混響環(huán)境下穩(wěn)健麥克風(fēng)陣列波束形成語(yǔ)音增強(qiáng)算法研究.pdf

1、麥克風(fēng)陣列信號(hào)處理在助聽(tīng)設(shè)備、車載免提通訊系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議環(huán)境以及機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)等語(yǔ)音信號(hào)處理中有著普遍的應(yīng)用。但目前存在許多問(wèn)題在麥克風(fēng)陣列信號(hào)處理方面:首先，眾所周知麥克風(fēng)陣列接收到的語(yǔ)音是寬帶信號(hào)，如果用傳統(tǒng)的窄帶波束形成方法來(lái)處理，會(huì)造成波束形成阻帶發(fā)生畸變，無(wú)法抑制干擾信號(hào);其次，通常存在麥克風(fēng)通道的增益差異、相位偏移和位置抖動(dòng)等不確定性造成的失配誤差，而這些誤差也會(huì)造成麥克風(fēng)陣列信號(hào)處理的性能下降;最后，在相對(duì)封閉的幾何空間內(nèi)

2、麥克風(fēng)陣列與語(yǔ)音信號(hào)播放的位置存在一定距離時(shí)，麥克風(fēng)陣列接收的信號(hào)不單僅是語(yǔ)音的直達(dá)信號(hào)，同時(shí)還有語(yǔ)音源在墻壁上多次反射的信號(hào)，從而導(dǎo)致語(yǔ)音的清晰度下降。為此，本文分析研究了混響環(huán)境下穩(wěn)健麥克風(fēng)陣列波束形成語(yǔ)音增強(qiáng)算法，并通過(guò)理論分析及計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)驗(yàn)證所提算法的有效性。主要工作如下:
　　1.針對(duì)寬帶信號(hào)波束形成器存在畸變的問(wèn)題，給出了基于離散空間響應(yīng)偏差函數(shù)的自適應(yīng)加權(quán)寬帶頻率不變波束形成算法。該算法基于線性約束最小方差

3、準(zhǔn)則，首先通過(guò)離散空間響應(yīng)偏差函數(shù)的二項(xiàng)式計(jì)算界定陣列空間響應(yīng)偏差函數(shù)的均衡矩陣;其次將該均衡矩陣以系數(shù)加權(quán)的形式寫(xiě)入到該準(zhǔn)則的波束形成算法目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)中進(jìn)行權(quán)值計(jì)算;最后再將系數(shù)加權(quán)頻率不變波束形成算法中的加權(quán)系數(shù)定義為場(chǎng)點(diǎn)距離和信號(hào)頻率的函數(shù)，該加權(quán)函數(shù)具有動(dòng)態(tài)特性并采用自適應(yīng)原理進(jìn)行更新。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法波束頻率不變性能較好，阻帶水平整體較低，在設(shè)置的干擾方向上形成了較深的零陷。
　　2.針對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的麥克風(fēng)通道特

4、征誤差導(dǎo)致寬帶波束形成器性能下降的問(wèn)題，給出了基于線性約束最小方差對(duì)角加載的穩(wěn)健頻率不變波束形成算法。該算法首先在線性約束最小方差準(zhǔn)則的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上以系數(shù)加權(quán)的形式結(jié)合離散空間響應(yīng)偏差二項(xiàng)式矩陣，實(shí)現(xiàn)頻率不變波束形成器;然后采用白噪聲增益作為約束條件寫(xiě)入線性約束最小方差目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)則中，分析白噪聲增益約束值大小，以提高麥克風(fēng)特征誤差的穩(wěn)健性，主要解決問(wèn)題是麥克風(fēng)的增益偏差、相位偏移和位置抖動(dòng)等因素的不確定性造成低頻信號(hào)全通濾波，從

5、而導(dǎo)致波束形成器性能下降;最后通過(guò)拉格朗日乘子法計(jì)算固定權(quán)值和凸優(yōu)化工具箱迭代求解得到最優(yōu)權(quán)矢量。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法波束穩(wěn)健性能較好，穩(wěn)健后的波束形成器的低頻性能得到改善，陣列增益高、方向性較好。
　　3.針對(duì)封閉環(huán)境中往往受到混響效應(yīng)影響導(dǎo)致語(yǔ)音信號(hào)清晰度下降的情況，給出了基于混響環(huán)境下線性約束最小方差分頻的改進(jìn)維納濾波后置波束形成算法。該算法基于延遲加權(quán)求和波束形成的維納后置濾波結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)采用線性約束最小方差波束形成

6、準(zhǔn)則.改進(jìn)的算法首先假設(shè)每個(gè)頻段上混響時(shí)間不同的特性，在麥克風(fēng)陣列接收信號(hào)的進(jìn)行分頻處理，將波束形成算法應(yīng)用到高低頻域的子帶中，提高了混響抑制的精度;其次麥克風(fēng)陣列接收到混響信號(hào)的直達(dá)波和反射波之間是不相關(guān)的，利用麥克風(fēng)陣列接收信號(hào)的空間信息解決維納濾波器的估計(jì)問(wèn)題。通過(guò)仿真測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法對(duì)混響抑制具有明顯的改善，且提高了語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)得分。
　　4.針對(duì)麥克風(fēng)通道物理特性失配誤差和封閉空間中引起的混響對(duì)語(yǔ)音清晰度的