TWI353795B - System and method for calibrating phase and gain m - Google Patents

Description

1353795 案號097100964 100年9月19日忿9月^修正替換頁 修正頁 九、發明說明： 【發明所屬之技街領域】 本發明係有關於陣列麥克風，特別是有關於包括陣列 麥克風的聲音介面裝置之生產線校正。 【先前技術】 無方向性麥克風(Omni-derectional Microphone)為單一 的麥克風，僅能以單一增益自所有方向接收聲音。當無方 向性麥克風自某一方向接收一目標聲音時’亦同時接收到 來自其他方向的噪音。因此，所接收的噪音會降低麥克風 的聲音品質。 陣列麥克風(Array Microphone)包括多個麥克風，藉由 多個麥克風同時接收聲音，再經制的信號處理，可抽取 來自單-方向的目標聲音，因此可防止無方向性麥克風的 上述缺點。這樣的陣列麥克風稱之為指向性麥克風 (Directional Mictophone)。 由於㈣麥克㈣依據其所包含的各麥克風產生㈣ 號之些微她及增益差距來抽㈣定方向的聲音信號，因 此對於各麥克風本身_相位㈣益差 麥克關存《大的純秘配㈣衫 ::定方向的聲音信號時造成誤差，而影響“ 然而，陣列麥克風所包含的各麥 的特性即有固定的誤差範圍，因而各麥克風不可：免的存 :FOR-06-0028/095S-A41057-TW/FinaJ-1 1353795 在相位與增益差異。例如各麥克風的薄膜（diaphram)的電容 大小差異便會造成其產生信號間不同程度的延遲，而各麥 克風的輸入電路的電阻阻值差異便會造成其產生信號之增 益的不同。因此，必須提供一種方法，以校正陣列麥克風 之相位不匹配及增益不匹配。 【發明内容】 有鑑於此，本發明之目的在於提供一種校正陣列麥克 風之相位不匹配及增益不匹配的系統，以解決習知技術存 在之問題。於一實施例中，該陣列麥克風安裝於一聲音介 面裝置並包含複數之麥克風，而該系統包括一味j17八及一計 算設備。該喇叭用以播放一段聲音，其中該陣列麥克風接 收該段聲音並由其中之該等麥克風分別轉換該段聲音以得 到多個音頻信號。該計算設備，耗接至該°刺σ八及該聲音介 面裝置，用以控制該聲音介面裝置進入對該等音頻信號不 進行任何信號處理的一旁路模式，紀錄該聲音介面裝置輸 出的該等音頻信號，計算該等音頻信號間的延遲時間，並 依據該延遲時間控制該聲音介面裝置修正該等音頻信號間 的相位差距。 本發明更提供一種校正陣列麥克風之相位不匹配及增 益不匹配的方法。於一實施例中，該陣列麥克風安裝於一 聲音介面裝置並包含複數之麥克風。首先，播放一段聲音， 以使該陣列麥克風接收該段聲音，並由該陣列麥克風中之 該等麥克風分別轉換該段聲音以得到多個音頻信號。接 著，控制該聲音介面裝置進入對該等音頻信號不進行任何 :FOR-06-0028/0958-A4]057-TW/Final-l 替換頁 必尤爽一的一旁路模 該等音頻作梦。姑一按者，’、己錄該耷音介面裝置輪出的 著依.據該等相關係 、的相關係數。接 俊依據該延遲時間控制該聲取 號間的相位差距。 裝且L正該+音頻信 明讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 月』易幢’下文特舉數較佳實 詳細說明如下： 卫配。所附圖不，作 【實施方式] 二圖為依據本發明校正陣列麥克風別之相匹 二==匹配㈣的區塊圖。系統⑽包括一計 人 ，M1G8。系統10)2用以於-生產線上校 4二='尸。4所包含的陣列麥克風u。。舉例來說， :ί:裝夏104可為-藍牙耳機、，免手持· 二曰、或免手持車上機(hands_free car kit)。聲音介面裝 置104包括的陣列麥克風11〇則包含兩個無方向性麥克風 k兩麥克風η]、Η#相距一距離d。該計算設 備ι〇6可為一電腦或一微控制器。 私=了陣列麥克風110，聲音介面裝置10〇 一包括兩個 别入屯路122、132，兩個類比至數位轉換器124、134，數 ^號處理器126，記憶體128,資料傳輸介面142,以及 =制介面144。當計算設備1〇6控制喇叭1〇8播放一段聲 曰=，揲方向性麥克風112、114首先分別將該段聲音轉換 為音頻信號X]、Yl。輸入電路122、132接著分別放大並 ：FOR-06-0028/0958-A41057-TW/Final-] 1353/95 、 蹚㈣修正替換頁 過遽音頻錢X】、1以得到音齡， 位轉換器】24、】34接著分別對音頻作號％ 2心。至數 至數位轉換以得到音頻信號X3、y3。& 2 2、行類比 數位信號處理器126接著依據計算 理信號X3、YS以分別得到音頻作轳 知不處 -由以傳褕介面142及控制介面 又備106 理器126。資料傳輸介面 ：,至數㈣號處 算一計一對=至計 麥克風=m麥克風u。僅包含兩個 包含兩個以上的實施例中陣列麥克風 及增!=:==、!正陣列麥克風之相位咖 以校正陵!流程圖。系、統102依據方法· 嘗障列麥克風之相位不匹配及增益不匹配。首先，叶 :麥1請播放—段聲音(步驟卿其中八 作號声ΐ。支12、114等距。接著，計算設備106將數位 旁ϋΓ 路模式(Bypass Mode)(步驟2〇4)，於該 播紅：處 ％麥克風112、114分別將喇叭108 χ γ音轉換為音頻信號H(步驟2〇5)。音頻信號 比？叙】接著分別由輸入電路122、132進行放大，再由類 值轉換器124、134轉換為音頻信號Χ3、丫3。在旁 任Γ Ϊ下，數位信號處理器126不對音頻信號乂3、Υ3進行 可处理，而直接將其輪出為音頻信號Χ4、γ4。因此，音 〇R 〇6*〇〇2δ/〇958-Α41057-' 丁 V//Fmal-] 修織頁 含由麥克風112、114’輪入電路122、 與增益不匹Γ。至數位轉換器124、134弓丨起的相位不匹配 Χ4、γ (止驟':數位信號處理器126接著紀錄音頻信號 4 丫4,(，驟206)，以待後續進行進—步分析。 传號=^備1()6接著對數位信號處理器126紀錄的音頻 定：二，丁兩部份的分析。第-分析裎序加用以確 用：確t ί:、Υ4間的相位不匹配’而第二分析程序220 用乂確疋曰頻信號Χ4、γ4間的增益不匹配。 比至數位轉換11 124、134的取樣率較低，不夠 進^的延遲時間計算，因此f先對音頻信號n 丁二1增加其取樣率（步驟212)。接著，計算設備⑽ 該兩：頻信號x4、Y4之樣本的相關係數(步驟214)。 X ^ ^异設備⑽依據該等相_數計算該兩音頻信號 4 Y4間之延遲時間（步驟216)。 因為麥克風112與114與剩πΛΐ〇8的距離相等，因此 兄風112與U4接收聲音之前聲音係被延遲相等時 日因此，音頻信號义、的延遲時間係完全由 112、114’輸人電路以、132、以及類比錄位轉換哭以、 ⑶所引起。計算設請接著依據該延遲時間二定一延 遲樣本數(步驟218)，並賴延遲#本數料錄位信號處 理裔！26。於一實施例中，數位信號處理器】乃將該延遲 樣本數儲存於記憶體128中（步驟2释並依據該延遲樣本 /數延遲音頻錢χ3、Y3，以產生該兩音頻信號χ4、I， 攸而消除音頻信號Xs、A之間的相位不匹配。 :POR-06-0028/095S'A43 057-TW/Final-] 30 1353795 增益不匹配於第-公★ a ⑽先吾測^立^ 斤220達行分析。計算設襟 』的兀里冽該兩音頻信號χ 平滑化量測到之功率，以分別得^率（步驟⑽，接著 值(步驟224)。由於•道lit姻號之平均 因此她⑽播放聲音時聲距^達兄^12、114等距離， 完全由麥克風m、】】4，輪入功率差距係 雪路m、一 4 122、132，類比至數位 0 -生的。計#設備1G6接著依據平滑化後 位增益值（步驟226)，並遞送該增益值予數 理器126接著將該增益值 γ二玄:: ’並依據該增益值補償音頻信號心、 J 卞差距，以侍到沒有增益不匹配 γ4(步驟 230)。 Ά ^ Χα =，步驟21δ與226可用以決定—组濾波係數以供 糾曰頻信號X3、YJ的相位不匹配與增益不匹配。兮组 濾波係數可儲存於記憶體128，之後數位錢處理哭⑶ 依據m皮係數過濾音頻信號Χ3、Υ3，以除去其間的相 位不匹配與增益不匹配。於一實施例中，記憶體⑶中預 先儲存多組濾波係數，而計算設備1()6依據步驟128、孤 遲時⑽增益值自記憶體128儲存的多組遽波係 k取組最佳濾波係數。數位信號處理器126接著依 據該組最佳濾波係數過濾音頻信號X3、YS，以修正其相^ 不匹配並補償其增益不匹配。 立 第3圖為依據本發明校正陣列麥克風31〇之相位不匹 ：FOR-06-0028/0958-A41057-TW/Final-l 1353795 修正替換頁 配及增益不匹配的系統302的區塊圖。與第1圖之聲音介 面裝置104相比，第3圖之聲音介面裝置304增加了兩調 整電路323、333。調整電路323、333分別耦接於輸入電 路322、332與數位至類比轉換器324、334之間。當計算 設備306於步驟216、226得到延遲時間與增益值後，調整 電路323、333依據延遲時間補償音頻信號X2、Y2間之相 位不匹配，並依據該增益值補償音頻信號Χ2、Υ2間之增益 不匹配，以得到沒有相位不匹配及增益不匹配的音頻信號 χ2,、Υ2,。 第4圖為依據本發明校正陣列麥克風410之相位不匹 配及增益不匹配的系統402的區塊圖。類比至數位轉換器 424與434以高取樣率轉換音頻信號Χ2、Υ2以得到音頻信 號Χ3、Ύ3。聲音介面裝置404增加了取樣修正電路423、 433。當計算設備406於步驟216、226得到延遲時間與增 益值後，計算設備406發出包含延遲時間的指令C2、C3 通知取樣調整電路423、433。取樣調整電路423、433依 據該延遲時間移位音頻彳§ 5虎X3、Ys之樣本以修正該寻音頻 信號間之相位不匹配，而得到沒有相位不匹配及增益不匹 配的音頻信號X3 ’、Y3 ’。 第5圖係依據本發明校正陣列麥克風之相位不匹配及 增益不匹配的方法500的流程圖。與第2圖之方法200相 比，方法500多了步驟508。計算設備106依據方法500 之步驟508對音頻信5虎Χ4、Υ4進行次頻帶分析（Sub-band Analysis)，以於第一分析程序510中確定音頻信號X4、Y4 :FOR-06-0028/0958-A41057-TW/Final-l 12

第二”一中確定音頻信號 算並較為複雜，但進行次頻斤^分析需耗費較多的計 得到較精麵延遲時間與增之方法5GG可較方法細 不匹=0;:供:種校正陣列麥克風之相位不匹配及增益 存=:=及f的多個音頻信號間會 可除去陣列麥克風產生的多:音;後， 二=配。囚此，後續的波束形成（beam.-f0rming)程序可 聲立=麥克風產生的多個音頻信號截取來自特定方向的 聲曰，而不受相位不匹配及增益不匹配的干擾。 發明已以較佳實施例揭露如上’然其並非用以 月’任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精 ?乾圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此 護範圍當社Μ專鄕騎衫者轉。 [.圖式簡單說明】 …第1圖為依據本發明校正陣列麥克風之相位不匹配及 增益不匹配的系統的區塊圖； 、第2圖為依據本發明之校码解克風之相位不匹配 及增益不匹配的方法的流程圖； 第3圖為依據本發明校正陣列麥克風之相位不匹配及 增盈不匹配的系統的區塊圖； 第4圖為依據本發明校正陣列麥克風之相位不匹配及 :F〇R-06-0028/0958-A4 J 057-TW/Final-1 1353795 增益不匹配的系統的區塊圖；以及 第5圖為依據本發明之校正陣列麥克風之相位不匹配 及增益不匹配的方法的流程圖。 【主要元件符號說明】 102、302、402〜校正系統； 1〇4、304、404〜聲音介面裝置； 106、306、406〜計算設備； 108、308、408〜13刺口八； 110、310、410〜陣列麥克風； 112、114、312、314、412、414~麥克風； 122、132、322、332、422、432〜輸入電路； 124、134、324、334、424、434〜類比至數位轉換器； 126、326、426〜數位信號處理器； 128、328、428〜記憶體； 142、342、442〜資料傳輸介面； 144、344、444〜控制介面； 323、333〜調整電路； 423、433〜取樣調整電路； 425、435〜編碼解碼器。

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:FOK-06-0028/0958-A43 057-TW/Fina}-I 14

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： 的系L 正陣列麥克風之相位不匹配及增益不匹配 私、·〃中該陣列麥克風安装於一聲 複數之麥克風，該系統包括： 裝置亚包含 制σ八’用以播放一段聲 該段聲音並由並令之㈣失t 中該陣列麥克風接收 多個音頻信#/;、4夕克U轉換該段聲音以得到 控制聲音介面裝置， 處理的一旁路頻信號不進行任何信號 #號“ΐϊί咖聲音介面裝置輸出的該等音頻 間控制該’並依據該延遲時 2 =11 該等音頻信號間的相位差距。 ‘ 專範㈣1項所述之校正陣 位不匹配及增益不匹配的系 夕克風之相 或-微處理器。系統’其中該計算設備為一電腦 3·如申請專利範圍第】項所述之 位不匹配及增益不匹配的系統，其 音頻信號間的相關係數以決定該延遲時間。f异该專 如申μ專利範圍第丨項所述之校正陣列麥 ==:::功該 號二_:並依據該等增益值控二 該等音頻jg號間之增益不匹配。 侦 5.如申請專利範圍第4項所述之校正陣列麥克風之相 Client's Docket No.：FOR-〇6-〇〇28 TT’s Docket N〇:〇958-A41〇57-TW/Final/Yuan/2〇〇8. 01-08 15 1353795 =μ㈣的系統，其中該計算 遲時間及該增益值計曾讳如^ ^ 數於該聲音介面F詈數之滤波係數，儲存該轉波係 , 、，並使該聲音介面裝置依據誃算濟波 係數過濾該等音頻信號& # 人、^ 不匹配。 〜μ修正其相位不匹配並補償其增益 6. 如申請專利範圍货 位不匹配及增益不匹=項Τ校正陣列麥克風之相 个匕配的糸統，其中該聲音介面 储子多組紐係數，岭計算設備依據 、 =該滤波係數中選取-組最佳滤波係數，= =面裝置依據該纽最佳濾波係數過濾 修正其相位不匹配並補償其增益不匹配。 頭U 7. 如申請專利範園第5項所述之校正 位不匹配及增益不匹配的系統，其一相 該陣列麥克風，包括該等麥克風，其 該段聲音轉換為該等音頻信號其中之一/;、 夕克風將 多個輸入電路，耦接至該陣列麥克風的該 ， 放大並過濾該等音頻信號； 見風 ，多個類比至數位轉換器，減至該等輸入電路 專音頻信號進行類比至數位轉換； ’ -數位信號處理H ’ _至該類比至數位轉換哭 據該計算設備之指令處理該等音頻信號； 一資料傳輸介面’輕接於該數位信號處理器枭兮 設備之間，傳送該等音頻信號至該計算設備；以及 一控制介面’輕接於該數位信號處理器與該計算設備 Client’s Docket N〇.:FOR-06-0028 TTs Docket No:0958-A41057-TW/Final/Yuan/2008-01-08 16 1353795 之間，將該計算設備之指令傳送至該數位信號處理器。 8. 如申請專利範圍第7項所述之校正陣列麥克風之相 位不匹配及增益不匹配的系統，其中該聲音介面裝置更包 括一記憶體，耦接至該數位信號處理器，儲存依據該延遲 時間及該增益值計算得到的多個濾波係數，而該數位信號 處理器依據該等濾波係數過濾該等音頻信號以修正其相位 不匹配並補償其增益不匹配。 9. 如申請專利範圍第7項所述之校正陣列麥克風之相 位不匹配及增益不匹配的系統，其中該聲音介面裝置更包 括複數之調整電路，分別耦接於該等輸入電路其中之一與 該數位置類比轉換器之間，依據該延遲時間補償該等音頻 信號間之相位不匹配，並依據該增益值補償該等音頻信號 間之增益不匹配。 10. 如申請專利範圍第7項所述之校正陣列麥克風之 相位不匹配及增益不匹配的系統，其中該等類比至數位轉 換器以高取樣率轉換該等音頻信號，而該聲音介面裝置更 包括多個取樣調整電路，分別耦接於該等數位至類比轉換 器與該數位信號處理器之間，依據該延遲時間移位該等音 頻信號之樣本以修正該等音頻信號之相位不匹配。 11. 如申請專利範圍第4項所述之校正陣列麥克風之 相位不匹配及增益不匹配的系統，其中該計算設備更對該 等音頻信號進行次頻帶分析（Sub-band Analysis)，以決定該 延遲時間及該增益值。 12. —種校正陣列麥克風之相位不匹配及增益不匹配 Client's Docket N〇.:FOR-06-0028 TT^ Docket No:0958-A41057-TW/Final/Yuan/2008-01-08 的=法决其中該陣列麥克風㈣於 複數之麥克風，該方法包括下列步驟：面裝置亚包含 播放-段聲音’以使該 由該陣列麥克風中之該等心^見風接收糾聲音，並 多個音頻信號，· 4麥克風分別轉換該段聲音以得到 控制該聲音介面裝置進入對哕 信號處理的-旁路模式； β專曰頻U虎不進行任何 7錄該聲音介面裝置輸出的該等音頻信號； 计异該等音頻信號間的相關係數； 以及依據料㈣㈣數決定料音頻信制之延遲時間； 依據該延料間㈣該聲音介面裝置修正該等 就間的相位差距。 負L 13.如申請專利範圍第u項所述之校正陣列麥克風 =不匹配及增益不匹配的方法，其中該方法更包括下 量測該等音頻信號之功率； 依據該等功率之差異衫卿音頻錢之增益值 及 依據該等增益值控制該聲音介面裝置補償該等音頻信 號間之增益不匹配。 14.如中料利制第13項料之校正陣列麥克風之 相位不匹配及增益不匹配的方法，其中該方法更包括下列 步驟： Client’s Docket N〇.:FOR-06-0028 TT*s Docket No:0958-A41057-TW/FinaIA^uan/2008-01 -08 18 依據該延遲時間及該增益值計算複數之濾波係數； 儲存該等濾波係數於該聲音介面農置；以及 。使該聲音介面裝置依據該等濾波係數過濾該等音頻信 號以修正其相位不匹配並補償其增益不匹配。 15_如申請專利範圍第13項所述之校正陣列麥克風之 相位不匹配及增益不匹配的方法，更包括下列步驟： 預先儲存多組濾波係數於該聲音介面裝置； 依據該延遲時間及該增益值自該多組渡波係數中選取 一組最佳濾波係數；以及 使該聲曰介面裝置依據該組最佳滤波係數過滤該等音 頻信號以修正其相位不匹配並補償其增益不匹配。 A如申請專利範圍fl4項所述之校正陣列麥克風之 相位不匹配及增益不匹配的方法，其中該聲音介面裝置包 括一記憶體，儲存依據該延遲時間及該增益值計算得到的 多個濾波係數，而該聲音介面裝置依據料濾波係數過爐 該等音頻信號以修正其相位不匹配並補償其增益不匹配。 17. 如申請專利範圍fl3項所述之校正陣列麥克風之 相位不匹配及增益不匹配的方法，其中該聲音介面裝置更 包括複數之·電路’依據該延遲時間補償該等音頻信號 間=相位不匹配’並依據該增益值補償該等音頻信號間之 增ϋ不匹配0 18. 如申請專利範圍帛13項所述之校正陣列麥克風之 =不匹配及增益不匹配的方法，其中該方法更包括對該 專曰頻信號進行次頻帶分析（Sub如心响A)，以決定該 Client's Docket No.：FOR-〇6-〇〇28 TT's Docket N〇：〇958-A41057-TW/Fmal^uan/2〇〇8-〇i.〇8 19 L353795 延遲時間及該增益值。

   Client's Docket N〇.:FOR-06-0028 TT's Docket No:0958-A41057-TW/FinalAruan/2008-01-08