具有分数阶的灵活差分麦克风阵列制造技术

基于差分麦克风阵列(DMA)的指定目标方向性因子(DF)值为包括M个麦克风的DMA构建波束形成器。为DMA生成N阶波束图，其中N为整数，并且与N阶波束图相对应的第一DF值大于目标DF值。为DMA生成N

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有分数阶的灵活差分麦克风阵列


[0001]本公开涉及麦克风阵列，尤其涉及具有分数阶波束形成器的灵活差分麦克风阵列(FDMA，flexible differential microphone array)。

技术介绍

[0002]在人类与人机语音接口之间的语音通信中，由麦克风传感器拾取的感兴趣信号通常会受到诸如加性噪声、混响和干扰等不需要的元素的污染，这可能会损害感兴趣信号的保真度和质量，并且还会影响后续操作的性能，例如基于信号的自动语音识别(ASR，automatic speech recognition)。为了处理这些不利影响并恢复感兴趣信号，可以使用具有称为波束形成器的空间滤波器的麦克风阵列进行定向信号传输或接收。麦克风阵列可以包含根据几何关系(例如，在一条线上、在平面上、在三维表面上或在三维空间中)布置的多个麦克风。麦克风阵列中的每个麦克风可以捕获源自声源的声音信号的版本并将捕获的信号转换成电子信号。信号的每个版本可以表示在特定时间以相对于参考点(例如，阵列中的参考麦克风位置)的特定入射角捕获的声源。可以记录时间以便确定每个麦克风相对于参考点的时间延迟。
[0003]差分麦克风阵列(DMA,differential microphone array)使用信号处理技术基于源信号对的差分来获得对源信号的定向响应。可以通过组合来自DMA的麦克风的电子信号来获得差分。
附图说明
[0004]在附图的图中通过示例而非限制的方式示出了本公开。
[0005]图1是示出根据本公开的实施方式的用于基于FDMA的目标方向性因子(DF，directivity factor)值构建具有分数阶波束图的波束形成器的方法的流程图。
[0006]图2是示出根据本公开的实施方式的用于基于FDMA的目标白噪声增益(WNG)构建具有分数阶波束图的波束形成器的方法的流程图。
[0007]图3示出根据本公开的实施方式的FDMA和波束形成器系统。
[0008]图4是示出根据本公开的实施方式的FDMA和波束形成器系统的数据流的数据流图。
[0009]图5A
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5C示出根据本公开的实施方式的整数阶的波束图和它们相应的DF和WNG值作为频率的函数的曲线图。
[0010]图6A
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6C示出根据本公开的实施方式的整数阶和分数阶波束图，以及它们相应的DF和WNG值作为频率的函数的曲线图。
[0011]图7A
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7B示出根据本公开的实施方式的DF和WNG值作为分数阶的函数的曲线图。
[0012]图8是示出根据本公开的实施方式的示例性计算机系统的框图。
具体实施方式
[0013]与单个麦克风相比，麦克风阵列中不同麦克风处接收的声音信号包括冗余，其可用于计算声源的估计以实现某些目标，例如降噪/语音增强、自动语音识别(ASR)、声源分离、去混响、空间录音以及声源定位和跟踪。麦克风阵列可以通信地耦合到处理装置(例如，数字信号处理器(DSP)或中央处理单元(CPU))，该处理装置包括被编程以实现波束形成器来计算声源的估计的电路。
[0014]波束形成器是一种空间滤波器，它使用麦克风阵列中麦克风捕获的多个版本的声音信号，根据一定的优化规则来识别声源。波束形成器的一些实施方式在处理低频噪声分量时效果不佳，因为与波束形成器相关联的波束宽度(即，频域中的主瓣宽度)与频率成反比。为了对抗波束形成器的非均匀频率响应，差分麦克风阵列(DMA)已被用于实现基本频率不变的波束图。波束图(也称为方向性图)反映了波束形成器对从特定角度方向撞击DMA的平面波的灵敏度。DMA可以包含麦克风传感器的阵列，这些传感器响应由声源生成的声压场的空间导数。FDMA可以包括布置在公共全体平台上的灵活分布的麦克风(例如，线性、圆形或其他阵列结构)。
[0015]DMA可以测量麦克风捕获的声音信号的导数(以不同阶的导数)，其中声音信号的集合形成与麦克风阵列相关联的声场。例如，使用一对两个麦克风(相邻或不相邻)之间的差形成的一阶DMA波束形成器可以测量声压场的一阶导数，以及使用一阶DMA的一对两个一阶差分之间的差形成的二阶DMA波束形成器可以测量声压场的二阶导数，其中一阶DMA包括至少两个麦克风，而二阶DMA包括至少三个麦克风。因此，N阶DMA波束形成器可以测量声压场的N阶导数，其中N阶DMA包括至少N+1个麦克风。麦克风阵列的波束图的一方面可以通过方向性因子(或方向性)来量化，该方向性因子是波束图最大化其在观察方向上的灵敏度与其在所有方向上的平均灵敏度的比率的能力。观察方向是具有最大灵敏度的声音信号的入射角。DMA波束图的DF可以随着DMA的阶数而增加。然而，更高阶的DMA可能对DMA本身的每个麦克风的硬件元件生成的噪声非常敏感，称为白噪声增益(WNG，white nosie gain)。
[0016]减少WNG的一种方法是在不增加DMA波束形成器的阶数的情况下增加麦克风的数量。然而，在DMA的阵列结构和麦克风数量固定的情况下，如果DMA波束形成器的WNG不能满足鲁棒性要求(例如，最小可容忍WNG)，则DMA波束形成器的阶数可能需要从当前阶数减少到较低的正整数阶数。较低的阶数会对DF产生不利影响，因此，在麦克风数量固定的DMA应用中，能够将DMA波束形成器的阶数降低到某个水平将是有益的。为了解决这些技术问题，本公开的实施方式提供了可以与波束形成器相关联的麦克风阵列，该波束形成器可以具有整数或分数阶的波束图以在保持期望的(或目标)DF的同时满足鲁棒性要求。
[0017]根据这些实施方式，具有分数阶的DMA波束形成器可以在最大可设计阶(例如，N阶)和全向阶(例如，0阶)的性能(例如，DF与WNG)之间实现连续折衷。生成分数阶波束图以实现N阶和0阶之间的性能的连续折衷。为了构建DMA波束形成器，使用Jacobi
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Anger展开来近似波束形成器的波束图(例如，方向性图)，然后适当的波束形成滤波器被确定以使得其波束图尽可能接近所需的频率不变波束图。此外，可以基于用于所述分数阶的DMA波束形成器的指定DF或WNG值来确定代表所构建波束形成器的分数阶的值，如下面关于图1和图2所解释的。
[0018]图1是示出根据本公开的实施方式的用于基于FDMA的目标DF值构建具有分数阶波
束图的波束形成器的方法100的流程图。方法100可由包括硬件(例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等)、软件(例如，在处理装置上运行以执行硬件模拟的指令)或其组合的处理逻辑执行。
[0019]为了便于解释，方法被描绘和描述为一系列动作。然而，根据本公开的动作可以与本文未呈现和描述的其他动作以各种顺序和/或同时发生。此外，可能不需要所有示出的动作来实施根据所公开的主题的方法。此外，这些方法可以可替代地经由状态图或事件表示为一系列相互关联的状态。此外，应当理解，本说明书中公开的方法能够存储在制品上以促进将这些方法传输和转移到计算装置。如本文所使用的，术语制品本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于为包括M个麦克风的差分麦克风阵列(DMA)构建波束形成器的方法，所述方法包括：由处理装置为所述DMA指定波束图的目标方向性因子(DF)值；由所述处理装置为所述DMA生成N阶波束图，其中N为整数，并且与所述N阶波束图相对应的第一DF值大于所述目标DF值；由所述处理装置为所述DMA生成N
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1阶波束图，其中与所述N
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1阶波束图相对应的第二DF值小于所述目标DF值；以及由所述处理装置为所述DMA生成分数阶波束图，其中与所述分数阶波束图相对应的第三DF值与所述目标DF值匹配，并且所述分数阶波束图包括来自所述N阶波束图的第一分数贡献和来自所述N
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1阶波束图的第二分数贡献。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一DF值、第二DF值和第三DF值表示相应的N阶波束形成器、N
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1阶波束形成器和分数阶波束形成器抑制来自指定观察方向以外的方向的空间噪声的能力。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述N阶波束图、N
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1阶波束图和分数阶波束图反映相应的N阶波束形成器、N
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1阶波束形成器和分数阶波束形成器对从方向θ撞击在所述DMA上的平面波的灵敏度。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：将所述分数阶的值确定为(N
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1+α)，其中α是0和1之间的实数，α*(N阶波束图)对应于所述第一分数贡献并且(1
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α)*(N
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1阶波束图)对应于所述第二分数贡献。5.根据权利要求4所述的方法，其中N是基于麦克风数量M的所述波束形成器的最大可设计阶，所述方法还包括：接收由所述M个麦克风响应于声源而生成的多个电子信号；基于所述信号，由N阶波束形成器确定所述声源的第一估计包括大于阈值量的噪声；执行(N
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1+α)分数阶波束形成器以基于所述信号计算所述声源的第二估计，其中α是所述第二估计包括小于所述阈值量的噪声的最大值。6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述DMA的M个麦克风被布置为线性阵列或圆形阵列中的一个。7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：基于所述分数阶波束图生成波束形成器滤波器，其中M>2*N+1。8.一种用于为包括M个麦克风的差分麦克风阵列(DMA)构建分数阶波束形成器的方法，所述方法包括：由处理装置为所述DMA指定目标白噪声增益(WNG)值；由所述处理装置为所述DMA生成N+1阶波束图和N+1阶波束形成器，其中N为整数值，并且与所述N+1阶波束形成器相对应的第一WNG值小于所述目标WNG值；由所述处理装置为所述DMA生成N阶波束图和N阶波束形成器，其中与所述N阶波束形成器相对应的第二WNG值大于所述目标WNG值；以及由所述处理装置为所述DMA生成分数阶波束图和所述分数阶波束形成器，其中与所述分数阶波束形成器相对应的第三WNG值与所述目标WNG值匹配并且所述分数阶波束图包括来自所述N+1阶波束图的第一分数贡献和来自所述N阶波束图的第二分数贡献。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一WNG值、第二WNG值和第三WNG值反映相应的N阶波束形成器、N
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1阶波束形成器和分数阶波束形成器在指定频率范围内对来自所述DMA的M个麦克风的自噪声的灵敏度。10.一种系统，包括：数据存储装置；以及处理装置，通信地耦合到所述数据存储装置和差分麦克风阵列(DMA)的M个麦克风，以：为所述DMA指定目标方向性因子(DF)值；为所述DMA生成N阶波束图，其中N为整数，并且与所述N阶波束图相对应的第一DF值...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景东，黄公平，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：