一種提高麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種提高麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)算法性能的方法。本發(fā)明的方案為：通過(guò)語(yǔ)音檢測(cè)器檢測(cè)主通道當(dāng)前是語(yǔ)音時(shí)期HSP還是無(wú)語(yǔ)音時(shí)期NSP；在NSP時(shí)，第一濾波器基于輸入信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整第一濾波器的系數(shù)，使得第一濾波器的輸出信號(hào)的能量最??；在HSP時(shí)，將第一濾波器的系數(shù)鎖定，不作調(diào)整，直接基于NSP時(shí)設(shè)置的濾波器系數(shù)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理；將第一濾波器的當(dāng)前輸出信號(hào)作為第二濾波器的輸入，對(duì)主通道信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)性濾波處理，通過(guò)調(diào)整自適應(yīng)第二濾波器的系數(shù)，使得第二濾波器的輸出信號(hào)的能量最小，得到抗串?dāng)_且噪聲消除的語(yǔ)音輸出。本發(fā)明的實(shí)施，可以在一定程度上提高語(yǔ)音增強(qiáng)效果。
【專利說(shuō)明】
一種提高麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音増強(qiáng)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于語(yǔ)音處理技術(shù)，具體涉及一種提高麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲學(xué)環(huán)境很復(fù)雜，麥克風(fēng)在拾取語(yǔ)音信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)接收到各種噪聲:建筑物的 混響，干擾聲源，電噪聲等。傳統(tǒng)的語(yǔ)音拾取工具難以提供好的抗噪聲的能力，人們提出了 麥克風(fēng)列語(yǔ)音增強(qiáng)的技術(shù)。利用麥克風(fēng)陣列的空間選擇性，聚焦到一個(gè)或者多個(gè)感興趣的 聲源上去。麥克風(fēng)陣列具有靈敏的波束指向性，優(yōu)秀的空間濾波性。
[0003] 在眾多的語(yǔ)音增強(qiáng)的算法中，自適應(yīng)噪聲消除(adaptive noise cancellation, ANC)是重要組成部分。它的計(jì)算復(fù)雜度不高，可以用來(lái)處理各種噪聲，在實(shí)際的實(shí)時(shí)環(huán)境中 應(yīng)用比較多，它需要的麥克風(fēng)數(shù)量不也多。
[0004] 由于語(yǔ)音信號(hào)傳播路徑的復(fù)雜性，在兩個(gè)通道的ANC系統(tǒng)中，參考通道和與主通道 之間的噪聲不是完全相關(guān)的。所以兩個(gè)通道的ANC系統(tǒng)中語(yǔ)音增強(qiáng)的效果會(huì)受到限制。為了 獲得更好的性能，我們需要采用更多的麥克風(fēng)。
[0005] 在傳統(tǒng)ANC算法中，參考通道理想的狀態(tài)是只包含噪聲信號(hào)。否則在主通道中的語(yǔ) 音信號(hào)在噪聲消除的時(shí)候會(huì)被部分抵消掉。參考通道里面的語(yǔ)音信號(hào)越多，噪聲消除的時(shí) 候，損失的語(yǔ)音信號(hào)也越多，增強(qiáng)的結(jié)果也就越差。然而在實(shí)際的環(huán)境中，讓參考通道只包 含噪聲信號(hào)這是不可能的。尤其是在小麥克風(fēng)陣列中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種能消除串?dāng)_的麥克風(fēng)陣 列語(yǔ)音增強(qiáng)性能的方法。
[0007] 本發(fā)明一種提高麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)性能的方法，包括下列步驟：
[0008] 通過(guò)語(yǔ)音檢測(cè)器檢測(cè)主通道當(dāng)前是語(yǔ)音時(shí)期HSP還是無(wú)語(yǔ)音時(shí)期NSP;
[0009] 在NSP時(shí)，將噪聲信號(hào)作為第一濾波器的輸入，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整第一濾波器的系 數(shù)，使得第一濾波器的輸出信號(hào)的能量最小;其中，對(duì)于主通道和一個(gè)參考通道的雙通道模 式，噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)主通道信號(hào)和參考通道信號(hào)（即比較參考通道中的噪聲信號(hào)和主通道中 的噪聲信號(hào)之間的關(guān)系，也是就所謂的傳輸函數(shù)。自適應(yīng)調(diào)整第一濾波器的系數(shù)的過(guò)程就 是獲取這種關(guān)系的過(guò)程。以便在HSP時(shí)，可以利用所獲得的傳輸函數(shù)和參考通道中的噪聲信 號(hào)來(lái)消除主通道中的噪聲信號(hào)）；對(duì)于多通道模式，噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)所有參考通道信號(hào);在HSP 時(shí)，將第一濾波器的系數(shù)鎖定，不作調(diào)整，直接基于NSP時(shí)設(shè)置的第一濾波器的系數(shù)對(duì)輸入 信號(hào)進(jìn)行濾波處理；
[0010]將第一濾波器的當(dāng)前輸出信號(hào)作為第二濾波器的輸入，對(duì)主通道信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng) 性濾波處理，通過(guò)自適應(yīng)第二濾波器的系數(shù)，使得第二濾波器的輸出信號(hào)的能量最小，得到 抗串?dāng)_且噪聲消除的語(yǔ)音輸出。
[0011]即本發(fā)明在HSP和NSP均通過(guò)第二濾波器對(duì)主通道信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)性濾波處理，僅 在NSP自適應(yīng)調(diào)整第一濾波器的系數(shù)。
[0012] 綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:在去除噪聲的同時(shí)抗 串?dāng)_，且計(jì)算復(fù)雜度低，對(duì)不同噪聲的去噪處理的適用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是雙通道自適應(yīng)噪聲消除示意圖；
[0014] 圖2是雙通道串?dāng)_模型；
[0015] 圖3是雙通道抗串?dāng)_自信應(yīng)噪聲消除示意圖；
[0016] 圖4是多通道串?dāng)_模型；
[0017] 圖5是多通道抗串?dāng)_自適應(yīng)噪聲消除算法示意圖；
[0018] 圖6中，（a)為語(yǔ)音信號(hào)波形圖，（b)為噪聲信號(hào)波形圖，（c)為主通道信號(hào)波形圖， (d)為參考通道信號(hào)波形圖；
[0019] 圖7中，（a)為純凈的語(yǔ)音信號(hào)波形圖，（b)為帶噪聲的語(yǔ)音信號(hào)波形圖，（c)為雙通 道自適應(yīng)噪聲消除后的語(yǔ)音信號(hào)波形圖，（d)為抗串?dāng)_的雙通道自適應(yīng)噪聲消除后的語(yǔ)音 信號(hào)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0021] 如圖1所示，假設(shè)噪聲信號(hào)是n(t)。它從噪聲源傳到麥克風(fēng)陣_和施，然后噪聲信號(hào) 被分別拾取為n〇(t)和m(t)。假設(shè)語(yǔ)音信號(hào)是s(t)。被麥克風(fēng)Mo拾取為so(t)。進(jìn)一步假設(shè)語(yǔ) 音信號(hào)s(t)沒(méi)有進(jìn)入?yún)⒖夹诺朗Ｋ宰罱K被麥克風(fēng)拾取的信號(hào)的形式是這樣的：
[0022] x〇(t) = so(t)+n〇(t) (1)
[0023] xi(t) =m(t) (2)
[0024] 所述XQ(t)、X1(t)分別對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)施^:拾取的信道信號(hào)，其中：
[0025] m(t)=hni(t)*n(t) i = 0，l (3)
[0026] so(t) =hs〇(t)*s(t) (4)
[0027] 上式中，*是卷積符號(hào)（下同），hnQ(t)和hnl⑴分別是噪聲源到麥克風(fēng)_和施之間沖 擊響應(yīng)，即主通道沖擊響應(yīng)，參考通道沖擊響應(yīng)。
[0028] 在離散時(shí)域中t = kT，其中k是時(shí)域中的序號(hào)，T是采樣的周期。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用k來(lái) 代替t。連續(xù)信號(hào)是x(t)，離散信號(hào)是x(k)。
[0029] 在噪聲環(huán)境中只能獲取到信號(hào)XQ(kWPX1(k)，在基于所獲取的兩個(gè)信號(hào)恢復(fù)語(yǔ)音 信號(hào)so(k)時(shí)，如果噪聲信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)是不相關(guān)的，則可以通過(guò)ANC算法實(shí)現(xiàn)，參見(jiàn)圖1，其 八從：系統(tǒng)的輸出信號(hào)6(1〇=1()(1〇-7(1〇 = 8()(1〇+11()(1〇-7(1〇，對(duì)其兩邊同時(shí)平方可得：
[0030] (k) = .>',；(/；) + [>?(1 {k) - 1 \1<)]' + 2.v"(A )[>?"{k) - ι {l<)]
[0031 ] s〇(k)和n〇(k)，y(k)是不相關(guān)的，求期望的：E[e:(/(.)] = ￡"[.ν〗(Α')] + ￡[,%(々）-)·(々)『以 調(diào)整自適應(yīng)濾波器Α的系數(shù)，使得輸出能量E[e2(k)]最小。即：
[0032] min E[el(k )J = E[s;, [k)] + min ￡[/2,,(k) - y(k )]；! (5)
[0033]從公式(5)可以看出最小化E[e2(k)]和最小化E[n0(k)-y(k)]2是等價(jià)的。所以濾波 器A在均方誤差最小準(zhǔn)則(MMSE)下的輸出y(k)是對(duì)主通道中噪聲信號(hào)的估計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的 輸出信號(hào)e(k)是對(duì)信號(hào)so(k)在最小均方差準(zhǔn)則下的估計(jì)。
[0034]從公式（5)可以知道，要取得最小值E[e2(k)]=E[S() 2(k)]，當(dāng)且僅當(dāng)E[n()(k)-y (k)]2 = 0。也就是說(shuō)y(k)=n〇(k)，e(k) = s〇(k)，即當(dāng)前系統(tǒng)的輸出為無(wú)噪聲的信號(hào)。
[0035] 在ANC系統(tǒng)中，濾波器A可以有很多種形式。然而通常來(lái)說(shuō)使用的是自適應(yīng)的FIR濾 波器
，其中W是濾波器的系數(shù)向量，??7 = [?'二·%]， Ni(k) = [m(k+Li)，…，m(k+l)，m(k)，..·ηι(1?-?2)]τ，其中 Li 表示主通道延時(shí)，L2 表示參考 通道延時(shí)。
[0036] 對(duì)于自適應(yīng)濾波器A的系數(shù)的調(diào)整，可以采用常用的技術(shù)，比如最小均方差法 (LMS)，遞歸最小二乘法(RLS)等。在這些方法中LMS算法是最簡(jiǎn)單，被廣泛使用的方法。也有 很多改進(jìn)的LMS算法。本【具體實(shí)施方式】中采用LMS算法。
[0037] 在傳統(tǒng)的噪聲消除處理中，通常假定參考通道中沒(méi)有語(yǔ)音信號(hào)。否則主通道中的 信號(hào)會(huì)被部分或者完全地消除掉。然而在實(shí)際的環(huán)境中，語(yǔ)音信號(hào)會(huì)不可避免的傳入到參 考通道中去，導(dǎo)致參考通道中含有語(yǔ)音信號(hào)，尤其是在陣列孔徑比較小的時(shí)候。對(duì)于參考通 道和主通道中均含有語(yǔ)音信號(hào)和噪聲信號(hào)的情況，將其稱之為串?dāng)_。
[0038] 本發(fā)明針對(duì)麥克風(fēng)陣列的串?dāng)_技術(shù)問(wèn)題，公開(kāi)了一種抗串?dāng)_的自適應(yīng)噪聲消除方 法，其適用于雙通道乃至多通道的串?dāng)_情況。
[0039] 針對(duì)如圖2所示的雙通道的串?dāng)_，本發(fā)明包括兩個(gè)濾波器(濾波器A和B)和一個(gè)語(yǔ) 言探測(cè)器，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。首先，假設(shè)信號(hào)s(k)傳播到麥克風(fēng)M〇和仏的傳輸函 數(shù)是H sQ(z)和Hsl(z)，轉(zhuǎn)換后得到的信號(hào)分別是SQ(kWPSl(k)。其中噪聲信號(hào)n(k)傳播到麥 克風(fēng)此和此的傳輸函數(shù)是H nQ(z)和Hnl(z)，轉(zhuǎn)換到麥克風(fēng)咖和此上的信號(hào)就是nQ(k)和m(k)。 然后兩個(gè)麥克風(fēng)實(shí)際的信號(hào)獲取情況是：
[0040] x〇(k) = s〇(k)+n〇(k)
[0041 ] xi(k) = si(k)+m(k)
[0042] 其中X〇(kWPXl(k)包含了語(yǔ)音信號(hào)和噪聲信號(hào)。
[0043] 對(duì)于圖2所示的模型有：
[0044] s〇(z)=Hs〇(z)s(z)
[0045] si(z) =Hsi(z)s(z)
[0046] η〇(ζ)=Ηη〇(ζ)η(ζ)
[0047] m(z) =Ηπ?(ζ)η(ζ)
[0048] 其中，s(z)對(duì)應(yīng)信號(hào)s(k)的ζ變換，s〇(z)表示s〇(k)的ζ變換，定義s〇(k)到si(k)的 傳輸函數(shù)是H s〇si(z)，m(k)到n〇(k)的傳輸函數(shù)是Ηηιη〇(ζ)。即：
[0049] si(z)=Hs〇si(z)s〇(z)
[0050] n〇(z)=Hnin〇(z)m(z)
[0051] 將上式轉(zhuǎn)換為：
[0054] 本發(fā)明通過(guò)噪聲消除來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音增強(qiáng)，而噪聲消除的處理為：
[0055] 首先，因語(yǔ)音信號(hào)是間歇性的，因此將信號(hào)分為有語(yǔ)音時(shí)期（Having Speech Period,HSP)和無(wú)語(yǔ)音時(shí)期（Non Speech Period，NSP);
[0056] 在NSP時(shí)，麥克風(fēng)_和施拾取的是純凈的噪聲信號(hào):n〇(k)和m(k)。將主通道信號(hào)no (k)，參考通道的信號(hào)m(k)作為濾波器A的輸入。其目的是為了估計(jì)通道間噪聲信號(hào)的傳輸 函數(shù)HnlnQ(z)。通過(guò)自適應(yīng)的調(diào)整濾波器A的系數(shù)，使得 ei(k)的輸出能量最小，從而估算得到 HnlnO ( Z ) 〇
[0057] 在HSP時(shí)，因當(dāng)前噪聲環(huán)境和NSP相比的變化很少，可以假設(shè)噪聲環(huán)境無(wú)變化，即噪 聲源的位置和麥克風(fēng)陣列的位置無(wú)變化或者變化可以忽略不計(jì)，即：
[0058] Yl(z) =Hnln〇(z)Xl(z) =Hnln〇(z) [Sl(z)+Nl(z)];
[0059] Ει(ζ) =Χο(ζ)-Υι(ζ)
[0060] =S〇(z)+N〇(z)-Hnln〇(z)Sl(z)-Hnln〇(z)Nl(z)
[0061] =S〇(z)-Hnln〇(z)Sl(z)
[0062] =[l-Hnln0(z)Hs0sl]S〇(z)
[0063] 其中，Yi(z)表示yi(k)的z變換，yi(k)表示濾波器A的輸出信號(hào)，Xi(z)表示xi(k)的z 變換。
[0064] 濾波器B的系統(tǒng)函數(shù)是[Ι-Η^οωΗ-Γ1，貝基于上式可得：
[0065] Y2(z) = [l-Hnln0(z)Hs0sl(z) ]_1Ei(z) = So(z)
[0066] E2(z) =Χο(ζ)_Υ2(ζ)
[0067] = [So(z)+No(z)]-So(z) =No(z)
[0068] 有上式可知，混合在信號(hào)xo(k)中的語(yǔ)音信號(hào)so(k)和噪聲信號(hào)no(k)被分離了。所 以濾波器B的輸出就是目標(biāo)信號(hào)so(k)。接下來(lái)，為了得到濾波器B的系統(tǒng)函數(shù)[l-H nlnQ(z) Η^Γ1，則通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整B的系數(shù)使得輸出功率E[e22(k)]最小即可。這是因?yàn)椋?br>[0069] | | e2(k) | 12= | | X0(k)-y2(k) | |2
[0070] = | | so(k)+n〇(k)-y2(k) | |2
[0071] = | |n〇(k)| |2+| |so(k)_y2(k)| |2+2n〇(k)[so(k)_y2(k)]
[0072] 上式中，y2(k)表示濾波器B的輸出信號(hào)，對(duì)等式左右兩邊同時(shí)取期望?？紤]到n〇(k) 和s〇(k)是不相關(guān)的，因此￡[<⑷j = ￡[%(々)]+瓦丨卜'丨丨(/〇 -丹衡]2}，所以e2(k)功率的最小值， 意味著最小的E{[so(k)-y2(k)] 2}?？紤]到濾波器B的輸入信號(hào)ei(k)和so(k)是相關(guān)。作為濾 波器B的輸出信號(hào)y 2(k)就是在最小均方誤差準(zhǔn)則下對(duì)信號(hào)so(k)的估計(jì)。
[0073]相鄰的HSP和NSP時(shí)期，殘留在增強(qiáng)后信號(hào)中的噪聲水平是不一樣的。因?yàn)樵诿恳?個(gè)時(shí)刻噪聲環(huán)境都在有變化。所以殘留噪聲的水平會(huì)隨著時(shí)間波動(dòng)。為了克服這一點(diǎn)?？梢?在所有時(shí)期都動(dòng)態(tài)的調(diào)整濾波器B的濾波系數(shù)來(lái)克服上述波動(dòng)。
[0074]總而言之，如圖3所示，NSP時(shí)期，在使得的(1〇輸出能量最小的準(zhǔn)則下，動(dòng)態(tài)的調(diào)整 A的濾波系數(shù);對(duì)于濾波器B，在使得e2(k)的輸出能量最小的準(zhǔn)則下動(dòng)態(tài)調(diào)整B的濾波系數(shù)。 然后B的輸出y 2(k)就是我們?cè)鰪?qiáng)后的信號(hào)。這是對(duì)于雙通道的抗串?dāng)_算法。
[0075] 濾波器A和濾波器B的系統(tǒng)函數(shù)分別為HnlnO ( Z )和[1 -HnlnO ( Z )HsOsl Γ1。HnlnO ( Z )是濾 波器A在NSP得到。[l-IW^dHsOsir1是濾波器B在HSP的時(shí)候得到的。如果在下一個(gè)階段， NSP中的噪聲環(huán)境沒(méi)有發(fā)生變化嗎，則濾波器A的系統(tǒng)函數(shù)也不會(huì)變化;如果在下一個(gè)HSP中 的語(yǔ)音信號(hào)的環(huán)境沒(méi)有發(fā)生變化(麥克風(fēng)和聲源位置不變，介質(zhì)也沒(méi)有發(fā)生變化或者其發(fā) 變化可以忽略不計(jì)），濾波器B的系統(tǒng)函數(shù)也不會(huì)變化。否則兩個(gè)濾波器的系數(shù)需要自適應(yīng) 調(diào)整。本發(fā)明中，通過(guò)語(yǔ)音探測(cè)器來(lái)判斷是否觸發(fā)對(duì)濾波器A的系數(shù)的更新，即當(dāng)語(yǔ)言探測(cè) 器的檢測(cè)結(jié)果為無(wú)語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，對(duì)濾波器A的系數(shù)進(jìn)行更新;否則濾波器A的系數(shù)被鎖定。
[0076] 本發(fā)明的語(yǔ)音增強(qiáng)方式不僅可以用于雙聲道的抗串?dāng)_噪聲消除，還可以用于多聲 道的抗串?dāng)_的噪聲消除，其具體處理為：
[0077] 在多通道麥克風(fēng)陣列中，假設(shè)輸入信號(hào)是s(k)，噪聲信號(hào)是n(k)，且兩者不相干。 信號(hào)s(k)、n(k)到達(dá)麥克風(fēng)I通過(guò)了多種路徑轉(zhuǎn)換成了 Sl(k)和m(k)。傳輸媒介對(duì)語(yǔ)音信號(hào) 和噪聲信號(hào)的沖擊響應(yīng)是hsi(k)和h ni(k)。麥克風(fēng)Mi獲取的信號(hào)可以表示為：
[0078] xi(k) = si(k)+ru(k) i = 0,1,...,N
[0079] N+l是麥克風(fēng)陣列中的麥克風(fēng)數(shù)目；k表示的是離散時(shí)刻的序號(hào)。既有噪聲又有語(yǔ) 音信號(hào)，這個(gè)時(shí)候就會(huì)發(fā)生串?dāng)_。
[0080] 從圖4可知：
[0081] si(k) =hsi(k)*s(k) 1 = 0,1,...,Ν
[0082] m(k) =hni(k)*n(k) i = 0，1，· · ·，Ν
[0083]定義兩個(gè)麥克風(fēng)語(yǔ)音信號(hào)Si(k)和Sj(k)之間的沖擊響應(yīng)為hsisj(k)。同樣的定義噪 聲m(k)和nj(k)之間的沖擊響應(yīng)是hninj(k)。
[0084] sj(k)=hsisj(k)*Si(k) j，i = 0，l，· · ·，N
[0085] nj(k)=hninj(k)*m(k) j，i = 0，l，· · ·，N
[0086] 根據(jù)這兩個(gè)式子可以得出：
[0089] 其中，化」（2)、1(2)、知（2)、!^(2)分別為沖擊響應(yīng)1^(1〇、1^(1〇、1^(1〇、1111」(1〇 的Z變換，Hsisj(z)表不Si(k)和Sj(k)之間的傳輸函數(shù)，Hninj(z)表不m(k)和nj(k)之間的傳輸 函數(shù)，即沖擊響應(yīng)h sisj(k)、hninj(k)的z變換。
[0090] 假設(shè)XQ(k)就是麥克風(fēng)陣列中的主通道Mo所捕獲的信號(hào)，Xl(k)(i = l，..，N)是其他 N個(gè)參考通道中捕獲的信號(hào)。在通常情況下（陣列元間隔比較近），主通道和參考通道的信號(hào) 是相關(guān)的。參考通道里既包含了語(yǔ)音信號(hào)又包含了噪聲信號(hào)，通常的多聲道噪聲消除方法 不能得到比較好的噪聲消除效果。這是因?yàn)榇當(dāng)_的存在，主通道中的語(yǔ)音信號(hào)會(huì)被部分的 消除掉。
[0091] 多通道抗串?dāng)_噪聲消除處理實(shí)現(xiàn)示意圖參見(jiàn)圖5,其包括一個(gè)語(yǔ)音檢測(cè)器和兩個(gè) 自適應(yīng)的濾波器A、B。
[0092] 在NSP時(shí)，麥克風(fēng)Mo，. .，Mn獲取的只是噪聲信號(hào)n〇(k)，m(k)，. . .為 主通道中的噪聲，m(k)，...，nN(k)是參考通道獲取的噪聲。
[0093]首先，將所有的參考聲道的噪聲(m(k)，...，nN(k))輸入到濾波器A;
[0094] 然后采用FIR濾波器的形式來(lái)設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器A:
[0095] n〇(k) =WiNi(k)+eii(k)
[0096] ffi= (wi〇,Wii, . . . ,wil)
[0097] Ni(k) = [m(k)，m(k-l)，· · ·，m(k-L)]T
[0098] 其中1是濾波器A的系數(shù)，L+l是濾波器A的長(zhǎng)度。eu(k)是用m(k)來(lái)預(yù)測(cè)n〇(k)的誤 差。eu(k)與最終的能量大小和最終的增強(qiáng)效果有著密切的聯(lián)系。參考通道中的噪聲信號(hào)和 主通道中的噪聲信號(hào)相關(guān)度并不是很高?；趯?shí)際的噪聲環(huán)境，麥克風(fēng)隔得越遠(yuǎn)，噪聲的相 關(guān)性就會(huì)越小。所以誤差功率P[en(k)]就越大。
[0099] 如果多個(gè)參考通道m(xù)(k)，· · .，nN(k)都輸入到濾波器A來(lái)消除n〇(k)中的噪聲，則：
[0100] n〇(k) = WN(k)+ei(k)
[0101] ff=(ffi,ff2, . . . ,Wn)
[0102] ffi= (wi〇,Wii, . . . ,wil)
[0103] 其中W是濾波器A的系數(shù)，它是一個(gè)N(L+1)行向量。
[0104] N(k) = [Ni(k),N2(k),. . . ,NN(k)]T
[0105] Ni(k) = [ru(k) ,ru(k-l),. . . ,ru(k-L)]
[0106] 所述N(k)是一個(gè)N(L+1)的列向量，ei(k)是預(yù)期的誤差。假設(shè)W=(0, . . .，0，1， 0，...，0)。則有：
[0107] ei(k) = n〇(k)-ffN(k)
[0108] =n〇(k)-ffiNi(k)
[0109] =en(k)
[0110] 所以在理想情況下取到W和Wi，它們對(duì)應(yīng)的最小誤差的功率最好滿足下面這個(gè)不 等式。
[0111] p[ei(k)]<p[eii(k)]
[0112] 通常情況下p[ei(k)]會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于p[eu(k)]，尤其是當(dāng)有多個(gè)噪聲源，并且噪聲的 傳播路徑不止一個(gè)的時(shí)候。這就意味著通過(guò)利用N個(gè)參考通道中的噪聲信號(hào)，可以使殘留在 主通道中的噪聲變得小，即可以通過(guò)增加麥克風(fēng)的數(shù)目來(lái)增加主通道噪聲和參考通道中噪 聲的相關(guān)性。但是如果N越大的話意味著需要采用更多的麥克風(fēng)，L越大在實(shí)際的應(yīng)用中則 更加困難。因此麥克風(fēng)的數(shù)目和濾波選取的采樣點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)調(diào)試進(jìn)行設(shè)置：
[0113] 將輸出最小誤差的仏)的濾波器A的系數(shù)寫(xiě)成下面這個(gè)形式：
[0115] 對(duì)應(yīng)的最小誤差功率是/扣Μ )卜、為了取到對(duì)應(yīng)的到W'通過(guò)調(diào)整濾波器A的系數(shù)使 得誤差功率最小即可。
[0116] 在HSP時(shí)。設(shè)置噪聲的沖擊響應(yīng)為hninQ(k)(假設(shè)當(dāng)前噪聲環(huán)境不變或變化緩慢）， 因此有：
[0118] 其中，S(k)為：
[0119] S(k) = [Si(k),S2(k),...,SN(k)]T
[0120] Si(k) = [si(k)，s(k_l)，· · ·，Si(k_L)]
[0121] 因此可得：
[0123] 其中：
[0124] p(k) =so(k)-ff*S(k)
[0125] 對(duì)上面的式子做z變換。
[0130]由上式可知，p(k)會(huì)使得語(yǔ)音信號(hào)發(fā)生失真的，并且它和So(k)是相關(guān)的。此外p (k)的功率其實(shí)往往不會(huì)像 <(幻的功率那樣小。這就意味著帶噪聲的語(yǔ)音信號(hào)不會(huì)像噪聲 信號(hào)那樣被嚴(yán)重削減。這是因?yàn)樵肼曅盘?hào)和語(yǔ)音信號(hào)有著不同的傳播方式。噪聲源，目標(biāo)聲 源，麥克風(fēng)的位置通常是影響這個(gè)的因素。eKk)的信噪比通常比帶噪信號(hào) XQ(k)有很大的提 升。其中語(yǔ)音信號(hào)是P(k)而噪聲信號(hào)的是 <衡。然而，信號(hào)ei(k)中的p(k)不是s〇(k)信號(hào)的 近似，而是失真后的so(k)。當(dāng)麥克風(fēng)的數(shù)量增加的時(shí)候這種失真會(huì)變得更加的大。因此，本 發(fā)明的濾波器B的作用就是從失真的p(k)中獲取語(yǔ)音信號(hào)so(k)。通過(guò)調(diào)整濾波器B的系數(shù) 即可實(shí)現(xiàn)濾波器B的該作用。從而使得e 2(k)的輸出功率最小。
[0131]與雙聲道相同的處理方式，為了防止波動(dòng)增強(qiáng)后語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲殘留水平的波 動(dòng)。最好的辦法就是濾波器B-直工作，一直保證e2(k)最小，而濾波器A只有在沒(méi)有語(yǔ)音信 號(hào)的時(shí)候才調(diào)整系數(shù)。然后濾波器B的輸出y 2(k)就是在最小均方誤差準(zhǔn)則下系統(tǒng)So(k)的估 計(jì)。
[0135] 實(shí)施例
[0136] 提取一段語(yǔ)言信號(hào)和音樂(lè)，將音樂(lè)作為噪聲信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)和噪聲信號(hào)的采樣率 都是16kHz。為了仿真，將語(yǔ)音信號(hào)到主通道和參考通道的傳輸函數(shù)分別設(shè)置為：、
[0137] Hs〇(z)=[0.0408,0.0817,0.1633,0.1225,0.0408,0.2048,0.2450.0.0817]z
[0138] Hsi(z)=[0.1293,0.1293,0.0970,0.2587,0.0647,0.0323,0.0970,0.1617]z
[0139] 噪聲信號(hào)到主通道和參考通道的傳輸函數(shù)分別設(shè)置為：
[0140] Hn〇(z)=[0.1187,0.2960,0.1781,0.0594,0.0000,0.0000,0.2375,0.0594]z
[0141] Hni(z) = [0.1309,0.2182,0.2618,0.000,0.0873,0.0000,0.0436,0.2182]z
[0142] 其中，z = [l，z-^z-2，z-3，z-4， z-5，z-6，z-7] τ。
[0143] 根據(jù)8〇(1〇=113()(1〇*8(1〇可得到主通道中語(yǔ)音信號(hào)8()(1〇，根據(jù)11()(1〇=1111()(1〇*11 (k)可得到主通道中噪聲信號(hào)n〇(k);同理可得參考通道中語(yǔ)音信號(hào) 81(1〇、噪聲信號(hào)m(k)。
[0144] SQ(k)、nQ(k)的波形圖分別如圖6(a)、（b)、所示，而主通道和參考通道中的信號(hào)xo (k) =so(k)+n〇(k)，xi(k) =si(k)+m(k)分別如圖6(c)、⑷所示。
[0145] 基于本發(fā)明的抗串?dāng)_方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)言信號(hào)的增強(qiáng)性處理，其輸出結(jié)果如圖7所 示，其中圖7(a)、（b)分別是本實(shí)施例純凈的語(yǔ)音信號(hào)so(k)和帶噪聲的語(yǔ)音信號(hào) XQ(k)，圖7 (c)是傳統(tǒng)的雙通道自適應(yīng)噪聲消除后的語(yǔ)音信號(hào)，圖7(d)是抗串?dāng)_的雙通道自適應(yīng)噪聲 消除后的語(yǔ)音信號(hào)。從圖7可知，本發(fā)明的處理效果良更優(yōu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)性能的方法，其特征在于，包括下列步驟： 通過(guò)語(yǔ)音檢測(cè)器檢測(cè)主通道當(dāng)前是語(yǔ)音時(shí)期HSP還是無(wú)語(yǔ)音時(shí)期NSP; 在NSP時(shí)，第一濾波器基于輸入信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整第一濾波器的系數(shù)，使得第一濾 波器的輸出信號(hào)的能量最小;其中，對(duì)于主通道和一個(gè)參考通道的雙通道模式，第一濾波器 的輸入信號(hào)為主通道信號(hào)和參考通道信號(hào)；對(duì)于主通道和一個(gè)以上參考通道的多通道模 式，第一濾波器的輸入信號(hào)為所有參考通道信號(hào);在HSP時(shí)，將第一濾波器的系數(shù)鎖定，不作 調(diào)整，直接基于NSP時(shí)設(shè)置的第一濾波器的系數(shù)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理； 將第一濾波器的當(dāng)前輸出信號(hào)作為第二濾波器的輸入，對(duì)主通道信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)性濾 波處理，通過(guò)調(diào)整自適應(yīng)第二濾波器的系數(shù)，使得第二濾波器的輸出信號(hào)的能量最小，得到 抗串?dāng)_且噪聲消除的語(yǔ)音輸出。
【文檔編號(hào)】G10L21/0208GK106024001SQ201610283434
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】湯煜華, 于鴻洋, 王昭婧
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)