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

1、麥克風(fēng)陣列信號處理在助聽設(shè)備、車載免提通訊系統(tǒng)、遠程視頻會議環(huán)境以及機器人聽覺等語音信號處理中有著普遍的應(yīng)用。但目前存在許多問題在麥克風(fēng)陣列信號處理方面:首先，眾所周知麥克風(fēng)陣列接收到的語音是寬帶信號，如果用傳統(tǒng)的窄帶波束形成方法來處理，會造成波束形成阻帶發(fā)生畸變，無法抑制干擾信號;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等不確定性造成的失配誤差，而這些誤差也會造成麥克風(fēng)陣列信號處理的性能下降;最后，在相對封閉的幾何空間內(nèi)

2、麥克風(fēng)陣列與語音信號播放的位置存在一定距離時，麥克風(fēng)陣列接收的信號不單僅是語音的直達信號，同時還有語音源在墻壁上多次反射的信號，從而導(dǎo)致語音的清晰度下降。為此，本文分析研究了混響環(huán)境下穩(wěn)健麥克風(fēng)陣列波束形成語音增強算法，并通過理論分析及計算機仿真和實驗實測驗證所提算法的有效性。主要工作如下:
　　1.針對寬帶信號波束形成器存在畸變的問題，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，首先通過離散空間響應(yīng)偏差函數(shù)的二項式計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)的形式寫入到該準(zhǔn)則的波束形成算法目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)中進行權(quán)值計算;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)定義為場點距離和信號頻率的函數(shù)，該加權(quán)函數(shù)具有動態(tài)特性并采用自適應(yīng)原理進行更新。通過仿真實驗表明，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.針對現(xiàn)實環(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題，給出了基于線性約束最小方差對角加載的穩(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)偏差二項式矩陣，實現(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，主要解決問題是麥克風(fēng)的增益偏差、相位偏移和位置抖動等因素的不確定性造成低頻信號全通濾波，從

5、而導(dǎo)致波束形成器性能下降;最后通過拉格朗日乘子法計算固定權(quán)值和凸優(yōu)化工具箱迭代求解得到最優(yōu)權(quán)矢量。通過仿真實驗表明，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.針對封閉環(huán)境中往往受到混響效應(yīng)影響導(dǎo)致語音信號清晰度下降的情況，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)上進行改進采用線性約束最小方差波束形成

6、準(zhǔn)則.改進的算法首先假設(shè)每個頻段上混響時間不同的特性，在麥克風(fēng)陣列接收信號的進行分頻處理，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的直達波和反射波之間是不相關(guān)的，利用麥克風(fēng)陣列接收信號的空間信息解決維納濾波器的估計問題。通過仿真測驗結(jié)果表明，該算法對混響抑制具有明顯的改善，且提高了語音增強系統(tǒng)的評價指標(biāo)得分。
　　4.針對麥克風(fēng)通道物理特性失配誤差和封閉空間中引起的混響對語音清晰度的