用於分離混合信號的方法和設備的製作方法
2023-06-06 08:55:46 3
專利名稱：用於分離混合信號的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及混和信號的信號分離，所述混和信號源于波形混和環境，在這種環境有多個用於提供混和信號的傳感器。本發明特別適用於，但不限於，對源於混和環境中的傳感器的混和信號進行信號分離，在混和環境中的傳感器的數量可以不同。
背景技術：
為了分離源於具有一個以上信號源的混和環境，如會議室和具有能夠產生音頻信號的空調、計算機和人群的辦公室的信號，具有多個傳感器的環境得到了廣泛的應用。
從用多個傳感器記錄的多個信號的疊加中分離出信號在很多應用中都非常重要，如通信、生物醫學和語音處理。對輸入信號的知之甚少使這項工作變得非常困難，並使得這種分離通常被看作是盲信號分離，如Zhang和A.Cichocki的文章「Blind Deconvolution of Dynamical SystemsA StateSpace Approach」，Journal of Signal Processing，第2期第4卷，2000年3月，111-130頁。
在WO9858450中描述了一種用於分離來自一個波形混和環境的混和信號的方法和裝置。該方法和裝置使用盲信號分離技術，且只適用於相關傳感器的數量保持不變的混和環境。
在WO0176319中也描述了一種用於分離源於一個波形混和環境的混和信號的方法和裝置。該方法和裝置採用預先設定麥克風位置的傳感器陣列技術，且只適用於所涉及的傳感器的數量和位置保持不變的混和環境。
理想的情況是，傳感器的數量如果不多於信號源數量的話，最少應該等於信號源的數量，以便提供有效的波形分離。這樣，具有固定數量傳感器的靜態分離系統就不適用於信號源的最大數量不能確定的動態系統。
在本說明書中，包括權利要求中，術語「包括」、「包括」或類似術語都是非排他性的包括，這樣，包括一些元件的一種方法或設備並不只包括那些已列出的元件，還可以包括其他沒有列出的元件。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用於分離由傳感器提供的混和信號的信號分離方法，這些混和信號來源於傳感器檢測各個混和波形，這些波形包括多個源於混和在混和環境中的波形發生源的源波形，該方法包括以下步驟在處理器和多個處於混和環境的傳感器之間建立通信，這種建立是依賴於所述環境中傳感器數量的變化而動態實現的；所述處理器從傳感器接收各個所述混和信號；根據傳感器的數量確定環境的未混和(un-mixing)參數；以及有選擇地將所述未混和參數應用於至少一個所述混和信號，從而分離所述至少一個所述混和信號，並提供至少一個與一傳感器相關的輸出源信號，這個輸出源信號表明所述源波形中未混和的一個波形。
建立通信的步驟最好可以通過所述處理器不斷檢測混和環境中是否存在傳感器和在所述處理器和在所述環境中檢測出的傳感器之間建立通信的方法來實現。
檢測傳感器是否存在的特徵可以是，至少一些傳感器不斷向處理器發送存在信號。
建立通信的步驟的特徵最好還可以在於，處理器不斷更新環境中傳感器的存在列表，存在列表表示環境中與處理器進行通信的傳感器。
在一種形式中，確定未混和參數的步驟可以用盲信號分離來實施。
盲信號分離最好用解方程[W，D]＝eig(XXT，R)的方法來實現，其中X是N×T混和信號矩陣，包括混和信號的N個傳感器讀數的T個採樣(N是在建立步驟22中建立的環境中的傳感器數量)；eig是廣義特徵值過程，對於A.V＝B.V.D，由[V，D]＝eig(A，B)來定義，即，V聯合對角化A和B，R是一個基於加在源信號上的假設的矩陣。
有選擇地應用步驟的特徵可以在於分離混和信號，以便為每個所述傳感器提供所述輸出源信號。
有選擇地應用步驟最好可以用由方程S＝WTX一次性分離的輸出源信號來實施，其中S是一個輸出源信號的矩陣。
在另一種形式中，有選擇地應用步驟可以用輸出源信號來實施，這些信號分別作為矩陣WT的特定行和矩陣W的列的乘積來分別進行分離。
在有選擇地應用步驟之後還可以有一個發送所述至少一個輸出源信號的步驟。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用於對混和信號進行信號分離的電子設備，所述混和信號是由與設備連接的傳感器提供的，源於傳感器檢測各個混和波形，這些波形包括多個源於混和在混和環境中的波形發生源的源波形，該電子設備包括一處理器，具有與之相連的存儲器，該存儲器用於存儲處理器所用的操作碼；一用於從傳感器接收混和信號的採樣器，該採樣器與處理器相連，其中在使用中操作碼實現如下步驟在處理器和多個處於混和環境的傳感器之間建立通信，這種建立是依賴於環境中傳感器數量的變化而動態實現的；所述處理器從傳感器接收各個所述混和信號；根據傳感器的數量確定環境的未混和參數；以及有選擇地將所述未混和參數應用於至少一個所述混和信號，從而分離所述至少一個所述混和信號，並提供至少一個與一傳感器相關的輸出源信號，這個輸出源信號表明所述源波形中的一個未混合波形。
建立通信的步驟最好可以通過所述處理器不斷檢測混和環境中是否存在傳感器和在所述處理器和在所述環境中檢測出的傳感器之間建立通信的方法來實現。
在一種形式中，該設備可以用盲信號分離來實施確定未混和參數的步驟。
該設備最好可以通過解方程[W，D]＝eig(XXT，R)的方法來實施盲信號分離，其中X是N×T混和信號矩陣，包括混和信號的N個傳感器讀數的T個採樣(N是在建立步驟22中建立的環境中的傳感器數量)；eig是廣義特徵值過程，對於A.V＝B.V.D，由[V，D]＝eig(A，B)來定義，即，V聯合對角化A和B，R是一個基於加在源信號上的假設的矩陣。
該設備可以通過分離混和信號執行有選擇地應用的步驟，以便為每個所述傳感器提供所述輸出源信號。
該設備可以最好通過利用方程S＝WTX一次性分離輸出源信號來執行有選擇地應用的步驟，其中S是一個輸出源信號的矩陣。
在另一種形式中，設備可以通過輸出源信號來執行有選擇地應用的步驟，這些信號是作為矩陣WT的特定行和矩陣W的列的乘積分別分離的。
該設備可以具有一個發射機，用來發送所述至少一個輸出源信號。
為了更好的理解本發明並且將其付諸實踐，下面參照附圖對優選非限制性實施例進行說明，其中圖1是根據本發明的一個實施例的電子設備的框圖；以及圖2是圖1設備執行的信號分離方法的流程圖。
優選實施例的詳細說明在附圖中，相同的數字表示所有相同的元件。參見圖1，圖中所示為一個具有多個波形源的動態環境10中的電子設備1。設備1具有一個處理器3，處理器3與隨機存儲器(RAM)4、只讀存儲器(ROM)5、用戶接口6和通信單元2相連。還有一個與處理器3相連的採樣器7和一個與採樣器7相連的無線連結12。用戶接口6通常是一個揚聲器、小鍵盤和一個可視顯示單元。
在動態環境10中還有多個麥克風11形式的與採樣器7相連的靜態傳感器。而且，還有一個集成在設備1上的麥克風13形式的傳感器。還有在混和環境中的蜂窩式電話14和個人數字助理16形式的動態傳感器Ds，它們都通過無線連結12與採樣器7保持通信，無線連結接12最好是根據www.bluetooth.com上的說明的藍牙BluetoothTM系統，本說明書將其引入作為參考。然而，對於本領域技術人員來說，顯然也可以採用其它連結，如紅外連結。在本說明書中，傳感器是指一個或麥克風11、13和動態傳感器Ds的任何組合，它們與設備1相連，並為設備1提供多個信號源。
參見圖2，圖中所示是用於分離混和信號的方法20，這些混和信號是由麥克風11、13和動態傳感器Ds形式的傳感器提供的。這些混和信號來源於傳感器檢測各個混和波形，這些波形包括多個源於混和在混和環境10中的波形發生源的源波形。方法20包括一個開始步驟21，由一個用戶在用戶接口6上啟動鍵來執行。開始步驟21之後是建立通信步驟22，在處理器3和混和環境10中的多個傳感器之間建立通信，這種建立動態地依賴於傳感器數量的不同而實施。在建立通信步驟22，處理器3不斷更新環境中傳感器的存在列表，這個存在列表中所列的是環境中與處理器3保持通信的傳感器。這是通過蜂窩式電話14或個人數字助理16不斷的通過連結12向採樣器7發送存在信號Ps來實現的，存在信號Ps被處理器3接收。由於傳感器的數量可能會改變，因此，麥克風11也要不斷地向處理器發送存在信號(注意，傳感器13是永久性連接在處理器3上的，因此不必發送存在信號Ps)。
處理器3從ROM5中下載操作碼，不斷更新混合環境10中的檢測到的傳感器DS和麥克風11的存在列表，這個存在列表被存在RAM4中。
然後，通過實施接收步驟23，處理器3接收分別來自各傳感器的混和信號。此後，實施確定步驟24來確定環境10的未混和參數，未混和參數是基於傳感器數量的。確定通常是通過一種廣為人知的盲信號分離技術，如在Cardoso，J.F.「Blind signal separationstatistical principles」IEEE會議論文集，第9卷，第10期，2009-2026頁，1998年10月中描述的一種技術。Cardoso描述的盲信號分離技術作為參考被引入本說明書。
為了確定未混和參數，一個由未混和參數組成的未混和矩陣W由下式決定[W，D]＝eig(XXT，R)-(1)其中X是N×T混和信號矩陣，包括對混和信號的N個傳感器讀數的T個採樣(N是在建立步驟22中建立的環境中的傳感器數量)；eig是廣義特徵值過程，對於A.V＝B.V.D，可以用[V，D]＝eig(A，B)來定義，即，V聯合對角化A和B。
矩陣R要根據加在源信號上的假設來選擇。例如對於非白噪聲源信號，R＝在某個延時τ2處的相互關係；對於非穩定源信號，R＝在不同時刻t2的協方差；對於非高斯源信號，R＝某些更高階m的積累量。
在確定步驟24之後，將實施應用步驟25來有選擇地將未混和參數應用到至少一個混和信號上，以分離至少一個混和信號並提供至少一個與一傳感器相關的輸出源信號，輸出源信號即為源波形中的一個未混和波形。
源信號通常用下面的等式一次性全部分離S＝WTX-(2)其中S是輸出源信號的矩陣。
輸出源信號可以分別作為矩陣，的特定行或者矩陣X的列的積進行分離。
然後，在發送步驟26由通信單元2將輸出源信號發送出去。
而後，測試步驟27確定用戶是否已經啟動了用戶接口上的鍵盤來結束該方法20，如果沒有啟動任何按鍵，那麼方法20將回到建立步驟22，否則，該方法將在結束步驟28終止。
本發明可以允許提供一個或多個來自混和環境的輸出信號波形分離，其中，混和環境的傳感器個數可以變化。例如，如果電子設備1是一個被放置在一個房間內的會議通信單元，那麼一個集成麥克風13就被安裝在會議通信單元上。其餘的麥克風11通常被放置在形成混和環境10的房間中的固定位置上。
在使用中，用戶通過啟動用戶接口6上的小鍵盤，通過連結在電話中繼系統上的通信單元2或用其它通信媒介建立一個呼叫，就可以召開電話會議。在電話會議期間，在混和環境中的很多人可能同時說話，並且環境噪聲提供了由集成麥克風13提供的混和噪聲的一部分。其他的混和信號由用於檢測環境噪聲和語音的麥克風11和動態傳感器Ds提供。由於像蜂窩式電話14和個人數字助理16的設備可以只暫時處於環境中，方法20在所有的傳感器和處理器3之間動態的建立通信，以便改善信號的分離。
由於傳感器數量的增加提高了環境中傳感器數量和噪聲源數量的比率，而噪聲源的數量可以根據，例如人群的數量改變，因此，信號分離得到了改善。這樣，用改善了的輸出信號代表的、用於通信並輸入到集成麥克風13中的語音可以從噪聲中分離出來，並用通信單元2發送出去。儘管這個例子將電子設備1描述為會議通信單元，該設備可以是任何的需要信號分離的適合的設備，如蜂窩電話或者雙向無線電接收裝置。
本詳細說明只提供了一個優選的示範性實施例，但並不打算限制本發明的範圍、應用、或者配置。相反，該優選範例實施例的詳細說明給本領域技術人員提供了可以用於實現本發明優選範例實施例的描述。應該明白，在不背離所附權利要求中列出的本發明的精神和範圍的前提下，可以對本發明中要素的功能和配置進行不同的修改。
權利要求
1.一種信號分離方法，用於分離由傳感器提供的混和信號，所述混和信號來源於傳感器檢測各混和波形，所述波形包括多個源於混和在混和環境中的波形發生源的源波形，該方法包括如下步驟在處理器和多個處於混和環境中的傳感器之間建立通信，這種建立是依賴於環境中傳感器數量的變化而動態實現的；所述處理器從傳感器接收各個所述混和信號；根據傳感器的數量確定環境的未混和參數；以及有選擇地將所述未混和參數應用於至少一個所述混和信號，從而分離至少一個所述混和信號，並提供至少一個與一傳感器相關的輸出源信號，該輸出源信號表明所述源波形中的一個未混和波形。
2.根據權利要求1的方法，其中建立通信的步驟通過所述處理器不斷檢測混和環境中的傳感器是否存在和建立在所述處理器和所檢測出的環境中的傳感器之間的通信的方法來進行。
3.根據權利要求2的方法，其中對傳感器是否存在的不斷檢測的特徵在於，至少一些傳感器不斷地向處理器發送存在信號。
4.根據權利要求3的方法，其中建立通信的步驟的特徵還在於，處理器不斷更新環境中傳感器的存在列表，所述存在列表指明環境中與處理器進行通信的傳感器。
5.根據權利要求1的方法，其中確定未混和參數的步驟可以用盲信號分離來實現。
6.根據權利要求5的方法，其中盲信號分離用解方程[W，D]＝eig(XXT，R)的方法來實施，其中X是N×T混和信號矩陣，包括對混和信號的N個傳感器讀數的T個採樣(N是在建立步驟中建立的環境中傳感器的數量)；eig是廣義特徵值過程，對於A.V＝B.V.D，可以用[V，D]＝eig(A，B)來定義，V聯合對角化A和B，R是一個基於加在源信號上的假設的矩陣。
7.根據權利要求1的方法，其中有選擇地應用步驟的特徵在於分離混和信號，以為每個所述傳感器提供所述輸出源信號。
8.根據權利要求1的方法，其中所述引誘選擇地應用步驟由輸出源信號來實現，所述輸出信號是用方程S＝WTX一次性分離的，其中S是一個輸出源信號的矩陣。
9.根據權利要求1的方法，其中有選擇地應用步驟由輸出源信號來實現，所述信號作為矩陣WT的特定行和矩陣W的列的乘積分別被分離。
10.根據權利要求1的方法，其中在有選擇地應用步驟之後還有一個發送所述至少一個輸出源信號的步驟。
11.一種用於對混和信號進行信號分離的電子設備，所述混和信號是由與設備連接的傳感器提供的，並來源於傳感器檢測各個混和波形，這些波形包括多個源於混和在混和環境中的波形發生源的源波形，該電子設備包括一個處理器，具有與之相連的存儲器，用於存儲處理器所用的操作碼；一個採樣器，用於從傳感器接收混和信號，該採樣器與處理器相連，在使用中，處理器中的操作碼實現如下步驟在處理器和多個處於混和環境的傳感器之間建立通信，這種建立是依賴於環境中傳感器數量的變化而動態實現的；所述處理器從傳感器接收各個所述混和信號；根據傳感器的數量確定環境的未混和參數；以及有選擇地將所述未混和參數應用於至少一個所述混和信號，從而分離所述至少一個所述混和信號，並提供至少一個與一傳感器相關的輸出源信號，所述輸出源信號表明所述源波形中的一個波形。
12.根據權利要求11的電子設備，其中在通信建立步驟，操作碼控制所述處理器不斷檢測混和環境中的傳感器是否存在並建立所述處理器和所檢測出的環境中的傳感器之間的通信。
13.根據權利要求11的電子設備，其中該設備用盲信號分離來實施確定未混和參數的步驟。
14.根據權利要求13的電子設備，其中該設備用解方程[W，D]＝eig(XXT，R)實現盲信號分離，其中X是N×T混和信號矩陣，包括對混和信號N個傳感器讀數的T個採樣(N是在建立步驟中建立的環境中傳感器的數量)；eig是廣義特徵值過程，對於A.V＝B.V.D，可以用[V，D]＝eig(A，B)來定義，V聯合對角化A和B，R是一個基於加在源信號上的假設的矩陣。
15.根據權利要求11的電子設備，其中該設備通過分離混和信號，以為每個所述傳感器提供所述輸出源信號執行有選擇地應用步驟。
16.根據權利要求11的電子設備，其中該設備通過輸出源信號來執行有選擇地應用步驟，所述信號是用方程S＝WTX一次性分離的，其中S是一個輸出源信號的矩陣。
17.根據權利要求11的電子設備，其中該設備通過輸出源信號來執行有選擇地應用步驟，所述信號分別作為矩陣WT的特定行和矩陣W的列的乘積被分離的。
18.根據權利要求11的電子設備，其中該設備具有一個發射器，用來發送所述至少一個輸出源信號。
全文摘要
用於分離混和信號的方法(20)和設備(1)，混和信號由與設備連接的傳感器(11、13)提供並源於傳感器(11、13)檢測各個混和波形，這些波形包括多個源於混和在混和環境(10)中的波形發生源的源波形。該方法(20)和設備(1)在處理器(3)和多個處於混和環境(10)的傳感器(11、13)之間建立通信(22)，這種建立依賴於環境中傳感器(11、13)數量的不同而動態實現。在接收步驟(23)，處理器(3)分別從傳感器(11、13)接收混和信號，根據傳感器(11、13)的數量實施確定步驟(24)，確定環境的未混和參數。然後，選擇步驟(25)將未混和參數應用於至少一個混和信號，從而分離至少一個混和信號並提供至少一個與一傳感器(11、13)相關的輸出源信號，輸出源信號為源波形的一個未混和波形。
文檔編號H04R3/00GK1492393SQ0315744
公開日2004年4月28日 申請日期2003年9月19日 優先權日2002年9月23日
發明者A·馬迪夫斯基, M·湯姆森, A 馬迪夫斯基, 飛 申請人:摩託羅拉公司