确定自适应音频处理算法中的参数的方法及音频处理系统技术方案

本发明专利技术公开了确定自适应音频处理算法中的参数的方法及音频处理系统。本发明专利技术的目标在于提供多传声器音频处理系统中的反馈估计的备选方案。该问题通过估计开环传递函数OLTF的反馈部分并分开为瞬变部分和稳态部分解决，这可用于在希望的系统性质如OLTF的反馈部分的稳态值或收敛速度已给出时通过调节算法的系统参数如步长而控制自适应反馈抵消算法的适应速度。该方法可用于不同的自适应算法如LMS、NLMS、RLS等。本发明专利技术可用在助听器、头戴式耳机、免提电话系统、远程会议系统、广播系统中。

【技术实现步骤摘要】
确定自适应音频处理算法中的参数的方法及音频处理系统
本专利技术涉及音频处理领域，如展现从扬声器到传声器的声或机械反馈的音频处理系统中的声反馈抵消，前述反馈如广播系统或听音装置如助听器中经历的反馈。一方面，在音频处理系统中提供稳定裕度的实时预测。另一方面，为获得所希望的性质而控制自适应反馈抵消算法的参数。本专利技术概念通常可用于确定自适应算法的参数，如与其适应速度有关的参数。本专利技术尤其涉及确定自适应算法的系统参数的方法，如自适应反馈抵消算法中的步长或自适应波束形成器滤波器算法的一个或多个系数，及涉及音频处理系统。同样，自适应算法的其它参数也可使用本专利技术概念确定。同样，不同于抵消反馈的算法也可从本专利技术的原理受益，如自适应定向算法。本申请还涉及包括处理器和程序代码的数据处理系统，前述程序代码用于使处理器执行方法的至少部分步骤，及涉及保存程序代码的计算机可读介质。例如，本专利技术可用在如助听器、头戴式耳机、免提电话系统、远程会议系统、播音系统等应用中。
技术介绍
下述现有技术涉及本专利技术的应用领域之一，即助听器。由于对传声器拾取的信号进行放大的音频系统的输出扬声器信号部分通过空气或其它媒介经声耦合返回到扬声器，所以出现声反馈。之后，扬声器信号返回到传声器的部分在其重新出现在扬声器处之前由系统再放大，且再次返回到扬声器。随着该循环继续，当系统变得不稳定时，声反馈效应变得听得见，如人为信号甚或更糟的啸声。该问题通常在传声器和扬声器接近地放在一起时出现，例如在助听器中出现。具有反馈问题的一些其它典型情形为电话、广播系统、头戴式耳机、音频会议系统等。具有反馈环路的系统的稳定性可根据尼奎斯特（Nyquist）准则通过开环传递函数（OLTF）确定。当OLTF的幅度高于1（0dB）及相位是360°(2π)的多倍时，系统变得不稳定。迄今广泛使用且可能最好的、用于减少该反馈问题的影响的方案包括借助于自适应滤波器识别声反馈耦合（[Haykin]）。传统上，设计和评价准则如均方误差、平方误差偏差及其变型在设计自适应系统时广泛使用。然而，这些中没有一个直接涉及开发人员在设计助听器中的声反馈抵消系统时真正需要的东西。对于助听器的稳定性和提供适当的增益，OLTF是极为直接和决定性的判定准则（例如参见[Dillon]4.6章）。在助听器设置时，OLTF由严格定义的正向信号通路和未知的反馈通路组成（例如参见图1d）。例如，当OLTF的反馈部分的幅度为-20dB时，由助听器的正向通路提供的最大增益必须不超出20dB；否则，系统将变得不稳定。另一方面，如果OLTF的幅度接近0dB，则助听器在相位响应为360°的多倍时的频率变得不稳定，及需要采取一些行动以使振荡风险和/或人为信号的增加量最小。此外，知道OLTF的未知反馈部分的预期量值可非常有助于助听器控制算法选择适当的参数、程序代码等从而例如控制自适应反馈抵消算法。估计使用自适应算法的线性时变系统的时变传递函数的功率谱的一般问题已由[Gunnarsson&Ljung]处理。真实的瞬时传递函数和估计的传递函数之间的频域均方误差（MSE）的近似式在[Gunnarsson&Ljung]中针对三个基本适应算法给出：LMS（最小均方）、RLS（递归最小二乘方）、及基于卡尔曼（Kalman）滤波器的跟踪算法。
技术实现思路
对示例性音频处理系统的开环传递函数的未知反馈部分（包括波束形成滤波器）有贡献的元件如图1d中所示。本专利技术的目标在于提供多传声器音频处理系统中的反馈估计的备选方案。扬声器信号由u(n)指示，其中n为时间指数。传声器及进入的（目标）信号分别由yi(n)和xi(n)指示。下标i=1,…,P为传声器通道的指数，其中P指传声器通道的总数量。唯一扬声器和每一传声器之间的反馈通路的脉冲响应由hi(n)指示，而这些反馈通路的借助于自适应算法如LMS、NLMS、RLS等估计的脉冲响应由指示。对应的信号分别示为vi(n)和波束形成器滤波器的脉冲响应由gi指示。波束形成器滤波器假定为时不变（或至少比反馈抵消系统具有更慢的变化）。在相应的求和单元“+”中产生误差信号ei(n)，其为相应的传声器信号yi(n)减去反馈估计信号i=1,…,P。误差信号ei(n)馈给对应的波束形成器滤波器，其相应输出由指示，i=1,…,P。最后，波束形成器滤波器的输出信号在求和单元“+”中相加，其所得的输出由指示。优选地，传声器的数量P大于2，如3或更多。框H、Hest、波束形成器和传声器系统（MS）包围在本申请别处一起称为该名的元件，例如参见图1c。术语“波束形成器”通常指输入信号的空间滤波，“波束形成器”根据声源起点的空间方向提供随频率而变的滤波（定向滤波）。在便携式听音装置应用如助听器中，衰减具有佩戴听音装置的人后面方向的空间起点的信号或信号组成通常是有利的。在估计反馈通路时包括波束形成器的贡献很重要，这是因为其随角度而变的衰减（即，由于每一传声器输入信号对所涉及装置中进一步处理的所得信号的贡献的加权）。考虑波束形成器的存在导致相对简单的表示，该表示与OLTF和允许的正向增益直接相关。在本申请中，参数或函数x的估计值通常通过在参数或函数上方加“^”指示，即作为备选，使用下标“est”，例如xest，如图1c中使用的（Hest指估计的反馈通路），或者hest,i指第i个非计划（声）反馈通路的估计的脉冲响应。图1d中所示的系统为助听器设置中OLTF的典型反馈部分，而正向通路（未在图1d中示出，例如参见图1c）通常取信号为输入并具有信号u(n)为输出。图1d的系统的信号处理被示为在时域中进行。然而，并不必须这样。其可以完全或部分在频域中进行（如图1a和1b中暗示的）。例如，图1d中的波束形成器滤波器gi中的每一个代表时域中的脉冲响应，从而特定滤波器gi的输入信号ei(n)与脉冲响应gi线性卷积以形成输出信号作为备选，在频域中，每一传声器支路的输入信号例如经分析滤波器组（如FFT（快速傅里叶变换）滤波器组）变换到频域，波束形成器脉冲响应gi的频率变换Gi(ω)将与输入信号的频率变换相乘以形成处理过的信号Ei(ω)，其为波束形成器的时域输出信号的频率变换。在频域中，正向增益通过将标量增益F(ω,n)乘到波束形成器输出的每一频率元素上实现。在某一点，信号被变换回时域，例如经合成滤波器组（如逆FFT滤波器组），使得时域信号u(n)可通过扬声器播放。这样的示例性结构如图1e中所示。作为备选，分析和合成滤波器组可分别连同输入和输出变换器一起置放，藉此，正向通路（及反馈估计通路）的处理完全在频域中进行（如图1a和1b暗示的）。如果真实反馈通路hi(n)已知，则容易获得OLTF。然而，在实际应用中并非如此。在下面，将集中于并推导图1d中所示OLTF的未知反馈部分的幅度平方值的表示式。我们将OLTF的反馈部分的幅度平方值表示为输入信号频谱密度、扬声器信号频谱密度、波束形成器滤波器响应、自适应算法步长、及真实反馈通路的变化的近似。该方法的优点在于在不知道真实反馈通路hi(n)的情况下可确定OLTF。确定OLTF需要的所有系统参数均已知或可简单地估计。除了给定所有系统参数预测OLTF的反馈部分之外，得出的表示式也可用于在给定所希望的系统性质如O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.10.06 EP 10186693.71.一种确定音频处理系统中的自适应算法的系统参数sp(n)的方法，所述音频处理系统包括：a)传声器系统，包括a1)P个电传声器通路，每一传声器通路MPi提供处理过的传声器信号，i＝1,2,…,P，每一传声器通路包括a1.1)用于将输入声音转换为输入传声器信号yi的传声器Mi；a1.2)求和单元SUMi，用于接收反馈补偿信号及输入传声器信号或源自其的信号并提供补偿过的信号ei；及a1.3)波束形成器滤波器gi，用于对补偿过的信号ei进行随频率而变的定向滤波，所述波束形成器滤波器gi的输出提供处理过的传声器信号a2)连接到传声器通路i＝1,2,…,P的输出以对所述处理过的传声器信号求和的求和单元SUM(MP)，i＝1,2,…,P，从而提供合成输入信号；b)信号处理单元，用于将所述合成输入信号或源自其的信号处理成处理过的信号；c)扬声器单元，用于将所述处理过的信号或源自其的信号转换为输出声音，给扬声器的输入信号称为扬声器信号u；所述传声器系统、信号处理单元和所述扬声器单元形成正向信号通路的一部分；及d)包括多个用于产生P个非计划反馈通路的估计量的内部反馈通路IFBPi的自适应反馈抵消系统，i＝1,2,…,P，每一非计划反馈通路至少包括从扬声器单元的输出到传声器Mi的输入的外部反馈通路，i＝1,2,…,P，及每一内部反馈通路包括用于使用自适应反馈抵消算法提供第i个非计划反馈通路的估计的脉冲响应hest,i的反馈估计单元，i＝1,2,…,P，估计的脉冲响应hest,i构成所述反馈补偿信号该反馈补偿信号在所述传声器系统的相应求和单元SUMi中与所述传声器信号yi或源自其的信号相减以提供误差信号ei，i＝1,2,…,P；正向信号通路连同外部和内部反馈通路一起形成增益环路；该方法包括：S1)确定开环传递函数的反馈部分的幅度平方的近似表示式，其中ω为归一化角频率，及n为离散时间指数，其中开环传递函数的反馈部分包括内部和外部反馈通路及正向信号通路，不包括信号处理单元，及其中所述近似表示式定义中的一阶差分方程，从其可提取在时随先前值而定的瞬变部分及提取稳态部分，瞬变部分及稳态部分取决于当前时间n的系统参数sp(n)；S2a)确定瞬变部分的每时间单位的斜率α；S3a)通过斜率α表示系统参数sp(n)；S4a)确定预定斜率值αpd时的系统参数sp(n)；或S2b)确定稳态部分的稳态值S3b)通过稳态值表示系统参数sp(n)；S4b)确定预定稳态值时的系统参数sp(n)。2.根据权利要求1的方法，其中所述自适应反馈抵消算法为LMS、NLMS或RLS算法，或基于卡尔曼滤波。3.根据权利要求1的方法，其中第i个传声器通路的所述求和单元SUMi位于传声器Mi和波束形成器滤波器gi之间。4.根据权利要求1的方法，其中系统参数sp(n)包括自适应反馈抵消算法的步长μ(n)或自适应波束形成器滤波器算法的一个或多个滤波器系数gi。5.根据权利要求4的方法，其中自适应反馈抵消算法为LMS算法，及其中开环传递函数的反馈部分的幅度平方的近似表示为其中“*”指复共轭，n和ω分别为时间指数和归一化频率，μ(n)指步长，及其中Su(ω)指扬声器信号u(n)的功率谱密度，Sxij(ω)指进入的信号xi(n)和xj(n)的交叉功率谱密度，其中i＝1，2，...，P为传声器通道指数，其中P为传声器的数量，L为估计的脉冲响应hest，i(n)的长度，及G1(ω)为波束形成器滤波器g1的方波幅度响应，其中1＝i，j，及其中为真实反馈通路h(n)在过去一段时间的方差估计。6.根据权利要求5的方法，其中所述瞬变部分的斜率α表示为α＝1-2μ(n)Su(ω)。7.根据权利要求5的方法，其中，当希望特定收敛速度时，LMS算法的步长根据下式进行选择或其中SlopedB/iteration和SlopedB/s指LMS算法的希望的特定收敛速度，fs为采样率。8.根据权利要求5的方法，其中所述稳态值表示为9.根据权利要求8的方法，其中当希望特定稳态值时，LMS算法的步长根据下式选择10.根据权利要求4的方法，其中所述自适应反馈抵消算法为NLMS算法，及其中开环传递函数的反馈部分的幅度平方的近似表示为其中“*”指复共轭，n和ω分别为时间指数和归一化频率，μ(n)指步长，及其中Su(ω)指扬声器信号u(n)的功率谱密度，Sxij(ω)指进入的信号xi(n)和xj(n)的交叉功率谱密度，其中i＝1，2，...，P为传声器通道指数，其中P为传声器的数量，L为估计的脉冲响应hest，i(n)的长度，及G1(ω)为波束形成器滤波器g1的方波幅度响应，其中1＝i，j，及其中为真实反馈通路h(n...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·延森，M·郭，T·B·埃尔梅迪布，
申请(专利权)人：奥迪康有限公司，
类型：发明
国别省市：