[发明专利]同心圆差分麦克风阵列及相关波束形成

说明书

一种差分麦克风阵列包括位于基本上为平面的平台上的多个麦克风，多个麦克风包括总数为M的麦克风和多个麦克风的至少两个子集沿着至少两个相对于一个中心基本上同心的椭圆布置，以及以通信方式耦合到多个麦克风的处理装置，以接收由多个麦克风响应于声源产生的多个电子信号，并执行最小范数波束形成器以基于多个电子信号计算声源的估计值，其中最小范数波束形成器具有N阶差分，并且其中MN+1。

技术领域

本公开涉及麦克风阵列，并且具体地涉及与鲁棒波束形成器相关的同心圆差分麦克风阵列(CCDMA)。

背景技术

波束形成器(或空间滤波器)用于传感器阵列(例如，麦克风阵列)中的定向信号的传输或接收。传感器阵列可以是传感器大致上沿线性平台(例如直线)布置的线性阵列，或是传感器大致上沿圆形平台(例如圆形线)布置的圆形阵列。传感器阵列中的每个传感器都可以捕获始发自源的信号的一个版本。每个信号版本可以表示在特定时间相对于相应传感器以特定的入射角捕获的信号。该时间可以被记录为相对于一个参考点的时间延迟，例如，参考点可以为传感器阵列中的第一传感器。入射角和时间延迟可根据阵列传感器的几何形状确定。此外，捕获的信号版本还可以包括噪声分量。模数转换器(ADC)的阵列可以将捕获的信号转换为数字型式(也称为数字信号)。处理装置可以实现用于基于数字信号计算信号源的某些属性的波束形成器。

发明内容

传感器阵列中的每个传感器都可以以特定的入射角接收从源发射的信号，其具有相对于参考物(例如，参考传感器)的特定的时间延迟。传感器可以是合适类型的传感器，例如捕获声音信号的麦克风传感器等。麦克风传感器可包括传感元件(例如，膜)，该传感元件响应于到达传感元件的声波产生的声压，以及将由传感元件接收到的声压转换成电子电流的电子电路。麦克风传感器可以将电子信号(或模拟信号)输出到下游处理装置以进行进一步的处理。麦克风阵列中的每个麦克风传感器可以接收从距离麦克风阵列一定距离的声源发出的声音信号的相应版本。麦克风阵列可包括多个麦克风传感器以捕获声音信号(例如，语音信号)，并将声音信号转换为电子信号。电子信号可以由模数转换器(ADC)转换成数字信号，该数字信号可以由处理装置(例如，数字信号处理器(DSP))进一步处理。与单个麦克风相比，麦克风阵列接收的声音信号包括可以利用的冗余，以计算声源的估计值，从而达到降噪/语音增强、声源分离、去混响、空间录音以及源定位和跟踪等目标。经处理的数字信号可以被封装以通过通信信道传输或使用数模转换器(DAC)转换回模拟信号。

麦克风阵列可以通信方式耦合到处理装置(例如，数字信号处理器(DSP)或中央处理单元(CPU))，其包括被编程为实现用于计算声源的估计值的波束形成器的逻辑电路。在麦克风阵列中的任何麦克风传感器接收的声音信号可包括相对于参考麦克风传感器(例如，麦克风阵列中的第一麦克风传感器)接收的声音信号的噪声分量和延迟分量。波束形成器是一种空间滤波器，其使用麦克风阵列接收的声音信号的多个版本来根据某些优化规则识别声源。

从声源发出的声音信号可以是宽带信号，例如语音和音频信号，通常在20Hz到20KHz的频率范围内。由于与波束形成器相关联的波束宽度(即，频域中主瓣的宽度)与频率成反比，波束形成器的某些实施在处理低频噪声分量方面是无效的。为了抵消波束形成器的非均匀频率响应，使用差分麦克风阵列(DMA)来达到频率不变的波束图案和高方向性因子(DF)，其中DF描述了相对于方向角度的声音强度。DMA可包含响应于声压场的空间导数的麦克风传感器阵列。例如，可以将多个地理上布置的全向传感器的输出组合在一起，以测量麦克风传感器之间的声压场的差异。与增加的麦克风阵列相比，DMA允许小的传感器间距离，并且可以以紧凑的方式制造。

DMA可测量由麦克风接收的声场的导数(以不同的阶导数)。例如，利用由一对相邻麦克风之间的差异形成的一阶DMA可以测量声压场的一阶导数，以及利用由一对相邻的一阶DMA之间的差异形成二阶DMA可以测量声压场的二阶导数，其中一阶DMA包括至少两个麦克风，二阶DMA包括至少三个麦克风。因此，N阶DMA可以测量声压场的N阶导数，其中N阶DMA包括至少N+1个麦克风。N阶称为DMA的差分阶。DMA的指向性因子可以随着DMA的阶而增加。