专利名称：声反馈抑制的制作方法
技术领域：
本发明涉及声反馈抑制。更具体而言，本发明涉及适合用在声音放大系统中的用于声反馈抑制的设备。
声音可以从扬声器反馈到麦克风，导致所谓的“啸鸣”，这是声音放大系统中众所周知的一个问题由于这样的反馈，特定频率的声音不合需要地被系统放大，产生啸鸣效应。人们已经做出了各种尝试以解决这个问题。提出的一些解决方案中包括一个可以对扬声器和麦克风之间空气路径的声传播特性进行建模并进行模拟的滤波器。该滤波器用来产生一个补偿信号，该补偿信号要从麦克风信号中减去。最后产生的剩余信号理论上不受干扰反馈效应的影响。
由于滤波器模拟的空气路径特性可随时间而变化，比如由于温度的变化或者物体或人的移动而变化，该滤波器典型地是一个自适应滤波器，其滤波器系数被周期性或连续性地调整，也就是，适应变化的环境。为此，声反馈补偿电路通常包括用于调整自适应滤波器系数的调整单元。这样的调整单元可被安排来确定以上提到的上述剩余信号和输出信号之间的相关性，并调整滤波器系数使得所述相关性减至最小。滤波器系数的适配速度通常取决于反馈到调整单元的信号级。
但是，当输出信号与剩余信号固有相关的时候，例如当输出信号是通过将剩余信号放大而得到的时候，调整单元会引入误差。因为这个原因，提出了去除剩余信号和输出信号之间的相关性，例如通过使输入信号的频率移位。美国专利US 5,748,751公开了这种方法的一个例子。尽管此频率移位的方法非常有效，但是它不能用于所有的应用之中，因为频率移位是可以听得出来的，因而声音放大系统的用户可能不接受。
此外还提出了注入与输入信号不相关的噪声信号，并利用剩余信号和注入的噪声信号调整滤波器系数。欧洲专利申请EP 0 415 677公开了此方法的一个例子，用于助听器中补偿声反馈的特殊目的。所述噪声在助听器的整个频率范围内具有基本上平坦的等级。可替换地，噪声级可以以输入信号级为函数而变化，使信噪比或多或少保持为一个常数。为此，噪声信号被乘以一个取决于剩余信号级的值。
尽管这种注入噪声的方法可能是行之有效的，然而它在提供合理的滤波器系数适配速度上具有缺陷，其噪声级必须要相对比较高。这在助听器领域中可能并不成为问题，在该领域中可以接受一些听得到的噪声，因为可理解性比声音质量更为重要，并且在该领域中由于通常的用户具有很窄的有效频率范围，其感知到的噪声级可能依然是非常低的。但是，在相对很宽的频率范围内放大演讲或者音乐的声音放大系统中，尤其当用在宽大的房间和回廊的时候，高噪声级无疑是不期望的。此外，用在诸如扩音系统之类的声音放大系统中的自适应滤波器的滤波器长度可为助听器滤波器长度的10到30倍，因而在相应的注入噪声级其适配速度低得多。
仅仅降低噪声级并非一个可行的解决方案，因为在低噪声级，自适应滤波器系数的适配速度相对很低，这会在声音信号中产生不期望的瞬变，如果在适配过程中声路发生变化，甚至会产生啸鸣。
本发明的一个目的是克服现有技术的这些以及其他问题，并提供一种允许在相对较低的噪声级具有相对较高的适配速度的声反馈补偿设备。
本发明的另一个目的是提供一个利用这样的声反馈补偿设备的声系统。
因此，本发明提供了一种用于声反馈补偿的设备，该设备包括-自适应滤波器，用以提供声反馈补偿信号，-第一组合单元，用以组合声反馈补偿信号和输入信号，以产生剩余信号，-噪声单元，用以产生噪声信号，-调整单元，用以调整自适应滤波器的系数，以及-第二组合单元，用以组合剩余信号和噪声信号，以形成输出信号，其中，噪声单元被安排用以提供频谱由剩余信号控制的噪声信号。
通过提供频谱由剩余信号控制的噪声信号，有可能获得感知的噪声级和滤波器适配速度之间的更好的折衷。特别是，相比于利用不变频谱的噪声信号，可获得更高的滤波器适配速度。此外，适配到剩余信号的噪声允许更好地遮蔽注入的噪声信号。
注意到，在本发明中，不光噪声信号的幅度，还有其频谱的形状都可由剩余信号控制。因此，剩余信号可被称为塑造了噪声频谱形状，以获得最优遮蔽。
在现有技术排布中，噪声级低于剩余信号级，以获得噪声的很好遮蔽，并因而防止听到噪声。当利用恒定噪声级时，这就要求噪声级显著低于剩余信号级。然而，在本发明中，噪声级由剩余信号控制，上述要求不再适用于所有频率，并且在一些频率处噪声级可以超出剩余信号级。由于自适应滤波器的任何误适配都正比于(剩余)信号(注入)噪声比和滤波器的适配速度，上述方法是非常有利的。因此，恒定适配速度时相对较高的噪声级将会产生滤波器最小的误适配，并因而产生高质量声音。可替换地，可使适配速度正比于(剩余)信号(注入)噪声比，使自适应滤波器的误适配保持为常数。于是，相对高的噪声级产生更高的适配速度。
在一个优选实施方案中，配置噪声单元以根据听觉遮蔽模型提供噪声信号。也就是，在有期望信号存在的情况下，基于人类噪声感知的模型被用来控制噪声信号的频谱。用来最小化噪声感知的同时最大化噪声级的这种听觉遮蔽模型可顾名思义的由其本身得知。一些听觉遮蔽模型允许噪声级在一些频率超过剩余信号级。
因此，在一个优选实施方案中，配置噪声单元以在剩余信号幅度相对较大的频率提供幅度小于剩余信号的噪声信号，并在剩余信号幅度相对较小的的频率提供幅度大于剩余信号的噪声信号。换句话说，配置噪声单元以在剩余信号处于峰值时产生幅度小于剩余信号的噪声信号，并在剩余信号处于波谷时产生幅度大于剩余信号的噪声信号。于是，噪声信号至少在一部分频率处大于剩余信号，因而允许自适应滤波器的快速适配。
已经发现，噪声信号不必在所有频率下幅度都小于剩余信号。通过确保噪声级在剩余信号级相对较高的那些频率下小于剩余信号级，就可以实现噪声信号的充分遮蔽。结果，噪声信号就是听不到的，即使是在其幅度超过剩余信号幅度的频率下也是。
在一个有利的实施方案中，噪声单元包括一个随机相位单元，以产生随机相位。通过提供随机相位，确保了噪声信号不与任何其他信号相关，特别是与剩余信号不相关。
如果噪声单元包括一个用于产生剩余信号的频谱的频谱单元，一个用于确定频谱的幅度的幅度单元，一个用于确定遮蔽噪声相对频谱幅度的幅度的噪声幅度单元，以及一个用于根据遮蔽的噪声幅度和随机相位重构遮蔽噪声信号的重构单元，那就更为有利。在此实施方案中，噪声信号是基于剩余信号的，但是由于随机相位而被去相关，并被调整幅度以提供合适的遮蔽。注意到噪声幅度单元确定一个幅度，此幅度取决于频率，并尤其取决于特定频率或特定频段内剩余信号的幅度。
有利地，调整单元被耦合到第一组合单元和噪声单元，以便根据剩余信号和噪声信号调整自适应滤波器的系数。更为有利地，为自适应滤波器的恒定误适配而配置调整单元，使得自适应滤波器在所有频率下的适配速度反比于(剩余)信号(注入)噪声比。优选的，选择此误适配为相对较小，以便只引起声音质量的轻微下降。
如果本发明的设备还包括一个放大单元，它可被用作声音放大设备。
本发明还提供一个声音放大系统，包括至少一个麦克风，至少一个扬声器以及一个上面定义的设备。
另外，本发明提供一种声反馈补偿的方法，该方法包括以下步骤-将输入信号与声反馈补偿信号组合，以产生剩余信号，-产生噪声信号，-将剩余信号与噪声信号组合，以形成输出信号，以及-自适应过滤输出信号，以提供声反馈补偿信号，其中，噪声信号具有由剩余信号控制的频谱。
优选的，噪声信号在剩余信号幅度相对较大的频率具有小于剩余信号的幅度，在剩余信号幅度相对较小的频率具有大于剩余信号的幅度。
本发明还提供一种计算机程序产品以实现上面定义的方法。
参照附图中图示的示范性实施方案，下面将进一步解释说明本发明，其中
图1示意性示出根据现有技术用于声反馈补偿的第一设备。
图2示意性示出根据现有技术用于声反馈补偿的第二设备。
图3示意性示出根据本发明用于声反馈补偿的设备的第一实施方案。
图4示意性示出根据本发明的噪声遮蔽。
图5示意性示出根据本发明的噪声单元。
图6示意性示出根据本发明用于声反馈补偿的设备的第二实施方案。
图1示意性示出的现有技术设备1’包括信号组合单元3，自适应滤波器4，调整单元5和去相关器6。设备1’被耦合到产生输入信号z(n)的麦克风2和再现设备1’的输出信号x(n)的扬声器9。自适应滤波器4产生声反馈补偿信号y(n)，该信号在组合(加法器)电路3中从输入信号z(n)中被减去，导致产生剩余信号r(n)。去相关器6将剩余信号r(n)去相关，并产生输出信号x(n)，该输出信号被(可选的)放大器11放大。应注意到，为了清楚起见，任何A/D(模/数)和D/A(数/模)转换器都没有在图1中示出。
调整单元5根据剩余信号r(n)和输出信号x(n)调整自适应滤波器4的系数。典型的，调整单元5是一个确定剩余信号r(n)和输出信号x(n)之间的任何(残余)相关性的相关器。调整单元5调整自适应滤波器系数的方式是使r(n)和x(n)之间的相关最小化，理想的，使其消失。
没有去相关器6，输出信号x(n)会基本上等于剩余信号r(n)，结果自适应滤波器4将会试图去除剩余信号，这将会导致信号的失真。尽管可以存在其他电路元件，比如放大器，结果使x(n)不等于r(n)，但是信号x(n)和r(n)将仍然高度相关，输入信号z(n)将基本上被自适应滤波器去除。
典型的去相关器涉及频率移位。尽管频率移位在将信号去相关时非常有效，但是它的效果通常是听得到的，尤其在音乐信号中。因此，频率移位去相关器并不是普遍适用的。
图2的现有技术设备1”采用了一种替代性解决方案，其中采用噪声发生器8’取代图1的去相关器6。这种用于助听器的已知声反馈补偿设备1”在欧洲专利申请EP0 415 677中被详细描述，它进一步包括一个限制器13用以限制剩余信号r(n)的幅度。噪声发生器8’的输出信号被馈入到调整单元5，剩余信号也是如此，以调整自适应滤波器4的系数。由噪声发生器8’产生的噪声信号m(n)在第二组合单元7中被添加到输出信号x(n)，从而有助于生成过滤信号y(n)。
在图2的设备中，输出信号x(n)中的噪声级由乘法单元12控制，该乘法单元12控制添加到(幅度受限的)剩余信号的噪声信号级。注入噪声的等级被控制以作为剩余信号级的函数而改变，保持(剩余)信号噪声比基本恒定。
然而，恒定的信噪比意味着当信号级低的时候，噪声级就低，导致自适应滤波器4的适配速度很低。本发明就此问题提供一种解决方案。
图3中仅以非限定实施例方式示出的本发明的设备1同样包括第一组合单元3，自适应滤波器4，调整单元5，第二组合单元7，噪声(发生器)单元8以及(可选的)放大器11。可以是相关器的调整单元5接收剩余信号r(n)和噪声信号rN(n)以产生合适的滤波器调整信号用以调整自适应滤波器4的系数。噪声发生器8产生的噪声信号rN(n)在第二组合单元7被“注入”到输出信号x(n)，同时被馈送到调整单元5。与图2的设备不同，图3的噪声单元8根据剩余信号r(n)产生噪声。这将参照图4进一步解释。
在图4的例子中，以dB(分贝)为单位的声压级SPL作为以Hz(赫兹)为单位的频率f的函数被示出。声压级与频谱(的绝对值)相一致，在一定频率下表明声音等级(幅度)。实线图S代表剩余信号r(n)的频谱，虚线RN表明图3的噪声单元8产生的(注入)噪声信号rN(n)的频谱。
在图4的例子中，频谱S具有两个波峰和一个波谷。第一个波峰在频率f1处，波谷在频率f2处。噪声频谱RN随频率改变，也具有波峰和波谷。在频率f1处，RN的等级比S的等级低D1dB，以在这个频率下提供足够的噪声遮蔽。但是，在频率D2处，RN的等级比S的等级高D2dB。也就是，在图形的波谷处噪声级超过信号级。已经发现，这依然提供噪声信号的足够遮蔽，同时在这些频率下允许滤波器系数的快速适配。
注意到频谱RN的大小的确定可利用描述的公知的遮蔽模型来实现，例如，2000年IEEE学报，88卷，451-513页T.Painter和A.Spanias的论文“Perceptual coding of digital audio”。这样的遮蔽模型已被用于音频编码应用，但还没有用于声反馈抑制。
噪声单元8安排用来反复确定噪声信号rN(n)，例如每10或20毫秒，尽管也可采用更大和更小的时间间隔，例如，每5，50或100毫秒。注意到每次确定噪声信号rN(n)及其频谱RN时，噪声信号与剩余信号的比值对于任一个频率通常都是不同的。因此，在任何频率下，例如频率f2(图4)，噪声级会在某一时刻大于剩余信号级，而在另一时刻小于剩余信号级。如此，在任一频率下，滤波器系数的适配在一些时刻采用相对高的噪声级来实现，导致快速而有效的适配调整。
图5更详细的图示了噪声单元8的一个示范性实施方案。在示出的实施方案中，噪声单元8包括用于产生剩余信号r(n)的频谱的频谱单元81，用于确定该频谱的幅度的幅度单元82，用于确定遮蔽噪声相对于频谱幅度的幅度的噪声幅度单元83，用于产生随机相位的随机相位单元84，以及用于根据遮蔽的噪声的幅度和随机相位重构遮蔽噪声信号的重构单元85。
如上所述，随机相位有效地去除剩余信号r(n)和噪声信号rN(n)的相关性。噪声幅度单元83确定不同频率下噪声信号rN(n)的幅度或等级，例如图4的图示。噪声幅度单元83有利地利用上面讨论的听觉遮蔽模型将噪声的频谱适配至剩余信号的频谱，以使所有频率下噪声级最大化，同时又将感知到的噪声级最小化或消除。
图6示出本发明的设备1的一个替代性实施方案，图中显示该设备另外包括一个动态回声抑制器14。当声路的改变导致自适应滤波器产生的声反馈补偿信号包含相位误差时，这样的动态回声抑制器就会暂时降低剩余信号的幅度。
动态回声抑制器14接收声反馈补偿信号y(n)，剩余信号r(n)和输入信号z(n)，以产生回声补偿的剩余信号r’(n)。该动态回声抑制器14修改输入信号的频率分量的幅度而不改变其相位(排除单纯的延迟)。此项功能的实现是通过如下操作来实现的确定声反馈补偿信号y(n)，输入信号z(n)和剩余信号r(n)的频谱(傅立叶变换)以获得变换的信号Y，Z和R，确定变换信号Y，Z和R的幅度和R的相位，利用Y，Z和R的幅度获得组合的变换信号R”，利用组合变换信号R”的幅度和R的相位重构时间信号r’(n)。这种类型的动态回声抑制器在美国专利申请US 2003/0026437中进行了描述，其全部内容在此通过引用被引入本文件。
注意到在以上的讨论中，已经假设所有信号是在特定的离散时间点(n)具有特定值的数字信号。但是，本发明并非如此狭窄，也可以构想出模拟信号的实施方案。类似的，本发明已经参照耦合到单个麦克风和单个扬声器上的设备进行了解释说明，但是发明也可以应用于多麦克风和/或扬声器或等同的转换器。本发明尤其适用于，但不局限于，扩音系统，会议系统以及车内通信系统。
本发明是基于这样一种理解，那就是具有由剩余信号控制的频谱的注入噪声信号可被用在包括自适应滤波器的设备中，以获得滤波器系数的快速适配，同时避免听到任何噪声。本发明得益于更进一步的理解，即听觉遮蔽模型可有利地被用于确定自适应滤波器设备中的注入噪声，结果，遮蔽的噪声级在遮蔽信号相对较低的特定频率下可以超过遮蔽信号级，只要遮蔽噪声级在其他频率下低于遮蔽信号级。
注意到本文件中用到的任何术语不应该被解释为限制本发明的范围。尤其是，词语“包括”并不旨在排除任何没有具体提到的元件。单个(电路)元件可由多个(电路)元件或其等同物替代。
在一系列装载步骤以将命令装载到处理器之后，使得通用或专用处理器能够执行任何本发明的特征功能的命令集的物理实现，例如制造产品，应该在计算机程序产品下进行理解。特别是，计算机程序产品可在诸如磁盘或其他插件元件的载体上被实现为程序编码，从该程序编码推导出的处理器适应码，或此程序编码的任何中间转译，可存在于存储器，临时存在于有线或无线的网络连接上，或纸上的程序代码。排除程序编码，该程序要求的发明特征数据也可以作为计算机程序产品被实施。
本领域普通技术人员可以理解的是，本发明并不限于以上阐明的实施方案，在不偏离所附权利要求所定义的本发明的范围的情况，可做出许多变体和添加。
权利要求
1.一种用于声反馈补偿的设备(1)，该设备包括-自适应滤波器(4)，用于提供声反馈补偿信号，-第一组合单元(3)，用于将声反馈补偿信号和输入信号组合，以产生剩余信号，-噪声单元(8)，用于产生噪声信号，-调整单元(5)，用于调整自适应滤波器的系数，以及-第二组合单元(7)，用于将剩余信号和噪声信号组合，以形成输出信号，其中噪声单元(8)被安排用来提供具有受剩余信号控制的频谱(RN)的噪声信号。
2.如权利要求1的设备，其特征在于，噪声单元(8)被安排用来根据听觉遮蔽模型提供噪声信号。
3.如权利要求1或2的设备，其特征在于，噪声单元(8)被安排用来提供这样一个噪声信号，该噪声信号在剩余信号幅度相对较大的频率下具有小于剩余信号的幅度，至少在剩余信号幅度相对较小的一些频率下具有大于剩余信号的幅度。
4.如权利要求1，2或3的设备，其特征在于，噪声单元(8)被安排用来将噪声信号的频谱反复适配至剩余信号。
5.如权利要求4的设备，其特征在于，噪声单元(8)被安排用来以小于100毫秒的间隔适配噪声信号的频谱，优选的，所述间隔小于30毫秒，更优选的，约15毫秒。
6.如任何前述权利要求的设备，其特征在于，噪声单元(8)包括随机相位单元(84)，用于产生随机相位。
7.如权利要求6的设备，其特征在于，噪声遮蔽单元(8)包括用于产生剩余信号的频谱的频谱单元(81)，用于确定该频谱的幅度的幅度单元(82)，用于确定遮蔽噪声相对于该频谱幅度的幅度的噪声幅度单元(83)，以及用于根据遮蔽信号幅度和随机相位重构遮蔽噪声信号的重构单元(85)。
8.如任何前述权利要求的设备，其特征在于，调整单元(5)被耦合到第一组合单元(3)和噪声单元(8)，以根据剩余信号和噪声信号调整自适应滤波器的系数。
9.如权利要求8的设备，其特征在于，调整单元(5)被安排用于自适应滤波器的恒定误适配以实现高适配速度。
10.如任何前述权利要求的设备，还包括放大单元(11)。
11.如任何前述权利要求的设备，其特征在于，还包括动态回声抑制器(14)，被安排用来抑制剩余信号中的回声。
12.如权利要求11的设备，其特征在于，动态回声抑制器(14)被安排用来接收声反馈补偿信号，输入信号和剩余信号，以产生回声抑制的剩余信号。
13.一种用于声音放大的系统，包括至少一个麦克风(2)，至少一个扬声器(9)和根据权利要求1-12中任何一个权利要求的设备(1)。
14.一种声反馈补偿方法，该方法包括以下步骤-将输入信号与声反馈补偿信号组合，以产生剩余信号，-产生噪声信号，-将剩余信号与噪声信号组合，以形成输出信号，-自适应过滤输出信号，以提供声反馈补偿信号，其中，噪声信号具有由剩余信号控制的频谱。
15.如权利要求14的方法，其特征在于，噪声信号根据听觉遮蔽模型提供。
16.如权利要求14或15的方法，其特征在于，噪声信号在剩余信号幅度相对较大的频率下具有小于剩余信号的幅度，至少在剩余信号幅度相对较小的一些频率下具有大于剩余信号的幅度。
17.如权利要求14，15或16的方法，其特征在于，噪声信号的频谱被反复适配至剩余信号。
18.如权利要求14-17中任一权利要求的方法，其特征在于，噪声信号的频谱以小于100毫秒的间隔被适配，优选的，所述间隔小于30毫秒，更优选的，约15毫秒。
19.如权利要求14-18中任一权利要求的方法，其特征在于，噪声信号具有随机相位。
20.一种计算机程序产品，用于执行根据权利要求14-19中任一权利要求的方法。
全文摘要
一种用于声反馈补偿的设备(1)包括一个自适应滤波器(4)、用于调整自适应滤波器系数的调整单元(5)、用于从输入信号中减掉自适应滤波器信号以产生剩余信号的组合单元(3)和产生噪声信号的噪声单元(8)。该噪声单元(8)被安排用来根据剩余信号产生遮蔽噪声，噪声信号具有由剩余信号控制的频谱。听觉遮蔽模型可被用来塑造噪声谱。该噪声信号在剩余信号幅度相对较大的频率处具有比剩余信号更小的幅度，在剩余信号具有相对较小振幅的频率处具有比剩余信号更大的振幅。
文档编号H04R25/00GK1918942SQ200580004573
公开日2007年2月21日 申请日期2005年1月28日 优先权日2004年2月11日
发明者C·P·詹塞, C·C·张 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司