CN113763981B - 主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统 - Google Patents

主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统：采用4个传声器搭建小尺寸的圆形差分麦克风阵列，由单个传声器接收信号得到原点处的单极子，结合调向因子构造通过原点的两个偶极子，以及方向可调的偶极子；利用波束方向图控制参数线性组合单极子和方向可调的偶极子，构建主瓣波束指向可调的阵列响应。本发明实现了主瓣波束指向自动可调，特别适应于声源在一定范围内移动的场合，且在设备受限的情况下对声源信号进行拾取和放大，其结构简单、成本低、通用性强，具有较好的应用价值。

Description

主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统
技术领域
本发明涉及麦克风阵列技术，特别是主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统。
背景技术
麦克风阵列方法，不仅能获取时域和频域的信息，还能获取目标信号声场的空域信息，从而同时进行时域、频域和空域的联合处理。因此麦克风阵列信号处理逐渐成为比较活跃而重要的研究方向。基于麦克风阵列的波束形成技术是麦克风阵列信号处理的一个重要方面，根据目标信号声场信息，设计阵列波束主瓣直接指向声源，能够有效的抑制噪声，达到语音增强的目的。
麦克风阵列波束形成受使用场景影响而具有一定的特殊性和复杂性，主要表现在：
1)麦克风阵列通常用于室内，而室内混响噪声会严重影响波束形成的性能；
2)传统的波束形成基于窄带模型，不适用于具有宽带性和非平稳性的语音信号；
3)在一些实际应用中，如智能机器人听觉、助听器等，受安装平台限制或系统设计要求，通常只能使用小尺寸的阵列，这种情况下，常规波束形成技术也不再适用；
4)在实际环境中，声源一般不固定，固定阵列波束方向会造成声源增强、噪音抑制局限在一个方向的问题。
以上因素的存在，使麦克风阵列在现实中的应用成为一个具有挑战性的课题。在噪声环境下，如何采用小尺寸阵列实现波束响应主瓣指向可调的麦克风阵列是目前音频和语音信号处理领域的难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述不足，提供主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计，包括以下步骤：
1)音频信号由麦克风阵列采集，并经过模拟滤波器、放大器的调理；
2)对调理后的音频信号进行A/D采样，并经过FIR数字带通滤波的预处理；
3)根据四支麦克风音频信号建立空间坐标系。指定任意一个麦克风为M1，按照顺时针分别指定其他麦克风为M2，M3，M4。指定四个麦克风的中心为原点o，M1向M3的方向为x方向，M4向M2的方向为y方向。
4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应：
其中Ei为声音信号预处理模块输出的信号在麦克风阵列中的响应，t为时间，ω为声源信号角频率，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，pxi、pyi分别表示声音信号预处理模块输出的信号在x方向和y方向的声强分量，C为空气中的声速。
5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子：
其中为麦克风阵列的单极子，d为相邻麦克风距离，β为麦克风对夹角，β∈(0，90°)；
6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子：
其中为指向/>的偶极子，/>为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向/>为调相因子；
7)对调向偶极子进行归一化：
其中为归一化后的调向偶极子，/>为积分因子，/>为幅度补偿因子；
8)将单极子和偶极子合成为麦克风阵列响应：
其中为麦克风阵列响应，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型。
主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，包括麦克风阵列、四通道音频小信号调理器、信号处理模块。
所述的麦克风阵列是麦克风对夹角为0～90°可调、相邻等距离的四个圆形全向性麦克风组成的麦克风阵列。
所述的四通道音频小信号调理器用于在输入端提供恒定电流用于麦克风工作，接收四路麦克风阵列的信号，对四路麦克风阵列接收的音频小信号进行噪音滤波，信号可控增益放大，信号可调直流偏置，并输出四路经过相同处理的信号。
所述的信号处理模块用于：
1)对调理后的音频信号进行A/D转换；
2)利用等波纹法设计FIR数字带通滤波器，对A/D转换后的数字信号进行噪声滤除；
3)根据麦克风声音信号采集模块建立空间坐标系；
4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应；
5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子；
6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子；
7)对调向偶极子进行分帧加窗、FFT、归一化、IFFT、帧合并得到归一化的调向偶极子；
8)将单极子和归一化的调向偶极子合成为麦克风阵列响应：
其中为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，其中α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，β为麦克风对夹角，β∈(0，90°)；。
在构建主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统时，选择使用北京声传声学公司的ZL-301阵列传声器作为四个圆形全向性麦克风；使用赛灵思公司的Zynq XC7Z010-CLG400作为主处理芯片，使用主处理芯片上集成的12位XADC实现A/D转换。
本发明的积极有益效果是：本发明实现主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统，保证波束性能的同时解决了阵列波束方向可调、设备尺寸受限制的问题。
附图说明
图1为本发明主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统框图
图2为根据麦克风声音信号采集模块建立空间坐标系
图3为本发明主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统算法流程图
图4(a)为情况一的理想情况和实际情况的波束响应图
图4(b)为情况二的理想情况和实际情况的波束响应图
图4(c)为情况三的理想情况和实际情况的波束响应图
图4(d)为情况四的理想情况和实际情况的波束响应图
图4(e)为情况五的理想情况和实际情况的波束响应图
图4(f)为情况六的理想情况和实际情况的波束响应图
具体实施方式
结合图一、图二、图三，主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计，包括以下步骤：
1)音频信号由麦克风阵列采集，并经过模拟滤波器、放大器的调理；
2)对调理后的音频信号进行A/D采样，并经过FIR数字带通滤波的预处理；
3)根据四支麦克风音频信号建立空间坐标系。指定任意一个麦克风为M1，按照顺时针分别指定其他麦克风为M2，M3，M4。指定四个麦克风的中心为原点o，M1向M3的方向为x方向，M4向M2的方向为y方向。
4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应：
其中Ei为声音信号预处理模块输出的信号在麦克风阵列中的响应，t为时间，ω为声源信号角频率，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，pxi、pyi分别表示声音信号预处理模块输出的信号在x方向和y方向的声强分量，C为空气中的声速340m/s。
5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子：
其中为麦克风阵列的单极子，d为相邻麦克风距离，β为麦克风对夹角，β∈(0，90°)；；
6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子：
其中为指向/>的偶极子，/>为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向， 为调相因子；
7)对调向偶极子进行归一化：
其中为归一化后的调向偶极子，/>为积分因子，/>为幅度补偿因子；
8)将单极子和偶极子合成为麦克风阵列响应：
其中为麦克风阵列响应，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型0≤α＜0.5，时阵列响应形状为超心型。
主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，包括麦克风阵列、四通道音频小信号调理器、信号处理模块。
所述的麦克风阵列是麦克风对夹角为0～90°可调、相邻等距离的四个圆形全向性麦克风组成的麦克风阵列。
所述的四通道音频小信号调理器用于在输入端提供恒定电流用于麦克风工作，接收四路麦克风阵列的信号，对四路麦克风阵列接收的音频小信号进行噪音滤波，信号可控增益放大，信号可调直流偏置，并输出四路经过相同处理的信号。
所述的信号处理模块用于：
1)对调理后的音频信号进行A/D转换；
2)利用等波纹法设计FIR数字带通滤波器，对A/D转换后的数字信号进行噪声滤除；
3)根据麦克风声音信号采集模块建立空间坐标系；
4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应；
5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子；
6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子；
7)对调向偶极子进行分帧加窗、FFT、归一化、IFFT、帧合并得到归一化的调向偶极子；
8)将单极子和归一化的调向偶极子合成为麦克风阵列响应：
为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，其中α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，β为麦克风对夹角，β∈(0，90°)。
在构建主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统时，选择使用北京声传声学公司的ZL-301阵列传声器作为四个圆形全向性麦克风；使用赛灵思公司的ZynqXC7Z010-CLG400作为主处理芯片，使用主处理芯片上集成的12位XADC实现A/D转换。
下面结合附图和具体实施方式对本发明主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统作进一步详细说明。
实施例：
在该具体实施方式中，使用四个圆形全向性麦克风作为阵列传声器，搭建半径2cm、麦克风对夹角90°的四阵元麦克风阵列。将阵列搭建在5.5m×3.3m×2.4m的教室中，在距阵列2m处放置声源，声源为音箱播放的一段频率为2000Hz的单频信号。音箱与麦克风阵列在同一水平面内，垂直于地面放置，距地面1.5m，以保证信号入射俯仰角为90°，信号入射方位角为0°～360°，每隔10°启动声源，每次10秒。
设置目标方向和波束控制参数模拟六种情况：情况一目标方向0°，波束响应控制参数0.5；情况二目标方向0°，波束响应控制参数0.25；情况一目标方向60°，波束响应控制参数0.5；情况一目标方向60°，波束响应控制参数0.25；情况一目标方向120°，波束响应控制参数0.5；情况一目标方向120°，波束响应控制参数0.25，根据原理计算出单极子和偶极子合成的理想情况的波束响应。
A/D转换采样率为8000Hz，对四路麦克风信号轮流采样。FIR数字带通滤波器逼近通带[310Hz，3390Hz]，通带最大衰减3dB，逼近阻带[0Hz，50Hz]，[3700Hz，4000Hz]，阻带最小衰减34dB。
为了使信号平稳连续，能量集中，分帧帧长选择256点，帧重叠部分为80点，加窗函数采用汉明窗。
将声源信号输入基于波束形成的主瓣指向可调差分麦克风阵列系统，将其产生的响应通过DMA存入SD卡中。读取SD卡数据，计算出每个角度的阵列输出的能量，绘制出实际情况的波束方向图。在误差范围内算法结果与仿真参数一致。
在该具体实施方式中，选择使用北京声传声学公司的ZL-301阵列传声器作为四个圆形全向性麦克风；使用赛灵思公司的Zynq XC7Z010-CLG400作为主处理芯片，使用主处理芯片上集成的12位XADC实现A/D转换。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)音频信号由麦克风阵列采集，并经过模拟滤波器、放大器的调理；
2)对调理后的音频信号进行A/D采样，并经过FIR数字带通滤波的预处理；
3)根据四支麦克风音频信号建立空间坐标系，指定任意一个麦克风为M1，按照顺时针分别指定其他麦克风为M2，M3，M4，指定四个麦克风的中心为原点o，M1向M3的方向为x方向，M4向M2的方向为y方向；
4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应：
其中Ei为声音信号预处理模块输出的信号在麦克风阵列中的响应，t为时间，ω为声源信号角频率，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，pxi、pyi分别表示声音信号预处理模块输出的信号在x方向和y方向的声强分量，c为空气中的声速；
5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子：
其中为麦克风阵列的单极子，d为相邻麦克风距离，β为麦克风对夹角，β∈(0，90°)；
6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子：
其中为指向/>的偶极子，/>为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向， 为调相因子；
7)对调向偶极子进行归一化：
其中为归一化后的调向偶极子，/>为积分因子，/>为幅度补偿因子；
8)将单极子和偶极子合成为麦克风阵列响应：
其中为麦克风阵列响应，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型。
2.一种权利要求1所述主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成方法所采用的系统，包括麦克风阵列、四通道音频小信号调理器、信号处理模块。
3.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：所述的麦克风阵列是麦克风对夹角为0～90°可调、相邻等距离的四个圆形全向性麦克风组成的麦克风阵列。
4.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：所述的四通道音频小信号调理器用于在输入端提供恒定电流用于麦克风工作，接收四路麦克风阵列的信号，对四路麦克风阵列接收的音频小信号进行噪音滤波，信号可控增益放大，信号可调直流偏置，并输出四路经过相同处理的信号。
5.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：所述的信号处理模块用于：
1)对调理后的音频信号进行A/D转换；
2)利用等波纹法设计FIR数字带通滤波器，对A/D转换后的数字信号进行噪声滤除；
3)根据麦克风声音信号采集模块建立空间坐标系；
4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应；
5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子；
6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子；
7)对调向偶极子进行分帧加窗、FFT、归一化、IFFT、帧合并得到归一化的调向偶极子；
8)将单极子和归一化的调向偶极子合成为麦克风阵列响应：
其中为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，其中α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，β为麦克风对夹角。
6.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：选择使用北京声传声学公司的ZL-301阵列传声器作为四个圆形全向性麦克风；使用赛灵思公司的ZynqXC7Z010-CLG400作为主处理芯片，使用主处理芯片上集成的12位XADC实现A/D转换。
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