專利名稱：帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種語音信號處理，尤其是涉及一種帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置及其方法。
背景技術(shù)：
基于麥克風(fēng)陣列的研究和應(yīng)用是當(dāng)前語音信號處理的一個新領(lǐng)域。在語音識別、語音控制、語音合成等語音信號處理領(lǐng)域中麥克風(fēng)接收到的語音信號受到環(huán)境噪聲和干擾的影響很大，嚴(yán)重影響了語音信號的處理質(zhì)量，一般的基于單麥克風(fēng)的語音增強系統(tǒng)難以獲得較好的增強效果。麥克風(fēng)陣列由于利用了目標(biāo)信號、噪聲和干擾的空間信息，基于麥克 風(fēng)陣列的語音增強系統(tǒng)能提供更好的增強效果。陣列麥克風(fēng)，可將多個麥克風(fēng)按照設(shè)計的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成一個陣列，這樣采集到的信號在時頻域的基礎(chǔ)上又增加一個空間域，可以對采集到的多徑信號進行空時分集處理，麥克風(fēng)陣列可對不同方向上的信號形成不同響應(yīng)，也即陣列的空間指向特性，使陣列麥克風(fēng)具有聲源定位和跟蹤、語音提取和分離以及去噪等功能，從而提高在復(fù)雜背景下的語音信號質(zhì)量，彌補孤立麥克風(fēng)無法獲取和利用空間信息的缺陷。1982年Griffiths和Jim(1、L. J. Griffiths, C. W. Jim. An alternative approachto linearly constrained adaptive beamforming. IEEE Transactions on Antennasand Propagation. January, 1982, 30, 27-34)提出修正線性波束形成器，即廣義旁瓣消除器(Generalized Sidelobe Canceller,簡稱GSC)。廣義旁瓣消除器允許對波束形成器的響應(yīng)進行廣泛的控制，尤其是可把線性約束的受限問題轉(zhuǎn)化為非受限的自適應(yīng)求解，因而更具有一般意義，在麥克風(fēng)陣列語音增強處理中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。針對經(jīng)典GSC算法在實際應(yīng)用中的不足，Gannot等人(2、Sharon Gannot, Israel Cohen. Speech EnhancementBased on the General TransferFunction GSC and Postfiltering. IEEE Transactionson Speech and Audio Processing. 2004，12 (6))以經(jīng)典的廣義旁瓣消除器算法為基礎(chǔ),提出了一種基于有用信號非平穩(wěn)性的聲學(xué)轉(zhuǎn)移函數(shù)廣義旁瓣消除器。Abad等人(3.A Abad, JHernando. Speech Enhancement and recognition by Integrating Adaptive Beamformingand Wiener Filtering. IEEE Sensor Array and Multichannel Signal ProcessingWorkshop, SAM, Sitges, 2004)則提出將維納濾波引入GSC的非自適應(yīng)支路進一步改善旁瓣消除的效果。需要指出的是，獲取聲源的準(zhǔn)確方向是利用廣義旁瓣消除器技術(shù)進行麥克風(fēng)陣列語音增強處理的前提，只有獲取了目標(biāo)聲源方位后才能在最小化輸出方差準(zhǔn)則下通過自適應(yīng)算法訓(xùn)練麥克風(fēng)陣列在期望聲源方向形成波束實現(xiàn)語音增強。中國專利ZL 200510105526. 7公開一種使用噪聲降低的多通道自適應(yīng)語音信號處理方法，該方法通過對GSC的固定波束通路增加一個自適應(yīng)處理器改善信號通道的信噪t匕。但該方法仍然需要借助頻域時延估計來補償各通道時延，以使得波束對準(zhǔn)期望聲源方向。
但是，經(jīng)典的廣義旁瓣消除器算法在語音增強處理過程中始終對準(zhǔn)期望通道的波束保持不變，只有當(dāng)定位算法重新計算目標(biāo)方向后才可再次設(shè)定算法對準(zhǔn)的預(yù)期信號方向。在視頻會議、語音識別、說話人識別等麥克風(fēng)陣列語音增強的實際應(yīng)用過程中，往往會有說話人在說話過程中移動的場合。此時，從麥克風(fēng)陣列語音增強的角度，要求麥克風(fēng)陣列的指向波束能始終對準(zhǔn)移動的目標(biāo)說話人以獲取最佳的語音增強效果。而根據(jù)傳統(tǒng)的廣義旁瓣消除器算法結(jié)構(gòu)，需要先進行聲源定位運算，然后再根據(jù)獲取的目標(biāo)聲源方位進行GSC麥克風(fēng)陣列語音增強處理，會導(dǎo)致GSC對準(zhǔn)的預(yù)期聲源方位與實際聲源方位間存在滯后，從而影響語音增強效果。同時，由于經(jīng)典的廣義旁瓣消除器需要獲得目標(biāo)聲源方向作為算法運行前提條件，當(dāng)獲得目標(biāo)聲源方向與實際聲源方向有一定誤差時的聲源方向(DOA，Directionofarrival)失配會影響到阻塞矩陣對聲源方向期望信號的阻塞效果，即非自適應(yīng)支路的部分信號泄漏到自適應(yīng)支路的噪聲抵消器輸入端，造成語音信號被削弱，從而影響到語音增強效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于提供一種帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置。本發(fā)明的第二目的在于提供一種采用所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置的麥克風(fēng)陣列語音增強方法。所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置設(shè)有麥克風(fēng)陣列，用于語音信號多通道采集、前置處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；可調(diào)平行波束形成器組模塊，用于通過調(diào)整各通道時延進行聲源方向的實時跟蹤;固定系數(shù)FIR濾波器模塊，用于在非自適應(yīng)支路形成預(yù)期頻率特性得到含噪信號;固定系數(shù)信號阻塞模塊，用于濾除聲源方向所包含的信號得到噪聲信號；自適應(yīng)噪聲對消器模塊，用于根據(jù)自適應(yīng)噪聲對消原理以噪聲信號作為參考消除含噪信號中所包含的噪聲，輸出語音增強信號；聲源方向更新模塊，用于根據(jù)當(dāng)前預(yù)期聲源方向及當(dāng)前預(yù)期聲源左右偏移方向?qū)?yīng)進行旁瓣消除輸出的語音增強信號方差選擇當(dāng)前最優(yōu)聲源方向，并將獲得的當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸入至可調(diào)平行波束形成器組模塊更新當(dāng)前聲源方向及當(dāng)前聲源方向的左右偏移方向；所述麥克風(fēng)陣列中各通道語音信號輸出端依次經(jīng)前置放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，通過數(shù)據(jù)線直接與可調(diào)平行波束形成器組模塊的信號輸入端相連接；所述可調(diào)平行波束形成器組模塊設(shè)有3個平行可調(diào)波束形成器，所述3個平行可調(diào)波束形成器分別設(shè)有信號輸入端和聲源方向輸入端，各信號輸入端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各通道語音信號輸出端，各聲源方向輸入端則與聲源方向更新模塊的當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端連接；所述3個平行可調(diào)波束形成器的經(jīng)時延調(diào)整后的各通道語音信號輸出端接固定系數(shù)信號阻塞模塊的輸入端，時延調(diào)整后各通道語音信號的疊加輸出則與固定系數(shù)FIR濾波器模塊的輸入端相連接；所述自適應(yīng)噪聲消除器模塊設(shè)有參考噪聲輸入端和含噪語音輸入端，固定系數(shù)信號阻塞模塊對輸入信號進行阻塞處理后的輸出接自適應(yīng)噪聲消除器模塊的參考噪聲輸入端，固定系數(shù)FIR濾波器模塊對輸入信號進行濾波處理后的輸出接自適應(yīng)噪聲消除器模塊的含噪語音輸入端；所述自適應(yīng)噪聲消除器模塊的語音增強信號輸出端接聲源方向更新模塊以進行當(dāng)前最優(yōu)聲源方向的選擇，自適應(yīng)噪聲消除器模塊設(shè)有當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端和語音增強信號輸出端，當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端接可調(diào)平行波束形成器組模塊，語音增強信號輸出端輸出當(dāng)前最優(yōu)聲源方向?qū)?yīng)的語音增強信號。所述麥克風(fēng)陣列可采用由5元麥克風(fēng)組成的等間距線陣。所述麥克風(fēng)陣列語音增強方法，采用所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音 增強裝置，所述方法包括以下步驟I個初始化步驟在初始化階段設(shè)置正前方為默認(rèn)當(dāng)前聲音方向，或輸入由麥克風(fēng)陣列定位算法獲取的聲源方向，作為初始化聲源方向，作為可調(diào)波束形成器組模塊的聲源方向參數(shù)；I個可調(diào)波束形成步驟按照設(shè)定的聲源方向調(diào)整步長，通過當(dāng)前聲源方向分別力口、減調(diào)整步長產(chǎn)生當(dāng)前聲源方向的左、右偏移方向并計算麥克風(fēng)陣列各通道信號相應(yīng)的時延補償值，并對3個平行波束形成器內(nèi)的麥克風(fēng)陣列各通道輸出信號進行對應(yīng)方向的時延補償，使其分別對準(zhǔn)聲源方向和左右偏移方向；I個固定系數(shù)濾波步驟利用固定系數(shù)分別對3個平行波束形成器的輸出進行FIR濾波，用于在當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對準(zhǔn)方向形成需要的頻率響應(yīng)；I個信號阻塞步驟在自適應(yīng)支路，3個可調(diào)波束形成器輸出的信號分別輸入3個相同的信號阻塞矩陣，用于濾除當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對準(zhǔn)方向內(nèi)包含的語音信號；I個自適應(yīng)噪聲消除步驟在自適應(yīng)支路，以當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對應(yīng)的阻塞矩陣輸出信號作為參考噪聲信號，固定支路中相對應(yīng)3個波束的輸出信號作為帶噪輸入信號進行自適應(yīng)噪聲消除處理；I個聲源方向更新步驟獲取3個波束方向非自適應(yīng)支路信號輸出與對應(yīng)自適應(yīng)噪聲消除器的輸出之差，并觀察窗內(nèi)選擇方差最小的波束方向作為當(dāng)前聲源方向進行更新，更新當(dāng)前聲源方向后分別加、減調(diào)整步長產(chǎn)生當(dāng)前聲源方向的左、右偏移方向并計算麥克風(fēng)陣列各通道信號相應(yīng)的時延補償值再次進行算法迭代。本發(fā)明要解決的問題是在傳統(tǒng)廣義旁瓣消除器算法的基礎(chǔ)上提供一種帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置。針對說話人識別、語音識別等麥克風(fēng)陣列語音增強中說話人可能發(fā)生移動的情況，本發(fā)明提供一種可調(diào)的平行波束形成器組結(jié)合旁瓣對消結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對目標(biāo)聲源方向的實時跟蹤，將聲源方向跟蹤功能直接嵌入廣義旁瓣消除器結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)聲源方向跟蹤、語音增強的同時進行，從而可克服算法性能對DOA估計誤差的敏感性。本發(fā)明的技術(shù)方案是在傳統(tǒng)廣義旁瓣消除器的基礎(chǔ)上加入聲源方向跟蹤功能進行語音信號的增強處理。
本發(fā)明提供的帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置實現(xiàn)帶聲源方向跟蹤麥克風(fēng)陣列語音增強的具體思路為首先在旁瓣消除器的非自適應(yīng)信號支路設(shè)置3個平行的波束形成器組成波束形成器組，每個波束形成器依次對準(zhǔn)當(dāng)前聲源方向、及當(dāng)前聲源方向的左右偏移方位(左右偏移方向分別通過當(dāng)前聲源方向加減一個方向調(diào)整步長得到)，計算麥克風(fēng)陣列波束分別對準(zhǔn)上述3個期望聲源方向條件下旁瓣消除器自適應(yīng)濾波器的輸出，并在一個觀察窗內(nèi)進行性能比較，根據(jù)3個聲源方向?qū)?yīng)的比較結(jié)果選擇當(dāng)前最佳聲源方向；在獲得當(dāng)前最佳聲源方向后將其設(shè)為當(dāng)前聲源方向，并得到新的聲源方向左右漂移方向，再次進行平行的波束形成器組的方向迭代；通過上述迭代過程，實現(xiàn)帶聲源方向跟蹤的麥克風(fēng)陣列語音增強。因此，本發(fā)明公開的帶聲源方向跟蹤麥克風(fēng)陣列語音增強的基本結(jié)構(gòu)實際上是3個平行工作、方向可調(diào)整的旁瓣消除器，其中每個旁瓣消除器分別對應(yīng)當(dāng)前聲源方向及當(dāng)前聲源方向的左右偏移方向，并通過每個旁瓣消除器的輸出信號方差進行當(dāng)前聲源方向的迭代優(yōu)化選擇，通過自適應(yīng)算法在迭代過程中同時進行當(dāng)前聲源方向跟蹤和語音增強。 與現(xiàn)有的麥克風(fēng)陣列定位與語音增強方法相比，本發(fā)明的帶聲源方位跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置有3個突出優(yōu)點第一，由于在旁瓣抵消器中嵌入可調(diào)的平行波束形成器組，因此可實現(xiàn)聲源目標(biāo)方向跟蹤和麥克風(fēng)陣列語音增強的同時進行，無需依賴額外的麥克風(fēng)陣列定位算法進行目標(biāo)聲源方向計算；第二，由于在語音信號處理過程中內(nèi)嵌的平行波束形成器組始終在算法流程中與語音增強同時運行，因此可以保證在進行語音增強的同時對目標(biāo)聲源方向進行實時跟蹤，從而可實現(xiàn)對移動目標(biāo)聲源跟蹤的快速、實時響應(yīng)；第三，當(dāng)獲取的聲源方向與實際聲源方向存在誤差時，通過可調(diào)平行波束形成器組進行聲源方位跟蹤，可消除語音信號到達方向(DOA)的失配，從而改善自適應(yīng)通路中的信號泄漏，提高語音增強性能。


圖I為本發(fā)明所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置實施例結(jié)構(gòu)組成框圖。圖2為本發(fā)明實施例的5元麥克風(fēng)陣列及其與微處理器連接電路圖。圖3為本發(fā)明實施例中各信號處理模塊的數(shù)據(jù)流、控制流連接示意圖。圖4為本發(fā)明實施例的可調(diào)波束形成器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實施例的超聲波輔助麥克風(fēng)語音增強各通道時延補償值的計算原理圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、特征、優(yōu)點更加明顯易懂，以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。如圖I所示，所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置實施例設(shè)有麥克風(fēng)陣列I、可調(diào)平行波束形成器組模塊2、固定系數(shù)FIR濾波器模塊3、固定系數(shù)信號阻塞模塊4、自適應(yīng)噪聲對消器模塊5和聲源方向更新模塊6。麥克風(fēng)陣列I用于語音信號多通道采集、前置處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；可調(diào)平行波束形成器組模塊2用于通過調(diào)整各通道時延進行聲源方向的實時跟蹤；固定系數(shù)FIR濾波器模塊3用于在非自適應(yīng)支路形成預(yù)期頻率特性得到含噪信號；固定系數(shù)信號阻塞模塊4用于濾除聲源方向所包含的信號得到噪聲信號；自適應(yīng)噪聲對消器模塊5用于根據(jù)自適應(yīng)噪聲對消原理以噪聲信號作為參考消除含噪信號中所包含的噪聲，輸出語音增強信號；聲源方向更新模塊6用于 根據(jù)當(dāng)前預(yù)期聲源方向及當(dāng)前預(yù)期聲源左右偏移方向?qū)?yīng)進行旁瓣消除輸出的語音增強信號方差選擇當(dāng)前最優(yōu)聲源方向，并將獲得的當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸入至可調(diào)平行波束形成器組模塊更新當(dāng)前聲源方向及當(dāng)前聲源方向的左右偏移方向。所述麥克風(fēng)陣列I中各通道語音信號輸出端依次經(jīng)前置放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器7后，通過數(shù)據(jù)線直接與可調(diào)平行波束形成器組模塊2的信號輸入端相連接。所述可調(diào)平行波束形成器組模塊2設(shè)有3個平行可調(diào)波束形成器，所述3個平行可調(diào)波束形成器分別設(shè)有信號輸入端和聲源方向輸入端，各信號輸入端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各通道語音信號輸出端，各聲源方向輸入端則與聲源方向更新模塊6的當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端連接；所述3個平行可調(diào)波束形成器的經(jīng)時延調(diào)整后的各通道語音信號輸出端接固定系數(shù)信號阻塞模塊4的輸入端，時延調(diào)整后各通道語音信號的疊加輸出則與固定系數(shù)FIR濾波器模塊3的輸入端相連接。所述自適應(yīng)噪聲消除器模塊5設(shè)有參考噪聲輸入端和含噪語音輸入端，固定系數(shù)信號阻塞模塊4對輸入信號進行阻塞處理后的輸出接自適應(yīng)噪聲消除器模塊5的參考噪聲輸入端，固定系數(shù)FIR濾波器模塊3對輸入信號進行濾波處理后的輸出接自適應(yīng)噪聲消除器模塊5的含噪語音輸入端。所述自適應(yīng)噪聲消除器模塊5的語音增強信號輸出端接聲源方向更新模塊6以進行當(dāng)前最優(yōu)聲源方向的選擇，自適應(yīng)噪聲消除器模塊5設(shè)有當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端和語音增強信號輸出端，當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端接可調(diào)平行波束形成器組模塊2，語音增強信號輸出端輸出當(dāng)前最優(yōu)聲源方向?qū)?yīng)的語音增強信號。所述麥克風(fēng)陣列I可采用由5元麥克風(fēng)組成的等間距線陣。所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置實施例中麥克風(fēng)陣列由5個等間距排列的麥克風(fēng)(m0，ml，…m4)組成麥克風(fēng)線陣，陣列中各麥克風(fēng)獲得的語音信號送入內(nèi)嵌3個平行的可調(diào)波束形成器組的旁瓣消除器進行聲源方向跟蹤和語音增強。麥克風(fēng)陣列由麥克風(fēng)及硬件電路組成，其中麥克風(fēng)陣列由體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好的壓強式駐極體麥克風(fēng)micO，mic4, NJM2100運算放大器芯片構(gòu)成的前置放大電路及MAXl 18模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成(如圖2所示)，在本實施例中麥克風(fēng)間距d = 10cm?？烧{(diào)平行波束形成器組模塊、固定系數(shù)FIR濾波器模塊、固定系數(shù)信號阻塞模塊、自適應(yīng)噪聲對消器模塊、聲源方向更新模塊等組成模塊均屬于數(shù)字信號處理模塊，在本實施例中采用ARM9 S3C2440微處理器進行軟件編程實現(xiàn)。麥克風(fēng)陣列與微處理器的連接方式為麥克風(fēng)陣列中5個麥克風(fēng)輸出信號經(jīng)過圖2所示運算放大器構(gòu)成的2級前置放大電路放大后輸入多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX118，S3C2440微處理器通過IO 口 GPB2，3，4控制MAXl 18的輸入通道端A1、A2、A3，通過定時器輸出腳TOUTO、TOUTl控制MAX118的讀出/寫入端口 WR、RD進行采樣頻率16ksps的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)線DATAO至DATA7進行8bit模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果到S3C2440微處理器的傳送。所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置中多通道語音信號模數(shù)轉(zhuǎn)換進入微處理器后，以軟件形式運行的各數(shù)字信號處理模塊間的數(shù)據(jù)、控制流連接方式如圖3所示，具體說明如下所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置引入的可調(diào)波束形成器組是3個結(jié)構(gòu)相同的平行波束形成器，并可采用兩種方法進行裝置中可調(diào)波束形成器組模塊參數(shù)的初始化一是可設(shè)置正前方為默認(rèn)當(dāng)前聲音方向，算法開始跟蹤功能后可逐漸收斂到真正的當(dāng)前聲源方向；二是可利用本領(lǐng)域公知的麥克風(fēng)陣列定位算法獲取的聲源方向作為當(dāng)前聲源方向，算法開始跟蹤功能后對當(dāng)前聲源方向進行跟蹤。可調(diào)波束形成器組模塊在初始化階段獲得當(dāng)前聲源方向信息后，按照設(shè)定的聲源方向調(diào)整步長△形成在聲源方向左右各偏移△的左右偏移方向，3個平行波束形成器分別對準(zhǔn)聲源方向和左右偏移方向，也即在每個平行波束形成器內(nèi)根據(jù)其對準(zhǔn)的是目標(biāo)聲源方向或左右偏移方向相應(yīng)調(diào)整麥克風(fēng)陣列各通道輸入信號XiGOi = O, I, 2，…，5的時延補償值TiPpi = O, 1,2, - ,5, j = 0，1，2，由此獲得時延補償后的各通道信號Xi,」(k)，其中i代表麥克風(fēng)陣列各通道號，Θ j代表3個可調(diào)波束形成器分別對應(yīng)指向的當(dāng)前聲源方向，當(dāng)前聲源左偏移、右偏移方向。在本實施例中，G1為當(dāng)前聲源方向，Θ& 02分別為當(dāng)前聲源 方向的左、右偏移方向，Λ為波束調(diào)整步長。即有θ 0 = Θ「Δ，θ 2 = θ χ+ Δ經(jīng)過時延補償一相加波束成形后，可得到分別對準(zhǔn)當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向的三路麥克風(fēng)陣列波束形成信號y」(k) j = O, 1,2Yj (k) = A1Xi, j (k)在本實施例中，采用簡單的時延補償一相加波束成形，固定系數(shù)A= [O. 2，O. 2，O. 2，O. 2，O. 2]?？烧{(diào)平行波束形成器組模塊中3個平行可調(diào)波束形成器如圖4所示，各設(shè)有信號輸入、聲源方向輸入兩個輸入端，以及時延調(diào)整后的各通道語音信號輸出、波束形成輸出兩個輸出端。每個可調(diào)波束形成器可用于形成語音波束對準(zhǔn)輸入的聲源方向，3個平行的可調(diào)波束形成器則可分別對準(zhǔn)當(dāng)前聲源方向及其左右偏移方向。如圖3所示，3個平行可調(diào)波束形成器輸出的波束形成信號分別輸入3個相同的固定系數(shù)FIR濾波器，該FIR濾波器的系數(shù)由聲源方向預(yù)期的頻率響應(yīng)計算獲得，用于在當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對準(zhǔn)方向形成需要的頻率響應(yīng)。f j (k) = FtY (k)同樣如圖3所示，3個平行可調(diào)波束形成器輸出的時延調(diào)整后的各通道語音信號分別輸入3個相同的信號阻塞矩陣，用于濾除當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對準(zhǔn)方向內(nèi)包含的語音信號。在本實施例中信號阻塞矩陣B按照下式進行配置
"I -I O O (Γ
01-10 OB=
1 J 0 0 1-10
00 0 1 -1_經(jīng)過阻塞矩陣處理后，3個波束方向?qū)?yīng)的信號阻塞輸出為UjGO =B1XijGO圖3所示的3個自適應(yīng)噪聲消除器模塊均設(shè)有參考噪聲、含噪信號兩個輸入端，并分別以當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對應(yīng)的阻塞矩陣輸出信號作為參考噪聲輸入信號，固定系數(shù)FIR濾波器對應(yīng)3個波束的輸出信號作為含噪輸入信號，本實施例中采用本領(lǐng)域公知的LMS (最小均方誤差算法)自適應(yīng)算法調(diào)整自適應(yīng)噪聲消除器的權(quán)系數(shù)I k進行自適應(yīng)噪聲消除處理。此時，3個波束方向?qū)?yīng)的自適應(yīng)噪聲消除器輸出為rij (k) = W J； JUj (k)經(jīng)噪聲消除處理后，3個波束方向?qū)?yīng)的系統(tǒng)語音增強輸出為各波束非自適應(yīng)支路信號輸出與自適應(yīng)噪聲消除器的輸出之差Sj (k) = y' j (k) -n」(k)獲取了 3個波束方向?qū)?yīng)的系統(tǒng)語音增強輸出h_(k)后，圖3所示的方向更新模塊以長度L為觀察窗長度比較三各波束方向?qū)?yīng)的語音增強輸出信號的方差Vj,并選擇方 差最小的波束方向作為新的當(dāng)前聲源方向進行算法更新以最小化語音信號中的殘余噪聲，本實施例中L取200，即每200次算法迭代計算一次以輸出信號方差表示的代價函數(shù)進行一次當(dāng)前聲源方向更新。
權(quán)利要求
1.帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置，其特征在于設(shè)有 麥克風(fēng)陣列，用于語音信號多通道采集、前置處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換； 可調(diào)平行波束形成器組模塊，用于通過調(diào)整各通道時延進行聲源方向的實時跟蹤； 固定系數(shù)FIR濾波器模塊，用于在非自適應(yīng)支路形成預(yù)期頻率特性得到含噪信號； 固定系數(shù)信號阻塞模塊，用于濾除聲源方向所包含的信號得到噪聲信號； 自適應(yīng)噪聲對消器模塊，用于根據(jù)自適應(yīng)噪聲對消原理以噪聲信號作為參考消除含噪信號中所包含的噪聲，輸出語音增強信號； 聲源方向更新模塊，用于根據(jù)當(dāng)前預(yù)期聲源方向及當(dāng)前預(yù)期聲源左右偏移方向?qū)?yīng)進行旁瓣消除輸出的語音增強信號方差選擇當(dāng)前最優(yōu)聲源方向，并將獲得的當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸入至可調(diào)平行波束形成器組模塊更新當(dāng)前聲源方向及當(dāng)前聲源方向的左右偏移方向； 所述麥克風(fēng)陣列中各通道語音信號輸出端依次經(jīng)前置放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，通過數(shù)據(jù)線直接與可調(diào)平行波束形成器組模塊的信號輸入端相連接； 所述可調(diào)平行波束形成器組模塊設(shè)有3個平行可調(diào)波束形成器，所述3個平行可調(diào)波束形成器分別設(shè)有信號輸入端和聲源方向輸入端，各信號輸入端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各通道語音信號輸出端，各聲源方向輸入端則與聲源方向更新模塊的當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端連接；所述3個平行可調(diào)波束形成器的經(jīng)時延調(diào)整后的各通道語音信號輸出端接固定系數(shù)信號阻塞模塊的輸入端，時延調(diào)整后各通道語音信號的疊加輸出則與固定系數(shù)FIR濾波器模塊的輸入端相連接； 所述自適應(yīng)噪聲消除器模塊設(shè)有參考噪聲輸入端和含噪語音輸入端，固定系數(shù)信號阻塞模塊對輸入信號進行阻塞處理后的輸出接自適應(yīng)噪聲消除器模塊的參考噪聲輸入端，固定系數(shù)FIR濾波器模塊對輸入信號進行濾波處理后的輸出接自適應(yīng)噪聲消除器模塊的含噪語音輸入端； 所述自適應(yīng)噪聲消除器模塊的語音增強信號輸出端接聲源方向更新模塊以進行當(dāng)前最優(yōu)聲源方向的選擇，自適應(yīng)噪聲消除器模塊設(shè)有當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端和語音增強信號輸出端，當(dāng)前最優(yōu)聲源方向輸出端接可調(diào)平行波束形成器組模塊，語音增強信號輸出端輸出當(dāng)前最優(yōu)聲源方向?qū)?yīng)的語音增強信號。
2.如權(quán)利要求I所述的帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置，其特征在于所述麥克風(fēng)陣列采用由5元麥克風(fēng)組成的等間距線陣。
3.麥克風(fēng)陣列語音增強方法，其特征在于采用如權(quán)利要求I所述帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置，所述方法包括以下步驟 I個初始化步驟在初始化階段設(shè)置正前方為默認(rèn)當(dāng)前聲音方向，或輸入由麥克風(fēng)陣列定位算法獲取的聲源方向，作為初始化聲源方向，作為可調(diào)波束形成器組模塊的聲源方向參數(shù)； I個可調(diào)波束形成步驟按照設(shè)定的聲源方向調(diào)整步長，通過當(dāng)前聲源方向分別加、減調(diào)整步長產(chǎn)生當(dāng)前聲源方向的左、右偏移方向并計算麥克風(fēng)陣列各通道信號相應(yīng)的時延補償值，并對3個平行波束形成器內(nèi)的麥克風(fēng)陣列各通道輸出信號進行對應(yīng)方向的時延補 償，使其分別對準(zhǔn)聲源方向和左右偏移方向； I個固定系數(shù)濾波步驟利用固定系數(shù)分別對3個平行波束形成器的輸出進行FIR濾波，用于在當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對準(zhǔn)方向形成需要的頻率響應(yīng)； I個信號阻塞步驟在自適應(yīng)支路，3個可調(diào)波束形成器輸出的信號分別輸入3個相同的信號阻塞矩陣，用于濾除當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對準(zhǔn)方向內(nèi)包含的語音信號; I個自適應(yīng)噪聲消除步驟在自適應(yīng)支路，以當(dāng)前聲源方向、左右偏移方向3個波束對應(yīng)的阻塞矩陣輸出信號作為參考噪聲信號，固定支路中相對應(yīng)3個波束的輸出信號作為帶噪輸入信號進行自適應(yīng)噪聲消除處理； I個聲源方向更新步驟獲取3個波束方向非自適應(yīng)支路信號輸出與對應(yīng)自適應(yīng)噪聲消除器的輸出之差，并觀察窗內(nèi)選擇方差最小的波束方向作為當(dāng)前聲源方向進行更新，更新當(dāng)前聲源方向后分別加、減調(diào)整步長產(chǎn)生當(dāng)前聲源方向的左、右偏移方向并計算麥克風(fēng)陣列各通道信號相應(yīng)的時延補償值再次進行算法迭代。
全文摘要
帶聲源方向跟蹤功能的麥克風(fēng)陣列語音增強裝置及其方法，涉及一種語音信號處理。裝置設(shè)有麥克風(fēng)陣列、可調(diào)平行波束形成器組模塊、固定系數(shù)FIR濾波器模塊、固定系數(shù)信號阻塞模塊、自適應(yīng)噪聲對消器模塊、聲源方向更新模塊。所述方法包括初始化、可調(diào)波束形成、固定系數(shù)濾波、信號阻塞、自適應(yīng)噪聲消除、聲源方向更新等步驟。提供一種可調(diào)的平行波束形成器組結(jié)合旁瓣對消結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對目標(biāo)聲源方向的實時跟蹤，將聲源方向跟蹤功能直接嵌入廣義旁瓣消除器結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)聲源方向跟蹤、語音增強的同時進行，從而可克服算法性能對DOA估計誤差的敏感性。
文檔編號G10L21/02GK102831898SQ20121032000
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者童峰, 洪青陽, 周躍海 申請人:廈門大學(xué)