CN105679329A - 可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置 - Google Patents

Abstract

可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置，涉及一种语音信号处理装置。设有麦克风阵列、波束扫描模块、波束变化检测模块、语音波束形成模块、波束恒量检测模块、噪声波束形成模块、自适应噪声消除模块；麦克风阵列输出端分别接波束扫描、语音波束形成、噪声波束形成模块，波束扫描模块的波束变化信号输出端接波束变化检测模块输入端，波束变化检测模块输出端接语音波束形成模块的输入端，语音波束形成模块的输出端接自适应噪声消除模块的输入端；波束扫描模块的波束恒量信号输出端接波束恒量检测模块的输入端，波束恒量检测模块的输出端接噪声波束形成模块输入端，噪声波束形成模块输出端接自适应噪声消除模块输入端。

Description

可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置

技术领域

本发明涉及一种语音信号处理装置，尤其是涉及一种可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置。

背景技术

麦克风阵列技术由多个麦克风按照一定空间结构组合而成，其采集到的语音信号在时频域的基础上增加了空间域信息，从而可对采集到的多路信号进行空时分集处理，麦克风阵列可对不同方向上的信号形成不同响应，也即阵列的空间指向特性，因而可充分利用多路语音提供的空间信息提高语音信号信噪比，改善语音信号处理性能，在语音识别、说话人识别、视频会议等领域得到了广泛的研究和应用。

在较为安静的背景环境下，目前常用的麦克风阵列语音增强算法都有较好的语音增强检测性能，但在实际背景噪声环境特别是在汽车、空调外机、音响、家电、机械等背景噪声较为强烈而持续的情况下，常规麦克风阵列语音算法的语音增强性能往往不能令人满意。考虑到实际使用的大部分情况是有背景噪声的，而汽车、空调外机、音响等背景噪声较为强烈而持续的情况常常存在于各类语音信号处理领域中。因此，研究可适应强烈背景噪声情况下的麦克风阵列语音增强装置对于提高语音信号处理系统的稳健性和实用性都起着关键的作用。

中国专利ZL200510105526.7提出一种使用噪声降低的多通道自适应语音信号处理方法，该方法通过对GSC的固定波束通路增加一个自适应处理器改善信号通道的信噪比。该方法借助频域时延估计来补偿各通道时延，以使得波束对准声源方向。该方法在获取了声源方向后，按照声源方向通过阻塞矩阵形成参考噪声通路，因此当部分语音信号成分泄漏到参考噪声通路时将影响GSC算法的语音增强性能。

中国专利ZL2012104970169公开了一种可抑制移动噪声的麦克风阵列语音增强装置，该装置首先基于端点检测结果分别对语音段、噪声段信号进行波束扫描，获取噪声源、语音声源方向信息；在获得噪声源、语音声源方向信息后可换算出每个通道的时延补偿指并据此进行噪声方向、语音声源方向的时延补偿叠加形成分别对准噪声源、语音声源的波束；最后通过语音通路、噪声通路进行噪声自适应噪声消除处理，实现语音增强。

中国专利ZL2009102654269公开一种麦克风阵列降噪控制方法及装置，该装置对麦克风阵列采集的所有声音信号计算入射角度，并根据入射角度进行信号成分的统计，从而根据统计结果中噪声成分所占的比率确定控制参数，对自适应滤波器进行控制，达到消除噪声、提高信噪比的目的。

但是，当存在汽车、空调外机、音响等较为强烈和持续的背景噪声时，由于来自声源的语音信号被强烈背景噪声掩盖，此时，上述文献中频域时延估计、波束扫描、入射角度计算等方法均已无法有效获取声源方向信息进行麦克风阵列语音增强。因此，在强烈的背景噪声下传统的麦克风阵列语音增强方法无法获得语音增强效果，而需利用其他信息来抑制背景噪声的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置。

本发明设有麦克风阵列、波束扫描模块、波束变化检测模块、语音波束形成模块、波束恒量检测模块、噪声波束形成模块、自适应噪声消除模块；

所述麦克风阵列的输出端分别接波束扫描模块、语音波束形成模块、噪声波束形成模块，波束扫描模块的波束变化信号输出端接波束变化检测模块的输入端，波束变化检测模块的输出端通过语音声源方向接语音波束形成模块的输入端，语音波束形成模块的输出端接自适应噪声消除模块的输入端；波束扫描模块的波束恒量信号输出端接波束恒量检测模块的输入端，波束恒量检测模块的输出端经噪声源方向接噪声波束形成模块的输入端，噪声波束形成模块的输出端接自适应噪声消除模块的输入端，自适应噪声消除模块的输出端输出增强语音信号。

所述麦克风阵列可采用至少2元麦克风阵列。

所述麦克风阵列用于进行语音信号多通道采集，麦克风阵列采集的语音信号经前置放大电路、模数转换电路后通过数据线直接输入波束扫描模块、语音波束形成模块和噪声波束形成模块。

所述波束扫描模块对接收到的强烈噪声背景下语音信号进行波束扫描，获取含噪信号的方向信息；波束恒量检测模块对扫描模块获取的方向信息提取恒定成分，获取强烈背景噪声的方向信息；并输入噪声波束形成模块，根据噪声方向信息计算各通道时延补偿值，并据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强噪声方向语音信号；波束变化检测模块对扫描模块获取的方向信息提取变化成分，获取语音信号的方向信息；获取的语音方位信息输入语音波束形成模块，根据语音方向信息计算各通道时延补偿值，并据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强语音方向语音信号；自适应噪声消除器模块则利用输入的语音信号、噪声信号进行自适应噪声对消处理，并输出增强语音信号。

本发明针对声纹识别、语音识别等智能家居、办公等领域存在强烈背景噪声时麦克风阵列语音增强的困难，本发明提出首先采用技术成熟、使用简单方便的波束扫描手段来获取含噪信号波束，并通过对波束中恒量和变化成分的检测获得噪声及声源方向信息，用于麦克风阵列语音增强算法实现语音增强。

基于上述考虑，本发明提出利用麦克风阵列对强烈背景噪声中说话人语音造成的空间波束域非平稳进行检测，利用对强烈背景噪声下空间波束的恒定和变化成分的检测区分强烈背景噪声和语音信号，从而可在强烈背景噪声条件下有效地获得声源的正确方向，提高强烈背景噪声条件下的语音增强性能。由于本发明提出的麦克风阵列语音增强装置利用的是强烈噪声与语音信号在空间域非平稳特征的差异进行检测，无需采用信号能量进行检测，因而可适用于语音信号被强烈背景噪声掩盖的恶劣环境下获取声源方向改善语音增强性能。

本发明实现适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强的具体思路为：首先对接收的含噪语音信号进行波束扫描，获取波束信息；对波束分别进行恒量和变化检测获得噪声、语音方向；获得噪声源、语音声源方向信息后可换算出每个通道的时延补偿指并据此进行噪声方向、语音声源方向的时延补偿叠加形成分别对准噪声源、语音声源的波束；最后通过语音通路、噪声通路进行噪声自适应噪声消除处理，实现语音增强。

与目前已有的传统麦克风阵列定位与语音增强方法相比，本发明的突出优点在于：由于采用波束扫描结合波束恒量、变化检测在空间域区分信号与噪声，不依赖于信号和噪声的能量关系因而可工作在信号被强烈噪声掩盖的恶劣应用情况。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

图2为5元麦克风阵列及其与微处理器连接电路原理图。

图3为本发明实施例波束扫描各通道时延补偿原理图。

具体实施方式

为了使本发明的技术内容、特征、优点更加明显易懂，以下实施例将结合附图具体说明如下：

参见图1，本发明实施例设有麦克风阵列1、波束扫描模块2、波束变化检测模块3、语音波束形成模块4、波束恒量检测模块5、噪声波束形成模块6、自适应噪声消除模块7；

所述麦克风阵列1的输出端分别接波束扫描模块2、语音波束形成模块4、噪声波束形成模块6，波束扫描模块2的波束变化信号输出端接波束变化检测模块3的输入端，波束变化检测模块3的输出端通过语音声源方向A接语音波束形成模块4的输入端，语音波束形成模块4的输出端接自适应噪声消除模块7的输入端；波束扫描模块2的波束恒量信号输出端接波束恒量检测模块5的输入端，波束恒量检测模块5的输出端经噪声源方向B接噪声波束形成模块6的输入端，噪声波束形成模块6的输出端接自适应噪声消除模块7的输入端，自适应噪声消除模块7的输出端输出增强语音信号。

所述麦克风阵列1可采用5元麦克风阵列。

所述麦克风阵列用于进行语音信号多通道采集，麦克风阵列采集的语音信号经前置放大电路、模数转换电路C后通过数据线直接输入波束扫描模块、语音波束形成模块和噪声波束形成模块。

所述波束扫描模块对接收到的强烈噪声背景下语音信号进行波束扫描，获取含噪信号的方向信息；波束恒量检测模块对扫描模块获取的方向信息提取恒定成分，获取强烈背景噪声的方向信息；并输入噪声波束形成模块，根据噪声方向信息计算各通道时延补偿值，并据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强噪声方向语音信号；波束变化检测模块对扫描模块获取的方向信息提取变化成分，获取语音信号的方向信息；获取的语音方位信息输入语音波束形成模块，根据语音方向信息计算各通道时延补偿值，并据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强语音方向语音信号；自适应噪声消除器模块则利用输入的语音信号、噪声信号进行自适应噪声对消处理，并输出增强语音信号。

本发明提出的可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置实现强烈背景噪声下语音增强功能的步骤包括：波束扫描、波束恒量检测、波束变化检测、语音波束形成、噪声波束形成、噪声消除步骤。

在波束扫描步骤对接收到的含噪信号进行波束扫描获取波束信息；波束恒量检测步骤对波束恒定部分进行检测获得噪声方向；波束变化检测步骤对波束变化部分进行检测获得语音声源方向；噪声波束形成器步骤、语音波束形成器步骤分别根据获得的噪声、语音方向计算麦克风阵列信号各通道的时延补偿值以形成对准噪声源、语音声源的波束；自适应噪声消除模块根据语音通路和噪声通路的输出进行自适应噪声对消处理。

本发明实施例中麦克风阵列由5个等间距排列的麦克风(m0，m2，…m4))组成线阵，通过阵列波束扫描获取噪声源、语音声源方向后，阵列中各麦克风采集的语音信号进时延补偿后加权叠加可分别形成对准噪声源和语音声源方向的信号波束，并用于作为自适应噪声消除器的输入进行语音增强处理。

5元麦克风阵列由体积小、结构简单、电声性能好的压强式驻极体麦克风mic0,…,mic4，NJM2100运算放大器芯片构成的前置放大电路及MAX118模数转换芯片构成，在本实施例中麦克风间距d＝0.1m。

本实施例中语音波束形成模块、噪声波束形成模块、波束扫描模块、波束恒量检测模块、波束变化检测模块、自适应噪声对消模块均属于数字信号处理模块，在本实施例中采用ARM9S3C2440微处理器进行软件编程实现。

该麦克风阵列语音增强装置中5元麦克风阵列与微处理器的连接方式为：5元麦克风阵列中5个麦克风输出信号经过图2所示运算放大器构成的2级前置放大电路放大后输入多通道模数转换芯片MAX118，S3C2440微处理器通过IO口GPB2,3,4控制MAX118的输入通道端A1、A2、A3，通过定时器输出脚TOUT0、TOUT1控制MAX118的读出/写入端口WR、RD进行采样频率16ksps的模数转换,通过数据线DATA0至DATA7进行8bit模数转换结果到S3C2440微处理器的传送。

该麦克风阵列语音增强装置中多通道语音信号模数转换进入微处理器后，以软件形式运行的各数字信号处理模块间的数据、控制流连接方式如图3所示，具体说明如下：

波束扫描模块通过对麦克风阵列各通道信号时延进行逐次时延调整后叠加以获得不同的波束对应的波束成形信号。波束扫描原理结合图3具体说明如下：在本发明实施例中，以5元麦克风阵列所在水平线为X轴，以5元麦克风阵列中间的麦克风m2位置为坐标原点建立定位坐标系。以本实施例线阵的中心阵元麦克风m2作为基准进行波束扫描：即，m2接收的语音信号不作时延补偿，线阵中其余通道麦克风接收的语音信号x_i(k')进行如下时延补偿计算后得到x’_i(k)(如图3所示)：

x'_i(k)＝x_i(k')；

$k^{\′}=k+round\[j\frac{(i-2)}{2}\],i=0,1,2,3,4;$

${\mathrm{\θ}}_j=arccos\[(\frac{C\·j}{f_s}/2d)\]=\arccos \[\frac{C\·j}{2d\·f_s}\];$

其中：i为线阵中各通道的编号；j＝0,±1,±2,±3,…代表波束扫描序号；θ_j为每次时延调整后形成的扫描波束的对应角度；d为线阵各阵元间距；C为空气中的声速(本实施例中取340m/s)；f_s为麦克风阵列语音信号的采样频率(单位为Hz，在本实施例中取16000Hz)；round()代表取整运算；k'为时延调整前信号采样点的时间刻度；k为时延调整后信号采样点的时间刻度；x_i(k')为时延调整前的第i通道采样信号；x’_i(k)为时延调整后的第i通道采样信号。

逐次时延补偿后对各通道语音信号x’_i进行叠加即可实现正、负90度范围(本实施例中对麦克风阵列前方180度范围进行波束扫描)的波束扫描，在计算窗长L内(本实施例中L＝500)对接收的含噪语音进行波束扫描可获得包含语音声源、噪声源方向的波束信息E(θ_j),j＝0,±1,±2,±3,…。

$E\left({\mathrm{\θ}}_j\right)=\underset{k=n}{\overset{n+L-1}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}{x^{\′}}_i\left(k\right)$

其中：n为当前采样点。本实施例中，由于考虑存在强烈、持续背景噪声的情况，此次在能量域信号往往已被噪声掩盖，而在波束域则信号波束和噪声波束仍然可被区分。由于背景噪声强烈且持续存在，噪声源对应的波束稳定存在，而语音只在说话人发生时存在，因此，语音声源对应波束呈现出变化特性。

波束恒量检测模块对扫描获得的波形进行恒定成分检测获取强烈、持续背景噪声的方向，该过程的基本原理是：对第m次扫描获取的波束结果E_m(θ_j)进行下列计算获取波束趋势E_c(θ_j)，其中α为遗忘因子,本实施例中α＝0.1：

E_c(θ_j)＝(1-α)·E_c(θ_j)+α·E_m(θ_j)

对波束趋势进行最大值检测后可获得强烈背景噪声的方向θ_N：

${\mathrm{\θ}}_N=\underset{j}{\mathrm{argmax}}\[E_c\left({\mathrm{\θ}}_j\right)\],j=0,\±1,\±2,\±3,...$

波束变化检测模块对扫描获得的波形进行变化成分检测获取强烈持续背景噪声下非平稳的语音方向，该过程的基本原理是：对第m次扫描获取的波束结果E_m(θ_j)进行下列减法计算获取第m次扫描对应的波束变化量dE_m(θ_j)：

dE_m(θ_j)＝E_c(θ_j)-E_m(θ_j)

对波束变化量进行波束变化量最大值dE_max的检测：

dE_max＝max[dE_m(θ_j)]

当波束变化量最大值dE_max超过设定门限T时，判断为存在语音信号，此时可根据下式获得强烈背景噪声下的语音方向θ_S(m)：

${\mathrm{\θ}}_s\left(m\right)=\underset{j}{\mathrm{argmax}}\[{\mathrm{dE}}_m\left({\mathrm{\θ}}_j\right)\],j=0,\±1,\±2,\±3,...$

通过波束变化检测模块、波束恒量检测模块分别获取语音声源、噪声源方向信息后，噪声波束形成模块、语音波束形成模块分别根据获得的语音声源、噪声源方位角度对麦克风阵列各通道信号进行时延补偿，时延补偿原理同波束扫描原理，即直接利用形成该扫描波束时用到的各通道时延补偿值。其中噪声波束形成模块由于采用每个噪声段进行波束扫描获取的噪声源方位角，当噪声源移动导致噪声方位角变化时，噪声波束形成模块可保证以对准噪声源的波束输出参考噪声。

在本实施例中，自适应噪声消除模块设有参考噪声、含噪信号两个输入端，以噪声波束形成模块的输出信号作为参考噪声输入信号，固定系数FIR滤波器的输出信号作为含噪输入信号，本实施例中采用本领域公知的LMS(最小均方误差算法)自适应算法调整自适应噪声消除器的权系数进行自适应噪声消除处理。则经过自适应噪声消除处理后，系统语音增强输出为固定系数FIR滤波器输出与自适应噪声消除器的输出之差。

本发明公开的可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置最大的特点在于借助波束扫描获取的波束信息进行波束恒量和变化量检测来获取噪声、信号方向，克服了传统麦克风阵列增强方法无法在信号被强烈噪声掩盖时正常工作的缺点，从而改善存在强烈且持续背景噪声时的麦克风阵列语音增强性能。

Claims (3)

1.可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置，其特征在于设有麦克风阵列、波束扫描模块、波束变化检测模块、语音波束形成模块、波束恒量检测模块、噪声波束形成模块、自适应噪声消除模块；

所述麦克风阵列的输出端分别接波束扫描模块、语音波束形成模块、噪声波束形成模块，波束扫描模块的波束变化信号输出端接波束变化检测模块的输入端，波束变化检测模块的输出端通过语音声源方向接语音波束形成模块的输入端，语音波束形成模块的输出端接自适应噪声消除模块的输入端；波束扫描模块的波束恒量信号输出端接波束恒量检测模块的输入端，波束恒量检测模块的输出端经噪声源方向接噪声波束形成模块的输入端，噪声波束形成模块的输出端接自适应噪声消除模块的输入端，自适应噪声消除模块的输出端输出增强语音信号。

2.如权利要求1所述可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置，其特征在于所述麦克风阵列采用至少2元麦克风阵列。

3.如权利要求1所述可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置，其特征在于所述麦克风阵列用于进行语音信号多通道采集，麦克风阵列采集的语音信号经前置放大电路、模数转换电路后通过数据线直接输入波束扫描模块、语音波束形成模块和噪声波束形成模块。