可以是千到萬的數量級，並且濾波器係數的更新間隔可以是每數千到數萬採樣。例如，適於該準則的自適應算法包括STFT-CS方法。如果濾波器具有大量抽頭，STFT-CS方法的自適應算法具有更新濾波器係數所需的減少計算量，以及更高的傳遞函數估計精度。在第一自適應濾波器中，如果聲反饋路徑的傳遞函數較長(混響時間較長)，通過增大抽頭數目能夠充分地仿真較長的傳遞函數，以便減小對聲音質量的影響。
在第二自適應濾波器中，抽頭的數目可以是數十到數百的數量級，並且濾波器係數的更新間隔可以是每一到數百採樣一次。例如，適於該準則的自適應算法包括LMS算法和RLS(遞歸最小平方)算法。由於這種類型的算法能夠非常快速地更新濾波器係數，隨著濾波器抽頭數目的增大，計算量明顯增大。然而，第一本發明自適應拖音消除器在第一自適應濾波器中具有大量抽頭，而在第二自適應濾波器中具有較少抽頭，以便能夠抑制第二自適應濾波器中的計算量。因此，第二自適應濾波器的特徵在於，改進了對於拖音的響應速度，以便完全地抑制在例如以下情況下可能突然展開的拖音聲反饋路徑中的傳遞函數本能地變化。
因此，根據第一本發明的自適應拖音消除器，能夠最小化對聲音質量的影響，同時能夠完全地防止拖音的展開，以及即使在具有較長傳遞函數(較長混響時間)的空間中，也能夠抑制計算量。
提供了一種根據本發明的第二自適應拖音消除器，用於在聲音增強系統中使用，所述聲音增強系統包括安裝在給定空間中的麥克風，用於採集音頻信號；安裝在空間中的揚聲器，以便形成從揚聲器到麥克風的反饋路徑；以及連接在麥克風的輸出和揚聲器的輸入之間的放大器，用於放大從麥克風提供的音頻信號，以便向揚聲器提供電信號。本發明的自適應拖音消除器用於抑制從揚聲器通過具有給定時延的聲反饋路徑來反饋到麥克風的音頻信號的反饋分量。本發明的自適應拖音消除器包括延遲部分，用於將與聲反饋路徑的時延相對應的時延添加到由放大器提供的電信號，由此將添加了時延的電信號作為輸出信號輸出；按照三個或更多數目彼此並聯設置的多個自適應濾波器，每一個自適應濾波器具有用於接收從延遲部分提供的輸出信號的輸入，並且利用濾波器係數對延遲部分的輸出信號進行濾波，在更新間隔處周期性地更新所述濾波器係數，設置每一個自適應濾波器的更新間隔，以使其從第一個自適應濾波器到最後一個自適應濾波器連續地減小；以及對應於所述多個自適應濾波器設置的多個加法器部分，將第一個加法器部分到最後一個加法器部分串聯在麥克風和放大器之間，每一個加法器部分具有用於接收從對應自適應濾波器提供的輸出信號的輸入，並且從提供自前一個加法器部分的輸出信號中減去對應自適應濾波器的輸出信號，由此將作為相減結果的輸出信號提供到下一個加法器部分。在本發明的自適應拖音消除器中，將來自每一個加法器部分的輸出信號輸入到對應的自適應濾波器。將來自麥克風的音頻信號輸入到第一個加法器部分，並通過放大器，將來自最後一個加法器部分的輸出信號作為電信號輸入到揚聲器和延遲部分。此外，通過每一個自適應濾波器來更新每一個自適應濾波器的濾波器係數，以便根據對應加法器部分和延遲部分的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數。
上述第二本發明自適應拖音消除器最少包括三個自適應濾波器。在這種情況下，第二本發明自適應消除器等同於上述第一本發明自適應拖音消除器的變體，所述第二本發明自適應消除器具有按照與第二自適應濾波器和第二加法器部分的集合類似設置的第三自適應濾波器和第三加法器部分的附加集合，與第二自適應濾波器和第二加法器部分集合併聯，並且將第三自適應濾波器中濾波器係數的更新間隔設為小於第二自適應濾波器。可以具有按照類似方式的四個或更多自適應濾波器和加法器部分的附加集合。
根據第二本發明自適應拖音消除器，能夠得到與第一本發明自適應拖音消除器類似的效果，具體地，其優點在於促進了在例如大禮堂等空曠空間中使用的音頻設施中，防止拖音的展開。
在上述第一和第二本發明自適應拖音消除器中，可以設想添加混合器部分，用於將第一自適應濾波器的輸出信號與要輸入到第二自適應濾波器的延遲部分的輸出信號相混合。在這種情況下，第二自適應濾波器能夠根據混合器部分的輸出信號和第二加法器部分的輸出信號來估計適當的濾波器係數。
在上述第一和第二本發明的自適應拖音消除器的優選形式中，當第一自適應濾波器更新第一自適應濾波器係數時，第二自適應濾波器將第二濾波器係數復位為初始值。利用這種方式，在第二自適應濾波器中能夠抑制由於之前的濾波器係數導致的混響。在這種情況下，在第一自適應濾波器復位第二濾波器係數之前，第一自適應濾波器可以參考第二自適應濾波器的第二濾波器係數，估計用於更新第一濾波器係數的第一濾波器係數的新值。通過這樣做，第一自適應濾波器通過考慮到第二自適應濾波器的濾波器係數，可以估計適當的濾波器係數。
根據本發明，在自適應拖音消除器中，提供了具有較長濾波器係數更新間隔的第一自適應濾波器和具有較短濾波器係數更新間隔的第二自適應濾波器，以便在每一個自適應濾波器中抑制反饋音頻信號，從而得到能夠在較長混響時間的空間中完全地防止拖音展開的效果，同時緩解了聲音質量的惡化。
圖1是包含了根據本發明第一優選實施例的自適應拖音消除器的聲音增強系統的示意電路圖。
圖2是包含了根據本發明第二優選實施例的自適應拖音消除器的聲音增強系統的示意電路圖。
圖3是包含了根據本發明第三優選實施例的自適應拖音消除器的聲音增強系統的示意電路圖。
圖4是在用於驗證本發明效果的實驗中使用的聲音增強系統的示意電路圖。
圖5是示出了圖4所示的聲音增強系統中，信號e2(k)根據時間變化的波形圖。
圖6是根據本發明第一比較實施例的聲音增強系統的示意電路圖。
圖7是示出了圖6所示的聲音增強系統中，信號e2(k)根據時間變化的波形圖。
圖8是根據本發明第二比較實施例的聲音增強系統的示意電路圖。
圖9是示出了圖8所示的聲音增強系統中，信號e2(k)根據時間變化的波形圖。
圖10是根據本發明第三比較實施例的聲音增強系統的示意電路圖。
圖11是示出了圖10所示的聲音增強系統中，信號e2(k)根據時間變化的波形圖。
圖12是包含了現有技術的自適應拖音消除器的聲音增強系統的示意電路圖。
圖13是示出了圖12所示的自適應濾波器的細節的示意電路圖。
具體實施例方式
圖1是包含了根據本發明第一優選實施例的自適應拖音消除器的聲音增強系統的示意電路圖。在例如音樂廳或禮堂的給定空間中，設置了麥克風12和揚聲器14。通過A/D轉換處理，將通過麥克風12輸入的音頻信號變換為數字形式的信號y(k)。通過加法器單元14(1)、14(2)，將信號y(k)提供到放大器單元16用於放大。除了放大功能以外，放大器單元16可以具有或不具有濾波器功能(頻率分量改變功能)。G(z)表示放大器單元16的傳遞函數。將從放大器單元16輸出的信號x(k)D/A轉換為模擬形式的信號，然後，利用揚聲器18將該信號變換為聲信號。這裡，r(k)表示噪聲分量，接收r(k)的加法器的符號表示滲透了一些噪聲。
聲反饋路徑20是從揚聲器18到麥克風12的聲路徑，其具有傳遞函數H(z)。在與音頻源信號s(k)混合之後，將通過聲反饋路徑20反饋的反饋聲信號d(k)輸入到麥克風12，由來自例如敘述者等聲源的音頻信號構成所述聲源信號。麥克風12將混合的音頻信號轉換為電信號，以便輸出。
自適應拖音消除器包括延遲單元22、自適應濾波器24(1)、24(2)和加法器單元14(1)、14(2)。延遲單元22通過與聲反饋路徑20中的時延相對應的時延τ添加到信號x(k)上進行輸出，並將其輸出信號x(k-τ)分別提供到自適應濾波器24(1)和24(2)。自適應濾波器24(1)和24(2)處於與參考圖13所述相類似的設置，其輸出信號d1(k)和d2(k)仿真與其各自傳遞函數H1(z)和H2(z)相一致地反饋音頻信號d(k)。
將信號d1(k)提供到加法器單元14(1)，以便從輸入信號y(k)中減去其。加法器單元14(1)輸出信號e1(k)＝y(k)-d1(k)＝s(k)+d(k)-d1(k)，並將輸出信號e1(k)提供到下一個加法器單元14(2)和相應的自適應濾波器24(1)。將信號d2(k)提供到加法器單元14(2)，以便從信號e1(k)中減去其。加法器單元14(2)輸出信號e2(k)＝e1(k)-d2(k)＝s(k)+d(k)-d1(k)-d2(k)，並將輸出信號e2(k)提供到相應的自適應濾波器24(2)和放大器單元16。假設Δk12＝d(k)-d1(k)-d2(k)，則可以將信號e2(k)表達為等式e2(k)＝s(k)+Δk12。當消除器足以使Δk12最小時，信號e2(k)實質上等於沒有信號d(k)影響的s(k)，由此實現了拖音展開的防止。
在自適應濾波器24(1)中，抽頭的數目應當較多，例如，數千到數萬的數量級；濾波器係數的更新間隔應當較長，例如，每數千到數萬個採樣一次。作為滿足該準則的自適應算法，例如，可以使用STFT-CS方法等。通過利用這種自適應算法並根據信號x(k-τ)和e1(k)，為了以較長的更新間隔來執行濾波器係數更新，以使傳遞函數H1(z)匹配或近似於傳遞函數H(Z)，可以獲得仿真了信號d(k)的信號d1(k)。
在自適應濾波器24(2)中，抽頭的數目應當較少，例如，數十到數百的數量級；濾波器係數的更新間隔應當較短，例如，每一個到數百個採樣一次。作為滿足該準則的自適應算法，例如，可以使用LMS算法或RLS算法。通過利用這種自適應算法並根據信號x(k-τ)和e2(k)，為了在較短的更新間隔處執行濾波器係數更新，以使傳遞函數H2(z)匹配或近似於傳遞函數H(z)，能夠獲得仿真信號了d(k)的信號d2(k)。
通過如上所述，通過得到信號d1(k)和d2(k)，能夠減小前述Δk12，從而防止展開拖音。根據本發明，使用了彼此不同的濾波器係數更新間隔的自適應濾波器24(1)和24(2)，以實現具有較好收斂性能(收斂精度和收斂速度)的自適應拖音消除器，而與源信號無源。
以下表1示出了相對於在自適應濾波器24(1)中使用的、例如STFT-CS等具有較長更新間隔的自適應算法、以及在自適應濾波器24(2)中使用的、例如LMS算法等具有較短更新間隔的其它自適應算法，對拖音的響應速度和更新濾波器係數所需的計算量。O表示優點，X表示缺點。
根據表1，具有較長更新間隔的自適應算法具有較慢的拖音響應速度，然而，其具有的優點在於，即使抽頭的數目增大，用於更新濾波器係數所需的計算量也較小。另一方面，儘管具有較短更新間隔的自適應算法需要用於更新濾波器係數的較大計算量，其優點在於較快的拖音響應速度。
以下表2示出了相對於用作自適應濾波器24(1)中的自適應算法的STFT-CS方法以及用作自適應濾波器24(2)中的自適應算法的LMS算法，更新濾波器係數所需的計算量的數量級，作為自適應濾波器的抽頭數目N的函數。
根據以上表2，可以看出隨著抽頭數目N的增大，STFT-CS方法示出了計算量的稍微增大，而另一方面，LMS算法示出了與抽頭數目N的增大成正比的計算量增加，並且RLS算法與抽頭數目N的平方成正比地增加計算量。
對於自適應濾波器24(1)，本發明使用了具有較長更新間隔的自適應算法，例如STFT-CS方法，以便即使當抽頭數目增加時，計算量也較小。由於這一點，抽頭數量的增加允許以較高的精度估計傳遞函數H1(z)，以便仿真傳遞函數H(z)的較長周期。這還能夠減小對聲音質量的影響。此外，還能夠使計算量保持最小。
另一方面，白適應濾波器24(2)使用了具有較短更新間隔的自適應算法，例如LMS算法等，能夠保持對於拖音的較快響應，並完全抑制了在例如傳遞函數H(z)突然變化的情況下快速展開的拖音。此外，即使當空間內的傳遞函數H(z)較長(混響時間較長)時，自適應濾波器24(2)也能夠設置較少數目的抽頭，以便節約計算量。自適應濾波器24(1)和24(2)的總計算量將小於以下情況在圖12所示的電路中，只利用LMS算法來更新具有大量抽頭的自適應濾波器的濾波器係數。
應當注意，需要連接使用較長更新間隔的自適應算法的自適應濾波器24(1)和使用較短更新間隔的自適應算法的自適應濾波器24(2)，以便不會惡化濾波器係數的估計精度，並且具有拖音展開的防止能力。自適應算法基於以下假設「在比要應用的時變聲系統的時間變化足夠短的時間周期內，估計濾波器係數」。這暗示了應當連接具有短於自適應濾波器24(1)的更新間隔的自適應濾波器24(2)(即，濾波器係數的時間變化更快)，從而不幹擾應用了自適應濾波器24(1)的系統。另一方面，可以連接具有遠慢於自適應濾波器24(2)的濾波器係數變化的自適應濾波器24(1)，從而影響了應用了白適應濾波器24(2)的系統。因此，在圖1所示的電路中，應用了自適應濾波器24(2)的系統包含了自適應濾波器24(1)(或，避免自適應濾波器24(2)幹擾應用了自適應濾波器24(1)的系統)。
儘管自適應濾波器24(1)中濾波器係數的時間變化足夠慢於自適應濾波器24(2)中濾波器係數的時間變化，其沒有小到可以完全忽略的程度。因此，優選地，將湮沒索引(oblivion index)引入到自適應濾波器24(2)的濾波器係數更新中，或將自適應濾波器24(2)的濾波器係數復位為自適應濾波器24(1)中濾波器係數更新時的初始值(例如零)，以便減小過去的濾波器係數的影響。此外，當自適應濾波器24(1)中濾波器係數更新時，復位自適應濾波器24(2)的濾波器係數時，在復位之前，可以通過參考進行了復位的自適應濾波器24(2)的濾波器索引，更新自適應濾波器24(1)的濾波器係數。
圖2示出了包含根據本發明第二優選實施例的自適應拖音消除器的聲音增強系統。其類似部分採用了圖1中的相同參考數字，並且省略在前一個實施例中已經描述的這些部分的詳細說明。
圖2所示實施例的特徵在於，通過緩衝器26提供延遲單元22的輸出信號，並通過緩衝器30將自適應濾波器24(1)的輸出信號d1(k)提供到加法器單元28，以及將混合信號a(k)＝x(k-τ)+d1(k)從加法器單元28提供到自適應濾波器24(2)，作為加法器輸出。在自適應濾波器24(2)中，使用了混合信號a(k)來代替圖1所示的信號x(k-τ)，以根據混合信號a(k)和信號e2(k)來估計濾波器係數。按照該配置，能夠獲得與圖1所示的自適應拖音消除器相似的效果。
圖3示出了包含根據本發明第三優選實施例的自適應拖音消除器的聲音增強系統。其類似部分採用了圖1中的相同參考數字，並且省略在前一個實施例中已經描述的這些部分的詳細說明。
圖3所示優選實施例的特徵在於設置了分別向其提供了延遲單元22的輸出信號x(k-τ)的第一到第m(其中m是大於等於3的整數)自適應濾波器24(1)-24(m)，以及第一到第m加法器單元串聯在麥克風12的輸出側。第一到第m自適應濾波器將輸出分別根據傳遞函數H1(z)到Hm(z)仿真了信號d(k)的信號d1(k)到dm(k)，以便將信號d1(k)到dm(k)提供到各個加法器單元14(1)到14(m)。因此，加法器單元14(1)輸出通過信號y(k)減去信號d1(k)得到的信號e1(k)，加法器單元14(2)輸出通過信號e1(k)減去信號d2(k)得到的信號e2(k)，加法器單元14(3)輸出通過信號e2(k)減去信號d3(k)得到的信號e3(k)，依此類推，因此將加法器單元14(1)到14(m)串聯，從而將加法器單元14(1)到14(m)的輸出信號e1(k)到em(k)分別提供到相應的自適應濾波器24(1)到24(m)。
設置抽頭的數目和濾波器係數的更新間隔，以便從第一個自適應濾波器24(1)到最後一個自適應濾波器24(m)，逐漸地減小濾波器係數的更新間隔。作為實例，當m＝3時，則按照數萬、數千和數十到數百的數量級來分別設置自適應濾波器24(1)、24(2)和24(3)的抽頭數目，並且將自適應濾波器24(1)、24(2)和24(3)的濾波器係數更新間隔分別設置為每數萬採樣、每數千採樣、一到數百採樣更新一次。
圖3所示的電路圖是圖1電路圖的擴展形式，具有等於或大於3的自適應濾波器和加法器單元的集合，並且能夠得到與上述參考圖1類似的效果。此外，包含等於或多於3的自適應和加法器單元集合能夠促進在大空間的聲音增強系統中防止拖音的展開，例如較大的音樂廳。
在圖3的電路圖中，還設想將混合了信號x(k-τ)的信號d1(k)提供到自適應濾波器24(2)，而不是如上所述與圖2相關的信號x(k-τ)。此外，按照類似的方式，還將混合了信號x(k-τ)的信號dm-1(k)提供到自適應濾波器24(m)。
如上所述，根據本發明的第三實施例，按照三個或更多彼此並聯的方式設置多個自適應濾波器24。每一個自適應濾波器24具有用於接收從延遲部分22提供的輸出信號的輸入，並利用以更新間隔周期性更新的濾波器係數，對延遲部分22的輸出信號進行濾波。設置每一個自適應濾波器24的更新間隔，使其從第一自適應濾波器24(1)到最後一個自適應濾波器24(m)，連續地減小。與多個自適應濾波器24相對應地設置多個加法器部分14，在麥克風12和放大器16之間，從第一加法器部分14(1)到最後一個加法器部分14(m)進行串聯。每一個加法器部分12具有輸入，用於接收從相應的自適應濾波器24提供的輸出信號，並從提供自前一個加法器部分的輸出信號中減去相應的自適應濾波器24的輸出信號，由此將輸出信號提供到後一個加法器部分，作為相減的結果。將來自每一個加法器部分14的輸出信號輸入到相應的自適應濾波器24。將來自麥克風12的音頻信號輸入到第一加法器部分14(1)，而將來自最後一個加法器部分14(m)的輸出信號通過放大器16輸入到揚聲器18和延遲部分22，作為電信號。通過每一個自適應濾波器24來更新每一個自適應濾波器24的濾波器係數，以便根據相應加法器部分14和延遲部分22的輸出信號，來仿真聲反饋路徑20的傳輸函數。
有利地，自適應拖音消除器10還可以包括混合器部分，用於將一個自適應濾波器的輸出信號與要輸入到所述一個自適應濾波器之後的另一個自適應濾波器的延遲部分的輸出信號相混合。實際中，當一個自適應濾波器之前的另一個自適應濾波器更新其濾波器係數時，所述一個自適應濾波器將其濾波器係數復位為初始值。在這種情況下，所述另一個自適應濾波器在復位所述一個自適應濾波器的濾波器係數之前，參考所述一個自適應濾波器的濾波器係數，估計所述另一個自適應濾波器的濾波器係數的新值，用於更新所述另一個自適應濾波器的濾波器係數。
本發明的發明人已經進行了實驗仿真，以便確認本發明的效果。在該實驗中使用了如圖4所示的電路配置的聲音增強系統。圖4所示的電路圖具有圖1所示電路圖的相同配置，除了沒有設置用於混合噪聲分量r(k)的加法器單元，類似部分採用相同的參考數字，並且省略了已述部分的詳細說明。在圖4的電路圖中，如下設置仿真條件-自適應濾波器24(1)抽頭數目16384自適應算法STFT-CS方法-自適應濾波器24(2)抽頭數目256自適應算法洩漏(leaky)LMS算法-傳遞函數H(z)抽頭數目48000在圖5中，示出了信號e2(k)相對於時間的變化，作為在上述仿真條件下利用圖4的電路圖進行的實驗仿真的結果。
圖6示出了根據第一比較實施例的聲音增強系統的電路配置。圖6中的電路圖與圖4中的相同，除了去除了自適應拖音消除器之外，並且信號e2(k)由信號y(k)組成，在圖7中，示出了信號e2(k)相對於時間的變化，作為在上述仿真條件下利用圖6的電路圖進行的實驗仿真的結果。從圖7可以看出，在經過時間2[秒]之前，信號e2(k)立即發散，而展開了拖音。
圖8出了根據第二比較實施例的聲音增強系統的電路配置。圖8的電路圖與圖4中的相同，除了去除了自適應濾波器24(2)和加法器單元14(2)，信號e2(k)由信號e1(k)構成。在圖9中，示出了信號e2(k)相對於時間的變化，作為在上述仿真條件下、利用圖8的電路圖進行的實驗仿真的結果。從圖8可以看出，在經過時間2[秒]之前和之後，信號e2(k)趨向於發散，然而，該發散被減小到的較低電平，這表示抑制了拖音的展開，而信號電平瞬間過高，這暗示可能會出現電勢飽和。
圖10示出了根據第三比較實施例的聲音增強系統的電路設置。圖10的電路圖與圖4中的相同，除了去除了自適應濾波器24(1)和加法器單元14(1)、以及將信號y(k)輸入到加法器單元14(2)以外。在圖11中，示出了信號e2(k)相對於時間的變化，作為在上述仿真條件下利用圖10的電路圖進行的實驗仿真的結果。從圖11可以看出，儘管抑制了拖音的展開，信號e2(k)的電平略有上升，這表示顯著影響了聲音質量。
當與圖9和11相比較時，可以看出在圖5中，根據本發明，大約在經過時間2[秒]時，相對地減小了信號e2(k)的電平，並且在之後進一步減小。因此，根據本發明，能夠完全地防止拖音展開，同時使對於聲音質量的影響小得多。
權利要求
1.一種在聲音增強系統中使用的自適應拖音消除器，所述聲音增強系統包括安裝在給定空間中的麥克風，用於採集音頻信號；安裝在所述空間中的揚聲器，以便形成從揚聲器到麥克風的反饋路徑；以及連接在麥克風的輸出和揚聲器的輸入之間的放大器，用於放大從麥克風提供的音頻信號以便向揚聲器提供電信號，所述自適應拖音消除器用於抑制從揚聲器通過聲反饋路徑以給定時延反饋到麥克風的音頻信號的反饋分量，所述自適應拖音消除器包括延遲部分，用於將與聲反饋路徑的時延相對應的時延添加到從放大器提供的電信號上，由此將添加了時延的電信號作為輸出信號輸出；第一自適應濾波器，具有用於接收從延遲部分提供的輸出信號的輸入，並且利用以更新間隔周期性更新的第一濾波器係數對延遲部分的輸出信號進行濾波；第二自適應濾波器，具有用於接收從延遲部分提供的輸出信號的輸入，並且利用以短於第一濾波器係數的更新間隔設置的另一更新間隔周期性更新的第二濾波器係數、對延遲部分的輸出信號進行濾波；第一加法器部分，具有用於接收從第一自適應濾波器提供的輸出信號的輸入，並且從提供自麥克風的音頻信號中減去第一自適應濾波器的輸出信號，由此提供作為相減結果的輸出信號；以及第二加法器部分，其具有用於接收從第二自適應濾波器提供的輸出信號的輸入，並且從第一加法器部分的輸出信號中減去第二自適應濾波器的輸出信號，由此提供作為相減結果的輸出信號，其中，將來自第一加法器部分的輸出信號輸入到第一自適應濾波器，並將來自第二加法器部分的輸出信號輸入到第二自適應濾波器，其中，通過放大器，將來自第二加法器部分的輸出信號作為電信號輸入到揚聲器和延遲部分，其中，通過第一自適應濾波器來更新第一濾波器係數，以便根據第一加法器部分和延遲部分的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數，並且通過第二自適應濾波器來更新第二濾波器係數，以便根據第二加法器部分和延遲部分的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數。
2.根據權利要求1所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，還包括混合器部分，用於將第一自適應濾波器的輸出信號與要輸入到第二自適應濾波器的延遲部分的輸出信號相混合。
3.根據權利要求1所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，當第一自適應濾波器更新第一濾波器係數時，第二自適應濾波器將第二濾波器係數復位為初始值
4.根據權利要求3所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，在第一自適應濾波器復位第二濾波器係數之前，第一自適應濾波器參考第二自適應濾波器的第二濾波器係數，估計用於更新第一濾波器係數的第一濾波器係數的新值。
5.根據權利要求1所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，第一自適應濾波器具有第一數目的抽頭，用於對延遲部分的輸出信號進行濾波，以及第二自適應濾波器具有第二數目的抽頭，用於對延遲部分的輸出信號進行濾波，第一數目被設置為大於第二數目。
6.根據權利要求5所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，第一自適應濾波器使用短時傅立葉變換和交叉譜算法(STFT-CS算法)，用於更新第一濾波器係數。
7.根據權利要求5所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，第二自適應濾波器使用最小均方算法(LMS算法)或遞歸最小平方算法(RLS)，用於更新第二濾波器係數。
8.一種在聲音增強系統中使用的自適應拖音消除器，所述聲音增強系統包括安裝在給定空間中的麥克風，用於採集音頻信號；安裝在所述空間中的揚聲器，以便形成從揚聲器到麥克風的反饋路徑；以及連接在麥克風的輸出和揚聲器的輸入之間的放大器，用於放大從麥克風提供的音頻信號，以便向揚聲器提供電信號，所述自適應拖音消除器用於抑制從揚聲器通過聲反饋路徑以給定時延反饋到麥克風的音頻信號的反饋分量，所述自適應拖音消除器包括延遲部分，用於將與聲反饋路徑的時延相對應的時延添加到從放大器提供的電信號，由此將添加了時延的電信號作為輸出信號輸出；按照三個或更多數目彼此並聯設置的多個自適應濾波器，每一個自適應濾波器具有用於接收從延遲部分提供的輸出信號的輸入，並且利用以更新間隔周期性更新的濾波器係數對延遲部分的輸出信號進行濾波，設置每一個自適應濾波器的更新間隔，以使其從第一個自適應濾波器到最後一個自適應濾波器，持續減小；以及與所述多個自適應濾波器相對應地設置的多個加法器部分，並且從第一個加法器部分到最後一個加法器部分串聯在麥克風和放大器之間，每一個加法器部分具有用於接收從相應自適應濾波器提供的輸出信號的輸入，並且從提供自前一個加法器部分的輸出信號中減去相應自適應濾波器的輸出信號，由此將作為相減結果的輸出信號提供到下一個加法器部分，其中，將來自每一個加法器部分的輸出信號輸入到相應的自適應濾波器，其中，將來自麥克風的音頻信號輸入到第一個加法器部分，並通過放大器，將來自最後一個加法器部分的輸出信號作為電信號輸入到揚聲器和延遲部分，其中，通過每一個自適應濾波器來更新每一個自適應濾波器的濾波器係數，以便根據相應加法器部分和延遲部分的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數。
9.根據權利要求8所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，還包括混合器部分，用於將一個自適應濾波器的輸出信號與要輸入到所述一個自適應濾波器之後的另一個自適應濾波器的延遲部分的輸出信號相混合。
10.根據權利要求8所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，當一個自適應濾波器之前的另一個自適應濾波器更新其濾波器係數時，所述一個自適應濾波器將其濾波器係數復位為初始值。
11.根據權利要求10所述的自適應拖音消除器，其特徵在於，在所述一個自適應濾波器復位所述一個自適應濾波器的濾波器係數之前，所述另一個自適應濾波器參考所述一個自適應濾波器的濾波器係數，估計所述另一個自適應濾波器的濾波器係數的新值，用於更新所述另一個自適應濾波器的濾波器係數。
全文摘要
一種自適應拖音消除器具有多個自適應濾波器。每一個自適應濾波器利用濾波器係數對延遲器的輸出信號進行濾波，以更新間隔周期性地更新所述濾波器係數。設置更新間隔，以使其從第一個到最後一個自適應濾波器連續地減小。設置加法器。每一個加法器從提供自前一個加法器的輸出信號中減去對應自適應濾波器的輸出信號，由此將輸出信號提供到下一個加法器。將來自每一個加法器的輸出信號輸入到對應的自適應濾波器。將來自麥克風的音頻信號輸入到第一個加法器，並通過放大器，將來自最後一個加法器的輸出信號作為電信號輸入到揚聲器和延遲器。更新每一個自適應濾波器的濾波器係數，以便根據加法器和延遲器的輸出信號來仿真聲反饋路徑的傳遞函數。
文檔編號H04B3/23GK1719744SQ20051008194
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月8日 優先權日2004年7月9日
發明者奧村啟, 藤田啟明 申請人:山葉株式會社