CN102771144B - 用于方向相关空间噪声减低的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于减低方向相关空间噪声的设备和方法。该设备包括用于测量来自声源（7）的声输入信号（XR1，XR2，XL1）的多个麦克风（2，3，4，5），其成至少一单耳对（2，3）和至少一双耳对（2，4）。方向信号处理电路（71，72，73，74）从输入信号（XR1，XR2，XL1）获得至少一单耳方向信号（Y1，N1）和至少一双耳方向信号（Y2，N2）。目标信号电平估计器（76）通过结合在声源（7）的方向相互具有最大响应的至少一单耳方向信号（Y1）和至少一双耳方向信号（Y2）来估计目标信号电平。噪声信号电平估计器（75）通过结合在声源（7）的方向相互具有最小敏感度的至少一单耳方向信号（N1）和至少一双耳方向信号（N2）来估计噪声信号电平。

Description

用于方向相关空间噪声减低的设备和方法

技术领域

本发明涉及方向相关空间噪声减低，例如，用于在双耳助听器中使用。

背景技术

对于非稳定信号，诸如在具有多个说话者的复杂听觉环境中的语音，为了通过增强期望信号来改善语音可懂度，方向信号处理至关重要。例如，传统助听器利用简单的差动麦克风来聚焦于用户前方或后方的目标。在许多听觉境况中，期望的说话者方位角不同于这些预定方向。因而，让聚焦方向可导引的方向信号处理在增强期望源方面将是有效的。

最近，已经提出用于双耳波束形成的方法。文献

T.Rohdenburg，V.Hohmann，B.Kollmeier，"RobustnessAnalysis of Binaural Hearing Aid Beamformer Algorithmsby Means of objective Perceptual Quality Measures，"in2007 IEEE Workshop on Applications of Signal Processingto Audio and Acoustics，pp.315-318，oct 2007

中使用具有两个3通道助听器的配置来设计双耳波束形成器。基于期望观察方向设置波束形成器约束，以利用每个助听器中的三个麦克风来实现可导引波束，这在现有技术助听器的状态下是不实用的。显示该***性能依赖于在表述导引矢量(steering vector)时使用的传播模型。文献

S.Doclo，M.Moonen，T.Van den Bogaert，J.Wouters，"Reduced-Bandwidth and Distributed MWF-Based Noise Re-duction Algorithms for Binaural Hearing Aids，"IEEE

Transactions on Audio，Speech，and Language Processing，vol.17，no.1，pp.38-51，Jan 2009

中使用双耳多通道维纳滤波器(MWF)，以通过估计每个助听器中的语音信号的统计值来获得可导引波束。MWF计算量大，而且给出的结果是使用完全VAD(话音活动检测)来估计噪音同时假定噪音在话音活动期间稳定而取得的。文献

M.Ihle，"Differential Microphone Arrays for SpectralSubtraction"，in Int′l Workshop on Acoustic Echo andNoise Control(IWAENC 2003)，Sep 2003

中示出用于在期望方向形成一个空间零位(spatial null)的另一种技术，但其对麦克风阵列几何形状敏感，因而不适用于助听器配置。

发明内容

本发明的目的在于提供用于方向相关空间噪声减低的设备和方法，其可以用于将具有最大灵敏度的角度聚焦于处在任意给定方位角的目标声源，即，包括除0°(即，用户正前方)或180°(即，用户正后方)之外的方向。

借助本发明的用于方向相关空间噪声减低的方法实现上述目的，该方法包括无特定次序的下列步骤：测量来自声源的声输入信号；从所述输入信号获得至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号；通过结合所述单耳方向信号的至少一个和所述双耳方向信号的至少一个来估计目标信号电平，该至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号在所述声源的方向相互具有最大响应；以及通过结合所述单耳方向信号的至少一个和所述双耳方向信号的至少一个来估计噪声信号电平，该至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号在所述声源的方向相互具有最小敏感度。也借助本发明的用于方向相关空间噪声减低的设备实现上述目的，该设备包括：多个麦克风，用于测量来自声源的声输入信号，所述多个麦克风形成至少一个单耳对和至少一个双耳对；方向信号处理电路，用于从所述输入信号获得至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号；目标信号电平估计器，用于通过结合所述单耳方向信号的至少一个和所述双耳方向信号的至少一个来估计目标信号电平，该至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号在所述声源的方向相互具有最大响应；以及噪声信号电平估计器，用于通过结合所述单耳方向信号的至少一个和所述双耳方向信号的至少一个来估计噪声信号电平，该至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号在所述声源的方向相互具有最小敏感度。

本发明的基本思路在于获得目标信号信号电平和噪声信号电平的估计的方式，以使得聚焦于位于任意方向的期望声源。通过结合在信号方向相互具有最大响应的至少两个方向输出(一个单耳和一个双耳)获得目标信号功率估计。通过测量在期望源的方向相互具有最小敏感度的至少两个方向信号(一个单耳和一个双耳)的最大功率获得噪声信号功率估计。因而，本发明的根本特征在于结合单耳和双耳方向信号用于估计目标和噪声信号电平。

在一个实施例中，为了获得在声信号源方向的期望目标信号电平，提出的方法进一步包括通过选择在声源方向相互具有最大响应的至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号的最小值来估计目标信号电平。

在一个实施例中，为了在声源的方向导引波束，提出的方法进一步包括通过选择在声源的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号的最大值来估计噪声信号电平。

在替换实施例中，提出的方法进一步包括通过计算在声源方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号和至少一个双耳方向信号的和来估计噪声信号电平。

在另一实施例中，提出的方法进一步包括使用下列公式从估计的目标信号电平和估计的噪声信号电平计算维纳滤波器放大增益：

放大增益＝目标信号电平/[噪声信号电平+目标信号电平]。将上述增益应用于输入信号产生增强的信号输出，其具有在声源方向减低的噪声。

在预期实施例中，由于方向信号处理电路的响应是声频的函数，将声输入信号分成多个频带，并且对所述多个频带分别使用上述方法。

在多种不同的实施例中，对于所述信号电平，使用下列单位的一种或多种：功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平。

附图说明

以下参照附图中示出的实施例进一步描述本发明，其中：

图1图示可以应用本发明的实施例的具有无线链路的双耳助听器配置；

图2是图示一阶差动麦克风阵列电路的框图；

图3是图示自适应差动麦克风阵列电路的框图；

图4是侧视导引***的框图；

图5是图示根据本发明的可导引双耳波束形成器的示意图；

图6A至图6D图示用于单耳和双耳情形的差动麦克风阵列输出，图6A示出side_select＝1时的输出，图6B示出side_select＝0时的输出，图6C示出plane_select＝1时的输出，图6D示出plane_select＝0时的输出；

图7是根据本发明的一个实施例的用于方向相关空间噪声减低的设备的框图；

图8A图示如何估计目标信号电平的示例；

图8B图示如何估计噪声信号电平的示例；以及

图9A至图9D图示为多种测试情形形成的导引波束样式，图9A图示以250Hz导引至左侧的波束的样式；图9B图示以2kHz导引至左侧的波束的样式；图9C图示以250Hz导引至45°的波束的样式，图9D图示以500Hz导引至45°的波束的样式。

具体实施方式

以下讨论的本发明的实施例提供用于方向相关空间噪声减低的设备和方法，其可以在如图1所示的双耳助听器配置1中使用。配置1包括：右助听器，包括第一对单耳麦克风2、3；以及左助听器，包括第二对单耳麦克风4、5。左右助听器分别安装在用户6的左右耳中。每个助听器中的单耳麦克风以距离l₁分开，由于尺寸限制，距离l₁例如可以近似等于10mm。左右助听器以距离l₂分开，并且通过双向音频链路8连接，音频链路8典型地是无线链路。为了最小化功耗，只有一个麦克风信号可以从一个助听器传送至另一助听器。该示例中，左右助听器的前麦克风4、2分别形成双耳对，通过音频链路8传输信号。图1中，X_R1[n]和X_R2[n]代表由右助听器的前麦克风2和后麦克风3分别测量的第n个全向信号，而X_L1[n]和X_L2[n]代表由左助听器的前麦克风4和后麦克风5分别测量的第n个全向信号。因而，信号X_R1[n]和X_L1[n]分别对应于从左右助听器的前麦克风4、2分别传送的信号。

单耳麦克风对2、3和单耳麦克风对4、5各自提供对直接位于用户6前方或后方的目标声源的方向敏感度。借助双耳麦克风2、4，实现侧视波束导引，其提供对位于用户6侧方(左或右)的目标声源的方向敏感度。本发明的基本思路在于提供方向相关空间噪声减低，其可以用于将助听器的最大敏感度的角度聚焦至位于任意给定方位角θ_steer处的目标声源7，该方位角θ_steer包括除0°/180°(前后方向)以及270°/90°(左右侧方)以外的角度。

在讨论本发明的实施例之前，以下段落讨论如何实现单耳方向敏感度(用于前后方向)和双耳侧视导引(用于左右侧方)。

借助方向信号处理电路实现方向敏感度，方向信号处理电路通常包括差动麦克风阵列(DMA)。参照图2说明典型的一阶DMA电路22。这样的一阶DMA电路22通常在包括以距离l(大约10mm)分开的两个全向麦克风23、24以产生方向响应的传统助听器中使用。只要间距l相对于声波波长λ较小的假设成立，该方向响应就与频率无关。该示例中，考虑麦克风23位于聚焦侧，并且考虑麦克风24位于干扰侧。DMA 22包括延时电路25，用于将位于干扰侧的麦克风24的响应延迟时间间隔T。在节点26处，从麦克风23的响应中减去麦克风24的延迟响应以得到方向输出信号y[n]。对于以角度θ撞击到一阶DMA 22上的信号x[n]，在远场条件下，DMA 22的频率和角度相关响应的幅值由下式给出：

$\left|H(\mathrm{\Ω},\mathrm{\θ})\right|=|1-e^{-\mathrm{j\Ω}(T+\frac{l}{c}\cos \mathrm{\θ})}|---\left(1\right)$

其中，c是声速。

可以调整延迟T以消除来自特定方向的信号，从而获得期望的方向性响应。在助听器中，将该延迟T固定以匹配麦克风间距l/c，并且代以使用如图3的自适应差动麦克风阵列(ADMA)27中所示的背对背心形***来实现期望的方向性响应。如图所示，ADMA电路27包括延时电路30和31，用于延迟来自以距离l隔开的麦克风28和29的响应。C_F是从衰减来自干扰方向的信号的节点33获得的心形波束形成器输出，而C_R是从衰减来自聚焦方向的信号的节点32获得的反心形(反向心形)波束形成器输出。将反心形波束形成器输出C_R乘以增益β，并且在节点35处从心形波束形成器输出C_F中减去，使得阵列输出y[n]由下式给出：

y[n]＝C_F-βC_R           (2)

对于来自等式(2)的y[n]，来自0°的信号不被衰减，而且在由下式给出的对于β值的方向θ₁形成单一空间凹口(notch)：

${\mathrm{\θ}}_1=\arccos \frac{\mathrm{\β}-1}{\mathrm{\β}+1}---\left(3\right)$

在用于助听器的ADMA中，将参数β适配为将凹口导引至噪声源的方向θ₁以优化方向性指数。这是通过最小化输出信号y[n]的MSE(均方差)执行的。使用梯度下降技术来跟踪MSE代价函数的负梯度，通过下列等式(4)来适配参数β：

$\mathrm{\β}[n+1]=\mathrm{\β}\left[n\right]-\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\δ\β}}\mathrm{\ϵ}\left(y^2\right[n\left]\right)---\left(4\right)$

在听觉情形下，当期望声源位于用户一侧时，使用具有双向音频链路的双耳助听器实现侧视波束导引。已知在高频率处，由于头部遮蔽效应，头部两侧处测得信号之间的耳间电平差(ILD)显著。ILD随频率而增大。在用于较高频率的双耳维纳滤波器的设计中可以利用该头部遮蔽效应。在较低频率处，声波波长λs相对于头部直径较长。因而，在头部两侧的声压等级之间有最小变化，并且发现耳间时间差(ITD)是更显著的声线索。在较低频率处，设计双耳一阶DMA以建立侧视。因而，可以将侧视导引的问题分解为两个较小的问题，将双耳DMA用于较低频率，并且将双耳维纳滤波器方法用于较高频率，如图4中的侧视导引***36所示。这里，输入的有噪声输入信号x[n]由下式给出：

x[n]＝s[n]+d[n]

其中，s[n]是与聚焦侧对应的来自方向θ_s∈[90°，-90°]的目标信号，而d[n]是与干扰侧对应的从方向θ_d(这里θ_d＝-θ_s)入射的噪声信号。

通过分析滤波器组37将输入信号x[n]分解成频率子带。分解的子带信号由高频带方向信号处理模块38和低频带方向信号处理模块39分别处理，前者包括维纳滤波器，而后者包括DMA电路。最后，合成滤波器组40重建输出信号其导引于聚焦侧的方向θ_s。

在高频带方向信号处理模块38处，在双耳***的设计中利用头部遮蔽效应以在较高频率(例如，对大于1k Hz的频率)下执行侧视。来自干扰侧的信号在这些较高频率下横跨头部被衰减，下面给出提出的***的分析。

考虑这样的情景，根据图1，目标信号s[n]从助听器用户的左侧(-90°)到达，而干扰信号d[n]位于右侧(90°)，在左前麦克风处记录的信号X_L1[n]和在右前麦克风处记录的信号X_R1[n]由下式给出：

x_L1[n]＝s[n]+h_L1[n]*d[n]         (5)

x_R1[n]＝h_R1[n]*s[n]+d[n]        (6)

其中，h_L1[n]是从右前麦克风到左前麦克风的传递函数，而h_R1[n]是从左前麦克风到右前麦克风的传递函数。将等式(5)、(6)变换到频域得到：

X_L1(Ω)＝S(Ω)+H_L1(Ω)*D(Ω)        (7)

X_R1(Ω)＝H_R1(Ω)*S(Ω)+D(Ω)       (8)

将信号X_a(Ω)的短时间谱功率记作Φ_a(Ω)。由于左侧是聚焦侧，而右侧是干扰侧，可以推导出经典维纳滤波器为：

$W\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{X_{L,1}}\left(\mathrm{\Ω}\right)}{{\mathrm{\Φ}}_{X_{L,1}}\left(\mathrm{\Ω}\right)+{\mathrm{\Φ}}_{X_{R,1}}\left(\mathrm{\Ω}\right)}---\left(9\right)$

出于分析的目的，假定α(Ω)是与从一个助听器横跨头部到另一助听器的传递函数相对应的频率相关衰减。因而，可以将(9)简化为：

$W\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_S\left(\mathrm{\Ω}\right)+\mathrm{\α}\left(\mathrm{\Ω}\right){\mathrm{\Φ}}_D\left(\mathrm{\Ω}\right)}{(1+\mathrm{\α}\left(\mathrm{\Ω}\right))({\mathrm{\Φ}}_S\left(\mathrm{\Ω}\right)+{\mathrm{\Φ}}_D\left(\mathrm{\Ω}\right))}---\left(10\right)$

如先前说明的，在较高频处，由于头部遮蔽效应，ILD衰减α(Ω)→0，而且等式(10)趋近于传统维纳滤波器。在较低频处，衰减α(Ω)→1，并且维纳滤波器增益W(Ω)→0.5。通过对助听器两侧的前麦克风处的全向信号施加增益W(Ω)，获得位于头部每侧的输出的滤波后信号。如果X定义为矢量[X_L1(Ω)X_R1(Ω)]，并且将来自两个助听器的输出记作Y＝[Y_L1(Ω)Y_R1(Ω)]，则Y由下式给出：

Y＝W(Ω)X                 (11)

因而，由于将增益施加于位于头部任一侧的原始麦克风信号，保留了来自聚焦侧和干扰侧的空间印象线索。

在较低频处，信号的波长与两个助听器之间横跨头部的距离l₂相比较短。因而，空间混淆效应不显著。假定l₂＝17cm，避免空间混淆的最大声频率是大约1k Hz。

回来参照图4，低频带方向信号处理模块39合并横跨头部的一阶ADMA，其中左侧是用户的聚焦侧，而右侧是干扰侧。相应地设计具有图3中所示类型的ADMA以便执行方向信号处理，从而导引到感兴趣侧。因而，该情况下，沿横跨头部指向-90°的麦克风传感器轴线实现双耳一阶ADMA。于是，解算两个背对背心形曲线，设定延迟为l₂/c，其中c是声速。阵列输出是如上述等式(2)中所表示的正向心形曲线C_F[n](指向-90°)与反向心形曲线C_B[n](指向90°)的标量组合。

因而可见，可以使用图2至图3中所示的基本一阶DMA实现波束导引至0°和180°，而且可以借助图4中所示的合并用于低频带方向信号处理的一阶DMA和用于高频方向信号处理的维纳滤波器的***来实现波束导引至90°和270°。

本发明的实施例提供用于实现特定观察方向θ_d，n的可导引***，其中：

为此，提出用于将波束聚焦至角度的子集的参数模型，其中θ_steer∈[45°，135°，225°，315°]。可以使用该模型推导出期望信号的估计和干扰信号的估计用于增强输入的含噪声信号。

通过组合方向信号输出来估计从角度θ_steer入射的期望信号以及干扰信号。该估计中使用的方向信号如图5所示推导。图5中，输入X_L1(Ω)和X_L2(Ω)对应于由左助听器46的前后麦克风分别测得的全向信号。输入X_R1(Ω)和X_R2(Ω)对应于由右助听器47的前后麦克风分别测得的全向信号。双耳DMA42和单耳DMA 43对应于左助听器46，而双耳DMA 44和单耳DMA 45对应于右助听器47。输出C_Fb(Ω)和C_Rb(Ω)从双耳一阶DMA42、44得到，并且分别表示正向和反向心形曲线。输出C_Fm(Ω)和C_Rm(Ω)从单耳一阶DMA 43、45得到，并且遵循与双耳情形下相同的命名惯例。

第一参数“side_select”选择从双耳DMA中延迟并减去哪个麦克风信号，因而其被用于选择C_Fb(Ω)和C_Rb(Ω)指向的方向。当“side_select”被设置为1时，C_Fb(Ω)指向位于90°的右侧，而C_Rb(Ω)指向位于270°(或-90°)的左侧，如图6A中所示。相反地，当“side_select”被设置为0时，C_Fb(Ω)指向位于270°(或-90°)的左侧，而C_Rb(Ω)指向位于90°的右侧，如图6B中所示。第二参数“plane_select”选择从单耳DMA中延迟并减去哪个麦克风信号。因而，当“plane_select”被设置为1时，C_Fb(Ω)指向位于0°的前面，而C_Rb(Ω)指向位于180°的后面，如图6C中所示。当“plane_select”被设置为0时，C_Fb(Ω)指向位于180°的后面，而C_Rb(Ω)指向位于0°的前面，如图6D中所示。

下面说明根据本发明的在期望声源位于45°方位角θ_steer的情况下计算目标信号电平和噪声信号电平的方法。由于期望信号θ_steer的方向已知，通过组合在声源方向相互具有最大响应的单耳及双耳方向输出，获得目标信号电平的估计。该示例中(对于θ_steer＝45°)，参数“side_select”和“plane_select”二者都被设置为为1，以分别给出如图6A及图6C所示的双耳和单耳心形以及反心形曲线。基于等式(2)，计算由超心形曲线Y₁限定的第一单耳方向信号、以及由超心形曲线Y₂限定的第一双耳方向信号输出。此外，获得在90°/270°及0°/180°处形成凹口的信号Y₃和Y₄。Y₁、Y₂、Y₃和Y₄表示为：

$\left[\begin{array}{c}Y\\ Y_2\\ Y_3\\ Y_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{Fm}}\\ C_{\mathrm{Fb}}\\ C_{\mathrm{Fm}}\\ C_{\mathrm{Fb}}\end{array}\right]-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{kyp}}\left[\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{Rm}}\\ C_{\mathrm{Rb}}\\ C_{\mathrm{Rm}}/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{kyp}}\\ C_{\mathrm{Rb}}/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{kyp}}\end{array}\right]---\left(13\right)$

其中，β_byp被设置为形成期望超心形曲线的值。等式(13)可以改写为：

Y＝C_F，1-β_kypC_R，1           (14)

其中，Y＝[Y₁ Y₂ Y₃ Y₄]^T，C_F，1＝[C_Fm C_Fb C_Fm C_Fb]^T，而且

C_R，1＝[C_Rm C_Rb C_Rm/β_byp C_Fb/β_byp]^T。

可以通过选择在声源方向相互具有最大响应的方向信号Y₁、Y₂、Y₃和Y₄的最小值获得目标信号电平的估计。在示范性实施例中，对于信号电平，使用的单位是功率。该情况下，通过测量Y中四个信号分量的最小短时间功率，获得由下式给出的短时间目标信号功率

${\widehat{\mathrm{\Φ}}}_S=\min \left({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{\γ}}\right)---\left(15\right)$

通过组合具有置于声源方向的零位(即，在声源的方向具有最小敏感度)的第二单耳方向信号N₁和第二双耳方向信号N₂，获得噪声信号电平的估计。使用“side_select”和“plane_select”的相同参数值，如下计算N₁和N₂：

N＝C_R，2-β_steerC_F，2          (16)

其中，C_R，2＝[C_Rm C_Rb]^T且C_F，2＝[C_Fm C_Fb]^T，N＝[N₁ N₂]^T，并且设置β_steer以将零位置于声源的方向。

该示例中，通过选择方向信号N₁和N₂的最大值，获得估计的噪声信号电平。与之前一样，对于信号电平，所使用的单位是功率。因此，该情况下，通过测量N中两个噪声分量的最大短时间功率，获得短时间噪声信号功率的的估计，并且由下式给出：

${\widehat{\mathrm{\Φ}}}_D=\max \left({\mathrm{\Φ}}_N\right)---\left(17\right)$

基于估计的目标信号电平和噪声信号电平从下式获得维纳滤波器增益W(Ω)：

$W\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_S}{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_S+{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_D}---\left(18\right)$

使用等式(18)中计算的增益，对局部可用的全向信号进行滤波，获得增强的期望信号。可以通过改变“side_select”和“plane_select”导引至其他方向。

图7示出可以用于将最大敏感度的角度聚焦至位于方位角θ_steer处的目标声源的完成上述方法以提供方向相关空间噪声减低的设备70的框图。该示例中的设备70被合并到图1所示的左右助听器的电路内。参照图7，麦克风2和3相互形成单耳对，而麦克风2和4相互形成双耳对。由麦克风2、3和4测得的输入全向信号在频域中表示为X_R1[n]、X_R2[n]和X_L1[n]。同样假定该示例中的方位角θ_steer是45°。

根据由麦克风测得的输入全向信号，通过方向信号处理电路获得单耳及双耳方向信号。方向信号处理电路包括第一和第二单耳DMA电路71、72以及第一和第二双耳DMA电路73、74。第一单耳DMA电路71使用由单耳麦克风2和3测得的信号X_R1[n]和X_R2[n]，从而基于θ_steer值计算在期望声源的方向具有最大响应的第一单耳方向信号Y₁。第一双耳DMA电路73使用由双耳麦克风2和4测得的信号X_R1[n]和X_L1[n]，从而基于θ_steer值计算在期望声源方向具有最大响应的第一双耳方向信号Y₂。基于等式(13)计算方向信号Y₁和Y₂。

第二单耳DMA电路72使用信号X_R1[n]和X_R2[n]，从而基于θ_steer值计算在声源方向具有最小敏感度的第二单耳方向信号N1。第二单耳DMA电路74使用信号X_R1[n]和X_L1[n]，从而基于θ_steer值计算在声源方向具有最小敏感度的第二双耳方向信号N2。基于等式(16)计算方向信号N₁和N₂。

在所示实施例中，在频域中计算方向信号Y₁、Y₂、N₁和N₂。

通过结合上述单耳和双耳方向信号，获得目标信号电平和噪声信号电平。如所示的，通过结合在声源方向相互具有最大响应的单耳方向信号Y₁和双耳方向信号Y₂，目标信号电平估计器76估计目标信号电平在一个实施例中，通过选择单耳方向信号Y₁和双耳方向信号Y₂的最小值，获得估计的目标信号电平例如可以将估计的目标信号电平计算为信号Y₁和Y₂的短时间功率的最小值。然而，也可以将估计的目标信号电平计算为信号Y₁和Y₂的任何下列单位(即，能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、和绝对电平)的最小值。通过结合在声源方向相互具有最小敏感度的单耳方向信号N₁和双耳方向信号N₂，噪声信号电平估计器75估计噪声信号电平例如，可以通过选择单耳方向信号N1和双耳方向信号N2的最大值获得估计的噪声信号替换地，可以通过计算单耳方向信号N₁和双耳方向信号N₂获得估计的噪声信号与目标信号电平的情况一样，对于计算估计的噪声信号电平，使用下列单位(即，功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平)中的一种或多种。

使用估计的目标信号电平和噪声电平增益计算器77使用等式(18)计算维纳滤波器增益W。增益放大器78通过应用计算出的增益W对局部可用的全向信号进行滤波，以获得增强的期望信号输出F，其在声源方向具有减低的噪声和增大的目标信号敏感度。在该示例中，由于聚焦方向(45°)朝向前方和右侧，通过对由右助听器的前麦克风2测得的全向信号X_R1[n]应用维纳滤波器增益W，获得期望的信号输出F。由于方向信号处理电路的响应是声频的函数，典型地将声输入信号分成多个频带，并且对于这些频带的每一个分别使用上述技术。

图8A示出如何估计目标信号电平的示例。单耳信号示出为实线85，而双耳信号示出为虚线84。可以使用单耳信号和双耳信号的最小值作为目标信号电平。使用该准则，对于空间方向，从345°至195°单耳信号是最小值，从195°至255°双耳信号是最小值，等等。图8B示出如何估计噪声信号电平的示例。单耳信号示出为实线87，而双耳信号示出为虚线86。可用使用单耳信号和双耳信号的最大值作为噪声信号电平。使用该准则，对于空间方向，从100°至180°单耳信号是最大值，从180°至20°双耳信号是最小值，等等。

通过检查输出方向性样式对提出的侧视波束形成器和提出的可导引波束形成器的性能进行评估。双耳助听器***如图1中所示利用在每个耳朵上的两个“耳后”(BTE)助听器建立，并且只有一个信号从一耳传送至另一耳。在KEMAR仿真人头上记录测得的麦克风信号，并且通过在恒定距离从不同方向播送源信号获得波束样式。

双耳侧视导引波束形成器被分解成两个子***，以独立地处理低频(≤1kHz)和高频(＞1kHz)。该情形下，期望的源以-90°(在图中＝270°)位于助听器用户左侧，而干扰以90°位于用户的右侧。用图9A和图9B中所示的代表性的方向性曲线演示这两个***的效果。图9A示出在250Hz(低频)下获得的方向性曲线，其中曲线91(粗线)代表右耳信号，而曲线92(细线)代表左耳信号。图9B示出在2k Hz(高频)下获得的方向性曲线，其中曲线93(粗线)代表右耳信号，而曲线94(细线)代表左耳信号。在图9A和图9B二者中，来自两耳的响应一起示出，以说明空间线索的期望保全。可以看出，对作用于助听器用户右侧的干扰信号的衰减更为显著。可用在全部频率上获得类似的频率响应用于聚焦于位于助听器用户左(270°)或右(180°)的期望信号。

对于参照图7所述的情形演示可导引波束形成器的性能，其中期望声源位于45°方位角θ_steer。由于零位被置于45°，按照等式(3)，可以通过下式计算β_steer

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{steer}}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{steer}}-1}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{steer}}+1}\right)---\left(19\right)$

$\⇒{\mathrm{\β}}_{\mathrm{steer}}=\frac{2-\sqrt{2}}{2+\sqrt{2}}---\left(20\right)$

根据等式(15)和(17)，获得信号功率和噪声功率的估计。图9C示出提出的导引***在250Hz下对45°的波束样式的极坐标图，其中，曲线101(粗线)代表右耳信号，而曲线102(细线)代表左耳信号。图9D示出提出的导引***在500Hz下对45°的波束样式的极坐标图，其中，曲线103(粗线)代表右耳信号，而曲线104(细线)代表左耳信号。根据需要，最大增益处于θ_steer的方向。由于使用实际记录的信号进行仿真，对于实际实施方式，可以通过根据(20)微调β_steer的理想值将波束的导引调整至方向θ_steer。

虽然已经根据其特定优选实施例详细描述本发明，但是应当理解，本发明不限于这些确切实施例。相反地，考虑到描述用于实践本发明的当前最佳实施方式的本公开，本领域技术人员可以想到多种修改和变化而不背离本发明的范围和精神。因而，本发明的范围由所附权利要求而非由以上说明指示，并且，在权利要求的等效意义及范围内的变化都被视为在其范围内。

Claims (16)

1.一种用于方向相关空间噪声减低的方法，包括无特定次序的下列步骤：

-测量来自声源(7)的声输入信号(X_R1，X_R2，X_L1)；

-从所述输入信号(X_R1，X_R2，X_L1)获得至少一个单耳方向信号(Y₁，N₁)和至少一个双耳方向信号(Y₂，N₂)；

-通过结合所述单耳方向信号的至少一个(Y₁)和所述双耳方向信号的至少一个(Y₂)来估计目标信号电平该至少一个单耳方向信号(Y₁)和至少一个双耳方向信号(Y₂)在所述声源(7)的方向相互具有最大响应；以及

-通过结合所述单耳方向信号的至少一个(N₁)和所述双耳方向信号的至少一个(N₂)来估计噪声信号电平该至少一个单耳方向信号(N₁)和至少一个双耳方向信号(N₂)在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度。

2.根据权利要求1所述的方法，包括无特定次序的更多步骤：

-通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最大响应的至少一个单耳方向信号(Y₁)和至少一个双耳方向信号(Y₂)的最小值来估计所述目标信号电平

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括无特定次序的更多步骤：

-通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N₁)和至少一个双耳方向信号(N₂)的最大值来估计所述噪声信号电平

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括无特定次序的更多步骤：

-通过计算在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N₁)与至少一个双耳方向信号(N₂)的和来估计所述噪声信号电平

5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括无特定次序的更多步骤：

使用下列公式从所述估计的目标信号电平和所述估计的噪声信号电平计算维纳滤波器放大增益(W)：

放大增益(W)＝目标信号电平/[噪声信号电平+目标信号电平]。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，将声输入信号(X_R1，X_R2，X_L1)分成多个频带，而且其中，对于所述多个频带分别地使用所述方法。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，对于所述信号电平使用下列单位的一种或多种：功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平。

8.一种用于方向相关空间噪声减低的设备(70)，包括：

-多个麦克风(2，3，4，5)，用于测量来自声源(7)的声输入信号(X_R1，X_R2，X_L1)，所述多个麦克风(2，3，4，5)形成至少一个单耳对(2，3)和至少一个双耳对(2，4)；

-方向信号处理电路(71，72，73，74)，用于从所述输入信号(X_R1，X_R2，X_L1)获得至少一个单耳方向信号(Y₁，N₁)和至少一个双耳方向信号(Y₂，N₂)；

-目标信号电平估计器(76)，用于通过结合所述单耳方向信号的至少一个(Y₁)和所述双耳方向信号的至少一个(Y₂)来估计目标信号电平该至少一个单耳方向信号(Y₁)和至少一个双耳方向信号(Y₂)在所述声源(7)的方向相互具有最大响应；以及

-噪声信号电平估计器(75)，用于通过结合所述单耳方向信号的至少一个(N₁)和所述双耳方向信号的至少一个(N₂)来估计噪声信号电平该至少一个单耳方向信号(N₁)和至少一个双耳方向信号(N₂)在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度。

9.根据权利要求8所述的设备(70)，其中所述目标信号电平估计器(76)被配置用于通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最大响应的至少一个单耳方向信号(Y₁)和至少一个双耳方向信号(Y₂)的最小值来估计所述目标信号电平

10.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，其中，所述噪声信号电平估计器(75)被配置用于通过选择在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N₁)和至少一个双耳方向信号(N₂)的最大值来估计所述噪声信号电平

11.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，其中，所述噪声信号电平估计器(75)被配置用于通过计算在所述声源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一个单耳方向信号(N₁)与至少一个双耳方向信号(N₂)的和来估计所述噪声信号电平

12.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，进一步包括信号放大器(77，78)，用于基于使用下列公式计算的基于维纳滤波器的放大增益(W)来放大声输入信号：

放大增益(W)＝目标信号电平/[噪声信号电平+目标信号电平]。

13.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，其中，对于所述信号电平使用下列单位的一种或多种：功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、绝对电平。

14.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，包括用于将声输入信号(X_R1，X_R2，X_L1)分成多个频带的部件，其中，对于所述多个频带分别地计算所述目标信号电平和所述噪声信号电平

15.根据权利要求8或权利要求9所述的设备(70)，其中，所述方向信号处理电路进一步包括：

-单耳差动麦克风阵列电路(71，72)，用于获得所述至少一个单耳方向信号(Y₁，N₁)；以及

-双耳差动麦克风阵列电路(73，74)，用于获得所述至少一个双耳方向信号(Y₂，N₂)。

16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述方向信号处理电路进一步包括双耳维纳滤波器电路，用于获得所述至少一个双耳方向信号，对于门限值以上的频带，所述双耳维纳滤波器电路具有基于与麦克风的双耳对(2，4)之间的传递函数相对应的信号衰减而计算的放大增益。