Brevet FR2702118A1 — publié le 19940902

DISPOSITIF MULTICAPTEURS DE PRISE DE SON ET DE TRAITEMENT DU SIGNAL ASSOCIE La présente invention concerne les dispositifs multicapteurs de prise de son (ce dernier terme devant être interprété dans un sens large et comme incluant notamment la parole) et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non-exclusive, dans le domaine des terminaux audio, tels que ceux constituant terminal de téléréunion, poste de communication de groupe, terminal de téléconférence, poste téléphonique main libre à plusieurs capteurs, visiophone à plusieurs capteurs, terminal multimé- dia et installation de sonorisation Plusieurs capteurs sont notamment utilisés pour mieux prendre en compte un nombre quelconque de locuteurs utilisant le dispositif de prise de son. Un problème qui se pose fréquemment dans les disposi- tifs multicapteurs de prise de son est l'élimination ou du moins l'atténuation de la contribution, au signal de sortie obtenu à partir des différents capteurs, des perturbations présentes dans les signaux individuels de sortie des capteurs et provoquées par une source ou plusieurs sources de bruit corrélées et localisées En particulier beaucoup de terminaux de communication comportent d'une part plusieurs capteurs et d'autre part un ou plusieurs haut-parleurs restituant le son généré provenant d'un terminal éloigné similaire de sorte qu'apparaît un phénomène de couplage acoustique, qui est à l'origine du phénomène d'écho et de l'effet Larsen. On a déjà proposé divers dispositifs pour réduire ou éliminer le couplage acoustique On a notamment proposé d'inverser la polarité d'un ou de plusieurs capteurs ou de les commuter Mais en contrepartie on fait apparaître d'autres défauts On a également proposé des solutions beaucoup plus complexes, permettant de traiter une perturba- tion acoustique aléatoire constituant un bruit additif, en provenance de la pièce o se trouvent les capteurs et dont on ne connaît pas a priori l'origine Ces techniques exigent des traitements complexes par transformée (de passage) du domaine temporel au domaine fréquentiel et/ou des systèmes adaptatifs. La présente invention vise à fournir un dispositif de prise de son comportant plusieurs capteurs fixes placés dans une ambiance soumise à une perturbation acoustique provenant d'une ou plusieurs sources disposées à des empla- cements connus, dispositif susceptible d'être mis en oeuvre chaque fois que l'emplacement ou les emplacements d'origine sont fixes de sorte que le bruit est assimilable, vu d'un quelconque des capteurs, à un bruit provenant d'une seule source fixe équivalente, pouvant être différente d'un capteur à un autre, ledit dispositif étant de constitution simple et aisément ajustable en cas de modification du nombre et/ou de l'emplacement des capteurs et/ou des sources. Dans la pratique, ces conditions sont remplies dans la majeure partie des cas et ne constituent que des contrain- tes peu gênantes. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de traitement des signaux individuels provenant des différents capteurs, lesdits moyens donnant auxdits signaux des déphasa- ges relatifs et formant une somme pondérée des signaux dépha- sés, les déphasages et les coefficients de pondération étant tels que la contribution du bruit à la somme pondérée soit approximativement nulle. Il est possible de constituer un dispositif suivant l'invention quelle que soit la répartition des capteurs et des emplacements d'origine Cependant la réalisation du dispositif est beaucoup plus simple lorsque la source fixe équivalente est la même pour tous les capteurs ou du moins lorsque les emplacements d'origine du bruit présentent une symétrie de répartition proche ou identique à celle des capteurs. En particulier, dans un dispositif classique d'audio conférence, les capteurs sont fréquemment régulièrement répartis autour de l'emplacement d'une même source équiva- lente (pouvant être un haut-parleur unique) et ont le même diagramme de sensibilité, vu de la source équivalente Dans ce cas les moyens de traitement affectent le même coefficient de pondération à tous les capteurs Ils peuvent leur imposer tous les déphasages possibles à intervalles de 2 Z/N (N étant le nombre de capteurs) ou, bien que ce dernier choix soit généralement moins avantageux, tous les déphasages correspon- dant à quelques multiples seulement de 2 n/N. Suivant un autre aspect de l'invention, les capteurs et les emplacements d'origine d'un même bruit ont une disposition présentant une symétrie de révolution du même ordre autour d'un même point Les moyens de traitement affectent encore le même coefficient de pondération à tous les capteurs. Les moyens de traitement peuvent être prévus pour constituer un signal composite en phase par sommation des produits de signaux individuels par le cosinus du déphasage respectif et un signal composite en quadrature par sommation des produits des signaux individuels par le sinus du déphasa- ge Ces moyens peuvent comporter de plus un filtre de déphasage de Z/2 sur le signal composite en quadrature et un élément de retard du signal composite en phase, de compensa- tion de temps de groupe. Le dispositif peut avoir une constitution purement analogique ou mettre en oeuvre des moyens numériques Dans le second cas, le filtre de déphasage peut être un transfor- mateur de Hilbert. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non-limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 montre schématiquement la répartition la plus régulière possible de N capteurs autour d'une source unique, constituée par un haut-parleur, utilisable par exemple dans une installation d'audio conférence; la figure 2 est une représentation schématique par- tielle des moyens de traitement du signal, dans le cas d'une disposition du genre montré en figure 1; la figure 3 montre une disposition constituant une variante de celle de la figure 1; les figures 4 et 5 montrent des dispositions constituant des variantes de celle de la figure 1. On décrira tout d'abord, en faisant référence aux figures 1 et 2, une disposition de constitution particulière- ment simple, ayant N capteurs microphoniques 101, 10, N régulièrement répartis autour d'une source perturbatrice unique 12 constituée par un haut-parleur, susceptible de donner lieu à un phénomène d'écho ou d'effet Larsen Cette disposition se rencontre notamment dans un terminal d'audio conférence, o le haut-parleur restitue à la fois le signal de parole provenant de locuteurs éloignés et le signal d'écho du à la restitution, par le haut-parleur 12, du son recueilli par les capteurs 10, à 'ON, diffusé par le haut-parleur du terminal éloigné et repris par les capteurs de ce terminal éloigné Le haut-parleur 12 et les capteurs microphoniques sont fixes et le diagramme de sensibilité, vu du haut- parleur, est le même pour tous les capteurs, qui sont généralement des microphones omnidirectionnels ou unidirec- tionnels de même orientation. Dans ce cas, les perturbations reçues par les capteurs sont identiques en amplitude et en phase Si, de façon classique, les signaux de sortie des différents capteurs sont simplement additionnés, l'amplitude de la perturbation dans le signal provenant de l'addition est N fois la perturbation due à un seul capteur, d'o un risque plus important d'effet Larsen. Dans ce cas la contribution de la perturbation au -signal de sortie peut être annulée en déphasant régulièrement les signaux en provenance des différents capteurs avant sommation, c'est-à-dire en imposant un déphasage de 2 nn/N au capteur d'ordre N (la numérotation des capteurs n'étant pas forcément l'ordre dans lequel ils sont disposés autour du haut-parleur 12). Dans ce cas en effet, le signal composite S est donné par S=E lPexp ( 2 jirn/Nl( nô- o Pl, est le signal capté par le microphone d'ordre n, constitué par la somme d'un signal éventuel utile (beaucoup plus élevé pour le capteur placé en face du locuteur que pour les autres capteurs) et d'un signal perturbateur. Le signal perturbateur étant le même pour tous les capteurs, on peut sortir sa contribution de la somme donnée par la formule ( 1), qui reste constituée uniquement par la somme de termes dont un est très prépondérant, de sorte que la modification subie par le signal utile est en général négligeable Quant aux contributions du signal perturbateur, leur somme est nulle. Les déphasages nécessaires de 2 x n/N peuvent être obtenus par traitement séparé des composantes en phase et en quadrature (c'est-à- dire du signal directement fourni par les capteurs et du même signal déphasé de w/2) Pour le capteur d'ordre N: S, exp( 2 j Irn/N) = S, cos( 27 rn/N) + Èn sin( 27 rn/N) ( 2) o S, désigne la composante en quadrature, qui peut être obtenue par passage du signal S dans un filtre déphaseur pur de 7/2. Le signal composite S peut alors s'écrire, en tenant compte de ce que le déphasage de x/2 est une opération linéaire: N N =E lS cos ( 2-n/N) l +quadrature lS, sin ( 2-nn/N)l ( 3) nôa n-1 La formule ( 3) montre qu'il est possible d'effectuer le déphasage de w/2 non pas sur chaque signal de sortie d'un microphone, mais sur la somme des signaux multipliés par les valeurs effectives de sin( 2 z n/N). Les signaux de sortie des capteurs microphoniques peuvent en conséquence être appliqués à des moyens de traite- ment du genre montré en figure 2 (o un seul capteur, d'ordre n, est représenté) Le signal de sortie de chaque capteur est appliqué à deux branches contenant l'un un multiplicateur 14 par cos 2 e n/N, l'autre un multiplicateur 16 par sin 2 X n/N. Les signaux des N premières branches sont additionnés dans un sommateur 18 De même, les N signaux provenant des secondes branches sont additionnés dans un sommateur 20. Dans le dispositif montré en figure 2, destiné à fournir un signal de sortie numérique échantillonné, les sommateurs 18 et 20 attaquent un convertisseur analogique- numérique double 22 Le signal numérisé provenant du somma- teur 20 est ensuite déphasé de U/2 pour obtenir un signal en quadrature Cette opération peut être effectuée par un filtre de Hilbert 24 Le signal numérisé correspondant à la première voie traverse simplement un circuit compensateur de temps de groupe pur 26. Enfin les deux composantes ainsi obtenues sont appliquées à un additionneur numérique 28 qui fournit le signal de sortie, destiné par exemple à être transmis sur une ligne téléphonique. La disposition montrée en figure 2 permet de n'utili- ser qu'un seul convertisseur analogique-numérique double Il serait également possible de numériser directement les signaux de sortie provenant des différents microphones et d'effectuer les multiplications en numérique Il serait également possible d'effectuer l'ensemble des opérations de façon analogique, notamment lorsque le signal de sortie à transmettre doit être analogique. Un tel dispositif peut fonctionner en bande télépho- nique normale, avec une fréquence d'échantillonnage de 8 k Hz, aussi bien qu'en bande élargie, à une fréquence de 16 k Hz, ou en bande haute-fidélité. Le dispositif peut également avoir une constitution entièrement analogique, avec une bande passante quelconque. Le dispositif peut être prévu de façon à être ajustable, par exemple dans le cas o les capteurs sont munis d'interrupteurs permettant d'éliminer certains d'entre eux. Dans ce cas, il est nécessaire de disposer de générateurs de sinus et de cosinus permettant de fournir toutes les valeurs successives écartées de 2 z/N, o N peut prendre n'importe laquelle de plusieurs valeurs entre 2 et un nombre maximum, correspondant à la totalité des capteurs prévus. Il n'est pas nécessaire que les capteurs 10 à 'ON soient régulièrement répartis angulairement, dans la mesure o ils sont à la même distance d'un haut-parleur central unique 12 et o les capteurs sont tels que la contribution sonore utile au signal de sortie provenant d'un locuteur soit nettement plus élevée pour un capteur que pour la majeure partie des autres. La disposition montrée en figure 2 est également utilisable lorsque le haut-parleur 12 est remplacé par un groupe de haut-parleurs laissant subsister la symétrie de révolution ou encore lorsque les haut-parleurs et les capteurs sont dans une disposition telle que chaque capteur soit dans la même disposition par rapport au groupe de haut- parleurs, considéré dans son ensemble. C'est encore le cas lorsque les capteurs 10 et les haut-parleurs 12, en nombre égal, sont chacun répartis autour d'un même point avec une symétrie de révolution du même ordre, même s'ils sont à des distances différentes du centre, comme le montre la figure 3 o a est quelconque. Lorsque les capteurs ne sont pas tous à la même distance de l'emplacement de la source d'origine de la perturbation sonore (ou sont à des distances différentes des sources équivalentes respectives), il est nécessaire de remplacer la formule ( 1) par une formule faisant intervenir des coefficients de pondération Lorsque par exemple huit capteurs 30 présentent la disposition montrée en figure 4 autour d'une source constituée par un haut-parleur omnidirec- tionnel unique 12, c'est-à-dire occupent les coins et les milieux des côtés d'un carré dont le centre est à l'emplace- ment du haut-parleur, des coefficients de pondération diffé- rents doivent être appliqués aux signaux de sortie des capteurs d'angle et des capteur de côté Ces coefficients sont choisis en fonction des distances r 1 et r 2, de façon que la résultante des contributions des microphones soit nulle pour la perturbation sonore provenant du hautparleur 12 Les coefficients de pondération peuvent être calculés directement à partir de r 1 et r 2 lorsque la loi d'affaiblissement en fonction de la distance est connue Le cas de la figure 4 est directement extrapolable à toute disposition o les capteurs occupent les coins et les milieux d'un polygone régulier autre qu'un carré Dans d'autres cas il est nécessaire de mesurer l'affaiblissement, par exemple en mesurant la pression acoustique engendrée par les haut-parleurs. On aura encore deux coefficients de pondération différents, qui pourront être déterminés par le calcul ou par la mesure, dans une disposition telle que celle de la figure , comportant des haut-parleurs 12 en nombre égal à celui des capteurs et orientés chacun vers un capteur respectif 10, mais avec des distances différentes. Dans ce cas, le dispositif montré en figure 2 sera complété par l'adjonction d'atténuateurs sur les première et seconde branches de traitement de signaux provenant de certains des capteurs, en amont des multiplicateurs. Dans la pratique, l'invention sera d'autant plus facile à mettre en oeuvre que la disposition des microphones et celle des haut-parleurs seront comparables. Mais dans tous les cas les coefficients de pondéra- tion éventuels et les déphasages seront fixes, et éventuelle- ment ajustables pour rendre possible la mise hors service de capteurs et/ou de sources de perturbation. REVENDICATIONS 1 Dispositif de prise de son comportant plusieurs capteurs fixes ( 101, oin, 'ON) dans une ambiance soumise à une perturbation acoustique provenant d'une ou plusieurs sources disposées à des emplacements connus et assimilables, vu d'un quelconque des capteurs, à un même bruit provenant d'une seule source fixe ( 12) équivalente, pouvant être différente d'un capteur à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 14-26) de traitement des signaux individuels provenant des différents capteurs, donnant auxdits signaux des déphasages et formant une somme pondérée des signaux déphasés, les déphasages et les coefficients de pondération étant tels que la contribution du bruit à la somme pondérée soit approximativement nulle. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement constituent un signal composite en phase par sommation des produits des signaux individuels par le cosinus du déphasage respectif et un signal composite en quadrature par sommation des produits des signaux individuels par le sinus du déphasage respectif. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent de plus un élément de compensation de temps de groupe ( 26) du signal composite en phase et un filtre ( 24) de déphasage de ic/2 du signal composite en quadrature. 4 Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce qu'il comporte des moyens ( 22) de conversion des signaux numériques échantillonnés. 5 Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le filtre de déphasage ( 24) est un transformateur de Hilbert. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les capteurs ( 101, , l ON), au nombre de N sont identiques et dans une disposition telle que tous les capteurs sont régulièrement il répartis autour de l'emplacement d'une même source ( 12) équivalente et en ce que les moyens de traitement affectent le même coefficient de pondération à tous les capteurs. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les capteurs ( 10) et les emplacements d'origine ( 12) des perturbations ont une disposition présentant une symétrie de révolution du même ordre autour d'un même point et en ce que les moyens de traitement affectent le même coefficient de pondération à tous les capteurs. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, dont les capteurs sont à des distances diffé- rentes de l'emplacement de la source, caractérisé en ce que les moyens de traitement appliquent des coefficients de pondération qui sont fonction de la distance source-capteur aux signaux de sortie des différents capteurs. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les capteurs ( 30) sont disposés aux angles et au milieu des côtés d'un polygone régulier centré sur l'empla- cement d'une même source équivalente ( 12) et en ce que les moyens de traitement appliquent deux coefficients de pondéra- tion différents aux signaux de sortie de façon que la résultante des contributions des capteurs soit nulle pour le bruit provenant de la source. 10 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, dans lequel les sources ( 12) sont en nombre égal à celui des capteurs ( 10) et orientées chacune vers un capteur respectif ( 10), avec des distances différentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement appliquent, aux signaux de sortie des capteurs, des coefficients de pondération différents et fonction de la distance à la source respective.