本發(fā)明涉及為例如麥克風(fēng)或揚聲器陣列之類的換能器陣列的波束成形濾波器計算fir濾波器系數(shù)。

背景技術(shù)：

如在音頻領(lǐng)域中采用的波束成形技術(shù)(例如)定義–在麥克風(fēng)陣列的情況下，用于評估麥克風(fēng)的個別信號，以及在揚聲器陣列的情況下，用于再現(xiàn)個別揚聲器的信號–信號如何通過使用各自的時間離散濾波器來進(jìn)行個別的濾波。例如，對于諸如音樂的寬帶應(yīng)用，從最佳頻率響應(yīng)的規(guī)范為所述時間離散濾波器確定系數(shù)。

關(guān)于波束成形和信號驅(qū)動的文獻(xiàn)幾乎僅涉及在頻域內(nèi)的驅(qū)動權(quán)重的設(shè)計。在此上下文中，一個隱含的假設(shè)是時域內(nèi)的fir濾波器通過稱為fft的逆離散傅立葉變換(dft)來確定。這種方法可以被解釋為頻率采樣設(shè)計[smi11，lyo11]，非常簡單的濾波器設(shè)計方法，其具有各種缺點：濾波器的頻率響應(yīng)必須在上至采樣頻率的整個時間離散頻率軸上在等距離光柵內(nèi)被指示。如果不能為各個頻域(例如，其中令人滿意的定向效率是不可能的非常低的頻率或者其中由于空間混疊而不能發(fā)生發(fā)射的定點(pin-pointed)影響的高頻率)的頻率響應(yīng)提供合理的定義，將存在結(jié)果產(chǎn)生的fir濾波器不能被使用的風(fēng)險(例如，由于頻率采樣點之間的強波動導(dǎo)致的在特定頻率處的過度增益值等)。

結(jié)果產(chǎn)生的fir濾波器在由dft給出的頻率光柵內(nèi)精確地映射所定義的頻率響應(yīng)；但是，頻率響應(yīng)可以采用光柵點之間的任何值。這經(jīng)常導(dǎo)致表現(xiàn)出結(jié)果產(chǎn)生的頻率響應(yīng)的激烈振蕩的不切實際的設(shè)計。

此外，在頻率采樣設(shè)計中，fir濾波器的長度自動地由所定義的頻率響應(yīng)的分辨率而造成(反之亦然)。

利用頻率采樣設(shè)計創(chuàng)建的濾波器傾向于時域混疊，即脈沖響應(yīng)的周期性卷積(例如，[smi11])。為此，可能必須使用諸如dft的零填充(zero-padding)或所生成的fir濾波器的加窗的附加技術(shù)。

替代方法包括在一階段(one-stage)過程中直接在時域內(nèi)確定fir系數(shù)[mdk11]。在這個上下文中，用于所定義的頻率光柵的陣列的發(fā)射行為被直接表示為所有換能器(例如，揚聲器/麥克風(fēng))的fir系數(shù)的函數(shù)，并且被公式化為單個優(yōu)化問題，其求解同時確定所有波束成形濾波器的最佳濾波器系數(shù)。這里的問題是優(yōu)化程度的問題，既與要被優(yōu)化的變量的數(shù)量(濾波器長度乘以波束成形濾波器的數(shù)量)有關(guān)又與定義方程的維度，并且可能地，次要條件有關(guān)。后面的維度通常與頻率光柵點的數(shù)量以及以其建立期望波束成形器響應(yīng)的空間分辨率兩者成比例。由于這種快速增加的復(fù)雜性，這種方法限于具有少量元件的陣列和非常小的濾波器階數(shù)。例如，使用[msk11]包括六個元件和具有濾波器長度為8的麥克風(fēng)陣列。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種為換能器陣列的波束成形濾波器計算fir濾波器系數(shù)的概念，所述概念就例如所實現(xiàn)的波束成形質(zhì)量與所涉及的計算開銷之間的比率而言更有效。

此目的是通過所附獨立權(quán)利要求的主題實現(xiàn)的。

本申請所基于的一個構(gòu)想在于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為諸如麥克風(fēng)或揚聲器陣列的換能器陣列的波束成形濾波器計算fir濾波器系數(shù)的有效性例如在所述計算在兩個階段中執(zhí)行時可被增加；即，一方面通過計算預(yù)定頻率光柵內(nèi)的波束成形濾波器的頻域濾波器權(quán)重，即描述頻域內(nèi)的波束成形濾波器的傳遞函數(shù)的系數(shù)和/或在每種情況下用于各個頻率或用于具有各個頻率的正弦輸入信號，以便獲得用于波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)，使得將波束成形濾波器應(yīng)用于陣列近似期望定向選擇性，以及隨后通過為波束成形濾波器計算fir濾波器系數(shù)，即描述時域內(nèi)的波束成形濾波器的脈沖響應(yīng)的系數(shù)，使得波束成形濾波器的頻率響應(yīng)近似中間頻率響應(yīng)。兩階段系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對如由fir濾波器系數(shù)所描述的脈沖響應(yīng)的直接傅立葉變換造成的頻率分辨率的獨立選擇。此外，在頻域中的波束成形驅(qū)動權(quán)重的計算中和在時域fir濾波器系數(shù)的計算中，都可以定義特定次要條件，以便以定點的方式影響各個計算。

附圖說明

本發(fā)明的有利實施方式是從屬權(quán)利要求的主題。下面將參考附圖更詳細(xì)地解釋本申請的優(yōu)選實施例，其中：

圖1示出了具有對其可使用本申請的實施例的波束成形濾波器的揚聲器陣列的示意性框圖；

圖2示出了具有對其可使用本申請的實施例的波束成形濾波器的麥克風(fēng)陣列的示意性框圖；

圖3示出了根據(jù)實施例的用于為波束成形濾波器計算fir濾波器系數(shù)的設(shè)備的框圖；

圖4示意性地示出，根據(jù)圖3中的實施例，波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)的基于優(yōu)化的計算如何通過dsb設(shè)計的建模被逐步執(zhí)行；

圖5示意性地示出，根據(jù)實施例，布置在兩個計算裝置之間的圖3中的修改裝置如何使得優(yōu)化目標(biāo)更適于在第二計算裝置內(nèi)執(zhí)行的時域優(yōu)化；

圖6示意性地示出，根據(jù)實施例，利用相位調(diào)平(phaseleveling)在圖3的延遲適配模塊內(nèi)移除的延遲如何可以被重新積分到所計算的fir濾波器系數(shù)中；及

圖7示意性地示出，根據(jù)用于在圖3的第一計算裝置中執(zhí)行目標(biāo)頻率響應(yīng)計算的混合方法，目標(biāo)頻率響應(yīng)如何由低頻段中的優(yōu)化分量和高頻段中的dsb傳遞函數(shù)組成。

具體實施方式

圖1初始地示出揚聲器12的陣列10的示例，通過應(yīng)用波束成形濾波器(bff)14使得揚聲器12的陣列10例如展現(xiàn)期望定向選擇性，即在特定方向16上發(fā)射。在圖1中，使用了索引，例如，用于對各個揚聲器12進(jìn)行彼此區(qū)分。揚聲器12的數(shù)量n可以是兩個或更多個。如從圖1中可以看到，每個揚聲器12n(其中i＝1...n)具有在其上游連接的波束成形濾波器14n，其對對應(yīng)的揚聲器輸入信號進(jìn)行濾波。特別地，揚聲器12n在此經(jīng)由其對應(yīng)的波束成形濾波器14n連接到公共音頻輸入18。這意味著所有揚聲器12n獲得相同的音頻信號，但是，該音頻信號被各個波束成形濾波器14n濾波。在輸入18處的音頻信號s()是由音頻樣本序列組成的時間離散音頻信號，以及波束成形濾波器14n被設(shè)計為fir濾波器并且因此將音頻信號與各個波束成形濾波器14n的脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積，所述脈沖響應(yīng)由各個波束成形濾波器14n的fir濾波器系數(shù)定義。例如，如果輸入18處的音頻信號由該音頻樣本序列s(k)描述，則用于各個揚聲器12n的結(jié)果產(chǎn)生的經(jīng)濾波的揚聲器信號可以被描述為，例如：

其中是具有fir階數(shù)和/或濾波器長度的fir濾波器14n的濾波器系數(shù)。

fir系數(shù)計算的技術(shù)在于，揚聲器陣列10在輸入18處以期望定向選擇性(例如，在期望方向16上)發(fā)射音頻信號。在該上下文中，圖1僅通過示例的方式繪出了揚聲器12n被等距離地布置成一條線，并且陣列10是揚聲器的線性陣列。但是，揚聲器的二維布置也是可行的，就像揚聲器12在陣列10中的非均勻分布以及就像與沿著直線和/或平面的布置偏離的布置都是可行的。發(fā)射方向16可以例如通過方向16與揚聲器12沿其布置的該直線和/或面的中垂線的角度偏差來測量。但是，這里也存在兩種可能的變化。例如，可能地，發(fā)射優(yōu)選地旨在陣列10上游的特定位置處可聽見。但是，波束成形濾波器14n的濾波器系數(shù)h也可以甚至被更精確地選擇，使得陣列10在發(fā)射時的定向特性或定向選擇性不僅在特定方向16上經(jīng)歷最大值，而且滿足其它期望標(biāo)準(zhǔn)，諸如角度發(fā)射寬度、在最大發(fā)射的方向16上的特定頻率響應(yīng)或者甚至在考慮包括方向16及其周圍方向的區(qū)域時的特定頻率響應(yīng)。

下面將描述計算換能器陣列10的波束成形濾波器14n的上述fir濾波器系數(shù)的有效方式的實施例。但是，下面所描述的實施例也可適用于計算其它換能器陣列(諸如超聲換能器、天線等)的波束成形濾波器。旨在用于接收的換能器陣列也可以是所述波束成形的對象。例如，下面所描述的實施例也可以應(yīng)用于設(shè)計麥克風(fēng)陣列的波束成形濾波器，即用于計算它們的fir濾波器系數(shù)。圖2示出了這種麥克風(fēng)陣列。圖2的麥克風(fēng)陣列也通過示例的方式被提供有附圖標(biāo)記10，但是至少，由麥克風(fēng)201...20n組成。關(guān)于麥克風(fēng)的布置，關(guān)于圖1的揚聲器12所述的一切也將適用于它們：它們可以沿著線一維地布置或沿著面二維地布置，其中線可以是直的以及面可以是平面，并且也并非需要均勻分布。每個麥克風(fēng)生成所接收的音頻信號并經(jīng)由各個波束成形濾波器14n連接到用于輸出所接收的音頻信號s'的公共輸出節(jié)點22，使得波束成形濾波器14n的經(jīng)濾波的音頻信號疊加性地貢獻(xiàn)于音頻信號s'。為此，加法器24被連接在波束成形濾波器14n的輸出和公共輸出節(jié)點22之間。波束成形濾波器再次被配置為fir濾波器并且例如根據(jù)以下公式從各個麥克風(fēng)20n的各個音頻信號形成經(jīng)濾波的音頻信號即

其中再次是波束成形濾波器14n的fir濾波器系數(shù)。然后，根據(jù)以下公式，由加法器24所作出的求和產(chǎn)生總輸出信號s'

后續(xù)的實施例依次使得圖2的麥克風(fēng)陣列10包括期望定向選擇性或定向特性，以便主要或排他性地記錄來自特定方向16的聲音的場景，或者對來自特定方向16的聲音的場景敏感，從而它將被反映在輸出信號s'中；方向16可以再次如圖1的情況通過角度偏差或者在二維的情況下通過來自陣列10的中垂線的和θ而被定義，并且期望定向選擇性可能比僅僅指示最大靈敏度的方向更精確，即關(guān)于空間維度或頻率維度更精確。

圖3現(xiàn)在繪出了用于計算用于換能器陣列的波束成形濾波器的fir濾波器系數(shù)的設(shè)備的實施例，所述換能器陣列是諸如例如圖2所示的麥克風(fēng)陣列，或者例如圖1所示的揚聲器陣列。

該設(shè)備一般地由30指示并且可以例如以由計算機執(zhí)行的軟件實施，在這種情況下，例如，下面所描述的所有裝置和模塊可以是計算機程序的不同部分。但是，以專用硬件的形式(諸如以asic的形式)或以可編程邏輯電路(例如fpga)的形式的實施也是可能的。

設(shè)備30計算fir濾波器系數(shù)32，諸如專門用于陣列10的波束成形濾波器14n的上述為此目的，設(shè)備30包括用于獲得關(guān)于陣列10的信息或關(guān)于期望定向選擇性的信息的接口。圖3通過示例的方式示出了設(shè)備30從外部源獲得換能器數(shù)據(jù)34，其中換能器數(shù)據(jù)34將在下面通過示例的方式更詳細(xì)地描述，并且指示換能器元件(即，例如，揚聲器或麥克風(fēng))的(例如)位置和朝向，以及它們各自的定向選擇性的靈敏度和/或發(fā)射特性和/或頻率響應(yīng)。其它信息涉及期望定向選擇性，例如，圖3示出了設(shè)備30獲得指示陣列10的期望定向行為(諸如最大發(fā)射和/或靈敏度的方向)的數(shù)據(jù)36，以及可能更精確的信息(諸如關(guān)于上述最大發(fā)射/靈敏度的發(fā)射行為和/或靈敏度)。數(shù)據(jù)36由另外的數(shù)據(jù)38進(jìn)行補充，例如，其可以從外部對設(shè)備30定義并且涉及例如在陣列10的發(fā)射和/或靈敏度方向上的陣列10的期望傳遞特性和/或頻率響應(yīng)，即，在一個或多個特定方向上利用最終fir濾波器系數(shù)設(shè)置的陣列的靈敏度或發(fā)射強度的頻率相依目標(biāo)描述。還可以對設(shè)備30定義其它信息用于計算fir濾波器系數(shù)32，諸如與針對實際上設(shè)置的陣列10的實際物理情勢的換能器數(shù)據(jù)34的偏差所必須遵守的計算出的fir濾波器系數(shù)的健壯性相關(guān)的定義，所述定義在圖3中具有附圖標(biāo)記40，以及關(guān)于頻率限制42的數(shù)據(jù)，其用于計算的示例性意義將在下面進(jìn)行描述并且可能與換能器數(shù)據(jù)34有關(guān)。

應(yīng)當(dāng)指出，通過示例的方式從外部可以對圖3的設(shè)備30定義的所有信息34至42都是可選的。設(shè)備30還可以為特定陣列設(shè)置進(jìn)行專門配置，并且設(shè)備還可能被專門配置用于其它數(shù)據(jù)的某些設(shè)置。在輸入選項的情況下，所述輸入選項可以例如經(jīng)由輸入接口(諸如經(jīng)由計算機的用戶輸入接口或計算機的讀取接口)來實施，使得例如一個或一些特定文件的數(shù)據(jù)被讀取。

圖3的設(shè)備包括第一計算裝置44和第二計算裝置46。第一計算裝置44計算波束成形濾波器的頻域濾波器權(quán)重，即波束成形濾波器的傳遞函數(shù)的復(fù)值樣本。它們用于建立用于波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)。特別地，第一計算裝置44在由特定的、不一定相互等距的頻率ω1...ωk定義的頻率光柵內(nèi)計算頻域驅(qū)動權(quán)重，使得它們描述波束成形濾波器的傳遞函數(shù)其在將這種波束成形濾波器應(yīng)用于陣列10中近似期望定向選擇性。下面給出對第一計算裝置為此目的而使用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法(例如，求解線性、平方或凸優(yōu)化問題的方法)的效果的描述。頻率光柵可以例如根據(jù)置于波束成形應(yīng)用上的要求(諸如置于特定頻域內(nèi)的所定義的發(fā)射的精確程度上的不同要求)或者根據(jù)其它要求(例如，關(guān)于下面提到的后續(xù)fir時域設(shè)計方法，諸如依賴于用于定義期望頻率響應(yīng)的必要采樣率)來選擇。

雖然第一計算裝置44因此描述波束成形濾波器在頻率ω上的傳遞函數(shù)和/或計算傳遞函數(shù)，即在例如特定節(jié)點ω1...ωk處，第二計算裝置46旨在確定描述波束成形濾波器的脈沖響應(yīng)的波束成形濾波器的那些fir濾波器系數(shù)。第二計算裝置46執(zhí)行計算，使得如經(jīng)由傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)之間的連接而與fir濾波器系數(shù)對應(yīng)的波束成形濾波器的頻率響應(yīng)近似由第一計算裝置44定義的目標(biāo)頻率響應(yīng)。根據(jù)后續(xù)的實施描述，第二計算裝置46也使用優(yōu)化，其又可以被配置為求解線性、平方或凸優(yōu)化問題的方法。

下面將針對可能的實施情況更詳細(xì)地描述圖3的設(shè)備30的操作模式。該描述還涉及各種實施可能性。根據(jù)一種實施可能性，第一計算裝置44通過求解第一優(yōu)化問題來執(zhí)行計算，根據(jù)其，如由頻域驅(qū)動權(quán)重造成的陣列的定向選擇性和可以由數(shù)據(jù)34和/或38定義的期望定向選擇性之間的偏差被最小化。如圖3所示，為此目的，第一計算裝置44可以使用健壯性定義40作為優(yōu)化問題的次要條件，并且換能器數(shù)據(jù)34用于設(shè)置或定義優(yōu)化變量(即一方面頻域驅(qū)動權(quán)重以及另一方面結(jié)果產(chǎn)生的定向選擇性)之間的連接。接下來的描述將討論第二計算裝置46的可能實施，這將導(dǎo)致第二計算裝置也可以求解優(yōu)化問題以便執(zhí)行計算。根據(jù)作為第二計算裝置46的基礎(chǔ)的第二優(yōu)化問題，與目標(biāo)頻率響應(yīng)的偏差在頻域內(nèi)被最小化。如前所述，待被第二計算裝置46計算的fir濾波器系數(shù)與脈沖響應(yīng)對應(yīng)，并且根據(jù)以下實施例，裝置46通過優(yōu)化來嘗試計算它們，使得與所述脈沖響應(yīng)對應(yīng)的傳遞函數(shù)盡可能地近似如已由第一計算裝置44計算出的傳遞函數(shù)從接下來的描述中將變得清楚的是，在計算裝置46的優(yōu)化中，為這種優(yōu)化專門提供并由數(shù)據(jù)42定義的次要條件可被有利地加以考慮。接下來的描述還將討論目標(biāo)頻率響應(yīng)修改裝置48，該目標(biāo)頻率響應(yīng)修改裝置48被可選地提供于兩個計算裝置44和46之間并且可能在已由第一計算裝置44確定的波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)被第二計算裝置46用作近似目標(biāo)之前修改波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)。將描述各種修改可能性。它們用于避免在由計算裝置46進(jìn)行的fir濾波器系數(shù)32的計算或者甚至質(zhì)量方面較差的fir濾波器系數(shù)的計算中的有效性的損失。根據(jù)一個修改可能性，設(shè)備30還可能包括可選的修改裝置50，用于修改已由第二計算裝置46計算的計算出的fir濾波器系數(shù)，從而各個修改被加以考慮。在下文中，圖3還通過示例的方式描述了用于第一計算裝置44和目標(biāo)頻率響應(yīng)修改裝置48的可能的模塊化設(shè)置，但是各個模塊化設(shè)置只是示例性的。

如以上已經(jīng)概述的，圖3的設(shè)備30可以使用優(yōu)化問題的求解方案用于找到用于波束成形濾波器的時域fir濾波器和/或fir濾波器系數(shù)。利用基于優(yōu)化的濾波器設(shè)計方法的時域fir濾波器計算將如下所述地避免頻率采樣設(shè)計的缺點以及例如對于如在本申請的介紹部分中已描述的濾波器的直接時域設(shè)計的復(fù)雜性并且因此置于計算時間和諸如主存儲器的資源上的要求。根據(jù)圖3，設(shè)計波束成形濾波器由第一和第二計算裝置44和46在兩階段過程中執(zhí)行：

-在由第一計算裝置44提供的第一階段中，頻域內(nèi)的波束成形驅(qū)動濾波器bff的頻率響應(yīng)被設(shè)計為在所定義的頻率光柵ωk內(nèi)，該頻率光柵建立了某種頻率分辨率，諸如δω＝ωk-ωk-1。但是，該頻率光柵不需要被選擇為等距的，而也可以是不均勻的。在這種上下文中，可以返回在文獻(xiàn)中描述的波束成形技術(shù)。可以使用優(yōu)化。這種頻域優(yōu)化方法在例如[msk09]中描述。

-在由第二計算裝置46提供的第二階段中，如第一階段所定義的，通過計算所述fir濾波器的fir濾波器系數(shù)為每個波束成形驅(qū)動濾波器bffn從其目標(biāo)頻率響應(yīng)生成fir濾波器。這里也可以使用優(yōu)化方法，以便實現(xiàn)用于給定fir濾波器布置的期望頻率響應(yīng)的最佳近似、可自由選擇的濾波器標(biāo)準(zhǔn)以及可能的多個附加次要條件。通過例如fir濾波器的nyquist頻率除以fir濾波器長度的一半建立fir濾波器設(shè)計的頻率分辨率，或者更準(zhǔn)確地說，其中實施波束成形器并且因此也實施fir濾波器的時間-離散系統(tǒng)的nyquist頻率(采樣率的一半)可被選擇以與頻域分辨率的頻率分辨率進(jìn)行區(qū)分。

根據(jù)隨后描述的實施，由設(shè)備30實施的濾波器設(shè)計過程提供多個相關(guān)的個別措施和準(zhǔn)備。總之，它們使得能夠生成特別穩(wěn)定、健壯的驅(qū)動濾波器和/或波束成形濾波器?，F(xiàn)在將詳細(xì)描述設(shè)備30的操作模式。但是，依賴于應(yīng)用的情況，也可以省略措施中一些個別措施。

如上面已經(jīng)提到的，換能器性質(zhì)，即例如麥克風(fēng)和/或揚聲器的性質(zhì)，在由計算裝置44進(jìn)行的第一計算中被加以考慮。換能器數(shù)據(jù)34描述了通常從測量或從建模(例如，模擬)中獲得的換能器性質(zhì)。換能器數(shù)據(jù)34可以表示例如來自(在揚聲器的情況下)或到(在傳感器和/或麥克風(fēng)的情況下)房間內(nèi)的不同點的換能器的方向相依和頻率相依的傳遞函數(shù)。例如，計算裝置44的模塊52可以執(zhí)行定向特性內(nèi)插，例如換能器數(shù)據(jù)34的內(nèi)插，以便能夠?qū)崿F(xiàn)來自/到原始數(shù)據(jù)34中不包含的，即在原始數(shù)據(jù)集內(nèi)不包含的點或者方向的換能器的傳遞函數(shù)。

由此獲得的模塊52的換能器數(shù)據(jù)被用在第一計算裝置44的兩個功能塊(或模塊54和56)中，即，在延遲求和波束成形器模塊和優(yōu)化模塊56中。通過對于換能器陣列的定向行為的所定義目標(biāo)，其指定例如在(一個或多個)發(fā)射方向上的期望幅度，延遲求和波束成形器模塊54在對于每個換能器n的各個方向上使用陣列的各個換能器的同時計算延遲和幅度權(quán)重，即頻率無關(guān)幅度，諸如每個換能器12和/或14的時間延遲和增益因子。優(yōu)化56在頻域內(nèi)操作。它優(yōu)化作為優(yōu)化變量的上面提到的頻域形成系數(shù)和/或頻域驅(qū)動權(quán)重即頻率相依幅度。頻域驅(qū)動權(quán)重的后面的優(yōu)化56可以通過包括特定換能器傳遞函數(shù)來改善，尤其是在它們強烈偏離假定為理想的行為時，諸如偏離單極特性。例如，通過測量獲得的換能器數(shù)據(jù)34常常包括純延遲，諸如由于聲傳播造成的，例如，并且可能提供連接在定向特性內(nèi)插模塊52和優(yōu)化模塊56之間的延遲提取模塊58，用于去除所有換能器和/或換能器數(shù)據(jù)的公共延遲時間。這簡化了優(yōu)化模塊56內(nèi)的優(yōu)化過程，因為，在這種情況下，延遲將不再必須包括在期望優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中和/或因為所獲得的波束成形濾波器將不需要補償陣列的所述延遲，其對于所有換能器是公共的。從下面的描述中變得顯然的是，使用延遲求和塊的優(yōu)點在于，通過所述塊，用于換能器陣列的頻率響應(yīng)的設(shè)計定義(其可以在給定所使用的換能器的情況下以高水平的健壯性實施)可以在期望發(fā)射方向/入射方向上以高水平的靈敏度獲得。

應(yīng)當(dāng)再次指出，上述的在由計算裝置44所作出的計算中包括換能器性質(zhì)僅僅是可選的，即其中數(shù)據(jù)34以及模塊52和58的定義可以被省略。相反，由計算裝置所作出的計算也可以在理想化的傳遞特性的假設(shè)下執(zhí)行。另一方面，實際換能器數(shù)據(jù)34的使用常常使得最終計算出的波束成形濾波器的性能更好。

期望定向行為和/或波束成形行為的規(guī)范是經(jīng)由根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)36來執(zhí)行的。所述數(shù)據(jù)36通過描述期望定向特性來形成波束成形器設(shè)計的起始點。其例如在揚聲器的情況下描述期望聲音在一個或多個方向或區(qū)域中的期望發(fā)射，或者在麥克風(fēng)的情況下描述對來自一個或多個方向或區(qū)域的聲音的靈敏度，而在其它方向/區(qū)域中的發(fā)射和/或?qū)ζ渌较?區(qū)域的靈敏度要盡可能地被抑制。由數(shù)據(jù)36進(jìn)行的這種描述例如通過模塊60被轉(zhuǎn)換成目標(biāo)模式規(guī)范，即，被轉(zhuǎn)換成期望定向行為的數(shù)學(xué)公式。由目標(biāo)模式規(guī)范60輸出的目標(biāo)函數(shù)描述例如在各個空間方向或和θ上的期望復(fù)雜聲音發(fā)射。目標(biāo)函數(shù)可以是頻率無關(guān)的或頻率相依的，即可以對于頻域的不同頻率具有不同的定義。此外，定向行為的數(shù)學(xué)公式可以包括以下元素中的一個或多個：

-一個或多個優(yōu)選的發(fā)射方向或點；

-其中僅允許所實現(xiàn)的聲音發(fā)射以所定義的方式(通常由最大偏差定義)偏離期望聲音發(fā)射的方向或區(qū)域；

-其中沒有給出關(guān)于其聲音發(fā)射的定義的區(qū)域，其也可以被稱為過渡區(qū)域或空間“不關(guān)心”區(qū)域；

-其中聲音發(fā)射將被最小化的區(qū)域，可選地通過加權(quán)函數(shù)，以便適應(yīng)各個子區(qū)域的優(yōu)先級。

一般而言，應(yīng)當(dāng)指出，由目標(biāo)函數(shù)描述的期望復(fù)雜聲音發(fā)射不一定限于方向。其它自變量也是可能的，例如，沿著線或跨表面/體積的期望發(fā)射。

以下關(guān)于健壯性定義適用。在波束成形應(yīng)用的上下文中，健壯性是指在換能器陣列10或傳遞系統(tǒng)(transfersystem)的偏差(諸如驅(qū)動濾波器與理想行為的偏差、陣列內(nèi)的換能器的定位誤差或者與建模的傳遞行為的偏差)的情況下僅表現(xiàn)出發(fā)射行為的相對小量降級的性質(zhì)。例如，對于麥克風(fēng)陣列經(jīng)常采用的健壯性的度量是所謂的白噪聲增益[bw01，msk09]，([wng])，其結(jié)果如在入射方向上的信號幅度與用于陣列的驅(qū)動權(quán)重的l2標(biāo)準(zhǔn)的商。這種度量顯然也可以應(yīng)用于揚聲器陣列[mk07]；在此，期望發(fā)射方向上的信號幅度采用入射方向上的幅度的角色。

如以上段落中所示，相對于驅(qū)動權(quán)重的允許標(biāo)準(zhǔn)的在發(fā)射方向(或入射方向)上的幅度對wng以及因此對健壯性具有直接影響。類似地，可以在發(fā)射方向上實現(xiàn)的水平(level)依賴于驅(qū)動權(quán)重的最大容許量和換能器的發(fā)射特性二者。因此，有必要指定幅度(或者期望發(fā)射模式的振幅)，使得滿足對健壯性和對所實現(xiàn)的發(fā)射幅度兩者置以的要求。為了獲得用于本說明書的良好起點，有可能使用以下方法：

-基于期望發(fā)射方向或者關(guān)于期望定向行為的數(shù)據(jù)36，在模塊54中創(chuàng)建用于延遲求和波束成形器(dsb)的驅(qū)動濾波器的傳遞函數(shù)。這意味著，在每個換能器元件的每種情況下，模塊54假設(shè)為僅依賴于換能器的位置和發(fā)射方向并且僅包括頻率無關(guān)增益值和頻率無關(guān)延遲的簡單濾波器?；谄谕ㄏ蛐袨?6并且在考慮換能器數(shù)據(jù)34的同時，對于每個換能器僅由模塊54計算這種頻率無關(guān)值。因此，dsb基本上對應(yīng)于圖1和圖2的設(shè)置；但是，使用更簡單的bff，即執(zhí)行時間延遲和頻率無關(guān)增益的這種bff。雖然這種dsb的定向效率對于低頻尤其小，但是這種dsb表現(xiàn)出高wng值并且因此具有良好的健壯性。

-基于這種dsb驅(qū)動濾波器設(shè)置(對于每個換能器元件僅由頻率無關(guān)增益值和頻率無關(guān)延遲組成)，計算/模擬陣列在期望發(fā)射方向上的發(fā)射。如已經(jīng)提到的，來自數(shù)據(jù)34的建模的或測得的換能器特性被引入由模塊54所作出的對于每個換能器元件的這些頻率無關(guān)值對的計算中。

-在發(fā)射方向上由模塊54的dsb驅(qū)動濾波器設(shè)置造成的換能器陣列的頻率響應(yīng)可以被稱為參考頻率響應(yīng)(或幅度響應(yīng))并且可以在由計算裝置44所作出的計算的后續(xù)步驟中使用。這種方法的優(yōu)點在于，由此，存在對換能器陣列可以在用于個別換能器的所定義的最大調(diào)制值內(nèi)實施的幅度的定義，并且其(由于它由dsb設(shè)計造成)表現(xiàn)出良好的健壯性性質(zhì)，或者可以被設(shè)計為表現(xiàn)出良好的健壯性性質(zhì)。

根據(jù)圖3的示例，計算裝置44包括另一模塊，即，模塊58，其基于模塊54的所獲得的參考幅度響應(yīng)結(jié)合對期望頻率響應(yīng)的定義來確定換能器陣列在發(fā)射方向上的頻率響應(yīng)的最終規(guī)范38。這意味著用于確定模塊58的起始點由換能器陣列的頻率響應(yīng)構(gòu)成，如迄今為止由模塊54的dsb值所確定的那樣，即，通過利用在對應(yīng)方向上的dsb值對換能器陣列產(chǎn)生的那個頻率響應(yīng)。基于這個幅度響應(yīng)，由模塊58執(zhí)行修改。例如，對參考幅度響應(yīng)執(zhí)行修改，以便均衡例如頻率響應(yīng)。而且，通過相對于參考幅度響應(yīng)減小在發(fā)射方向上的幅度響應(yīng)，陣列的定向效率可以在某個限度內(nèi)(或者全局地或者針對特定頻率)增加。在這個上下文中，dsb參考設(shè)計及其wng值的使用允許對最終設(shè)計規(guī)范的健壯性性質(zhì)的公平評估。

在應(yīng)用的可選示例中，心理聲學(xué)發(fā)現(xiàn)被引入頻率響應(yīng)確定58中。在這個上下文中，例如，可以利用如下發(fā)現(xiàn)：信號的特定頻域?qū)τ诼曇羰录母兄匾约耙虼擞捎谳^少定向而不太有利的在其它頻率域中的發(fā)射可以通過具體地升高所述頻域得到補償或者被渲染成不太容易感知的。在這里應(yīng)當(dāng)指出，這種均衡與信號無關(guān)，并且也僅限于一個發(fā)射特性，即，不基于各種發(fā)射特性或音頻信號之間的心理聲學(xué)掩蔽。

基于已由模塊58確定的用于換能器陣列的特定頻率響應(yīng)目標(biāo)，然后在模塊56內(nèi)執(zhí)行優(yōu)化。在此，波束成形濾波器的設(shè)計在頻域內(nèi)對多個離散頻率ωk實現(xiàn)。在本申請的上下文中，優(yōu)選地使用基于凸優(yōu)化的優(yōu)化方法[m07，msk09]。關(guān)于如由模塊60、54和58基于數(shù)據(jù)36確定的由模塊58定義或選擇的發(fā)射特性的優(yōu)化，具體而言是關(guān)于可選擇的誤差標(biāo)準(zhǔn)，例如，l2(最小二乘法)或l∞標(biāo)準(zhǔn)(chebyshev，極小化極大(minimax)標(biāo)準(zhǔn))，所述優(yōu)化方法使得最佳近似成為可能。在模塊56中執(zhí)行的優(yōu)化的結(jié)果是用于每個離散頻率的復(fù)數(shù)驅(qū)動值，使得對于每個換能器n產(chǎn)生其它復(fù)數(shù)權(quán)重的向量hn(ωk)。任何測得或建模的換能器數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)34，可以被引入由模塊56求解的優(yōu)化問題中，以便獲得關(guān)于頻率響應(yīng)和發(fā)射特性優(yōu)化的驅(qū)動濾波器頻率響應(yīng)hn。此外，基于優(yōu)化的方法啟用可能涉及所實現(xiàn)的發(fā)射和驅(qū)動權(quán)重的許多次要條件。例如，可以建立對最小白噪聲增益的限制。類似地，有可能為驅(qū)動權(quán)重建立最大量，以便限制各個換能器的驅(qū)動。

以說明性方式再次總結(jié)上述對第一計算裝置44的操作模式的可能實施的描述，將參考圖4。用于由計算裝置44所作出的計算目標(biāo)頻率響應(yīng)的起始點由期望定向選擇性構(gòu)成，該期望定向選擇性由ω描述并且在圖4中以附圖標(biāo)記70提供。期望定向選擇性ω在這里通過示例的方式被示為依賴于發(fā)射角的函數(shù)ω。但是，如上面所指示的，方向相依性也可以以與角度的不同方式定義。而且，圖4通過虛線指示期望定向選擇性70可以關(guān)于空間而不是僅在平面內(nèi)定義。在右上角，圖4指示可以如何定義角度和期望定向選擇性也可能已經(jīng)包含頻率相依性，即，ω可以依賴于ω。就此而言，經(jīng)常提到“頻率響應(yīng)”ω，因為以方向性相依方式確定的頻率被衰減更大或更小的程度。但是，這個頻率響應(yīng)ω應(yīng)當(dāng)與如待被計算裝置44計算的用于各個波束成形濾波器的頻率響應(yīng)hn(ωk)區(qū)分開。兩者都充當(dāng)具有由對ω的依賴性確定的傳遞函數(shù)的濾波器，但是頻率響應(yīng)ω受到個別波束成形濾波器的最終計算出的頻率響應(yīng)hn的影響。

如由數(shù)據(jù)36定義的期望定向選擇性70現(xiàn)在要利用特定換能器陣列來實現(xiàn)。在圖4的右上方，舉例來說，陣列的元件被假設(shè)為是揚聲器，但是如已經(jīng)提到的，例如由諸如麥克風(fēng)的其它換能器組成的陣列也是可能的。因此，陣列由特定的換能器位置、換能器朝向、換能器頻率響應(yīng)構(gòu)成，該頻率響應(yīng)又可以依賴于發(fā)射和/或靈敏度的方向和/或方向相依性，其反過來又可以依賴于頻率。在模塊54中，為每個換能器n確定值對ψn和an，即頻率無關(guān)延遲ψ和也與頻率無關(guān)的增益值a，使得假設(shè)只有這些頻率無關(guān)值被應(yīng)用在換能器n的bff中，定向選擇性ω‘72產(chǎn)生，其依賴于方向，即依賴于并且可選地依賴于并且依賴于頻率，即依賴于ω。執(zhí)行模塊54中的確定，使得盡可能地實現(xiàn)或近似期望定向選擇性70。當(dāng)然，這僅在有限程度上是可能的，因為對于每個換能器n僅確定頻率無關(guān)的延遲和/或增益。但是，為了彌補這一點，以高水平的健壯性實現(xiàn)定向選擇性ω‘。如已描述的，ω‘72現(xiàn)在充當(dāng)用于實際期望定向選擇性74的起始點，以預(yù)期在稍后的時間點用作優(yōu)化56的基礎(chǔ)。就定向選擇性72而言，利用由于其dsb性質(zhì)而是健壯的現(xiàn)有知識。模塊58現(xiàn)在修改定向選擇性ω‘72，使得其更接近針對定向選擇性的特定頻率相依性的期望。例如，在模塊58中，定向選擇性ω的頻率相依性通過傳遞特性38被定義在預(yù)定方向或上，例如，在最大發(fā)射和/或最大選擇性的方向上，即在ω在70處于最大值的方向上。優(yōu)化56的優(yōu)化目標(biāo)74也是依賴于頻率和方向的定向選擇性ωtarget，并且執(zhí)行優(yōu)化56，使得其找到用于波束成形濾波器n的目標(biāo)頻率響應(yīng)和/或傳遞函數(shù)hn(ωk)，使得，通過其在換能器陣列10的波束成形濾波器中的利用，優(yōu)化目標(biāo)74被盡可能好地實現(xiàn)或近似，即，使得就特定標(biāo)準(zhǔn)而言的偏差被最小化。因此，優(yōu)化56可以被認(rèn)為是波束成形濾波器傳遞函數(shù)76的精細(xì)調(diào)整，其在用于波束成形濾波器時等效于頻率無關(guān)的延遲和增益。但是，要確保dsb設(shè)計實際上僅被用來制定優(yōu)化目標(biāo)并且頻域優(yōu)化56可以獨立于dsb設(shè)計而開始。換句話說，根據(jù)優(yōu)選實施例，dsb設(shè)計不適于和/或被用作基礎(chǔ)，因此，dsb設(shè)計僅在發(fā)射方向上充當(dāng)對期望頻率響應(yīng)的主導(dǎo)，即用于定義優(yōu)化目標(biāo)，并且優(yōu)化算法56從零開始，即無需關(guān)于dsb加權(quán)的任何知識。如在模塊54中計算的頻率無關(guān)的延遲和增益ψn和an可以具體而言由具有傳遞函數(shù)hn的濾波器類似地生成，其中傳遞函數(shù)hn的以2π相位跳變調(diào)整的線性相位響應(yīng)呈現(xiàn)對應(yīng)于ψn的斜率，并且其幅度，或量，對應(yīng)于an并且因此是恒定的。依賴于應(yīng)用的情況，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置為其執(zhí)行優(yōu)化56的頻率節(jié)點或采樣點ωk，其中k＝1...k。由于傳遞函數(shù)hn是復(fù)值函數(shù)，因此要優(yōu)化的變量是2·n·k個，其中n是換能器的數(shù)量，并且k是為其執(zhí)行優(yōu)化56的頻率樣本的數(shù)量。由優(yōu)化56造成的優(yōu)化的目標(biāo)頻率響應(yīng)78可以通過可選地使優(yōu)化也服從次要條件(諸如關(guān)于滿足由數(shù)據(jù)40定義的特定健壯性標(biāo)準(zhǔn)的次要條件)來實現(xiàn)。因此，優(yōu)化56可以尤其是具有規(guī)定了不能被低于的特定健壯性度量的次要條件的平方程序(squareprogram)。

上面已經(jīng)指出了若干次，目標(biāo)頻率響應(yīng)78的計算也可以不同地執(zhí)行。

在圖3的實施例中，在將波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)78作為用于第二計算裝置46內(nèi)的優(yōu)化的基礎(chǔ)之前，執(zhí)行一個或多個修改，但是，這些修改是可選的，如上面所提到的。

如下面將要描述的，具體而言，由于在每種情況下實際上去除了濾波器的權(quán)重，因此各個驅(qū)動濾波器n的頻率響應(yīng)由在優(yōu)化56中獲得的驅(qū)動權(quán)重hn(ωk)造成。所述濾波器常常包含顯著的延遲，其例如是由相位和/或組延遲時間反映的。所述延遲關(guān)于進(jìn)一步的處理階段，諸如尤其是在第二計算裝置46中執(zhí)行的后續(xù)優(yōu)化。下面描述的可選的平滑步驟也變得更困難或者需要頻率光柵在第一計算裝置中執(zhí)行的優(yōu)化56期間的明顯更高的分辨率，因為平滑涉及通過“相位解包裹(phaseunwrapping)”來確定連續(xù)相位。包含在頻率響應(yīng)中的相位函數(shù)的增加越高，正確檢測和隨后補償相位跳變就越困難。這影響相位解包裹算法的正確性。

此外，對于在第二計算裝置46中執(zhí)行的優(yōu)化步驟，如果那里的優(yōu)化目標(biāo)，即目標(biāo)頻率響應(yīng)78，存在于盡可能近似零相位頻率響應(yīng)的版本中，則這是有利的，即，其中由延遲引起的相位項盡可能地被消除。關(guān)于在計算裝置46中執(zhí)行的優(yōu)化步驟的進(jìn)一步要求將在下面更詳細(xì)地描述。一般而言，應(yīng)當(dāng)指出以下方面：

結(jié)果產(chǎn)生的濾波器的因果關(guān)系在設(shè)計過程的這個階段是不相關(guān)的。對于驅(qū)動濾波器，可以與近似零相位傳遞函數(shù)的非因果期望頻率響應(yīng)一起作用。在fir設(shè)計之后(通過重新插入提取的延遲，可能補充附加的延遲)，因果關(guān)系可以再次成為有因果關(guān)系的。

來自換能器數(shù)據(jù)的延遲的提取(其已經(jīng)在上面關(guān)于換能器性質(zhì)的包括進(jìn)行了闡述)已經(jīng)減少了包含在驅(qū)動濾波器n的期望頻率響應(yīng)hn78中的一些延遲。但是，這可能不是各處都可用，并且可以由用于延遲適應(yīng)的模塊80來補充。以下方法可以用于適應(yīng)增益值。

-對每個濾波器bffn單獨執(zhí)行適應(yīng)。

-頻率響應(yīng)的連續(xù)相位由用于“相位解包裹”的算法確定。

-相位函數(shù)的線性比例(即，增加)由以一階多項式的最小二乘法擬合來確定?？梢詮闹写_定延遲的線性比例。

-可選地：線性延遲比例被向上或向下取整為采樣周期的整數(shù)倍。這可以簡化后續(xù)的重組，這將僅需要脈沖響應(yīng)的移位(例如，通過在前面放置對應(yīng)數(shù)目的零或通過以延遲線的形式實施這些延遲)。

-基于這個線性項，從具有相對于這個線性相位項被否定的相位響應(yīng)的復(fù)指數(shù)計算向量。

-通過將原始頻率響應(yīng)78乘以這個復(fù)指數(shù)的向量來適應(yīng)頻率響應(yīng)的延遲。

-計算規(guī)范可以容易地改變，例如，分解幅度響應(yīng)(更好地：零相位頻率響應(yīng))和連續(xù)相位內(nèi)的復(fù)頻率響應(yīng)，確定線性延遲比例，從連續(xù)相位減去所述比例，隨后重組幅度和相位或者將這兩部分都傳遞到后續(xù)的平滑。

圖5再次示出了修改裝置48的延遲適配模塊80的操作模式。如上所述，起始點是可能要修改的目標(biāo)頻率響應(yīng)78的集合，即，hn(ωk)。圖5通過圖示示出了hn(ωk)的相位響應(yīng)82。所述相位響應(yīng)通過示例的方式表現(xiàn)出相位跳變84。以2π相位跳變調(diào)整的相位響應(yīng)在86處示出并且可以由線性函數(shù)88近似，例如，通過最小二乘法擬合，具有對應(yīng)于頻率無關(guān)延遲ψ‘n的斜率的線性比例88。模塊80對目標(biāo)頻率響應(yīng)78的修改現(xiàn)在為待被消除或減少的這個線性比例88作準(zhǔn)備，即以2π相位跳變調(diào)整的相位響應(yīng)被調(diào)平和/或矯直，圖5示出了目標(biāo)頻率響應(yīng)h’n(ωk)的相位響應(yīng)因此在90處被修改。延遲ψ‘n被指定并存儲。

修改裝置48的另一個模塊是可選地存在的頻域平滑模塊92。以下可以說明關(guān)于由模塊92進(jìn)行的頻域平滑。驅(qū)動濾波器n的由基于優(yōu)化的濾波器設(shè)計生成的頻率響應(yīng)78，或h’n(ωk)，通常包括幅度和相位的強烈波動。這種設(shè)計定義難以在fir濾波器設(shè)計中實施和/或需要波束成形濾波器的非常高的fir濾波器階數(shù)和/或fir長度。即使在后一種情況下可以利用所定義的接口實現(xiàn)良好的匹配，在節(jié)點ωk之間也頻繁地發(fā)生強烈的過沖現(xiàn)象(overshootphenomena)，所述過沖現(xiàn)象降級了結(jié)果產(chǎn)生的波束成形器的頻率響應(yīng)。而且，在心理聲學(xué)考慮方面，映射這種窄帶波動常常是沒有用的。因此，驅(qū)動濾波器的期望頻率響應(yīng)78服從平滑算法。例如，基于心理聲學(xué)考慮，利用例如1/3倍頻程(octave)或1/6倍頻程的頻率相依窗口寬度來執(zhí)行后者[hn00]。由于頻率響應(yīng)是復(fù)值的，因此對于幅度和相位分開執(zhí)行平滑，例如，即平滑對于幅度傳遞函數(shù)(更具體而言地，零相頻率響應(yīng)(參見例如，[sar93，si07]))和連續(xù)(解包裹的)相位是分開的[pf04]。可以通過在模塊92內(nèi)的相位解包裹算法從復(fù)頻率響應(yīng)hn(ωk)或h’n(ωk)生成幅度和相位，并且利用頻率相依平滑濾波器(也被稱為“窗口”)通過卷積獨立地平滑幅度和相位。如果存在模塊80，則模塊92內(nèi)的所述相位解包裹可能被省略，因為所述相位解包裹已經(jīng)在模塊80內(nèi)被執(zhí)行。隨后，兩個被平滑的部分，即，幅度和相位，被接合，以形成平滑的復(fù)頻率響應(yīng)，以形成可謂的h“n(ωk)?？商娲?，在模塊80內(nèi)獲得的將頻率響應(yīng)分成零相位分量和連續(xù)相位也可以在模塊90內(nèi)被直接平滑并且隨后被組合。圖5指示模塊80和92的應(yīng)用的組合。

由于在計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化，確定fir濾波器系數(shù)(其中i＝1...i)，使得波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)被近似，例如，在應(yīng)用兩個修改模塊80和92的情況下是h“n(ωk)。關(guān)于這一點的細(xì)節(jié)將在下面討論。但是，如已經(jīng)提到的，這可以涉及利用用于線性、平方或，更一般地，凸優(yōu)化問題的優(yōu)化方法。這個優(yōu)化問題可以提供有關(guān)于例如波束成形濾波器的傳遞函數(shù)的形狀的次要條件，即與波束成形濾波器的傳遞函數(shù)和/或頻域相關(guān)的次要條件，而在計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化另外將關(guān)注作為優(yōu)化變量的對應(yīng)于波束成形濾波器的脈沖響應(yīng)的波束成形濾波器的fir濾波器系數(shù)。

但是，為了完整起見，將在更詳細(xì)地描述在計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化之前討論修改裝置50的重要性。具體而言，所述修改裝置50負(fù)責(zé)可能“重新積分”由模塊80執(zhí)行的修改，即，將波束成形濾波器的目標(biāo)頻率響應(yīng)的相位響應(yīng)調(diào)平到通過在計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化而獲得的fir濾波器系數(shù)中，其中它執(zhí)行某種延遲重組，諸如插入零，這將在下面再次詳細(xì)描述，并且根據(jù)其，零被放在fir濾波器系數(shù)之前。這將在下面描述。作為示例，圖6通過雙箭頭示出了通過在計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化獲得的fir濾波器系數(shù)描述通過波束成形濾波器的波束成形濾波器、各個波束成形濾波器n的脈沖響應(yīng)并且經(jīng)由fft或傅立葉變換，合并到或?qū)?yīng)于，各個波束成形濾波器的傳遞函數(shù)hn(ω)。作為示例，圖6示出了在96處的脈沖響應(yīng)，并且其通過示例的方式示出了在98處的傳遞函數(shù)的以2π相位跳變調(diào)整的相位響應(yīng)。修改裝置50現(xiàn)在通過根據(jù)適當(dāng)?shù)匾莆籪ir濾波器系數(shù)來使用為各個波束成形濾波器n存儲的相位延遲值ψn；如已經(jīng)提到的，為此目的有利的是，將用于調(diào)平模塊80中的調(diào)平的斜率ψ‘n限制為fir濾波器抽頭的時間間隔的整數(shù)倍，因為在這種情況下考慮到由修改裝置50中的模塊80所作出的調(diào)平將僅對應(yīng)于fir濾波器系數(shù)的移位，而在其它情況下將附加地需要fir濾波器系數(shù)的內(nèi)插。對于對應(yīng)于經(jīng)修改的fir濾波器系數(shù)的相位響應(yīng)，這意味著，如圖6中的100所指示的，可以說調(diào)平被撤銷。

作為圖6的方法的替代方案，在修改裝置50中，除了波束成形濾波器n內(nèi)的fir濾波器系數(shù)在這種情況下，每個波束成形濾波器n可以不僅由波束成形fir濾波器系數(shù)而且由頻率無關(guān)延遲ψ‘n定義；通過與fir濾波器串聯(lián)連接的簡單延遲元件，在圖1和2的波束成形濾波器中可以考慮后者。

通常不可能在時間離散濾波器(即，波束成形濾波器的fir濾波器)的整個頻域上，即，從f＝0hz到執(zhí)行頻域設(shè)計或頻域優(yōu)化56，其中fs為采樣頻率。對于非常低的頻率，尤其是也對于f＝0hz，即，對于直流分量(directcomponent)，發(fā)射行為的明確定義是無用的，具體而言在調(diào)制實際換能器時。同樣，對于非常高的頻率，通常不可能有有用的定義，例如，相對于陣列的空間混疊頻率：1)不能通過對應(yīng)的期望特性來防止明顯的旁瓣的形成，2)期望發(fā)射方向的波束的寬度隨著頻率的增加而減小。因此，不可能或者僅以大的規(guī)范支出有可能對這些頻域內(nèi)的波束的寬度做出有用的、可實現(xiàn)的定義。

以上直接做出的說明涉及頻域優(yōu)化56，但是也允許關(guān)于在時間計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的時域優(yōu)化來得出結(jié)論。一般而言，在計算裝置46中執(zhí)行的優(yōu)化過程，即，基于優(yōu)化的fir濾波器的設(shè)計，允許引入未對其做出定義的頻域或頻率段，即對于其不存在期望頻率響應(yīng)或目標(biāo)頻率響應(yīng)，即對于其沒有建立優(yōu)化目標(biāo)。這種區(qū)域可以被稱為過渡帶或不關(guān)心帶。但是，對于所考慮的波束成形應(yīng)用，已經(jīng)證明，沒有任何設(shè)計規(guī)范或沒有任何優(yōu)化目標(biāo)的已經(jīng)非常窄的頻域?qū)?dǎo)致所設(shè)計的fir濾波器在第二計算裝置46的優(yōu)化期間的不受控制的行為，例如，它們將導(dǎo)致非常高的幅度和在所述頻率段內(nèi)的波束成形濾波器頻率響應(yīng)的波動。

為此，圖3給出了可選的可能性，根據(jù)該可能性，關(guān)于所述頻率段內(nèi)的頻率響應(yīng)在所定義的優(yōu)化目標(biāo)方面執(zhí)行限制42。如圖3中的虛線所指示的，并且如在上述段落之前的段落中所闡述的，頻率段可以根據(jù)換能器的特性來選擇。計算裝置46要求解的優(yōu)化問題例如考慮頻率限制42，其中最大幅度被指示為用于凸優(yōu)化問題的次要條件：

...關(guān)于次要條件

其中x是過渡，或不關(guān)心，帶(即，在第二計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化中對于其不存在優(yōu)化目標(biāo)的那些頻率段)的離散表示，并且指定在過渡帶x內(nèi)的頻率ω處的頻率響應(yīng)的最大允許幅度。

使用頻率限制42或針對高頻和/或低頻的限制的替代方案包括使用混合設(shè)計方法，這將在下面描述。

在第二計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的優(yōu)化的目標(biāo)是生成fir濾波器，從作為用于波束成形器的頻域設(shè)計的結(jié)果獲得并且在上面被稱為hn(ωk)或h’n(ωk)或h“n(ωk)而在下面被稱為具有變量名稱的期望頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng)，利用該fir濾波器可以執(zhí)行源信號(即，在如圖1所示的揚聲器陣列的情況下是揚聲器信號，以及在如圖2所示的麥克風(fēng)陣列的情況下是麥克風(fēng)輸出信號)的濾波。為此，使用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，其例如可以是凸優(yōu)化的方法。通過所述方法，所設(shè)計的fir濾波器h(i)的頻率響應(yīng)h(ω)被確定，使得盡可能近似即關(guān)于可選擇的標(biāo)準(zhǔn)p的誤差變得最小。一般而言，優(yōu)化問題可以以以下形式給出：

在<(一個或多個)次要條件>的次要條件下

補充<次要條件>是可選的。次要條件不需要但可以存在，如上面已經(jīng)關(guān)于高頻限制通過示例的方式描述的。一個單個的次要條件也是可能的。一般而言，所述次要條件表示多個可能的次要條件，其可以涉及但不必專門涉及fir濾波器的頻率響應(yīng)或系數(shù)。在這里用作規(guī)一化角頻率ω＝2πf/fs的頻率變量ω通常被離散化。因此，方程(2)的優(yōu)化問題和次要條件二者通常都可以以矩陣形式給出。

在頻域優(yōu)化56(和/或修改80和/或92)的上下文中產(chǎn)生的、用于在第二計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的時域優(yōu)化的目標(biāo)頻率響應(yīng)一般是復(fù)值的，并且包括非平凡的，尤其是既不線性也不最小相位的，頻率響應(yīng)。因此，上面提到的方程(2)的優(yōu)化問題對應(yīng)于針對具有任意相位特性的fir濾波器的濾波器設(shè)計問題。在文獻(xiàn)中，諸如在[pr95，km95；km99]中，已經(jīng)描述了關(guān)于此的許多方法。

在設(shè)計算法的實施中，包含在濾波器和內(nèi)的延遲，即以2π相位跳變調(diào)整的相位響應(yīng)的線性項，表現(xiàn)出特別的重要性。如在[km99]中所繪出的，任意相位響應(yīng)的利用導(dǎo)致非常差條件的優(yōu)化問題或退化的解決方案。尤其在使用具有以下頻率響應(yīng)的因果fir濾波器的標(biāo)準(zhǔn)公式時是這樣的情況：

為此，如[km99]中所建議的，將有可能基于具有以下傳遞函數(shù)的非因果fir濾波器來執(zhí)行設(shè)計：

其中

因果(3)和非因果(4a)濾波器的區(qū)別在于純延遲項，即

當(dāng)使用非因果頻率響應(yīng)時，期望函數(shù)應(yīng)當(dāng)被適應(yīng)，使得相位的線性比例盡可能近似0。這通過修改80和50有效地實施。

一旦在第二計算裝置46中執(zhí)行的優(yōu)化期間確定了fir濾波器的脈沖響應(yīng)，即h(i)，修改裝置50就可選地將先前得到補償?shù)难舆t分量重新積分到驅(qū)動濾波器中。根據(jù)替代實施例，繞過了延遲ψ‘n到濾波器n中的積分，因為在波束成形應(yīng)用的運行時間期間純延遲ψ‘n通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚硌b置如數(shù)字延遲線而被應(yīng)用到控制濾波器的輸入或輸出信號。在這種情況下，僅確保所獲得的fir濾波器的脈沖響應(yīng)是有因果關(guān)系的，即，脈沖響應(yīng)的索引從0開始。這種修改在運行時不需要主動計算操作，而僅僅對應(yīng)于引入用于所有驅(qū)動濾波器n的恒定的實施引起的延遲。應(yīng)當(dāng)注意，確保這個延遲對于波束成形器的所有驅(qū)動濾波器都是恒定的。對于延遲的單獨應(yīng)用，選擇在延遲適配80中提取的那些延遲作為采樣周期的倍數(shù)可以是有利的。在這種情況下，具體而言，延遲線可以被用于積分延遲，如已經(jīng)關(guān)于圖6描述的那樣，其不是濾波操作，而是僅需要對信號的索引式訪問，同時不引起任何失真?？商娲?，也可以映射任意延遲值。但是，這需要延遲線能訪問任意延遲(分?jǐn)?shù)延遲線)，這可能導(dǎo)致失真、需要計算功率并且可能導(dǎo)致附加的延時或延遲。

在高頻限制42的上下文中，已經(jīng)闡述了同樣涉及所有頻率的優(yōu)化并不總是有用的。這同樣適用于頻域優(yōu)化56。上面已經(jīng)暗示，混合設(shè)計方法也可以在頻域優(yōu)化56中使用。根據(jù)所述方法，如到目前為止已經(jīng)描述的、獲得頻域驅(qū)動函數(shù)hm(ωk)的基于優(yōu)化的方法與對應(yīng)于如在模塊54中計算的dsb設(shè)計的設(shè)計組合，該dsb設(shè)計方法用于高頻。這里的目標(biāo)是減少所需的濾波器階數(shù)，同時提高健壯性。在這種上下文中，使用以下事實：對于高頻，由于空間混疊而不再能完全控制換能器陣列的發(fā)射特性。這就是為什么dsb設(shè)計方法用于比指定基本頻率(例如，相對接近于換能器陣列的空間混疊頻率的頻率)高的頻率的原因。為此，整個濾波器的頻域規(guī)范由兩個部分組合：通過優(yōu)化獲得的頻率響應(yīng)(上至基本頻率)，以及對應(yīng)于dsb的那些頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng)(對于其上的頻率)。兩種方法的組合通過上面已經(jīng)描述過的后續(xù)平滑并且通過基于優(yōu)化的fir設(shè)計來實現(xiàn)。這里的關(guān)鍵步驟是匹配兩種設(shè)計方法的信號延遲時間(延遲)。例如，可能地，通過最小二乘法擬合確定用于dsb的延遲偏移，使得各個驅(qū)動濾波器的延遲跳變在均方根內(nèi)被最小化。

在各種示例性設(shè)計中，混合設(shè)計方法在高頻域內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)更健壯的發(fā)射，其特征在于行為的更少不穩(wěn)定波動，同時在性能上沒有任何明顯的損失，并且同時低頻域內(nèi)的定向效率被部分地改善而且，此外，具有恒定的濾波器階數(shù)。作為其原因，可以假設(shè)在混合設(shè)計方法中對于其中可能影響特性的那些頻域可以更好地使用由特定濾波器階數(shù)提供的自由度，而對于其中對由于空間混疊引起的不期望發(fā)射的抑制存在嚴(yán)格限制的高頻采用較少的資源。

圖7再次示出了混合設(shè)計方法：就涉及較低音頻頻率的段100而言，用于在第二計算裝置46內(nèi)執(zhí)行的時域優(yōu)化的傳遞函數(shù)由根據(jù)頻域優(yōu)化56獲得的傳遞函數(shù)組成；對應(yīng)于與頻率無關(guān)值對ψnan的傳遞函數(shù)hn用在較高音頻頻率的段102中。段100和段102可以以截止頻率ωborder彼此接界，截止頻率ωborder例如對應(yīng)于換能器陣列的空間截止混疊頻率，或者與后者偏離小于10％。如虛線所示，也還有可能低頻段100和高頻段和102彼此重疊。例如，如果段100在[ωn，b，ωn，e]上延伸，并且段102在[ωh，b，ωh，e]上延伸，則ωn，b＜ωh，b∧ωn，e＜ωh，e將適用，例如，其中有可能ωn，b＝0和/或ωh，b＝ωn，e或者甚至ωh，b＝ωn，e和/或0.9·ωborder<ωh,b,ωn,e<1.1·ωborder適用。在兩個段的重疊區(qū)域中，可以例如通過在兩個傳遞函數(shù)(dsb設(shè)計和56的優(yōu)化結(jié)果)之間求平均來獲得最終要使用的時域優(yōu)化傳遞函數(shù)。

總之，因此，上述實施例描述了為波束成形應(yīng)用提供健壯fir濾波器的設(shè)計的可能性。具有任意相位響應(yīng)的fir濾波器可以從各個波束成形濾波器的復(fù)數(shù)值頻率響應(yīng)生成。上述實施例的特殊價值在于可以獲得波束成形器的健壯性性質(zhì)。

上述實施例的特別的優(yōu)點在于，例如，對于復(fù)雜的波束成形問題，諸如甚至在寬帶操作的情況下超出換能器陣列的混疊頻率，或者在換能器的復(fù)雜行為的情況下(諸如在低頻處的有限電平)，也可以獲得健壯的fir濾波器。另一個優(yōu)點在于可以彼此獨立地選擇頻率響應(yīng)規(guī)范的頻率光柵(即，在頻域優(yōu)化56中)和波束成形濾波器的fir濾波器的濾波器階數(shù)。此外，用于波束成形器和濾波器的多種設(shè)計規(guī)范是可能的：諸如電平限制、在對于其不存在波束成形頻率響應(yīng)的區(qū)域中的濾波器的行為等次要條件可以以簡單的方式集成。

本發(fā)明可以在多個波束成形應(yīng)用中采用，諸如在用于空間選擇性聲輻射的揚聲器陣列中，用于生成“安靜區(qū)”或用于經(jīng)由揚聲器線(條形音箱)再現(xiàn)環(huán)繞素材。同樣，上述實施例也可以由麥克風(fēng)陣列使用，以便以定向選擇性方式接收聲音。

可能地，用于電磁波的波束成形應(yīng)用(諸如移動無線電天線或雷達(dá)天線)也是可行的。但是，其中所需的帶寬明顯小于音頻應(yīng)用采用的帶寬，使得難以在這里估計如fir濾波器的實施和/或用于寬帶濾波器的設(shè)計方法的必要性。

雖然已經(jīng)在設(shè)備的上下文中描述了一些方面，但是應(yīng)當(dāng)理解，所述各方面也表示對應(yīng)方法的描述，使得設(shè)備的塊或結(jié)構(gòu)組件也應(yīng)當(dāng)被理解為對應(yīng)的方法步驟或方法步驟的特征。通過與此類推，已經(jīng)關(guān)于方法步驟或作為方法步驟描述的各方面也表示對對應(yīng)設(shè)備的對應(yīng)塊或細(xì)節(jié)或特征的描述。方法步驟中的一些或全部可以由諸如微處理器、可編程計算機或電子電路的硬件設(shè)備(或者在使用硬件設(shè)備的同時)執(zhí)行。在一些實施例中，最重要的方法步驟中的一些或幾個可以由這種設(shè)備執(zhí)行。

用于波束成形濾波器的fir濾波器系數(shù)32的發(fā)明性集合可以存儲在數(shù)字存儲介質(zhì)上，或者可以在諸如無線傳輸介質(zhì)或有線傳輸介質(zhì)(例如互聯(lián)網(wǎng))的傳輸介質(zhì)上被傳輸。

依賴于特殊的實施要求，本發(fā)明的實施例可以以硬件或軟件實施?？梢栽谑褂闷渖洗鎯τ须娮涌勺x控制信號的數(shù)字存儲介質(zhì)(例如，軟盤、dvd、藍(lán)光盤、cd、rom、prom、eprom、eeprom或flash存儲器、硬盤或任何其它磁性或光學(xué)存儲器)的同時實現(xiàn)所述實施，這些電子可讀控制信號可以與可編程計算機系統(tǒng)協(xié)作，使得執(zhí)行各個方法。這就是為什么數(shù)字存儲介質(zhì)可以是計算機可讀的。

因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例包括數(shù)據(jù)載體，其包括能夠與可編程計算機系統(tǒng)協(xié)作的電子可讀控制信號，使得執(zhí)行本文所述的任何方法。

一般而言，本發(fā)明的實施例可以被實施為具有程序代碼的計算機程序產(chǎn)品，當(dāng)計算機程序產(chǎn)品在計算機上運行時，程序代碼有效地執(zhí)行任何方法。

程序代碼還可以存儲在例如機器可讀載體上。

其它實施例包括用于執(zhí)行本文所述的任何方法的計算機程序，所述計算機程序存儲在機器可讀載體上。

換句話說，本發(fā)明性方法的實施例因此是具有程序代碼的計算機程序，當(dāng)計算機程序在計算機上運行時，程序代碼用于執(zhí)行本文所述的任何方法。

因此，本發(fā)明性方法的另一個實施例是其上記錄有用于執(zhí)行本文所述的任何方法的計算機程序的數(shù)據(jù)載體(或數(shù)字存儲介質(zhì)或計算機可讀介質(zhì))。

因此，本發(fā)明性方法的另一個實施例是表示用于執(zhí)行本文所述的任何方法的計算機程序的數(shù)據(jù)流或信號序列。數(shù)據(jù)流或信號序列可以被配置為例如經(jīng)由數(shù)據(jù)通信鏈路(例如經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng))被傳送。

另一個實施例包括處理裝置，例如，計算機或可編程邏輯器件，其被配置或適于執(zhí)行本文所述的任何方法。

另一個實施例包括其上安裝有用于執(zhí)行本文所述的任何方法的計算機程序的計算機。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例包括被配置為向接收器發(fā)送用于執(zhí)行本文所述的方法中的至少一個的計算機程序的設(shè)備或系統(tǒng)。例如，傳輸可以是電子的或光學(xué)的。接收器可以是例如計算機、移動設(shè)備、存儲設(shè)備或類似的設(shè)備。例如，設(shè)備或系統(tǒng)可以包括用于將計算機程序發(fā)送到接收器的文件服務(wù)器。

在一些實施例中，可編程邏輯器件(例如現(xiàn)場可編程門陣列，fpga)可以被用于執(zhí)行本文所述的方法的一些或全部功能。在一些實施例中，現(xiàn)場可編程門陣列可以與微處理器協(xié)作，以執(zhí)行本文所述的任何方法。一般而言，在一些實施例中，方法是由任何硬件設(shè)備執(zhí)行的。所述硬件設(shè)備可以是任何通用的硬件，諸如計算機處理器(cpu)，或者可以是專用于該方法的硬件，諸如asic。

上述實施例僅僅表示本發(fā)明的原理的說明。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員將會認(rèn)識到本文所述的布置和細(xì)節(jié)的任何修改和變化。這就是為什么本發(fā)明意在僅由以下權(quán)利要求的范圍限制，而不是由本文通過實施例的描述和討論給出的具體細(xì)節(jié)限制。

文獻(xiàn)

[acl93]ashrafs.alkhairy，keving.christian和jaes.lim，“designandcharacterizationofoptimalfirfilterswitharbitraryphase”，ieeetransactionsonsignalprocessing，41(2)：559-572，1993年2月

[bw01]michaelbrandstein和darrenward，“editors.microphonearrays:signalprocessingtechniquesandapplications”，springer2001

[hm00]panagiotisd.hatziantoniou和johnn.mourjopoulos，“generalizedfractional-octavesmoothingofaudioandacousticresponses”，journaloftheaudioengineeringsociety，48(4)：259-280，2000年4月

[km95]linaj.karam和jamesh.mcclellan，“complexchebyshevapproximationforfirfilterdesign”，ieeetransactionsoncircuitsandsystemsii：analoganddigitalsignalprocessing，42(3)：207-216，1995年3月

[km99]linaj.karam和jamesh.mcclellan，“chebyshevdigitalfirfilterdesign”，signalprocessing，79(1)：17-36，1999年7月

[lyo11]richardg.lyons，“understandingdigitalsignalprocessing”(第三版)(精裝本)，pearson，uppersaddleriver，nj，第3版，2011

[mk07]edwinmabande和walterkellermann，“towardssuperdirectivebeamformingwithloudspeakerarrays”，conf.rec.internationalcongressonacoustics，2007

[msk09]edwinmabande、adrianschad和walterkellermann，“designofrobustsuperdirectivebeamformersasconvexoptimizationproblem”，ieeeinternationalconferenceonacoustics，speechandsignalprocessing(icassp2009)，第77-80頁，2009年4月

[msk11]edwinmabande、adrianschad和walterkellermann，“atime-domainimplementationofdata-independentrobustbroadbandbeamfomerswithlowfilterorder”，workshoponhands-freespeechcommunicationandmicrophonearrays(hscma)，第81-85頁，愛丁堡，英國，2011年5月

[pf04]和lamposferekidis，“theuseofcontinuousphaseforinterpolation,smoothingandformingmeanvaluesofcomplexfrequencyresponsecurves”，第116屆aes公約，柏林，德國，2004年5月

[pr95]alexanderw.potchinkov和rreemtsen，“thedesignoffirfiltersinthecomplexplanebyconvexoptimization”，signalprocessing，46(2)：127-146，1995年10月

[sar93]“finiteimpulseresponsefilterdesign”，s.k.mitraandj.f.kaisereditors，handbookfordigitalsignalprocessing，第4章，第155-278頁，johnwiley&sons，inc.，1993

[s107]juliuso.smithiii對具有音頻應(yīng)用的數(shù)字濾波器的介紹，w3kpublishing，2007

http：//w3k.org/books/http://www.w3k.org/books/

[smi11]juliuso.smith，“spectralaudiosignalprocessing”，w3kpublishing2011

[在線]http：//ccrma.stanford.edu_jos/sasp