专利名称：风噪声检测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多麦克风系统和方法，用于确定第一麦克风和第二麦克风信号之间的相角差以检测是否存在风噪声。
背景技术：
风引起的噪声信号或风噪声对户外使用的诸如移动终端、助听器、耳机、录音摄影机等的各种便携电子设备的声音接收造成严重问题。风噪声在对话和录音时往往十分令人讨厌，在对话时，其可通过在听觉上掩蔽重要的语音暗示而降低预期语音信号的可理解性， 在录音时，风噪声会破坏音乐录音的保真度。风噪声由靠近便携电子设备的麦克风入口端的表面部件周围的空气湍流造成。这些表面部件将稳定风流转换成湍流压力波动，该湍流压力波动像其他的、却是需要的波动一样被麦克风拾取。对佩戴在使用者耳朵后或使用者耳道内的助听器产生风噪声的原因的调查已证明，一部分风噪声是由使用者的耳朵和头部周围的空气流产生的湍流造成的， Dillon,H. , Roe, I.,禾口 Katch, R. (1999), "Wind noise in hearing aids :Mechanisms and measurements (助听器中的风噪声机理和测量)”，澳大利亚国家听力实验室。由此可见， 通过重新设计便携电子设备的有关表面部件来防止风噪声看来不会获得良好的结果。本发明的发明人和其他人员已证明，风噪声引起的信号的频谱和电平取决于风速和便携电子设备的放置、形状和规格。但是风噪声主要集中于可听到的频谱的低频率处。 早先的报告显示风噪声频谱在300Hz以下或IOOHz以下相对较平。减少风噪声的一个现有技术办法是将屏板置于麦克风入口端之上以减少湍流，并且为录音麦克风开发了多种有效风挡(ffuttke, J. (1991), "Microphones and the wind (麦克风与风)，，，Audio Eng. Soc. Vol. 40,pp 809-817)。但是，对于多种类型的便携电子设备，风挡因为对尺寸和外观一般有严格的限制而通常不是实用的解决方案。US 2007/0047743A1公开了一种传感器/麦克风波束形成系统，包括两个间隔的麦克风。该系统应用相位增强处理，该相位增强处理可包括在波束形成处理之前对麦克风信号进行相位扩展。通过扩展波束形成系统的方向性图中的零空间区域可改进该系统的噪声辨别能力。US 4，333，170公开了一种声源检测和跟踪系统。该系统包括将一对麦克风的麦克风信号数字化并进行FFT(快速傅里叶变换算法)变换的麦克风阵列。根据特定选定的频率区的数字化麦克风信号对计算相位差，用所述相位差除以所述频率区的频率值，以确定相位差斜率。将相位差斜率相同的信号组合到一起，并归类为发源于相同声源。在一般现有技术中，检测和抑制风噪声的方法依赖于检测麦克风信号中风噪声的特定振幅特征。一旦检测到风噪声，则选择适当的信号处理策略以衰减或抑制被认为会受到风噪声信号污染的频带。但是(例如)由于风噪声信号与音乐和语音信号等预期信号的重叠频谱或临时内容的原因，对风噪声信号进行可靠检测已被证明难以实现。在多麦克风系统中，由于两个麦克风的灵敏度和频率响应不符，难以在两个或更多个麦克风信号中检测风噪声。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种多麦克风系统，包括第一麦克风，用于接收声音并提供表示该声音的第一麦克风信号，以及第二麦克风，用于接收声音并提供表示该声音的第二麦克风信号。信号处理器组件可操作性地进行连接，以接收第一和第二麦克风信号，并用于确定第一麦克风信号和第二麦克风信号之间随时间的相角差。该信号处理器组件用于根据所确定的相角差和预定判定标准检测风噪声。可将第一和第二麦克风信号组合到包括多个单独时间段的各自连续时间段内。可将第一和第二麦克风信号以模拟形式或数字形式提供给信号处理器组件。如果第一和第二麦克风信号以数字形式提供，优选地，在预定采样频率下对它们进行同步采样。预定采样频率的适当值将根据应用具体要求而不同，但可处于8kHz至48kHz之间。数字化的第一和第二麦克风信号的分辨率可根据特定应用要求而选择是12至M位之间的值。在本发明的一个实施方式中，第一和第二麦克风均包括积分A/D转换器，该积分A/D转换器被设于各自的麦克风外壳或壳体内，用于将预定采样频率下的数字化第一和第二麦克风信号传送给信号处理器组件。以数字形式提供第一和第二麦克风信号时，单独时间段优选地具有相同长度，以支持面向块的数字信号处理算法，诸如，(例如，通过FFT算法实现的)离散傅里叶变换或基于块的数字滤波器组。在不同时间下，所述单独时间段与互相邻接的单独时间段可部分重叠或在之间没有“间隙”的情况下不重叠。在本发明的另一个实施方式中，第一和第二麦克风信号由数字信号处理功能元件进行处理，例如，HR和UR滤波器组，该滤波器组包括多组相邻的带通和/或高通滤波器，用于对数字化第一和第二麦克风信号逐个样本地进行操作，以确定随时间一个或多个子频带内的各个相角差。信号处理器组件的上述信号处理功能元件优选地作为包括在可编程信号处理器 (诸如，定点或浮点数字信号处理器或对第一和第二麦克风信号的数字化形式进行操作的微处理器)上执行的各组程序命令的软件程序或调度程序来执行。此多麦克风系统除第一和第二麦克风之外还可包括一个或多个麦克风。该多麦克风系统可体现为大麦克风阵列，该大麦克风阵列包括多个单独麦克风，例如3至10个麦克风，并以预定空间关系安装在便携电子设备上。在这种麦克风阵列中，优选地，确定连续时间段下多对麦克风信号之间的各个相角差，以确定特定麦克风对是否有风噪声。整个麦克风阵列的风噪声指标可基于，例如，每对麦克风信号提供的各个风噪声检测值的平均值。根据本发明的特别优选实施方式，信号处理器组件用于确定位于预定频率范围， 例如20Hz至2kHz之间的频率范围内的一个或多个子频带中的随时间的各个相角差。通过将信号处理器组件用于根据子频带中所确定的相角差和相应的子频带判定标准来检测一个或多个子频带中每个子频带内的风噪声，可因此在一个或多个子频带中的每个子频带内对风噪声进行单独检测。在许多应用中，特别是在使用了例如3个至32个子频带之间的多个子频带的情况下，在一个或多个子频带中的每个子频带内检测风噪声是有利的。计算风噪声污染的子频带的数量，可提供风噪声信号的可靠带宽估值。在信号处理器组件上实现的噪声消除或衰减策略或算法可专注于仅处理经检测为受到风噪声污染的子频带。因此，未污染的子频带可免于受到噪声消除或衰减算法可能产生的不利声音效果。信号处理器组件可进一步用于确定多个子频带的各个相角差，并在检测风噪声之前将多个子频带的一组子频带的各个相角差进行平均。在本发明的优选实施方式中，信号处理器组件用于在检测风噪声之前将所确定的随时间的相角差进行平均。优选地，用200毫秒至4秒之间的时间常数进行平均。在第一和第二麦克风信号组合到各连续时间段内的前述实施方式中，信号处理器组件优选地用于确定随连续时间段的相角差，对于连续时间段的每个时间段，在检测标准和该时间段下确定的相角差之间进行比较，确定每个时间段下的检测结果，提供平均检测结果之前将检测结果进行平均，并将平均检测结果与预定判定标准进行比较。时间段优选具有可为4至64毫秒之间的基本相同的长度。根据本发明的另一个优选实施方式，信号处理器组件用于在检测风噪声之前过滤所确定的相角差，以消除或抑制第一和第二麦克风信号之间的恒定相角差。该实施方式可选择性地包括在检测风噪声之前用预定时间常数将过滤的相角差进行平均以生成平均相角差导数的步骤。过滤步骤可包括将所确定的相角差进行高通或带通滤波，以抑制恒定和/ 或慢变相角差。或者也可使用其他算法或滤波器，例如直流消除算法，以抑制恒定相角差。抑制或消除恒定和/或慢变相角差具有多种优点，原因在于，方向从多麦克风系统转为声源和/或第一和第二麦克风的相位响应之间的不符。第一和第二麦克风的相位响应之间的不符可具有由制造公差造成的常数分量，以及由老化效应、温度效应和湿度效应中的一个或多个造成的慢变分量。但是，由于这些恒定和/或慢变相角差与风噪声的预期检测无关，可在风噪声检测过程中将它们视为“噪声”，优选地，在确定检测结果之前进行抑制。在本发明的多个优选实施方式中，信号处理器组件用于根据表示第一和第二麦克风信号的频域或谱计算相角差。信号处理器组件可用于，例如，计算连续时间段下第一麦克风信号的第一离散傅里叶变换和连续时间段下第二麦克风信号的第二离散傅里叶变换，并根据第一和第二离散傅里叶变换的各个相角频谱确定相角差。如果出于风噪声检测之外的其他原因，信号处理器组件已对第一和第二麦克风信号应用了频域变换或算法，则本发明的这些实施方式毫无疑问为特别优选实施方式。在第二种情况下，可根据现有相位谱数据用最少的额外计算来直接计算相角差或平均相角差。第一和第二离散傅里叶变换可包括64至IOM之间的频率区，第一和第二麦克风信号中每个信号的一个或多个子频带(例如)与第一或第二离散傅里叶变换的各个频率区或频率区组对应。多麦克风系统可包括采样率转换器，该采样率转换器可操作性地互连在第一和第二数字麦克风信号与信号处理器组件之间。该采样率转换器用于将第一和第二数字麦克风信号下采样到比预定采样频率更低的采样频率——例如，将预定采样频率除以2、4、8等整数。在比预定采样频率低得多的采样率或频率下对风噪声进行检测的情况下，此实施方式十分有用。在较低采样频率下检测风噪声可大大节省给予信号处理器组件的计算资源，从而相应地减少了功率消耗。信号处理器组件可包括软件可编程微处理器，例如，可编程定点或浮点数字信号处理器，用于执行一组程序命令以提供风噪声检测算法。或者，信号处理器组件可包括专用或硬接线运算和逻辑电路系统，用于执行其中某些或所有前述风噪声检测算法或功能。在信号处理器组件的其他实施方式中，信号处理器组件作为用于特定信号处理功能的专用或硬接线运算和逻辑电路系统的混合以及用于其他信号处理功能的软件程序命令来实现。在本发明的优选实施方式中，预定判定标准包括相角差阈值，使得可通过相角差阈值与所确定的相角差、确定的平均相角差和确定的平均相角差导数中的至少一个进行比较来检测风噪声。基于阈值的检测方案仅需要较少或适度的计算量。在信号处理器组件用于确定一个或多个子频带内的各个相角差的情况下，每个子频带可包括所述子频带特定的对应判定标准，例如，子频带相角差阈值。这种情况下，例如，可根据子频带相角差阈值和子频带内确定的相角差或相角差导数之间的比较结果在每个子频带内检测风噪声。所有子频带的子频带相角差阈值可设为相同值或不同值。在其他实施方式中，在与预定判定标准进行比较之前，将多个子频带内确定的相角差进行组合和平均。信号处理器组件可用于将预定频率范围内的第一麦克风信号或第二麦克风信号的能量估值作为与风噪声检测相关的第二预定判定标准。可在第一或第二麦克风信号中的两者或两者之一的整个带宽内或前述子频带中之一内确定该能量估值。信号处理器组件优选地用该能量估值来确定任何特定时间点或特定时间段下第一和第二麦克风的麦克风信号是否包含风噪声产生的足够能量或功率。计算的能量或功率估值，例如，可与预设能量或功率阈值进行比较，以估算所述麦克风信号是否可能由风噪声产生。如果能量或功率估值对预设能量或功率阈值或类似标准相对较低，则附加判定标准可使信号处理器组件跳过根据所确定的相角差进行风噪声检测的步骤。这种低能量或功率麦克风信号可由第一或第二麦克风的电子和/或声音电路系统产生的随机自身噪声占支配地位。第一和第二麦克风信号之间的这些随机自身噪声的作用本来互不相关，可产生类似于风噪声产生的相角差的连续相角差。信号处理器组件可响应于风噪声检测而应用各种信号处理方法以提高第一和第二麦克风信号的感知质量。信号处理器，例如，通过应用具有根据风噪声信号的检测带宽设置的截止频率的自适应高通滤波器，可衰减第一和第二麦克风信号的一个或多个预定子频带。根据本发明的第二个方面，提供了诸如移动终端或便携通信装置的便携电子设备，包括根据多麦克风系统的上述实施方式中任一项所述的多麦克风系统。便携电子设备的外壳具有外表面，该外表面包括其间设有预定距离的第一和第二声音入口。该多麦克风系统的第一和第二麦克风分别与第一和第二声音入口耦接。第一和第二声音入口之间的预定距离可根据便携电子设备的外壳或壳体尺寸而大不相同。有用距离可在5mm至IOOmm之间，例如，在IOmm至30mm之间，因为这些距离范围通常用在声束形成应用中。根据本发明的第三个方面，检测风噪声的方法包括以下步骤a)_生成表示接收的声音的第一麦克风信号，b)_生成表示接收的声音的第二麦克风信号，
C)-确定第一麦克风信号的相位和第二麦克风信号的相位之间随时间的相角差，d)-根据确定的相角差和预定判定标准检测风噪声。本发明的一个优选实施方式进一步包括以下步骤e)_将第一和第二麦克风信号分别分成一个或多个子频带，f)_确定该一个或多个子频带内随时间的各个相角差。检测风噪声的方法可选择性地包括下述步骤g)至j)中的任一步骤g)_根据每个子频带中所确定的相角差和子频带判定标准来检测一个或多个子频带中每个子频带内的风噪声，h)_将第一和第二麦克风信号分别转换为预定采样频率下，例如在SkHz至96kHz 之间的采样频率下的各个数字麦克风信号，i)_在检测风噪声之前，通过(例如)高通或带通滤波器过滤确定的相角差以消除或抑制恒定相角差，j)_在检测风噪声之前将确定的随时间的相角差进行平均。根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读数据载体，包括用于使可编程信号处理器执行上述风噪声检测方法的步骤C)至d)的可执行或可编译程序命令。该计算机可读数据载体可包括磁盘或光盘、EEPROM或EPROM芯片、闪存棒或其他类型的非易失性电子存储器组件。所述计算机可读数据载体优选地包括除执行上述步骤c)_d)所需的程序命令之外的程序命令。所述附加程序命令可使可编程信号处理器执行上述检测风噪声的方法的步骤e)_j)中的任一步骤。该程序命令可以以需要进行编译的源代码的格式(例如，C++程序代码或汇编程序代码)来提供。在其他实施方式中，该程序命令包括用于各种类型的私有或市场上可买到的数字信号处理器的可执行程序代码。该程序命令可用于在可编程数字信号处理器(例如，由Analog Devices (亚德诺半导体技术公司)生产的TigerSHARC 系列或SgmaDSP 系列DSP)上执行。根据本发明的第四个方面，提供了一种信号处理产品包，包括载体，例如印刷电路板或陶瓷衬底，该载体具有用于接收第一麦克风信号的第一输入端和用于接收第二麦克风信号的第二输入端。可编程信号处理器安装在载体上，并可操作性地连接至第一和第二输入端上，用于接收第一和第二麦克风信号。包括如上所述的可执行或可编译程序命令的计算机可读数据载体还形成信号处理产品包的一部分。在一个实施方式中，计算机可读数据载体包括靠近可编程信号处理器安装在载体上的电子存储器，例如，EEPRQM或闪存芯片，在另一个实施方式中，计算机可读数据载体包括在共同的半导体衬底上与可编程信号处理器集成的电子存储器。
将结合附图对本发明的优选实施方式进行详细描述，其中图1为根据本发明第一实施方式的多麦克风系统的示意图，图2为根据本发明第二实施方式的多麦克风系统的示意图，图3为根据本发明第三实施方式的多麦克风系统的示意图，图4为根据本发明第四实施方式的多麦克风系统的示意图，
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图5a)和图5b)示出了图3所示的多麦克风系统在接收语音和风噪声组合的声音时，随时间测量的麦克风信号相角差和振幅，图6a)和图6b)示出了图3所示的多麦克风系统在接收由纯语音构成的声音时， 随时间测量的麦克风信号相角差和振幅，图7a)和图7b)示出了图1所示的多麦克风系统在接收语音和风噪声时，随时间测量的麦克风信号振幅和相角差；以及图8示出了图3所示的多麦克风系统在一组不同风速下各声压级相对于频率产生的一组测量的相对风噪声。
具体实施例方式下文将对本发明的多个优选实施方式进行描述。为了便于比较不同实施方式，附图上由相似参考号表示对应部件。图1为根据本发明第一实施方式的多麦克风系统的示意图，该多麦克风系统包括第一麦克风，Mic 1，以及由Mic 2表示的第二麦克风，该第一和第二麦克风可操作性地连接至信号处理器组件11上，以向其提供第一和第二麦克风信号。该第一和第二麦克风信号优选地以数字形式提供给信号处理器组件11，但为了简化，图中将A/D转换器省去。实际上，每个麦克风，Mic 1和Mic 2，可包括积分A/D转换器，以提供在预定采样频率下的数字麦克风信号。或者，该信号处理器组件11可包括连接的一对合适的A/D转换器或单个多路复用A/D转换器，用于以模拟形式接收第一和第二麦克风信号并使这些信号在被发送到信号处理器组件11之前被转换为数字形式。该信号处理器组件11包括分别可操作性地连接至各相角确定单元3、9上的第一 FFT功能元件2和第二 FFT功能元件8。由该相角确定单元3、9确定的第一和第二麦克风信号的各个相角通过减法功能元件4相减，从而提供由FFT功能元件2处理的麦克风输入信号的特定时间段的相角差。该时间段的长度由第一和第二 FFT功能元件其中之一的大小和所选采样频率来设定。该第一和第二 FFT功能元件可处理第一和第二麦克风信号各自的连续时间段的非重叠或部分重叠的单个时间段。在本发明的该实施方式中，在16kHz下分别对第一和第二麦克风输入信号进行采样。该第一和第二麦克风输入信号的各个时间段作为与64毫秒的时间段对应的IOM个样本的信号样本集。第一功能元件2和第二 FFT功能元件8均处理使FFT大小为IOM个区的非重叠时间段的相关信号样本集。由此，第一和第二 FFT功能元件各自的频率分辨率被定义为15. 6Hz，这意味着，第一和第二麦克风信号的各个相角在从 OHz至SkHz的范围内的间隔为15. 6Hz的等距子频带中确定。毫无疑问，第一和第二 FFT功能元件的采样频率和大小可根据特定应用及其对频率分辨率的需求而不同。在本发明的多个有用实施方式中，采样频率位于8kHz至48kHz之间。在这些实施方式中，第一和第二 FFT 功能元件各自的大小可在64个区至IOM个区之间变化。减法功能元件4的输出是IOM个频率区中的一个或多个频率区随时间的各个相角差，其中，一个区或子频带内的每个相角差对应于经FFT处理的64毫秒时间段。在本实施方式中，判定功能元件7仅在FFT区3形式的单个子频带内接收计算的相角差。FFT区3 与集中于46. 8Hz频率的子频带对应。但是，其他实施方式可自然地计算多个其他FFT区中的各个相角差，并将这些相角差单独发送给判定功能元件7。判定功能元件7将约为50度的相角差阈值作为对FFT区3的确定相角差的判定标准。该判定功能元件7在标示的端子OUT上生成二进制判定信号，该判定信号表示第一和第二麦克风输入信号中是否存在风噪声。由于在FFT区3所处的低频率处语音源和其他自然声源产生的声音确定的相角差比风噪声产生的相角差低得多，本发明人确定，可对风噪声进行可靠辨别或检测。风噪声可靠检测要求适当选择检测标准，例如，前述相角差阈值。本发明的实施方式中通过对二进制判定信号执行图1的虚线框6所示的可选平均功能，可进一步提高风噪声检测的可靠性。将参照图7a)和图7b)来说明风噪声检测的操作，该图示出了与每个第一和第二麦克风信号的约422个连续非重叠单个时间段对应的约 27秒的时间段下多麦克风系统1的减法功能元件4的输出端的相角差的各个曲线图。χ轴表示以秒为单位绘制的时间，而y轴表示以度为单位绘制的确定相角差。Fig. 7a)示出了对于包括风噪声和语音的组合或混合的信号，减法功能元件4的输出，而图7b)示出了仅语音信号的对应输出。由上述声音信号产生的第一和第二麦克风输入信号由安装在数字静物摄影机内、声音端口距离为12mm的一对全向麦克风来记录。风噪声信号记录时的风速被设置为约5m/s。以16kHz的采样频率对第一和第二麦克风输入信号进行同步采样，并且数字化的第一和第二麦克风信号导出到用于根据前述FFT分析进行信号处理和绘图的MATLAB。检查图7a)表明，由组合的风噪声和语音产生的确定相角差具有随时间有很大变化的随机特性。另一方面，图7b)示出，虽然有少数孤立性尖峰，确定的相角差的可变性和平均值仍然较低。图7a)中的风噪声和语音产生的相角差的随机特性可归因于低频率下声压波动的湍流和随机特性，这种情况下，频率为46. 8Hz左右，区3集中于该频谱内。图7b) 中仅语音产生的相角差的低得多的可变性归因于非湍流声源产生的低频率信号。这是因为，这种声源的第一和第二麦克风信号之间的相角差是由声音端口的距离和与声源的方向 (例如，前、后或侧面)确定的。在本多麦克风系统1中，根据到声源的方向，12mm的声音端口距离在46. 8Hz下应产生在约+/-0. 4度之间的相角差。除这个较小的理论相角差之外， 第一和第二麦克风的相位响应不符通常也会产生额外相角差。第一和第二麦克风之间的频率和/或相位响应不符造成的额外相角差在本风噪声检测方案涉及的不同时间段下基本为恒定。在参照图3和图4所示的本发明的实施方式的如下所述风噪声检测中，后一观察结果可带来进一步的改进。在本发明该实施方式中，发明人证明，可通过消除图7b)的相角差中的可见尖峰来提高风噪声检测的可靠性。这可通过以下方式实现通过计算ζ变换单位圆周围的最短相角差来用减法功能元件4对第一和第二麦克风信号之间的相角差进行更复杂检测。但是，显而易见的是，可在确定检测结果或直接将检测结果应用于确定的相角差并将结果进行平均之前，进行适当的平均，从而直接根据图7a)和图7b)所示的各个相角差以合理可靠的方式对风噪声进行检测。例如，将相角差阈值设为约30至50度之间的值，作为预定判定标准，并将此阈值与风噪声产生的相角差和语音产生的相角差的适当平均变型进行比较， 将引起正确辨别或检测不同声音。技术人员应理解，信号处理器组件11的上述信号处理功能可由诸如数字信号处理器或微处理器的可编程信号处理器的各组程序命令或程序调度程序来执行。可选地，上述信号处理功能可作为包括适当配置的运算和逻辑电路的固定的或不可编程的应用专用电路块来实现，或作为程序调度程序/软件与固定的应用专用电路块的混合来实现。图2为根据本发明第二实施方式的多麦克风系统20的示意图。与图1所示的上述多麦克风系统1相比，此多麦克风系统20包括可操作性地连接在信号处理器组件21内的减法功能元件M和判定功能元件27之间的附加平均功能元件26。本发明此实施方式中的功能元件和器件与本发明第一实施方式中有对应标记的功能元件和器件除非另有说明否则基本相同，因此，将不再进行必要之外的更详细说明。第一和第二麦克风信号之间的相角差由减法功能元件或单元M确定，并发送给平均功能元件沈，该平均功能元件用预定平均时间常数对相角差的快速变化进行平均或平滑。预定平均时间常数的值可根据特定应用的具体要求(诸如，麦克风声音端口距离和端子OUT上的风噪声检测信号的预期响应时间)而大不相同。在如静物摄影机的录音系统的前述应用中，该预定平均时间常数优选地被设为25毫秒至8秒之间的值，更优选地在200 毫秒至4秒之间，例如，1秒左右。平均功能元件沈用于消除第一或第二麦克风输入信号中的孤立性随机信号尖峰或信号异常，以防止判定功能元件27产生错误或无用的检测结果。 通过检查图7b)的语音的确定相角差时，显而易见的是，将(例如)平均时间常数约为1秒的平均功能元件26应用于确定的相角差，可很大程度上抑制少数孤立性相角尖峰。这些孤立性相角尖峰产生于语音信号的暂停中，其中电平非常低的随机噪声在第一和第二麦克风信号中占支配地位。通过抑制在产生的相角差内的少数孤立性相角尖峰，基于阈值的简单检测标准可将图7b)中的语音信号与即使在这些条件下的图7a)中的风噪声和语音信号进行很好辨别。通过使用与风噪声检测有关系的第一和第二麦克风信号的附加能量估值可在风噪声检测过程或算法中抑制这些孤立性相角差尖峰。图3为根据本发明第三个优选实施方式的多麦克风系统30的示意图。与关于图 2的上述多麦克风系统20相比，此多麦克风系统30包括可操作性地连接在信号处理器组件31内的减法功能元件34和平均功能元件36之间的高通滤波器35。本发明该实施方式中的功能元件和部件与本发明第二实施方式中有对应标记的功能元件和部件基本相同，因此，不再进行必要之外的更详细说明。本发明的此实施方式与前述第一和第二实施方式之间的另一个区别在于，与前述实施方式中的单个子频带，FFT区3相比，在此多麦克风系统中，第一和第二麦克风信号之间的相角差在三个不同子频带中单独确定。在此实施方式中，第一和第二麦克风信号之间的各个相角差由减法功能元件或单元34在FFT区3、4和5定义的子频带中确定。在每个子频带中确定的相角差被发送给高通功能元件35，该高通功能元件抑制或消除第一和第二麦克风信号之间的每个子频带内的恒定和慢变相角差。所示的高通功能元件35为用于获得恒定和慢变相角差的预期抑制效果的例示性选择。也可改为使用其他功能元件或滤波器，例如，直流消除或带通滤波功能元件。恒定和慢变相角差，如上所述，可能起因于声源与多麦克风系统30之间变化的方向和/或第一和第二麦克风的相位响应的不符。第一和第二麦克风的相位响应之间的不符可具有常数分量，以及老化效应、温度效应和湿度效应中的一个或多个引起的慢变分量。但是，由于这些恒定和慢变相角差与风噪声的预期检测无关，因此可将它们视为一种“噪声”，优选地，在判定单元37中确定检测结果之前可将其消除或抑制。该高通功能元件35的输出是每个子频带随时间的相角差导数。优选地，通过在平均功能元件36中将平均时间常数设在200毫秒至4秒之间，将每个子频带的相角差导数在单个时间段下进行平均或平滑。随后，将每个子频带的平均相角差导数发送给判定单元37， 该判定单元将预定检测标准应用于每个子频带的平均相角差导数，以确定每个子频带内的第一和第二麦克风输入信号是否被风噪声污染。本多麦克风风噪声检测系统30的操作和实验结果将参照图5和图6进一步说明。 图5和图6示出了数字静物摄影机对前述(见图1相关说明)风噪声和语音信号与仅语音信号进行记录的大约27秒的时间段下多麦克风系统30的平均功能元件36的输出端的相角差导数的各个曲线图。上侧曲线图，图5a)示出了确定的相角导数，作为与FFT区3、4和 5对应的三个不同标示子频带的时间函数。这些FFT区分别与中心在约47Hz、62Hz和78Hz 频率的子频带对应。每个子频带的平均时间常数在平均功能元件36中被设为2秒。下侧曲线图，图5b)示出了每个第一和第二麦克风输入信号随时间测量的信号振幅。这些信号振幅非常相似，使曲线图重叠，并难以从视觉上区分。图6a)和图6b)中的上侧和下侧曲线图对应于图5a)和图恥)的上侧和下侧曲线图，但此时对于语音信号，其振幅与图5中的语音信号相同。图5a)和图6a)的比较证明两种信号的所有三个子频带中确定的相角差导数之间的显著不同。组合或复合的风噪声和语音信号确定的相角差导数限于60至100度之间的范围内，所有三个子频带区3、4和5没有向上或向下凸出的信号尖峰。另一方面，仅语音的相角差导数限于5至15度之间的范围内， 所有三个子频带没有向上或向下凸出的信号尖峰。显而易见的是，通过采用基于阈值的简单检测标准，例如，通过将相角差阈值设为20至55度之间的值，可在每个子频带中检测是否存在风噪声。该范围内的固定相角差阈值可在每个子频带中对图6a和图6b)的仅语音信号与图5a)和图恥)的风噪声污染的语音信号进行很好辨别。基于子频带的风噪声检测在多种应用中都是有利的，因为，可通过选择和处理适当数量的子频带而以可靠方式对风噪声信号的带宽进行估计。这与仅能检测到第一和第二麦克风信号的整个带宽中是否存在风噪声的情况相反。一旦风噪声信号的带宽已知，信号处理器组件可用于以选频方式仅对被检测为或标记为受到风噪声破坏的麦克风信号的那些子频带执行噪声消除或衰减算法。图4为根据本发明第四实施方式的多麦克风系统40的示意图。与图3所示的上述多麦克风系统30相比，该减法功能元件44被移动到FFT功能元件42之前的位置，以提供直接表示第一和第二麦克风信号之间的振幅和相角差的麦克风差信号。该减法功能元件44 可用于操作模拟或数字化麦克风信号，并提供任何域或这些域中的振幅和相角差。如果该减法功能元件44在模拟域中操作，则可在减法功能元件44和FFT功能元件42之间设置适当的A/D转换器。本发明该实施方式与第三实施方式相比的一个优点在于，仅要求使用单个FFT功能元件42，可选择性地使用单个A/D转换器，以计算判定功能元件47所需的相角差或相角差导数。这可节省信号处理器组件41的计算资源、功率消耗和/或硬件支出。由此直接根据单个FFT功能元件42的相位谱相应确定一个或多个FFT区内的第一和第二麦克风信号之间的相角差，该单个FFT功能元件将麦克风差信号的单个时间段转换为频域。图8显示了对于安装在如之前关于图3描述的数字静物摄影机内的多麦克风系统 30(见图幻测量的各相对声压级与频率的比较。通过FFT分析直接在第一和第二麦克风的输出端测量这些声压级。每个相对声压级相对于频率的曲线图对应于所示的特定风速。从 0. 5m/s增加到5. Om/s增加的风速由箭头81的方向所示。显而易见，尽管对于描绘的所有风速，风噪声信号集中于低频率，但其具有与从约200Hz至SkHz的频率中延伸的人语音范围明显重叠的相对较宽的频谱。这种重叠会导致降低麦克风系统接收的语音和音乐信号的可识度和保真度。
权利要求
1.一种多麦克风系统，包括第一麦克风，用于接收声音，并提供表示所述声音的第一麦克风信号， 第二麦克风，用于接收声音，并提供表示所述声音的第二麦克风信号， 信号处理器组件，可操作性地进行连接，用于接收所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号，所述信号处理器组件用于确定所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号之间随时间的相角差， 根据所确定的相角差和预定判定标准检测风噪声。
2.根据权利要求1所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件用于确定位于 20Hz至2000Hz之间的频率范围内的一个或多个子频带中随时间的各个相角差。
3.根据权利要求2所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件进一步用于 根据所述子频带中所确定的相角差和相应的子频带判定标准来检测所述一个或多个子频带中每个子频带内的风噪声。
4.根据权利要求2所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件进一步用于 确定多个子频带的各个相角差，在检测风噪声之前将所述多个子频带的一组子频带的各个相角差进行平均。
5.根据权利要求1所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件进一步用于 在检测风噪声之前将所确定的随时间的相角差进行平均。
6.根据权利要求1所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件用于 确定连续时间段下的相角差，对于所述连续时间段的每个时间段，将检测标准和该时间段下确定的相角差进行比较，确定每个时间段的检测结果，提供平均检测结果之前将所述检测结果随时间进行平均，并将平均检测结果与所述预定判定标准进行比较。
7.根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件用于 检测风噪声之前过滤所确定的相角差，以消除或抑制恒定相角差。
8.根据权利要求7所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件进一步用于 在检测风噪声之前用预定时间常数将过滤的相角差进行平均，以生成平均相角差导数。
9.根据权利要求6至8任一项所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件进一步用于 计算连续时间段下第一麦克风信号的第一离散傅里叶变换和连续时间段下第二麦克风信号的第二离散傅里叶变换，根据所述第一离散傅里叶变换和所述第二离散傅里叶变换的各个相角频谱确定所述相角差。
10.根据权利要求9所述的多麦克风系统，其中，所述第一离散傅里叶变换和所述第二离散傅里叶变换分别包括64个和IOM个之间的频率区。
11.根据权利要求2和10所述的多麦克风系统，其中，所述一个或多个子频带对应于所述第一离散傅里叶变换或所述第二离散傅里叶变换的各个频率区。
12.根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述第一麦克风和所述第二麦克风用于分别为信号处理器组件提供作为预定采样频率下的各个数字麦克风信号的所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号。
13.根据权利要求1至11任一项所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件包括第一和第二 A/D转换器，所述A/D转换器用于将所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号分别转换为预定采样频率下的各个数字麦克风信号。
14.根据权利要求12至13任一项所述的多麦克风系统，其中，所述预定采样频率位于 8kHz 至 48kHz 之间。
15.根据权利要求12至14任一项所述的多麦克风系统，包括采样率转换器，可操作性地在所述第一数字麦克风信号和所述第二数字麦克风信号与信号处理器组件之间互连，所述采样率转换器用于将所述第一数字麦克风信号和所述第二数字麦克风信号下采样到比预定采样频率更低的采样频率。
16.根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件包括诸如定点或浮点数字信号处理器的软件可编程微处理器。
17.根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述预定判定标准包括相角差阈值，所述信号处理器组件用于将至少一个所确定的相角差和所述平均相角差导数与所述相角差阈值进行比较从而检测风噪声。
18.根据权利要求3至16任一项所述的多麦克风系统，其中，每个所述子频带判定标准包括子频带相角差阈值，根据所述子频带相角差阈值与子频带的所确定的相角差或所述平均相角差导数之间的比较结果，在一个或多个子频带中的每个子频带内检测风噪声。
19.根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件用于根据预定频率范围内的所述第一麦克风信号或所述第二麦克风信号的能量估值应用第二预定判定标准。
20.根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述信号处理器组件进一步用于响应于风噪声的检测，将所述第一麦克风信号的一个或多个预定子频带进行衰减，或将所述第二麦克风信号的一个或多个预定子频带进行衰减。
21.一种便携电子设备，包括外壳，具有外表面，包括其间设有预定距离的第一声音入口和第二声音入口。根据前述权利要求任一项所述的多麦克风系统，其中，所述第一麦克风和所述第二麦克风分别与所述第一声音入口和所述第二声音入口耦接。
22.—种检测风噪声的方法，包括以下步骤a)生成表示接收的声音的第一麦克风信号，b)生成表示接收的声音的第二麦克风信号，c)确定所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号之间随时间的相角差，d)根据确定的相角差和预定判定标准来检测风噪声。
23.根据权利要求22所述的检测风噪声的方法，进一步包括以下步骤e)将所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号分别分成一个或多个子频带，f)确定所述一个或多个子频带内随时间的各个相角差。
24.根据权利要求23所述的检测风噪声的方法，进一步包括以下步骤g)根据所述子频带中所确定的相角差和相应的子频带判定标准来检测一个或多个子频带中每个子频带内的风噪声。
25.根据权利要求22至M任一项所述的检测风噪声的方法，进一步包括以下步骤h)将所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号分别转换为预定采样频率下的各个数字麦克风信号。
26.根据权利要求22至25任一项所述的检测风噪声的方法，进一步包括以下步骤i)在检测所述风噪声之前，过滤所确定的相角差以消除或抑制恒定相角差。
27.根据权利要求22至沈任一项所述的检测风噪声的方法，进一步包括以下步骤 j)在检测所述风噪声之前将确定的随时间的相角差进行平均。
28.一种计算机可读数据载体，包括用于使可编程信号处理器执行权利要求22的步骤 c)至d)的可执行或可编译程序命令。
29.根据权利要求观所述的计算机可读数据载体，包括用于使可编程信号处理器进行以下任一步骤的附加程序命令权利要求23的步骤e)至f)， 权利要求M的步骤g)， 权利要求25的步骤h)， 权利要求26的步骤i)， 权利要求27的步骤j)。
30.一种信号处理产品包，包括载体，例如印刷电路板或陶瓷衬底，包括 第一输入端，用于接收第一麦克风信号第二输入端，用于接收第二麦克风信号可编程信号处理器，安装在所述载体上，并可操作性地连接至所述第一输入端和所述第二输入端，用于接收所述第一麦克风信号和所述第二麦克风信号； 根据权利要求28或四所述的计算机可读数据载体。
全文摘要
本发明涉及一种多麦克风系统和方法，用于确定第一麦克风信号和第二麦克风信号之间的相角差，以检测是否存在风噪声。
文档编号H04R3/00GK102239705SQ200980148680
公开日2011年11月9日 申请日期2009年11月30日 优先权日2008年12月5日
发明者基姆·施佩茨勒·彼得森, 托马斯·克罗格·斯托尔茨 申请人:音频专用集成电路公司