几何源分离的几何信号处理技术制造技术

一种处理信号混合的计算机系统（１０８）就是要将象语言源、噪声源这些同一时间的多个麦克风录音的信号混合分离出它们的基本源。一个源分离程序（１２４）是通过在对滤波器响应执行几何强制的时候最小化多输出通道的互功率，从而优化滤波器的结构。该几何强制（２０９、２１０、２１５、２１７）在假定源是在空间中被定位的基础上，对基本源的给定位置施加所需要的响应。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要关于信号处理，特别涉及一个使用几何信息及自适应的波束成形技术(adaptive beamforming technique)进行混合信号分离的系统。
技术介绍
盲源分离是指不预先了解信号的特性就将复合信号分离成其原始的分量信号的处理方法。这种处理方法在语音识别、多径传输(multipath)通道的鉴别及均衡、有声录音的信扰比(SIR，signal to interference ratio)改善、监视应用和助听操作等方面是有用的。多径传输环境下，宽带信号的盲源分离存在着一个难题，就是有大量的不定性。增加传感器的数目可以使性能改善，但会导致在选择分离滤波器上的不定性。理论上在一个室内存在多个逆(invert)响应的滤波器，其原因是在从包含麦克风信号的空间进入更小的信号源空间时存在多个投影。这些滤波器根据一个传感器阵列的响应来表示剩余的自由度。连续地将信号分配到不同频率上的不同的信源信道产生频率置换问题(frequency permutation problem)。这个问题是所有源分离算法都固有的，包括时域算法，除非该算法同时顾及到不同的频带。对于象语音这种非平稳信号(non-stationary signal)，多频谱属性的估算是尤其困难的，求解算法在计算上的花费是非常大的。通过假定存在不相关的M来描述基本的源分离问题，时变源信号s(t)∈RM其中源s(t)来自不同的空间位置。有许多传感器N(其中N≥M)检测时变信号x(t)∈RN 在多径传输环境下，每个源j通过一个线性转换函数Aij(τ)都与一个传感器i相配对，此函数表示相应于源到传感器的路径的脉冲响应，即xi(t)=Σj=1MΣτ=0P-1Aij(τ)sj(t-τ)]]>这个公式可以用矩阵符号(*表示卷积)重写为x(t)＝A(t)*s(t)在应用离散时间傅立叶变换后，此公式可以重写为x(ω)＝A(ω)s(ω)卷积源分离的目的是去发现有限脉冲响应滤波器Wii(τ)，其对卷积混合A(τ)(convolutive mixing A(τ))的影响取逆。这等同于得出y(ω)＝W(ω)×(ω)其与最初源s(t)相对应。卷积分离已经提出了不同的准则，例如H.-L.N.Thi和C.Jutten在“BLINDSOURCE SEPARATION FOR CONVOLUTIVE MIXTURES”中的论述，发表于Signal Processing(信号处理)，第45卷，第2期，209-229页。在由Weinstein等人发布的标题为MULTICHANNEL SIGHAL SEPARATION的美国第5,208,786号专利中，公开了一个两通道的实例。该‘786专利将每个通道作为多入多出(MIMO，multi-input-multi-output)的线性时变系统的模型。通过假设重建信号是统计不相关的，可以分离和复原输入信号源。然而，要唯一地解决该问题，去相关条件并不充分，除非假定未知的通道是一个2×2的MIMO有限脉冲响应滤波器。所有的卷积分离准则都可以从假定未知信号是统计独立的而得来，并且通常受限于这些源信号是配对独立(pairwise independence)的。配对独立意味着所有交叉力矩(cross-moment)能被分解，从而给对信号源进行建模产生许多必要条件，t，n，m，τ，i≠jE[yin(t)yjm(t+τ)]=E[yin(t)]E[yjm(t+τ)]]]>(公式1)卷积分离要求上述对应W(τ)的滤波器多个支路延迟的多个延迟τ的条件要满足，对平稳的信号会要求更高次(order)的准则(多数次n和m)。对于象语音这样的非平稳信号，可以使用语音倍数t，并且加倍去相关(n＝m＝1)是充分的。使用独立准则时会留有置换和缩放(scaling)的不定性。在卷积情况下，缩放不定性会作用到每个频率组或箱体(bin)中，对每个时域源信号都导致一个卷积不定性。独立信号的任何延迟或卷积形式仍保持独立。对于独立频率域E[yin(ω)yjm(ω)]=E[yin(ω)]E[yjm(ω)]]]>对所有的次数n和m，每个频率都会有一个置换不定性。对每个频率，独立频域可以通过对下式模型源的任意缩放和指数(index)i，j的分配来满足。W(ω)A(ω)＝P(ω)S(ω)(公式2)其中P(ω)代表每个频率的一个任意置换矩阵，S(ω)代表每个频率的一个任意对角矩阵。这产生了问题，就是给定信号源的贡献(contribution)不能连续地分配给不同频率箱体中的单独模型源。因此，一个给定的模型源会有来自不同的实际源的贡献。随着置换数量的有可能增加而引发的通道数量的增加，这个问题会更严重。既然分离任务被去偶而成为每个频率箱体的独立分离任务，这个问题被认为是分离准则频域公式化的一个典型产物。对于n＝m＝1，这个不定性会适用到公式1中提出的时域独立准则。甚至对于更高次数的时域准则都不能正确的置换。过去的一些源分离工作完全忽视了这个问题。其它的则提出了许多方法，例如模型源频谱中的连续性，或是不同的频率箱体经常共调制的事实。捕捉这些多频率影响(contribution)的统计属性的一个严格方法是多频谱。然而，实际上获得多频率的平稳统计是困难的，特别是象语音这样的非平稳信号。此外，考虑频率组合的算法在计算上注定是非常苛求的。频域滤波器系数的平滑强迫(constrain)也已提出来了，如由Parra等人发布的标题为CONVOLUTIVE BLIND SOURCE SEPARATION USING A MULTIPLEDECORRELATION METHOD的美国第6,167,417号专利。这相当于根据分析窗口的尺寸来限制滤波器的长度。然而，这种对滤波器尺寸的限制不总是合理的，因为在强烈的回响环境下就要求有很长的滤波器。理论上只需要N个传感器去分离M＝N个源。然而实际上，可能会使用更多的麦克风(N＞M)以提高实系统(real system)的性能。忽略置换及缩放不定性，公式2表示为W(ω)A(ω)＝I，其中I表示单位矩阵。对于一个给定的A(ω)，都有在N-M维的线性空间中的解W(ω)，这表明当对一个用滤波器W(ω)表示的波束样本进行成形时会有额外的自由度。在常规的几何及自适应的波束成形知识中经常采用麦克风位置和源定位。可以加入和补充几何假定来作为对滤波系数的线性限制。举个多旁瓣消除器的例子，多个通道(通道i)的其中一个的响应保持不变，就可以表示为w(ω)ei＝常量。行矢量w(ω)∈CN中的分量就是要应用于每个麦克风的滤波器分量，ei是单位矩阵的第i列。这与对W的对角项所利用的标准化条件是相类似的，而该条件通常在盲分离算法中应用。与其强迫(constrain)一个通道，不如强迫一个针对特定方位的波束成形器的响应。如果每个麦克风的位置和响应特性都知道了，就能计算一组麦克风的自由场(free field)响应及相关的波束成形滤波器w(ω)，对于位置q，其相位和振幅响应如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
将卷积混合信号分离成多个源的装置包括：　　　　多个信号传感器（１０２），每个传感器驻留在各自的传感器位置上；　　　　多输入、多输出的信号滤波器（２２２）；　　　　在多个时段估算多个输出通道的互功率的装置（２０４）；　　　　计算一组所需的源位置ｒ的装置（２０８），该源位置ｒ由与传感器位置对应的空间关系定义；以及　　　　当对所需的源位置组施加所需的滤波器响应时，使信号滤波器适应于最小化多个输出功率的装置。

【技术特征摘要】
US 2001-1-30 60/264,9241.将卷积混合信号分离成多个源的装置包括多个信号传感器(102)，每个传感器驻留在各自的传感器位置上；多输入、多输出的信号滤波器(222)；在多个时段估算多个输出通道的互功率的装置(204)；计算一组所需的源位置r的装置(208)，该源位置r由与传感器位置对应的空间关系定义；以及当对所需的源位置组施加所需的滤波器响应时，使信号滤波器适应于最小化多个输出功率的装置。2.如权利要求1所述的装置，其中通过在频域估算和最小化信号滤波器输出的多个互功率谱来将互功率最小化。3.如权利要求1所述的装置，其中当信号滤波器在最小化多输出功率的时候，将所需的滤波器响应作为一个在信号滤波器上的线性强制来施加。4.如权利要求1所述的装置，其中当信号滤波器在最小化多输出功率的时候，将所需的滤波器响应通过增加一个调节项来施加。5.如权利要求2所述的装置，其中对源位置r所施加的一个单位响应为diag(W(ω)D(ω，r))＝1。6.如权利要求2所述的装置，其中对源位置r所施加的一个单位响应和一个零响应为W(ω)D(ω，r)＝I。7.如权利要求1所述的装置，其中信号滤波器(222)是一个有限脉冲响应滤波器。8.如权利要求2所述的装置，其中互功率最小化是通过最小化一个如下式定义的成本函数(213)来实现J(W)=Σt,wα(ω)||RYY(t,ω)diag(RYY(t,ω))||2.]]>9.如权利要求2所述的装置，其中以一个定义为下式的额外调节项(211)来施加对源位置r的一个单位响应J1(ω)＝‖diag(W(ω)D(ω，r))-1‖2。10.如权利要求2所述的装置，其中以一个定义为下式的额外调节项(212)来施加对位置r的一个单位响应和一个零响应J2(ω)＝‖(W(ω)D(ω，θ))-I‖2。11.如权利要求1所述的装置，其中源位置r由与信号传感器位置相联系的多个角度指定。12.如权利要求1所述的装置，其中信号滤波器(222)是作为波束成形器滤波器来初...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢卡斯C帕拉，克里斯托弗阿尔维诺，克莱D斯彭斯，克雷格L范考特，
申请(专利权)人：汤姆森特许公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]