CN103945291B - 一种应用双麦克风定向传声的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用双麦克风定向传声的方法及装置，该方法包括：将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；对组合后的频域信号进行低通滤波；将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出。本发明提供的一种应用双麦克风定向传声的方法及装置，利用前后两个麦克风阵列以及数字语音处理技术，有指向性的采集声音，对特定方向的声音压低，进行定向传声，提高了语音的清晰度，保证了扩声质量，而且本方法便于硬件实现，适用于数字会议系统。

Description

一种应用双麦克风定向传声的方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种应用双麦克风定向传声的方法及装置。

背景技术

麦克风置于噪音较大的应用场所，环境噪音和发言人语音同时被麦克风采集，影响语音质量。基于数字扩声的会议系统，有多个讲话者，多路麦克风语音输入，当与会者位置相邻且同时发言时，每个发言人面前的麦克风会采集到由侧面传来的相邻发言人的语音信号，多路这样采集的语音经过音频处理器混音，再通过扬声器播放出来，导致语音清晰度下降，影响数字会议系统的扩声质量。

噪音处理一直是音频处理的一个技术难点，常规的噪音抑制技术如单麦克风谱减语音增强技术，只能抑制稳态噪声，消除非平稳噪声效果不佳，对会议环境下侧向来的说话声抑制能力不足。利用具有一定指向性的麦克风，可以屏蔽特定方向的噪音，实现定向传声。多颗麦克风组成阵列采集语音，利用阵列信号处理技术对语音进行空间滤波处理，也可以屏蔽特定方向的环境噪音，使麦克风阵列具有指向性，实现定向传声的功能。

阵列信号处理方法的信噪比正比于阵元数量，阵元数量加倍，信噪比提高6dB。因此，基于两颗麦克风的简单麦克风阵列，难以获得较高的信噪比。受产品外观及尺寸设计等应用条件的约束，在实际应用中，用增加麦克风数量提高定向传声性能的方法存在一定的局限性。现有的一阶微分麦克风阵列采集的语音，在时域里做处理，存在以下困难：做延时处理时，两个麦克风采样样点的延时为整数个样点数，需要精确控制两个麦克风的物理间距，与工艺的灵活性要求抵触；低通滤波器是频率的反比函数，FIR或IIR滤波难以实现特定函数的滤波效果；因此，基于时域处理的一阶微分麦克风的语音效果不好。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：基于时域处理的一阶微分麦克风的语音效果不好，具体为：现有的一阶微分麦克风阵列采集的语音，做延时处理时，两个麦克风采样样点的延时为整数个样点数，需要精确控制两个麦克风的物理间距，与工艺的灵活性要求抵触；低通滤波器是频率的反比函数，FIR或IIR滤波难以实现特定函数的滤波效果。

(二)技术方案

为此目的，本发明提出了一种应用双麦克风定向传声的方法，包括以下步骤：

将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；

计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；

对组合后的频域信号进行低通滤波；

将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出。

优选地，所述将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，具体包括：

将前后两个麦克风采集的语音信号分别进行分帧处理；

对每帧语音信号进行加窗处理；

将加窗后的语音信号进行FFT变换得到两路频域信号。

优选地，所述计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合，具体包括：

调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据；

根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合。

优选地，所述根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，具体包括：

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第二频域信号进行相位变换使其与所述第一频域信号的相位一致；

将第一频域信号和相位转换后的第二频域信号相减获取前指向性数据；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第一频域信号进行相位变换使其与所述第二频域信号的相位一致；

将第二频域信号和相位转换后的第一频域信号相减获取后指向性数据。

优选地，所述调节因子用于控制双麦克风的零点指向。

优选地，所述对组合后的频域信号进行低通滤波，具体包括：

根据前后两个麦克风组成的麦克风阵列的物理参数解析滤波器系数；

当端射方向上麦克风阵列的频率响应为平直时对组合后的频域信号进行低通滤波。

此外，本发明还提供了一种应用双麦克风定向传声的装置，包括：

FFT转换模块，用于将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；

计算组合模块，用于计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；

滤波模块，用于对组合后的频域信号进行低通滤波；

IFFT转换模块，用于将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出。

优选地，所述FFT转换模块包括：

分帧单元，用于将前后两个麦克风采集的语音信号分别进行分帧处理；

加窗单元，用于对每帧语音信号进行加窗处理；

FFT转换单元，用于将加窗后的语音信号进行FFT变换得到两路频域信号。

优选地，所述计算组合模块包括：

调整单元，用于调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

计算单元，用于根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据；

组合单元，用于根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合。

(三)有益效果

本发明提供了一种应用双麦克风定向传声的方法及装置，利用一阶微分麦克风阵列以及数字语音处理技术，有指向性的采集声音，对特定方向的声音压低，进行定向传声，提高了语音的清晰度，保证了扩声质量，而且本方法便于硬件实现，适用于数字会议系统。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明一种应用双麦克风定向传声的方法流程图；

图2是本发明实施例中双麦克风阵列频域语音处理的算法示意图；

图3是本发明一种应用双麦克风定向传声的装置模块图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

本发明利用一阶微分麦克风阵列以及数字语音处理技术，有指向性的采集声音，提供了一种应用双麦克风定向传声的方法及装置，本方法便于硬件实现，适用于数字会议系统，对特定方向的声音进行压低，进行定向传声

本发明实施例一提出了一种应用双麦克风定向传声的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤101，将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；

步骤102，获取所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；

步骤103，对组合后的频域信号进行低通滤波；

步骤104，将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出。

优选地，所述步骤101，将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，具体包括：

步骤201，将前后两个麦克风采集的语音信号分别进行分帧处理；

步骤202，对每帧语音信号进行加窗处理；

步骤203，将加窗后的语音信号进行FFT变换得到两路频域信号。

优选地，所述步骤102，获取所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合，具体包括：

步骤301，调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

步骤302，根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据；

步骤303，根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合。

优选地，所述根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，具体包括：

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第二频域信号进行相位变换使其与所述第一频域信号的相位一致；

将第一频域信号和相位转换后的第二频域信号相减获取前指向性数据；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第一频域信号进行相位变换使其与所述第二频域信号的相位一致；

将第二频域信号和相位转换后的第一频域信号相减获取后指向性数据。

优选地，所述调节因子用于控制双麦克风的零点指向。

优选地，所述对组合后的频域信号进行低通滤波，具体包括：

步骤401，根据前后两个麦克风组成的麦克风阵列的物理参数解析滤波器系数；

步骤402，当端射方向上麦克风阵列的频率响应为平直时对组合后的频域信号进行低通滤波。

附图2是本发明实施方案的语音处理的算法示意图。图2中，麦克风阵列由前后两个麦克风mic1，mic2组成，麦克风的距离为d，d的数值可调，一般为2cm-5cm；mic1，mic2采集的语音信号分别为x1，x2。

两路信号频域处理过程如下：

对x1，x2分帧加窗，帧长为N＝1024，相邻帧之间有重叠，本例中取重叠数为512个采样点。分帧后对每帧数据用窗函数win(n)加窗处理，本例中窗函数选取为汉明窗

加窗后的数据FFT变换到频域，对应的两帧数据分别为X1(n)，X2(n)。

在实际应用中，声源距离两路麦克风的路径有微小的差异，相应地，前后两只麦克风采集的语音信号幅度也有细微的差别，本算法分频段对X1(n)，X2(n)幅度进行归一化处理，消除两路麦克风采样幅度的不一致。对X1(n),X2(n)安频率进行幅度一致性调整，即对X2(n)乘以一致性系数C(n),其中

C(n)＝|X1(n)/X2(n)|；

对X1(n),X2(n)进行延时组合，形成前指向性数据X_f(n)和后指向性数据X_b(n)，其中

X_f(n)＝X1(n)-C(n)X2(n)e^{-j2πn*fs/N*T}

X_b(n)＝C(n)X2(n)-X1(n)e-^j2πn*fs/N*T

式中，fs是语音信号采样率，T是两麦克风之间物理距离对应的声音传播时间。

对X_f(n)，X_b(n)进行组合,Y(n)＝X_f(n)-β·X_b(n)，调整β，可控制一阶微分麦克风的零点指向，本实施方案中取β＝1，对两颗麦克风侧向来的声音进行压低。

对Y(n)进行滤波处理。滤波的约束条件是，保证在端射方向上，一阶微分麦克风系统的频率响应是平直的。本算法对数据Y解析的除以即实现了满足上述条件的低通滤波，消除了不同频带的语音信号空间指向曲线的不一致性，式中V是声速。

最后，对Y(n)进行IFFT变换，得到时域的输出信号y，信号y对来自双麦克侧向的声音进行了衰减。在数字会议系统的应用中，将数字信号y接入数字会议系统，即实现了定向传声的功能。

此外，本发明还提供了一种应用双麦克风定向传声的装置，如图3所示，包括：FFT转换模块1、计算组合模块2、滤波模块3和IFFT转换模块4：

FFT转换模块1，用于将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；

计算组合模块2，用于获取所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；

滤波模块3，用于对组合后的频域信号进行低通滤波；

IFFT转换模块4，用于将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出。

优选地，所述FFT转换模块1包括：

分帧单元，用于将前后两个麦克风采集的语音信号分别进行分帧处理；

加窗单元，用于对每帧语音信号进行加窗处理；

FFT转换单元，用于将加窗后的语音信号进行FFT变换得到两路频域信号。

优选地，所述计算组合模块2包括：

调整单元，用于调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

计算单元，用于根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据；

组合单元，用于根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合。

本发明提供了一种应用双麦克风定向传声的方法及装置，利用前后两个麦克风阵列以及数字语音处理技术，有指向性的采集声音，对特定方向的声音压低，进行定向传声，提高了语音的清晰度，保证了扩声质量，而且本方法便于硬件实现，适用于数字会议系统。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种应用双麦克风定向传声的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；

计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；

对组合后的频域信号进行低通滤波；

将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出；

其中，所述计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合，具体包括：

调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据；

根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合，所述调节因子用于控制双麦克风的零点指向；

其中，所述根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，具体包括：

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第二频域信号进行相位变换使其与所述第一频域信号的相位一致；

将第一频域信号和相位转换后的第二频域信号相减获取前指向性数据；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第一频域信号进行相位变换使其与所述第二频域信号的相位一致；

将第二频域信号和相位转换后的第一频域信号相减获取后指向性数据；

其中，所述对组合后的频域信号进行低通滤波，具体包括：

根据前后两个麦克风组成的麦克风阵列的物理参数解析滤波器系数；

在端射方向上麦克风阵列的频率响应为平直时对组合后的频域信号进行低通滤波。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，具体包括：

将前后两个麦克风采集的语音信号分别进行分帧处理；

对每帧语音信号进行加窗处理；

将加窗后的语音信号进行FFT变换得到两路频域信号。

3.一种应用双麦克风定向传声的装置，其特征在于，包括：

FFT转换模块，用于将前后两个麦克风采集的语音信号转换为两路频域信号，得到第一频域信号和第二频域信号；

计算组合模块，用于计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据，并将所述指向性数据进行组合；

滤波模块，用于对组合后的频域信号进行低通滤波；

IFFT转换模块，用于将滤波后的信号转换为时域信号进行语音输出；

其中，所述计算组合模块包括：

调整单元，用于调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

计算单元，用于根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离计算所述第一频域信号和第二频域信号的前指向性数据和后指向性数据；

组合单元，用于根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合；

其中，所述计算单元，具体用于：

调整第二频域信号的幅度使其与第一频域信号的幅度保持一致；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第二频域信号进行相位变换使其与所述第一频域信号的相位一致；

将第一频域信号和相位转换后的第二频域信号相减获取前指向性数据；

根据信号采样频率和前后两个麦克风之间的距离对所述第一频域信号进行相位变换使其与所述第二频域信号的相位一致；

将第二频域信号和相位转换后的第一频域信号相减获取后指向性数据；

根据调节因子将所述前指向性数据和后指向性数据进行组合，所述调节因子用于控制双麦克风的零点指向；

其中，所述滤波模块具体用于：

根据前后两个麦克风组成的麦克风阵列的物理参数解析滤波器系数；

在端射方向上麦克风阵列的频率响应为平直时对组合后的频域信号进行低通滤波。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述FFT转换模块包括：

分帧单元，用于将前后两个麦克风采集的语音信号分别进行分帧处理；

加窗单元，用于对每帧语音信号进行加窗处理；

FFT转换单元，用于将加窗后的语音信号进行FFT变换得到两路频域信号。