CN112714376B - 收音装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及收音装置及方法。收音装置包括：空气传导收音电路、骨传导收音电路、适应性滤波器、交越频率控制电路及合成电路。空气传导收音电路产生空气传导声音信号。骨传导收音电路产生骨传导声音信号。适应性滤波器实时根据误差函数的最小值计算来产生转换滤波函数，以对骨传导声音信号进行滤波，产生转换后骨传导声音信号，其中误差函数为空气传导声音信号与转换后骨传导声音信号之间的误差。交越频率控制电路根据转换滤波函数在频域上的最大能量频率点决定交越频率。合成电路将空气传导声音信号高于交越频率的部分以及转换后骨传导声音信号低于交越频率的部分合成为合成声音信号。

Description

收音装置及方法
技术领域
本发明是关于声音信号处理技术，尤其是关于一种收音装置及方法。
背景技术
当使用头戴或入耳式耳机进行通话时，收音装置通常是安装于耳机之中的麦克风。为了对抗外界的背景噪音，耳机可以同时安装骨传导麦克风(bone conductionmicrophone)，收集在使用者说话时透过骨头和皮肤振动的信号。由于外界的噪音不易透过振动传达到骨传导麦克风，因此骨传导麦克风能够输出高信噪比的语音。
然而骨传导麦克风也具有缺点。骨传导信号通常在高频有严重的衰减，此外在极低频的部分会有很大的噪声(例如受地心引力影响)。仅设置骨传导麦克风，将无法获得最佳的语音质量。
发明内容
鉴于先前技术的问题，本发明之一目的在于提供一种收音装置及方法，以改善先前技术。
本发明的一目的在于提供一种收音装置及方法，动态地调整区分频域的交越频率，结合不同频域特性的收音电路的收音结果，达到适应性强且最佳的收音效果。
本发明包括一种收音装置，包括：空气传导收音电路、骨传导收音电路、适应性滤波器、交越频率控制电路以及合成电路。空气传导收音电路配置以根据声音产生空气传导声音信号。骨传导收音电路配置以根据声音产生骨传导声音信号。适应性滤波器配置以实时根据误差函数的最小值计算来产生转换滤波函数，以根据转换滤波函数对骨传导声音信号进行滤波，产生转换后骨传导声音信号，其中误差函数为空气传导声音信号与转换后骨传导声音信号之间的误差。交越频率控制电路配置以根据转换滤波函数在频域上的最大能量频率点决定交越频率。合成电路配置以将空气传导声音信号高于交越频率的部分以及转换后骨传导声音信号低于交越频率的部分合成为合成声音信号。
本发明另包括一种收音方法，应用于收音装置中，包括：使空气传导收音电路根据声音产生空气传导声音信号；使骨传导收音电路根据声音产生骨传导声音信号；使适应性滤波器实时根据误差函数的最小值计算产生转换滤波函数，以根据转换滤波函数对骨传导声音信号进行滤波产生转换后骨传导声音信号，其中误差函数为空气传导声音信号以及转换后骨传导声音信号之间的误差；使交越频率控制电路根据转换滤波函数在频域上之最大能量频率点决定交越频率；以及使合成电路将空气传导声音信号高于交越频率之部分以及转换后骨传导声音信号低于交越频率之部分合成为合成声音信号。
有关本发明的特征、实作与功效，将结合附图对较佳实施例详细说明如下。
附图说明
图1A示出本发明的一实施例中的收音装置的方块图；
图1B示出本发明的一实施例中的高通滤波器以及低通滤波器的频率响应的示意图；
图2示出本发明的一实施例中的收音装置的方块图；以及
图3示出本发明的一实施例中的收音方法的流程图。
具体实施方式
本发明的一目的在于提供一种收音装置及方法，动态地调整区分频域的交越频率，结合不同频域特性的收音电路的收音结果，达到适应性强且最佳的收音效果。
参照图1A。图1A为本发明的一实施例中的收音装置100的方块图。收音装置100包括：空气传导收音电路110、骨传导收音电路120、适应性滤波器130、交越频率控制电路140以及合成电路150。
空气传导收音电路110配置以根据声音SS产生空气传导声音信号AS。在一实施例中，空气传导收音电路110为根据例如但不限于声音SS在空气中的振动产生空气传导声音信号AS的麦克风。
骨传导收音电路120配置以根据声音SS产生骨传导声音信号BS。在一实施例中，骨传导收音电路120为重力加速度传感器，并配置以接触用户的身体，例如但不限于头部，以根据声音造成骨头的振动进行感测，来产生骨传导声音信号BS。
在一实施例中，为使其他收音装置100中的组件方便运作，收音装置100还包括第一时域至频域转换电路160A(在图1A标示为TF1)、第二时域至频域转换电路160B(在图1A标示为TF2)以及前置高通滤波器170(在图1A标示为HPF1)。
第一时域至频域转换电路160A配置以对空气传导收音电路110所接收的空气传导声音信号AS进行时域至频域的转换，以产生位于频域的空气传导声音信号ASF。类似地，第二时域至频域转换电路160B配置以对骨传导收音电路120所接收的骨传导声音信号BS进行时域至频域的转换，以产生位于频域的骨传导声音信号BSF。
在一实施例中，由于骨传导收音电路120较容易在低频范围受到噪声的干扰，因此可经由设置前置高通滤波器170，对骨传导声音信号BS进行高通滤波成为骨传导声音信号BSP。第二时域至频域转换电路160B实际上对骨传导声音信号BSP进行上述的转换。在一实施例中，前置高通滤波器170主要是将骨传导声音信号BS中、特定频率X赫兹以下的信号滤除(即0～X赫兹)，且X可为例如但不限于50赫兹至90赫兹的范围内的频率。
适应性滤波器130配置以实时(real time)根据一个误差函数的最小值计算来产生转换滤波函数Hinv(n,f)，以根据转换滤波函数Hinv(n,f)对骨传导声音信号BSF进行滤波，产生转换后骨传导声音信号BSFH。经由转换滤波函数Hinv(n,f)的转换，转换后骨传导声音信号BSFH的振幅与相位可与空气传导声音信号ASF的振幅与相位近似，以在进行两者的结合时获得最佳的合成结果。
在一实施例中，误差函数为空气传导声音信号ASF与转换后骨传导声音信号BSFH之间的误差E(n,f)。由于转换后骨传导声音信号BSFH为骨传导声音信号BSF与转换滤波函数Hinv(n,f)的乘积，在空气传导声音信号ASF与骨传导声音信号BSF均以时间及频率的函数ASF(n,f)、BSF(n,f)表示时，误差E(n,f)可由下式表示：
E(n,f)＝ASF(n,f)-Hinv(n,f)×BSF(n,f) (式1)
其中，n为时间点，f为频率，且n为大于或等于0的正整数，f为大于或等于0的正数。
在一实施例中，误差函数为误差E(n,f)的最小平方误差函数，可由下式表示：
E[|E(n,f)|2]＝E[|ASF(n,f)-Hinv(n,f)×BSF(n,f)|2] (式2)
在一实施例中，求取使(式2)具有最小值的转换滤波函数Hinv(n,f)，可经由例如但不限于正规化最小均方(normalized least mean square；NLMS)算法计算产生。所产生的Hinv(n,f)可由下式表示：
Hinv(n,f)＝Hinv(n-1,f)+(μ/|BSF(n-1,f)|2)×BSF(n-1,f)×E*(n-1,f)
其中，μ为决定收敛速度的可调变参数，E*(n,f)为误差E(n,f)取共轭的结果。
需注意的是，上述的误差函数以及利用误差函数的最小值求取转换滤波函数的方法仅为一范例。在其他实施例中，可用其他的函数来表示误差，且转换滤波函数也可采用其他的计算方式进行求取。
交越频率控制电路140配置以根据转换滤波函数Hinv(n,f)在频域上的最大能量频率点决定交越频率FC。
在一实施例中，交越频率控制电路140是根据下式找寻转换滤波函数Hinv(n,f)在频域上的最大能量频率点：
peak(n)＝argmax{|Hinv(n,f)|2} (式3)
在一实施例中，由于最大能量频率点的频率不一定是最合适的交越频率FC，因此交越频率控制电路140可例如但不限于使最大能量频率点的频率经由至少一调整函数及/或平均函数的运算来决定交越频率FC。
以调整函数ps(n)为例，交越频率控制电路140可经由调整微调参数进行运算：
ps(n)＝peak(n)×a+b (式4)
其中，a和b分别为整数或非整数的微调参数。
以平均函数的运算为例，交越频率控制电路140可将上述的调整函数ps(n)与先前的交越频率FC进行运算，以在时间点n决定当下的交越频率FC(n)：
FC(n)＝FC(n-1)×α+ps(n)×(1-α) (式5)
其中，α是可调的参数，随着例如但不限于信号的强度或是转换滤波函数Hinv(n,f)的特性改变。此外，在一实施例中，由于骨传导收音电路120本身的有效带宽以及通道的特性，也可对交越频率FC(n)设定500赫兹至2千赫兹的上下限，在交越频率FC(n)上调或下调至上下限时，即不再继续往上或往下调整。
需注意的是，上述交越频率控制电路140对于交越频率FC的决定方式仅为一范例。在其他实施例中，交越频率控制电路140可经由其他调整函数来对最大能量频率点进行调整，或是与其他函数来对前后时间点的交越频率FC进行平均。本发明不为上述实施方式所限。
合成电路150配置以将空气传导声音信号ASF高于交越频率FC的部分以及转换后骨传导声音信号BSFH低于交越频率FC的部分合成为合成声音信号CST。
在一实施例中，合成电路150包括高通滤波器180A、低通滤波器180B以及迭加电路180C。
同时参照图1B。图1B为本发明一实施例中的高通滤波器180A以及低通滤波器180B的频率响应的示意图。其中，横轴表示频率，纵轴表示响应强度。
高通滤波器180A配置以根据高于交越频率FC的频带HB对空气传导声音信号ASF进行高通滤波，以产生第一滤波结果ASTH。低通滤波器180B配置以根据低于交越频率FC的频带LB对转换后骨传导声音信号BSFH进行低通滤波，以产生第二滤波结果BSTL。
实作上，高通滤波器180A以及低通滤波器180B虽将各自的截止频率设定为交越频率FC，但两者允许信号通过的频带HB与LB间可有某种程度的重迭，且两者响应频带HB与LB的相加越趋***坦越好。更详细地说，频带HB与LB的迭加越接近全通过(all-past)频带越理想。
进一步地，迭加电路180C配置以将第一滤波结果ASTH和第二滤波结果BSTL迭加为合成声音信号CST。
在一实施例中，收音装置100还包括第一频域至时域转换电路190A(在图1A中标示为FT1)及第二频域至时域转换电路190B(在图1A中标示为FT2)。
第一频域至时域转换电路190A配置以对转换至频域后的空气传导声音信号ASF进行频域至时域的转换，产生空气传导声音信号AST，再由高通滤波器180A进行滤波处理。第二频域至时域转换电路190B配置以对转换后骨传导声音信号BSFH进行频域至时域的转换，产生转换后骨传导声音信号BSTH，再由低通滤波器180B进行滤波处理。在这样的状况下，合成电路150是在时域上运作，所产生的合成声音信号CST也是在时域上。
参照图2。图2为本发明一实施例中的收音装置200的方块图。
收音装置200包括的组件实际上与图1A中的收音装置100大同小异，包括空气传导收音电路110、骨传导收音电路120、适应性滤波器130、交越频率控制电路140以及合成电路150。
然而在本实施例中，合成电路150中的高通滤波器180A以及低通滤波器180B是直接接收频域上的空气传导声音信号ASF以及转换后骨传导声音信号BSFH进行滤波，并经由迭加电路180C迭加为合成声音信号CSF。
收音装置200还包括频域至时域转换电路210(在图2中标示为FT)。频域至时域转换电路210配置以对频域上的合成声音信号CSF进行频域至时域的转换，再予以输出为时域上的合成声音信号CST。在这样的状况下，合成电路150是在频域上运作。
在其他实施例中，收音装置100也可将频域至时域转换电路设置于合成电路150的高通滤波器180A与迭加电路180C之间以及低通滤波器180B与迭加电路180C之间。在这样的状况下，合成电路150的高通滤波器180A以及低通滤波器180B是在频域上运作，而迭加电路180C则是在时域上运作。
因此，本发明的收音装置100可结合空气传导收音电路110的高频收音结果与骨传导收音电路120的低频收音结果合成为合成声音信号CST，结合不同收音电路的特性达到最佳的收音效果。并且，用以区分高频与低频的交越频率FC可动态地调整，实时地适应不同使用者的不同传导特性与配戴方式。
参照图3。图3为本发明一实施例中的收音方法300的流程图。
除前述装置外，本发明另揭露一种收音方法300，应用于例如但不限于图1A的收音装置100或图2的收音装置200中。以下将以图1A的收音装置100为例对收音方法300进行说明。收音方法300的一实施例如图3所示，包括下列步骤：
S310：使空气传导收音电路110根据声音SS产生空气传导声音信号AS。
S320：使骨传导收音电路120根据声音SS产生骨传导声音信号BS。
在一实施例中，空气传导声音信号AS以及骨传导声音信号BS可分别经由第一时域至频域转换电路160A以及第二时域至频域转换电路160B处理，以产生频域上的空气传导声音信号ASF以及骨传导声音信号BSF。
S330：使适应性滤波器130实时根据误差函数的最小值计算来产生转换滤波函数Hinv(n,f)，以根据转换滤波函数Hinv(n,f)对骨传导声音信号BSF进行滤波，产生转换后骨传导声音信号BSFH，其中误差函数为空气传导声音信号ASF与转换后骨传导声音信号BSFH之间的误差。
S340：使交越频率控制电路140根据转换滤波函数Hinv(n,f)在频域上的最大能量频率点决定交越频率FC。
在一实施例中，空气传导声音信号ASF以及骨传导声音信号BSF可分别经由第一频域至时域转换电路190A以及第二频域至时域转换电路190B处理，以产生时域上的空气传导声音信号AST以及转换后骨传导声音信号BSTH。
S350：使合成电路150将空气传导声音信号AST高于交越频率FC的部分以及转换后骨传导声音信号BSTH低于交越频率FC的部分合成为合成声音信号CST。
需注意的是，上述的实施方式仅为一范例。在其他实施例中，本领域普通技术人员可在不违背本发明的精神下进行更改。
综合上述，本发明中的收音装置及方法可动态地调整区分频域的交越频率，结合不同频域特性的收音电路的收音结果，达到适应性强且最佳的收音效果。
虽然本发明的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本发明，本领域普通技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须以权利要求为准。
【符号说明】
100 收音装置
110 空气传导收音电路
120 骨传导收音电路
130 适应性滤波器
140 交越频率控制电路
150 合成电路
160A 第一时域至频域转换电路
160B 第二时域至频域转换电路
170 前置高通滤波器
180A 高通滤波器
180B 低通滤波器
180C 迭加电路
190A 第一频域至时域转换电路
190B 第二频域至时域转换电路
200 收音装置
210 频域至时域转换电路
300 收音方法
S310～S350 步骤
AS、ASF、AST 空气传导声音信号
ASFH、ASTH 第一滤波结果
BS、BSF、BSP 骨传导声音信号
BSFH、BSTH 转换后骨传导声音信号
BSFL、BSTL 第二滤波结果
CST、CSF 合成声音信号
FC 交越频率
SS 声音

Claims (10)

1.一种收音装置，包括：
一空气传导收音电路，配置以根据一声音产生一空气传导声音信号；
一骨传导收音电路，配置以根据所述声音产生一骨传导声音信号；
一适应性滤波器，配置以实时根据一误差函数的一最小值计算来产生一转换滤波函数，以根据所述转换滤波函数对所述骨传导声音信号进行滤波，产生一转换后骨传导声音信号，其中所述误差函数为所述空气传导声音信号与所述转换后骨传导声音信号之间的误差；
一交越频率控制电路，配置以根据所述转换滤波函数在频域上的一最大能量频率点决定一交越频率；以及
一合成电路，配置以将所述空气传导声音信号高于所述交越频率的部分以及所述转换后骨传导声音信号低于所述交越频率的部分合成为一合成声音信号。
2.根据权利要求1所述的收音装置，其中所述合成电路包括：
一高通滤波器，配置以根据高于所述交越频率的频带对所述空气传导声音信号进行高通滤波，以产生一第一滤波结果；
一低通滤波器，配置以根据低于所述交越频率的频带对所述转换后骨传导声音信号进行低通滤波，以产生一第二滤波结果；以及
一叠加电路，配置以将所述第一滤波结果和所述第二滤波结果叠加为该合成声音信号。
3.根据权利要求1所述的收音装置，其中所述误差函数为一最小平方误差函数，所述转换滤波函数是由一正规化最小均方(NLMS)算法计算产生。
4.根据权利要求1所述的收音装置，其中所述交越频率控制电路使所述最大能量频率点的频率经由至少一调整函数及/或一平均函数的运算决定所述交越频率。
5.根据权利要求1所述的收音装置，还包括：
一第一时域至频域转换电路，配置以对所述空气传导收音电路所接收的所述空气传导声音信号进行时域至频域的转换；以及
一第二时域至频域转换电路，配置以对所述骨传导收音电路所接收的所述骨传导声音信号进行时域至频域的转换；
其中所述适应性滤波器和所述交越频率控制电路在频域上运作。
6.根据权利要求5所述的收音装置，还包括：一前置高通滤波器，配置以对所述骨传导收音电路所接收的所述骨传导声音信号进行高通滤波，再由所述第二时域至频域转换电路进行转换。
7.根据权利要求6所述的收音装置，还包括：
一第一频域至时域转换电路，配置以对转换至频域后的所述空气传导声音信号进行频域至时域的转换；以及
一第二频域至时域转换电路，配置以对所述转换后骨传导声音信号进行频域至时域的转换；
其中所述合成电路在时域上运作。
8.根据权利要求6所述的收音装置，还包括：
一频域至时域转换电路，配置以对所述合成声音信号进行频域至时域的转换，其中所述合成电路在频域上运作。
9.一种收音方法，应用于一收音装置中，所述收音方法包括：
使一空气传导收音电路根据一声音产生一空气传导声音信号；
使一骨传导收音电路根据所述声音产生一骨传导声音信号；
使一适应性滤波器实时根据一误差函数的一最小值计算产生一转换滤波函数，以根据所述转换滤波函数对所述骨传导声音信号进行滤波，产生一转换后骨传导声音信号，其中所述误差函数为所述空气传导声音信号与所述转换后骨传导声音信号之间的误差；
使一交越频率控制电路根据所述转换滤波函数在频域上的一最大能量频率点决定一交越频率；以及
使一合成电路将所述空气传导声音信号高于所述交越频率的部分以及所述转换后骨传导声音信号低于所述交越频率的部分合成为一合成声音信号。
10.根据权利要求9所述的收音方法，其中合成所述合成声音信号的步骤还包括：
使所述合成电路的一高通滤波器根据高于所述交越频率的频带对所述空气传导声音信号进行高通滤波，以产生一第一滤波结果；
所述合成电路的一低通滤波器根据低于所述交越频率的频带对所述转换后骨传导声音信号进行低通滤波，以产生一第二滤波结果；以及
所述合成电路的一叠加电路将所述第一滤波结果和所述第二滤波结果叠加为所述合成声音信号。
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