基于麥克風(fēng)陣列的語(yǔ)音增強(qiáng)方法

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1、基于麥克風(fēng)陣列的語(yǔ)音增強(qiáng)方法概述：在日常生活和工作中，語(yǔ)音通信是人與人之間互相傳遞信息溝通不可缺少的方式。在語(yǔ)音通信中，語(yǔ)音信號(hào)不可避免地會(huì)受到來(lái)自周圍環(huán)境和傳輸媒介的外部噪聲、通信設(shè)備的內(nèi)部噪聲及其他講話者的干擾。這些干擾共同作用，最終使聽者獲得的是被噪聲污染過的帶噪聲語(yǔ)音，嚴(yán)重影響了雙方之間的交流。應(yīng)用陣列信號(hào)處理技術(shù)的麥克風(fēng)陣列能夠充分利用語(yǔ)音信號(hào)的空時(shí)信息，具有靈活的波束控制、較高的空間分辨率、高的信號(hào)增益與較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)，逐漸成為強(qiáng)噪聲環(huán)境中語(yǔ)音增強(qiáng)的研究熱點(diǎn)。本文將介紹各種麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)方法，并總結(jié)各個(gè)方法的優(yōu)劣。最終得出更好的、能夠去噪的基于麥克風(fēng)陣列

2、的語(yǔ)音增強(qiáng)方法。1麥克風(fēng)陣列麥克風(fēng)陣列是將兩個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)耦合為一個(gè)信號(hào)。在頻率響應(yīng)中也可以根據(jù)時(shí)域中波束形成與空間濾波器相仿的應(yīng)用，分析出接收到語(yǔ)音信號(hào)音源的方向以及其變化。采用該技術(shù)，能利用兩個(gè)麥克風(fēng)接收到聲波的相位之間的差異對(duì)聲波進(jìn)行過濾，能最大限度將環(huán)境背景聲音濾掉，只剩下需要的聲波。對(duì)于在嘈雜的環(huán)境下使用采用了這種配置的設(shè)備，在嘈雜的環(huán)境下能使聽者聽起來(lái)很清晰，沒雜音。2基于麥克風(fēng)陣列的語(yǔ)音增強(qiáng)方法2.1基于自適應(yīng)波束形成器的麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)自適應(yīng)波束形成是現(xiàn)在廣泛使用的一類麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)方法。最早出現(xiàn)的自適應(yīng)波束形成算法，其基本思想是在某方向有用信號(hào)的增益一定

3、的前提下，使陣列輸出信號(hào)的功率最小。在線性約束最小方差自適應(yīng)波束形成器的基礎(chǔ)上，1982年Griffiths和Jim提出了廣義旁瓣消除器成為了許多算法的基本框架。廣義旁瓣消除器（GSC）的工作原理是帶噪聲的語(yǔ)音信號(hào)同時(shí)通過自適應(yīng)通道和非自適應(yīng)通道，自適應(yīng)通道中的阻塞矩陣將有用信號(hào)濾除后產(chǎn)生僅包含多通道噪聲參考信號(hào)，自適應(yīng)濾波器根據(jù)這個(gè)參考信號(hào)得到噪聲估計(jì)，最后由這個(gè)被估計(jì)的噪聲抵消非自適應(yīng)通道中的噪聲分量，從而得到有用的純凈語(yǔ)音信號(hào)。麥克風(fēng)陣列的自適應(yīng)算法通過迭代運(yùn)算獲取波束形成的最優(yōu)權(quán)矢量時(shí)，噪聲模型的估計(jì)是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。它的好壞直接影響著系統(tǒng)波束形成的性能。系統(tǒng)地分析

4、了最小均方(LMS)自適應(yīng)語(yǔ)音增強(qiáng)算法，并針對(duì)阻塞矩陣在估計(jì)噪聲時(shí)存在的缺陷，在該算法的基礎(chǔ)上提出了一種利用最小值控制遞歸平均(MCRA)來(lái)估計(jì)噪聲的方法。將此方法應(yīng)用于波束形成，MCRA估計(jì)出的噪聲使LMS自適應(yīng)語(yǔ)音增強(qiáng)的效果更好和抗噪性更強(qiáng)。2.2基于固定波束形成的麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)固定波束形成技術(shù)是最簡(jiǎn)單最成熟的一種波束形成技術(shù)。1985年美國(guó)學(xué)者Flanagan提出采用延時(shí)-相加波束形成方法進(jìn)行麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)，該方法通過對(duì)各路麥克風(fēng)接收到的信號(hào)添加合適的延時(shí)補(bǔ)償，使得各路輸出信號(hào)在某一方向上保持同步，并在該方向的入射信號(hào)獲得最大增益。此方法易于實(shí)現(xiàn)，但要想獲取較高的

5、噪聲抑制能力則需要增加麥克風(fēng)數(shù)目，然而對(duì)非相干噪聲沒有抑制能力，環(huán)境適應(yīng)性差，因此實(shí)際中很少單獨(dú)使用。后來(lái)出現(xiàn)的微分麥克風(fēng)陣列、超方向麥克風(fēng)陣列和固定頻率波束形成技術(shù)也屬于固定波束形成。采用可調(diào)波束形成器的ＧＳＣ麥克風(fēng)陣列語(yǔ)言增強(qiáng)算法，其實(shí)質(zhì)在ＧＳＣ結(jié)構(gòu)中的固定波束形成器前端引入各通道可調(diào)時(shí)延補(bǔ)償，構(gòu)造可調(diào)波束形成器進(jìn)行聲源方位估計(jì)，從而在目標(biāo)聲源方位獲取階段即可利用陣列的空間增益來(lái)提高方位估計(jì)性能。延遲求和波束形成器主要目的是增強(qiáng)主瓣方向目標(biāo)信號(hào)，而抑制其他方向的噪聲信號(hào)。可調(diào)波束形成器結(jié)構(gòu)如圖２所示，它利用陣列形成不同波束角度時(shí)ＧＳＣ的輸出能量作為代價(jià)函數(shù)來(lái)估計(jì)波束對(duì)準(zhǔn)聲源

6、時(shí)各通道語(yǔ)音的時(shí)延補(bǔ)償值，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)方向的定位．其基本思想是：假定目標(biāo)信號(hào)入射角為α，利用不同的α求出對(duì)應(yīng)的通道補(bǔ)償時(shí)延值τ對(duì)各通道接收的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，然后通過傳統(tǒng)ＧＳＣ算法得到各自對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)語(yǔ)音，并比較不同α對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)能量，最大能量對(duì)應(yīng)的α即為實(shí)際目標(biāo)信號(hào)方向，相應(yīng)的τ即為目標(biāo)語(yǔ)音到達(dá)相鄰麥克風(fēng)的時(shí)延補(bǔ)償值。表１給出了２種比較算法的語(yǔ)音增強(qiáng)結(jié)果．從表中可以看出，在３種不同噪聲、不同ＳＮＲ下，該算法的消噪性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的ＧＳＣ算法。2.3基于后置濾波的麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)1988年Zelinski將維納濾波器應(yīng)用在麥克風(fēng)陣列延時(shí)—相加波束形成的輸出端，進(jìn)一步提

7、高了語(yǔ)音信號(hào)的降噪效果，提出了基于后置濾波的麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)方法（圖2）?；诤笾脼V波的方法在對(duì)非相干噪聲抑制方面，不僅具有良好的效果，還能夠在一定程度上適應(yīng)時(shí)變的聲學(xué)環(huán)境。它的基本原理是：假設(shè)各麥克風(fēng)接收到的目標(biāo)信號(hào)相同，接收到的噪聲信號(hào)獨(dú)立同分布，信號(hào)和噪聲不相關(guān)，根據(jù)噪聲特性，依據(jù)某一準(zhǔn)則實(shí)時(shí)更新濾波器權(quán)系數(shù)，對(duì)所接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，從而達(dá)到語(yǔ)音增強(qiáng)的目的。圖2結(jié)合后置濾波的固定波束形成器后置濾波方法存在以下不足：首先，算法的性能受到時(shí)延誤差的影響，使增強(qiáng)后的語(yǔ)音信號(hào)有一定失真；其次