基于麥克風陣列的語音增強方法

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1、基于麥克風陣列的語音增強方法概述：在日常生活和工作中，語音通信是人與人之間互相傳遞信息溝通不可缺少的方式。在語音通信中，語音信號不可避免地會受到來自周圍環(huán)境和傳輸媒介的外部噪聲、通信設備的內(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音，嚴重影響了雙方之間的交流。應用陣列信號處理技術的麥克風陣列能夠充分利用語音信號的空時信息，具有靈活的波束控制、較高的空間分辨率、高的信號增益與較強的抗干擾能力等特點，逐漸成為強噪聲環(huán)境中語音增強的研究熱點。本文將介紹各種麥克風陣列語音增強方法，并總結(jié)各個方法的優(yōu)劣。最終得出更好的、能夠去噪的基于麥克風陣列的語音增

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

3、輸出信號的功率最小。在線性約束最小方差自適應波束形成器的基礎上，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音信號同時通過自適應通道和非自適應通道，自適應通道中的阻塞矩陣將有用信號濾除后產(chǎn)生僅包含多通道噪聲參考信號，自適應濾波器根據(jù)這個參考信號得到噪聲估計，最后由這個被估計的噪聲抵消非自適應通道中的噪聲分量，從而得到有用的純凈語音信號。麥克風陣列的自適應算法通過迭代運算獲取波束形成的最優(yōu)權矢量時，噪聲模型的估計是一個非常關鍵的因素。它的好壞直接影響著系統(tǒng)波束形成的性能。系統(tǒng)地分析了最小均方(LMS)自適

4、應語音增強算法，并針對阻塞矩陣在估計噪聲時存在的缺陷，在該算法的基礎上提出了一種利用最小值控制遞歸平均(MCRA)來估計噪聲的方法。將此方法應用于波束形成，MCRA估計出的噪聲使LMS自適應語音增強的效果更好和抗噪性更強。2.2基于固定波束形成的麥克風陣列語音增強固定波束形成技術是最簡單最成熟的一種波束形成技術。1985年美國學者Flanagan提出采用延時-相加波束形成方法進行麥克風陣列語音增強，該方法通過對各路麥克風接收到的信號添加合適的延時補償，使得各路輸出信號在某一方向上保持同步，并在該方向的入射信號獲得最大增益。此方法易于實現(xiàn)，但要想獲取較高的噪聲抑制能力則需要增加麥克風數(shù)目

5、，然而對非相干噪聲沒有抑制能力，環(huán)境適應性差，因此實際中很少單獨使用。后來出現(xiàn)的微分麥克風陣列、超方向麥克風陣列和固定頻率波束形成技術也屬于固定波束形成。采用可調(diào)波束形成器的ＧＳＣ麥克風陣列語言增強算法，其實質(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)時延補償，構(gòu)造可調(diào)波束形成器進行聲源方位估計，從而在目標聲源方位獲取階段即可利用陣列的空間增益來提高方位估計性能。延遲求和波束形成器主要目的是增強主瓣方向目標信號，而抑制其他方向的噪聲信號?？烧{(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ＧＳＣ的輸出能量作為代價函數(shù)來估計波束對準聲源時各通道語音的時延補償值，以實現(xiàn)目標語音

6、信號方向的定位．其基本思想是：假定目標信號入射角為α，利用不同的α求出對應的通道補償時延值τ對各通道接收的語音信號進行時延補償，然后通過傳統(tǒng)ＧＳＣ算法得到各自對應的增強語音，并比較不同α對應的輸出信號能量，最大能量對應的α即為實際目標信號方向，相應的τ即為目標語音到達相鄰麥克風的時延補償值。表１給出了２種比較算法的語音增強結(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陣列語音增強1988年Zelinski將維納濾波器應用在麥克風陣列延時—相加波束形成的輸出端，進一步提高了語音信號的降噪效果，提出了基于后置濾波的麥克

7、風陣列語音增強方法（圖2）?；诤笾脼V波的方法在對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時變的聲學環(huán)境。它的基本原理是：假設各麥克風接收到的目標信號相同，接收到的噪聲信號獨立同分布，信號和噪聲不相關，根據(jù)噪聲特性，依據(jù)某一準則實時更新濾波器權系數(shù)，對所接收到數(shù)據(jù)進行濾波，從而達到語音增強的目的。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，算法的性能受到時延誤差的影響，使增強后的語音信號有一定失真；其次