CN110415720A - 四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及语音增强领域，公开了一种四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，采集麦克风阵列的输出信号后，按照频带分解成若干个子频带，补偿或抑制后，重构合成取得目标信号，进而对麦克风阵列进行指向性调整，取得最大指向性因子，并取得麦克风阵列的最大白噪声抑制能力，然后将目标信号通过麦克风阵列，进行指向性和白噪声抑制处理后输出，在设计矩阵矢量，对输出信号进行语音信号增强和噪声信号抑制。本发明四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，对语音进行增强，解决传统的语音增强方法不能准确区别环境噪声和语音信号的难题。
Description
技术领域
本发明涉及语音增强领域，具体涉及一种四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法。
背景技术
人机交互作为人工智能的重要组成部分，语音采集的质量成为人们日益关注的问题，尤其在复杂的声学环境中，采集到微小的语音信号，需要对环境噪音进行抑制，为了解决这个问题，语音的波束形成技术应运而生。
为了采集到纯净的语音信号，对噪声进行抑制，出现了基于麦克风阵列的降噪方法和麦克风波束形成噪音抑制的方法。传统的噪声抑制方法一般采用谱减法、维纳滤波等方法，但是这些方法在低频噪声抑制上会让语音信号频率上失真，导致语音信号在某段上丢失，造成了人机交互的沟通障碍，导致麦克风阵列的信能较差。
对于麦克风阵列波束形成抑制噪声增强语音信号所采用的方法有如下缺陷：需要知道噪声源和声源的准确位置，不能广义的识别语音信号和噪声信号，这样不适用于复杂的声学环境；对语音信号进行分解，造成信号在合成时频率丢失，语音失真；固定的白噪声增益，不能够随着环境的变化改变增益系数；较低的指向性系数，需要较强的语音冲击等。
对于已有的麦克风阵列语音增强技术，普遍的存在算法复杂度高、计算量大、增大了噪声信号、不能确保信号实时处理等问题，不太适应于人机交互中。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，对语音进行增强，解决传统的语音增强方法不能准确区别环境噪声和语音信号的难题。
为实现上述目的，本发明所设计的四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，包括如下步骤：
A)由四个均匀分布在单位圆上的全向型麦克风阵元组成麦克风陈列，采集所述麦克风阵列的输出信号；
B)将所述步骤A)中取得的输出信号按照频带分解成若干个子频带，取得各子频带目标信号，将子频带的频率与参考频率进行比较，通过频率调整系数，对比参考频率低的子频带进行频率补偿，对比参考频率高的子频带进行频率抑制，将各子频带重构合成，而取得频率调整后的目标信号；
C)针对所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号进行所述麦克风阵列的指向性调整，取得最大指向性因子，使所述麦克风阵列在声学环境下获得最大指向性；
D)针对所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号取得所述麦克风阵列的最大白噪声抑制能力；
E)将所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号通过经所述步骤C)和步骤E)处理后具有最大指向性因子和最大白噪声抑制能力的麦克风阵列，进行指向性和白噪声抑制处理，取得调整后的输出信号；
F)设计矩阵矢量，对所述步骤E)取得的输出信号进行语音信号增强和噪声信号抑制。
优选地，所述步骤A)中，所述麦克风阵列中，第m个麦克风阵元采集到声音信号：
式中，1≤m≤4，xm(ω)为第m个麦克风阵元采集到的语音信号， vm(ω)为第m个麦克风阵元采集到的噪声信号，ω为角频率，e为自然常数，j为虚数单位，j2＝-1，当1≤m≤3时，τm为声音信号到达第m个麦克风阵元和沿单位圆顺时针方向下一个麦克风阵元的时间差，，τm＝δm/c，δm为第m个麦克风阵元与沿单位圆顺时针方向下一个麦克风阵元之间的间距，c为声波在空气中的转播速度，θ为声源与第m 个麦克风阵元的连线与所述麦克风阵列之间的夹角，x(ω)为声源发出的语音信号，进而取得所述麦克风阵列的输出信号：
y(ω)＝[y1(ω)y2(ω)y3(ω)y4(ω)]T＝d(ω,cosθ)x(ω)+v(ω)
式中，[·]T表示转置，v(ω)是环境噪声信号，d(ω,cosθ)为声源发出的语音信号到达所述麦克风阵列时的方向矢量：
优选地，所述步骤B)中，各子频带目标信号为：
式中，M为所述麦克风阵列中的麦克风阵元数目，M＝4，L为所述麦克风阵元的滤波器的阶数，L＝2，k为子频带的频带指数，n为帧指数，gm(k,l)为第m个麦克风阵元的频率调整系数，将子频带的频率与参考频率进行比较，通过频率调整系数，对比参考频率低的子频带进行频率补偿，对比参考频率高的子频带进行频率抑制，达到频率不变的效果，将各子频带重构合成，而取得频率调整后的目标信号：
式中，其中， D为所述麦克风阵元滤波器的协方差对角矩阵，λ(k)为所述麦克风阵元滤波器的协方差矩阵，H表示共轭转置。
优选地，所述步骤C)中，定义声源发出的语音信号经不同方位角到达所述麦克风阵列的复增益：
B(θ)＝ωHP(θ)
式中，P(θ)为所述麦克风阵列接收到的语音信号功率大小，取得指向性因子：
构造符合环境的指向性系数G和所述麦克风阵列的指向性DF，得到实际环境下的最大指向性因子：
y′(ω)MAX＝G·(DF)
其中，
因此，取得最大指向性因子：
y′(ω)MAX＝dH(ω，cosθ)G-1d(ω，cosθ)
使所述麦克风阵列在声学环境下获得最大指向性。
优选地，所述步骤D)中，所述麦克风阵列取得最大白噪声抑制能力的白噪声抑制因子为：
优选地，所述步骤E)中，将所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号通过经所述步骤C)和步骤E)处理后具有最大指向性因子和最大白噪声抑制能力的麦克风阵列，进行指向性和白噪声抑制处理，取得：
y(ω)＝y′(ω)y″(ω)。
优选地，设计的矩阵矢量为：
通过矩阵矢量J(ω)对所述步骤E)取得的y(ω)进行语音信号增强和噪声信号抑制。
本发明与现有技术相比，克服了硬件依赖，不需要准确的目标声源和噪声角度，可以在复杂的声源环境中，能够采集到微小的语音信号，然后对麦克风阵列采集的信号进行增强，对环境噪音进行抑制，获得一段纯净的语音信号，解决了传统的语音增强方法不能准确区别环境噪声和语音信号的难题。
附图说明
图1为本发明四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，如图1所示，包括如下步骤：
A)由四个均匀分布在单位圆上的全向型麦克风阵元组成麦克风陈列，采集麦克风阵列的输出信号，麦克风阵列中，第m个麦克风阵元采集到声音信号：
式中，1≤m≤4，xm(ω)为第m个麦克风阵元采集到的语音信号， vm(ω)为第m个麦克风阵元采集到的噪声信号，ω为角频率，e为自然常数，j为虚数单位，j2＝-1，当1≤m≤3时，τm为声音信号到达第 m个麦克风阵元和沿单位圆顺时针方向下一个麦克风阵元的时间差，，τm＝δm/c，δm为第m个麦克风阵元与沿单位圆顺时针方向下一个麦克风阵元之间的间距，c为声波在空气中的转播速度，θ为声源与第m 个麦克风阵元的连线与麦克风阵列之间的夹角，x(ω)为声源发出的语音信号，进而取得麦克风阵列的输出信号：
y(ω)＝[y1(ω)y2(ω)y3(ω)y4(ω)]T＝d(ω,cosθ)x(ω)+v(ω)
式中，[·]T表示转置，v(ω)是环境噪声信号，d(ω,cosθ)为声源发出的语音信号到达麦克风阵列时的方向矢量：
B)将步骤A)中取得的输出信号按照频带分解成若干个子频带，取得各子频带目标信号，将子频带的频率与参考频率进行比较，通过频率调整系数，对比参考频率低的子频带进行频率补偿，对比参考频率高的子频带进行频率抑制，将各子频带重构合成，而取得频率调整后的目标信号，其中，各子频带目标信号为：
式中，M为麦克风阵列中的麦克风阵元数目，M＝4，L为麦克风阵元的滤波器的阶数，L＝2，k为子频带的频带指数，n为帧指数， gm(k,l)为第m个麦克风阵元的频率调整系数，将子频带的频率与参考频率进行比较，通过频率调整系数，对比参考频率低的子频带进行频率补偿，对比参考频率高的子频带进行频率抑制，确保信号在某一频段上信息不失真，将各子频带重构合成，而取得频率调整后的目标信号：
式中，其中， D为麦克风阵元滤波器的协方差对角矩阵，λ(k)为麦克风阵元滤波器的协方差矩阵，H表示共轭转置，由于语音信号携带的信息量比较多，是一种宽带信号，传统的处理方法容易造成信号某一频段的信息丢失，而本发明的方法，在频率分解后，对信号进行频率补偿，确保信号在整个频段上连续，不丢失，不会出现传统波束形成器在某一频段上信息不准确的问题；
C)针对步骤B)取得的频率调整后的目标信号进行麦克风阵列的指向性调整，取得最大指向性因子，使麦克风阵列在声学环境下获得最大指向性，定义声源发出的语音信号经不同方位角到达麦克风阵列的复增益：
B(θ)＝ωHP(θ)
式中，P(θ)为麦克风阵列接收到的语音信号功率大小，取得指向性因子：
构造符合环境的指向性系数G和麦克风阵列的指向性DF，得到实际环境下的最大指向性因子：
y′(ω)MAX＝G·(DF)
其中，G为自适应函数表达式，根据不同环境的参数调整G值，进而得到符合环境的指向性系数：
因此，取得最大指向性因子：
y′(ω)MAX＝dH(ω，cosθ)G-1d(ω，cosθ)
使麦克风阵列在声学环境下获得最大指向性，提高了差分麦克风阵列的信噪比，达到在实际的声学环境中检测微小信号的能力；
D)针对步骤B)取得的频率调整后的目标信号取得麦克风阵列的最大白噪声抑制能力，白噪声抑制因子为：
E)将步骤B)取得的频率调整后的目标信号通过经步骤C)和步骤E)处理后具有最大指向性因子和最大白噪声抑制能力的麦克风阵列，进行指向性和白噪声抑制处理，取得调整后的输出信号：
y(ω)＝y′(ω)y″(ω)
其中，目标信号能够自适应调整，得到适应环境的参数，使得本发明产品能够适应各种复杂的声学环境；
F)设计矩阵矢量，
通过矩阵矢量J(ω)对步骤E)取得的y(ω)进行语音信号增强和噪声信号抑制。
本发明四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，把麦克风阵列采集的模拟信号转换成为数字信号进行处理，区别于传统的波束形成器，本发明首先对语音信号进行频率分解和补偿，是的波束具有频率不变的特性，然后把具有与频率不变特性的信号，给两阶滤波器器进行处理，最后设计一个矩阵矢量使得麦克风阵列输出信号具有超指向频率不变的特点，其主要表现在可以使得麦克阵列采集到微小的语音信号，在进行语音处理时，频率不失真。区别于传统的麦克风阵列，本发明中的方法具有两个自适应的参数最大指向性因子和白噪声抑制因子，可以根据具体的环境参数调整最大指向性因子和白噪声抑制因子。这样做的目的使得麦克风阵列采集语音信号时，把环境噪声和语音信号分离，对环境噪声进行抑制和替换，对语音信号进行系统增强，同时提高系统的灵敏度，可以采集到微小的语音信号。
本发明克服了硬件依赖，不需要准确的目标声源和噪声角度，可以在复杂的声源环境中，能够采集到微小的语音信号，然后对麦克风阵列采集的信号进行增强，对环境噪音进行抑制，获得一段纯净的语音信号，解决了传统的语音增强方法不能准确区别环境噪声和语音信号的难题。
Claims (7)
1.一种四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
A)由四个均匀分布在单位圆上的全向型麦克风阵元组成麦克风陈列，采集所述麦克风阵列的输出信号；
B)将所述步骤A)中取得的输出信号按照频带分解成若干个子频带，取得各子频带目标信号，将子频带的频率与参考频率进行比较，通过频率调整系数，对比参考频率低的子频带进行频率补偿，对比参考频率高的子频带进行频率抑制，将各子频带重构合成，而取得频率调整后的目标信号；
C)针对所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号进行所述麦克风阵列的指向性调整，取得最大指向性因子，使所述麦克风阵列在声学环境下获得最大指向性；
D)针对所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号取得所述麦克风阵列的最大白噪声抑制能力；
E)将所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号通过经所述步骤C)和步骤E)处理后具有最大指向性因子和最大白噪声抑制能力的麦克风阵列，进行指向性和白噪声抑制处理，取得调整后的输出信号；
F)设计矩阵矢量，对所述步骤E)取得的输出信号进行语音信号增强和噪声信号抑制。
2.根据权利要求1所述四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：所述步骤A)中，所述麦克风阵列中，第m个麦克风阵元采集到声音信号：
式中，1≤m≤4，xm(ω)为第m个麦克风阵元采集到的语音信号，vm(ω)为第m个麦克风阵元采集到的噪声信号，ω为角频率，e为自然常数，j为虚数单位，j2＝-1，当1≤m≤3时，τm为声音信号到达第m个麦克风阵元和沿单位圆顺时针方向下一个麦克风阵元的时间差，，τm＝δm/c，δm为第m个麦克风阵元与沿单位圆顺时针方向下一个麦克风阵元之间的间距，c为声波在空气中的转播速度，θ为声源与第m个麦克风阵元的连线与所述麦克风阵列之间的夹角，x(ω)为声源发出的语音信号，进而取得所述麦克风阵列的输出信号：
y(ω)＝[y1(ω)y2(ω)y3(ω)y4(ω)]T＝d(ω,cosθ)x(ω)+v(ω)
式中，[·]T表示转置，v(ω)是环境噪声信号，d(ω,cosθ)为声源发出的语音信号到达所述麦克风阵列时的方向矢量：
3.根据权利要求2所述四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：所述步骤B)中，各子频带目标信号为：
式中，M为所述麦克风阵列中的麦克风阵元数目，M＝4，L为所述麦克风阵元的滤波器的阶数，L＝2，k为子频带的频带指数，n为帧指数，gm(k,l)为第m个麦克风阵元的频率调整系数，将子频带的频率与参考频率进行比较，通过频率调整系数，对比参考频率低的子频带进行频率补偿，对比参考频率高的子频带进行频率抑制，将各子频带重构合成，而取得频率调整后的目标信号：
式中，其中，D为所述麦克风阵元滤波器的协方差对角矩阵，λ(k)为所述麦克风阵元滤波器的协方差矩阵，H表示共轭转置。
4.根据权利要求3所述四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：所述步骤C)中，定义声源发出的语音信号经不同方位角到达所述麦克风阵列的复增益：
B(θ)＝ωHP(θ)
式中，P(θ)为所述麦克风阵列接收到的语音信号功率大小，取得指向性因子：
构造符合环境的指向性系数G和所述麦克风阵列的指向性DF，得到实际环境下的最大指向性因子：
y′(ω)MAX＝G·(DF)
其中，
因此，取得最大指向性因子：
y′(ω)MAX＝dH(ω,cosθ)G-1d(ω,cosθ)
使所述麦克风阵列在声学环境下获得最大指向性。
5.根据权利要求4所述四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：所述步骤D)中，所述麦克风阵列取得最大白噪声抑制能力的白噪声抑制因子为：
6.根据权利要求5所述四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：所述步骤E)中，将所述步骤B)取得的频率调整后的目标信号通过经所述步骤C)和步骤E)处理后具有最大指向性因子和最大白噪声抑制能力的麦克风阵列，进行指向性和白噪声抑制处理，取得：
y(ω)＝y′(ω)y″(ω)。
7.根据权利要求6所述四元差分麦克风阵列超指向性频率不变波束形成方法，其特征在于：设计的矩阵矢量为：
通过矩阵矢量J(ω)对所述步骤E)取得的y(ω)进行语音信号增强和噪声信号抑制。
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