專利名稱：校準(zhǔn)麥克風(fēng)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及麥克風(fēng)輸出信號(hào)電平，并且更具體地涉及把麥克風(fēng)校準(zhǔn)到所需電平上的技術(shù)。當(dāng)比較不同麥克風(fēng)的輸出電平時(shí)，假定它們的聲激勵(lì)是相同的。制造商提供其輸出電平在規(guī)定的均值附近變化的麥克風(fēng)。對(duì)于通常使用的背面駐極體麥克風(fēng)，這種容差為±4dB。因此，這種麥克風(fēng)的輸出電平能顯示出高達(dá)8dB的差異。有時(shí)也可以得到容差為±2dB的麥克風(fēng)。但是它們較貴。
通常麥克風(fēng)增益校準(zhǔn)的方案是在消聲室(即無反射或回響的室)內(nèi)進(jìn)行的。在該消聲室內(nèi)把一個(gè)揚(yáng)聲器放在麥克風(fēng)的前面(角度為0°)該揚(yáng)聲器以某一已知功率電平播放一個(gè)噪聲序列，并測(cè)量該麥克風(fēng)的響應(yīng)功率。然后，設(shè)定可調(diào)的增益。
在WO 99/27522專利申請(qǐng)中公開了另一種聲頻處理方案。根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)資料，產(chǎn)生濾波和的與加權(quán)和的聚束(beamforming)，以使輸出上的功率最大。濾波和聚束(FSB)使得在添加FSB下造成最大相干的直接影響。
對(duì)于諸如聚束的多麥克風(fēng)算法，非常重要的是要在生產(chǎn)過程中對(duì)麥克風(fēng)分類以獲得電平差異在所要求的容限內(nèi)的麥克風(fēng)組。
另外，對(duì)于一些多麥克風(fēng)系統(tǒng)，消費(fèi)者可能在晚些時(shí)候購買添加的麥克風(fēng)，它們?cè)诎惭b前也必須得到校準(zhǔn)。
本發(fā)明提供一種麥克風(fēng)的校準(zhǔn)設(shè)備，其包括一個(gè)揚(yáng)聲器，用于把揚(yáng)聲器輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音；一個(gè)麥克風(fēng)，用于把接收到的聲音轉(zhuǎn)換成麥克風(fēng)輸出信號(hào)；以及校準(zhǔn)裝置，用于相對(duì)于所需的功率電平校準(zhǔn)該麥克風(fēng)的輸出功率，所述校準(zhǔn)裝置包括脈沖響應(yīng)測(cè)定裝置，后者用于在該麥克風(fēng)接收來自該揚(yáng)聲器的聲音時(shí)，通過關(guān)聯(lián)麥克風(fēng)輸出信號(hào)和揚(yáng)聲器輸入信號(hào)，測(cè)定該揚(yáng)聲器的聲脈沖響應(yīng)和/或該麥克風(fēng)處的麥克風(fēng)環(huán)境，從而測(cè)定該麥克風(fēng)的輸出功率。
如前面指出那樣，對(duì)于多麥克風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)良性能而言，麥克風(fēng)校準(zhǔn)通常是至關(guān)鍵重要的。本發(fā)明所涉及的是在混響室條件下對(duì)麥克風(fēng)的自適應(yīng)校準(zhǔn)(用軟件)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要在制造聲頻系統(tǒng)時(shí)挑選或校準(zhǔn)麥克風(fēng)，從而節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間并且有時(shí)節(jié)省附加的硬件。本發(fā)明可應(yīng)用于所有其中存在有一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的語音通信系統(tǒng)中。人們可以想到免提的電信系統(tǒng)，并且還可想到用于例如電視設(shè)備的聲音控制的免提語音識(shí)別系統(tǒng)。
通過本發(fā)明，還可以中和麥克風(fēng)的會(huì)導(dǎo)致輸出電平差異的不均勻老化。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供一個(gè)直射部分去除裝置，用于去除所謂的聲脈沖響應(yīng)(a.i.r.)的直射部分以便特別地利用a.i.r.的漫射部分。它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在常規(guī)環(huán)境，例如一般的房間中使用麥克風(fēng)過程中，不必添加硬件而完成校準(zhǔn)。實(shí)際使用過程中的校準(zhǔn)還可用于絕對(duì)校準(zhǔn)和相對(duì)校準(zhǔn)。
另一優(yōu)選實(shí)施例包含高低通濾波裝置，用于過濾低頻和高頻，使得能通過采用其信號(hào)質(zhì)量最適宜處理的頻率范圍達(dá)到更好的校準(zhǔn)。
另一優(yōu)選實(shí)施例包含求平方及求和裝置，用于產(chǎn)生一個(gè)對(duì)麥克風(fēng)的漫射聲場(chǎng)響應(yīng)的當(dāng)前功率電平的表象，以便產(chǎn)生可以和所需電平相關(guān)聯(lián)的值。
本發(fā)明最好還包括關(guān)聯(lián)裝置，用于把麥克風(fēng)的(漫射)響應(yīng)的功率電平和所需功率電平相關(guān)聯(lián)。
盡管有可能得到用于所需功率電平的絕對(duì)值，最好能從一基準(zhǔn)麥克風(fēng)得到該所需功率電平。
通過參照各附圖閱讀下面的說明，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，特征和細(xì)節(jié)會(huì)變得更加清晰。附圖中

圖1是在一個(gè)聲頻會(huì)議系統(tǒng)中本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的透視和部分示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)在消音室中麥克風(fēng)校準(zhǔn)的設(shè)置示意圖；圖3是典型的作為時(shí)間的函數(shù)的麥克風(fēng)0°處的聲脈沖響應(yīng)(a.i.r.)以及相應(yīng)的能量衰減曲線(e.d.c.)圖；圖4是和圖3相同的麥克風(fēng)在180°處的典型的作為時(shí)間函數(shù)的聲脈沖響應(yīng)(a.i.r.)以及相應(yīng)的能量衰減曲線(e.d.c.)圖；圖5是圖1實(shí)施例中包含的自適應(yīng)麥克風(fēng)校準(zhǔn)的示意圖；圖6是和也可在圖1的實(shí)施例中使用的基準(zhǔn)麥克風(fēng)相關(guān)的自適應(yīng)麥克風(fēng)校準(zhǔn)的示意圖7是和也可在圖1的實(shí)施例中使用的基準(zhǔn)麥克風(fēng)相關(guān)的相對(duì)校準(zhǔn)的示意圖；以及圖8是供在圖5-7中使用的帶通濾波器以及隨后的求平方及求和運(yùn)算框圖。
圖1示出一個(gè)聲頻會(huì)議系統(tǒng)。它包括主操縱臺(tái)1和一個(gè)或二個(gè)各含有一個(gè)麥克風(fēng)并與地板單元23連接的用于揀拾較大的語音范圍的衛(wèi)星麥克風(fēng)2，其中地板單元與電源24以及某種類型的電話網(wǎng)25，例如PSTN(RJ 11)或ISDN(RF 45)相連接。主操縱臺(tái)包括一個(gè)用于生成(語音)聲音的揚(yáng)聲器和三個(gè)用于揀拾(語音)聲音的麥克風(fēng)。此外，還包括用于通過電話網(wǎng)和其它電話相連接的電話裝置。這些麥克風(fēng)最好共同運(yùn)行成盡可能地是無縫的。出于此目的，本發(fā)明設(shè)置各種裝置以允許衛(wèi)星麥克風(fēng)中的麥克風(fēng)或者甚至主操縱臺(tái)中的麥克風(fēng)不需要預(yù)安裝的校準(zhǔn)。
依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)使用例子(圖中未示出)涉及通過利用麥克風(fēng)輸入，基于語音對(duì)電視設(shè)備發(fā)出例如切換頻道、控制音量等的指令。這也可以以帶有一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)的形式予以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于使用麥克風(fēng)輸出信號(hào)的系統(tǒng)，校準(zhǔn)則是必需的。
關(guān)于校準(zhǔn)，在此對(duì)一些與理解對(duì)各附圖的詳細(xì)說明有關(guān)的聲學(xué)概念作出解釋。在圖2中，示出室內(nèi)的一個(gè)揚(yáng)聲器3和一個(gè)對(duì)準(zhǔn)(即0°)該揚(yáng)聲器的麥克風(fēng)4。
通過關(guān)聯(lián)技術(shù)可以從揚(yáng)聲器的激勵(lì)信號(hào)以及麥克風(fēng)的響應(yīng)測(cè)定聲脈沖響應(yīng)(a.i.r.)。a.i.r.是聲脈沖激勵(lì)下的響應(yīng)。在圖3中描繪這種測(cè)定的a.i.r.的一個(gè)例子。由于空氣中音速有限造成的延遲，在前幾個(gè)毫秒中響應(yīng)為零。接著，可以觀察到一個(gè)大的峰值，這歸因于對(duì)聲音從該揚(yáng)聲器到該麥克風(fēng)的直射聲傳播的響應(yīng)，并被稱為直射聲場(chǎng)影響。此峰值具有歸一化為1.0的值。與該值相關(guān)的尾部如曲線所示。a.i.r.的尾部歸因于對(duì)房間邊界的反射，并被稱為漫射聲場(chǎng)影響。這些反射具有隨機(jī)特征而且隨著時(shí)間的推移統(tǒng)計(jì)上增加密度并指數(shù)地減小振幅。各種反射的組合效果稱為混響。
a.i.r.的一個(gè)重要函數(shù)是能量衰減。在n為采樣指數(shù)的離散時(shí)間下，指數(shù)n處的能量衰減合計(jì)成a.i.r.的尾部中剩余的能量。在圖3中，還對(duì)數(shù)地繪出對(duì)應(yīng)于a.i.r.的所謂能量衰減曲線(e.d.c.)。沿Y軸數(shù)值用dB計(jì)量。e.d.c.示出直射分量造成的突變。緊靠著該跳躍前后的能量衰減差異被稱為透明指數(shù)(clarity index)。較大的透明指數(shù)意味著較大的直射/漫射比并且從而混響較小。a.i.r.的漫射尾部的包絡(luò)具有指數(shù)性衰減，這導(dǎo)致e.d.c.的尾部的對(duì)數(shù)具有固定斜率?；祉憰r(shí)間T60是在其中混響電平下降60dB的時(shí)間間隔。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于該情況下，T60＝0.36秒麥克風(fēng)可以具有單方向的線束特性。單向麥克風(fēng)只揀拾來自0°附近某角度范圍內(nèi)的聲信號(hào)；它們或多或少地阻擋按180°角度到達(dá)的聲信號(hào)。這意味著在180°測(cè)量的a.i.r.的直射場(chǎng)影響幾乎等于零。
在圖4中繪出和圖3相同的(單向)麥克風(fēng)但現(xiàn)在位于180°處的a.i.r.和e.d.c.曲線。具有對(duì)1歸一化的值，其只顯示出代表漫射響應(yīng)的尾部。通過比較圖3和圖4可以看出，在180°處直射影響已消失但兩圖中漫射影響具有相同的指數(shù)性包絡(luò)。
在以下，假定a.i.r.的漫射尾部不依賴于麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器的取向及其在該房間中的位置。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了取決于取向和位置的變化，但是當(dāng)該房間中的聲吸收特性或多或少是均勻的并且混響在時(shí)間上不是太短(T60＞100毫秒)時(shí)，這些變化是小的。值得提到的是，典型的房間具有大于300毫秒的混響。一條總規(guī)律是房間越大混響時(shí)間越長(zhǎng)。
本發(fā)明不僅把麥克風(fēng)響應(yīng)而且還把揚(yáng)聲器的激勵(lì)信號(hào)(見圖2)用作為輸入。首先，在測(cè)定裝置中利用周知的相關(guān)方法測(cè)定從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的a.i.r.。在進(jìn)行聲消除時(shí)，已經(jīng)可使用自適應(yīng)濾波器。在直射部分去除裝置中選擇a.i.r.的漫射部分。在低頻率下?lián)P聲器的輸出和/或麥克風(fēng)的靈敏度是低的，這導(dǎo)致不可靠的a.i.r.系數(shù)。從而在靠近尼奎斯特(Nyquist)頻率的最高頻率對(duì)a.i.r.的漫射部分施加高通濾波器，但由于去假頻濾波器信號(hào)電平也是低的。因此，為了對(duì)付高頻處的不可靠a.i.r.系數(shù)，應(yīng)用一個(gè)低通濾波器。
在圖5中，這些高通和低通濾波器組合成一個(gè)帶通濾波器。在求平方及求和裝置中對(duì)濾波后的系數(shù)求平方及求和，這產(chǎn)生代表麥克風(fēng)漫射響應(yīng)的當(dāng)前功率的實(shí)際功率電平14。該功率電平和所需的功率電平20相關(guān)，并且此增益因子被確定為這些功率電平之商的平方根。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，每次該自適應(yīng)濾波器提供一個(gè)新的a.i.r.測(cè)定時(shí)都可使用該校準(zhǔn)方法。為了提高回聲抵消器的堅(jiān)固性，有時(shí)采用可編程濾波器(如美國4,903,247號(hào)專利中所說明的)。自適應(yīng)濾波器在后臺(tái)運(yùn)行，而有條件地從該自適應(yīng)濾波器取系數(shù)的可編程過濾器則用于實(shí)際的回聲消除。在這種情況下最好取該可編程濾波器的系數(shù)并且在每次系數(shù)變換后施加校準(zhǔn)過程。
揚(yáng)聲器3(圖5)得到揚(yáng)聲器輸入信號(hào)5。麥克風(fēng)4接收揚(yáng)聲器3產(chǎn)生的聲音并且把它變換成麥克風(fēng)輸出信號(hào)6。把信號(hào)5和6的數(shù)字值饋入到測(cè)定器7。測(cè)定器7產(chǎn)生通過以軟件形式實(shí)現(xiàn)的直射部分去掉部分的測(cè)定值9。從此處數(shù)字值10饋入到數(shù)字帶通濾波器11。來自這些帶通濾波器的信號(hào)12饋入求平方及求和程序13。
測(cè)定的實(shí)際功率電平(P)和(外部)所需功率電平(Q)20一樣饋入一個(gè)關(guān)聯(lián)程序15。從此處校準(zhǔn)增益因子16饋入平均裝置17。調(diào)整后的校準(zhǔn)增益因子18反饋到麥克風(fēng)輸出信號(hào)用以形成經(jīng)校準(zhǔn)后信號(hào)19。
尤其當(dāng)與用于回聲消除的自適應(yīng)濾波器相組合時(shí)，所提出的麥克風(fēng)校準(zhǔn)方法可在該系統(tǒng)現(xiàn)用的所有時(shí)間內(nèi)得到應(yīng)用。在圖5中，對(duì)校準(zhǔn)因子取平均值，而該校準(zhǔn)因子等于所需功率電平除以實(shí)際功率電平之商的平方根，以便確保相繼的校準(zhǔn)增益因子平滑地改變。該取平均可借助一個(gè)階遞歸式完成。也可以在計(jì)算所需功率電子除以實(shí)際功率電平之商的平方根之前，對(duì)實(shí)際功率14和所需功率20施加該取平均過程。
下面，說明圖5實(shí)施例的處理。本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例不僅需要麥克風(fēng)響應(yīng)6而且需要揚(yáng)聲器的激勵(lì)信號(hào)5(圖2)作為輸入。首先，利用測(cè)定裝置7中的相關(guān)方法測(cè)定從該揚(yáng)聲器到該麥克風(fēng)的a.i.r.。在直射部分去除裝置8中只選出a.i.r.的漫散部分。利用帶通濾波器11過濾掉高頻和低頻。在求平方及求和裝置13中取得過濾后系數(shù)的平方及和，這產(chǎn)生代表漫射麥克風(fēng)響應(yīng)的當(dāng)前功率的實(shí)際功率電平14。該功率電平和所需功率電平20相關(guān)聯(lián)，并且將增益因子確定為用所需功率電平除以實(shí)際功率電平之商的平方根。
圖6示出除平均裝置17和關(guān)聯(lián)程序15之外和圖5相同的配置。該配置用于為基準(zhǔn)麥克風(fēng)的參照校準(zhǔn)情況，其中所需功率電平20是利用該基準(zhǔn)麥克風(fēng)作為其基準(zhǔn)的其它麥克風(fēng)校準(zhǔn)裝置的關(guān)聯(lián)裝置15的輸入。
圖7示出如何組合圖5和6的積木式部件以用于例如圖1中的聲頻會(huì)議系統(tǒng)中的參照校準(zhǔn)。
圖8示意性地示出在計(jì)算麥克風(fēng)的漫射聲場(chǎng)響應(yīng)的功率P中取平均算法如何工作。該圖包括后面接著對(duì)輸出值的平方取和的帶通濾波器。在采樣率為9千赫時(shí)，分別在大約200赫和3.6千赫處產(chǎn)生低通和高通截止頻率(-3 dB)的適當(dāng)濾波器參數(shù)是b＝0.800，a1＝0.128和a2＝0.621。
本發(fā)明不受限于上面的各實(shí)施例，所申請(qǐng)的權(quán)利在由所附權(quán)利要求書中定義。
權(quán)利要求
1.一種用于校準(zhǔn)麥克風(fēng)的設(shè)備，包括一個(gè)揚(yáng)聲器(3)，用于把揚(yáng)聲器輸入信號(hào)(5)轉(zhuǎn)換成聲音；一個(gè)麥克風(fēng)(4)，用于把接收到的聲音轉(zhuǎn)換成麥克風(fēng)輸出信號(hào)(16)，以及校準(zhǔn)裝置，用于相對(duì)于一所需功率電平校準(zhǔn)該麥克風(fēng)的輸出功率，所述校準(zhǔn)裝置包括脈沖響應(yīng)測(cè)定裝置(7)，后者用于在該麥克風(fēng)(4)接收來自該揚(yáng)聲器(3)的聲音時(shí)，通過關(guān)聯(lián)麥克風(fēng)輸出信號(hào)(6)和揚(yáng)聲器輸入信號(hào)(5)來測(cè)定該麥克風(fēng)的聲脈沖響應(yīng)，從而測(cè)定該麥克風(fēng)(4)的輸出功率。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括直射部分提取裝置(8)，用于提取該聲脈沖響應(yīng)的直射部分。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括高通和低通濾波器裝置(11)，用于過濾低頻和高頻。
4.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括求平均及求和裝置(13)，用于產(chǎn)生麥克風(fēng)漫射響應(yīng)的當(dāng)前功率電平的表象。
5.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括關(guān)聯(lián)裝置(15)，用于關(guān)聯(lián)麥克風(fēng)漫射響應(yīng)的功率電平(14)和一所需功率電平(20)。
6.依據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中關(guān)聯(lián)裝置(15)的輸出(16)或者平均裝置(17)作為校準(zhǔn)因子(18)反饋到麥克風(fēng)輸出信號(hào)(6)。
7.依據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中該所需功率電平(20)具有用于麥克風(fēng)的絕對(duì)校準(zhǔn)的預(yù)定值。
8.依據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其包括一個(gè)基準(zhǔn)麥克風(fēng)(B)用于相對(duì)于該基準(zhǔn)麥克風(fēng)(B)對(duì)一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)(A)的相對(duì)校準(zhǔn)，其中該基準(zhǔn)麥克風(fēng)的求平方及求和裝置(13)的輸出形成用于其它麥克風(fēng)的關(guān)聯(lián)裝置(15)的輸入。
9.依據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中該高通和低通濾波器裝置組合成一個(gè)帶通濾波器(11)。
10.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中設(shè)置成對(duì)校準(zhǔn)因子(16)取平均值。
11.依據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中在計(jì)算所需功率(20)除以實(shí)際功率(14)之商的平方根之前進(jìn)行取平均。
12.一種使用依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備的校準(zhǔn)麥克風(fēng)的方法。
全文摘要
一種校準(zhǔn)麥克風(fēng)的設(shè)備和方法，包括用于把揚(yáng)聲器輸入信號(hào)(5)轉(zhuǎn)換成聲音的揚(yáng)聲器(3)，用于把接收到的聲音轉(zhuǎn)換成麥克風(fēng)輸出信號(hào)(16)的麥克風(fēng)(4)，以及用于相對(duì)于所需功率電平校準(zhǔn)該麥克風(fēng)的輸出功率的校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置包括脈沖響應(yīng)測(cè)定裝置(7)，后者用于在該麥克風(fēng)(4)接收來自該揚(yáng)聲器(3)的聲音時(shí)，通過關(guān)聯(lián)麥克風(fēng)輸出信號(hào)(6)和揚(yáng)聲器輸入信號(hào)(5)來測(cè)定該麥克風(fēng)的聲脈沖響應(yīng)，從而估測(cè)該麥克風(fēng)(4)的輸出功率。
文檔編號(hào)H04R29/00GK1419795SQ01801829
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2001年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月30日
發(fā)明者C·P·楊斯, H·J·W·貝爾特 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司