一種分部處理式陣列式語音定位和增強方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及語音信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種語音定位和增強方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)波束形成技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、雷達和通信系統(tǒng)中。自適應(yīng)波束形成 通過調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度和加權(quán)相位，來改變陣列的方向圖，使陣列天線的主瓣對準期 望用戶，同時陣列天線的零點和副瓣對準其他用戶，從而提高接收信噪比。
[0003] 線性約束最小方差（LCMV)準則是最常用的自適應(yīng)波束形成方法。廣義旁瓣相消 器（GSC)是LCMV的一種等效的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，GSC結(jié)構(gòu)將自適應(yīng)波束形成的約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換 為無約束的優(yōu)化問題，分為自適應(yīng)和非自適應(yīng)兩個支路，分別稱為主支路和輔助支路，要求 期望信號只能從非自適應(yīng)的主支路通過，而自適應(yīng)的輔助支路中僅含有干擾和噪聲分量， 在高信噪比的情況下，將有一部分期望信號泄漏到輔助支路中，出現(xiàn)了信號相消現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種分部處理式陣列式語音定位和增 強方法，采用傳遞函數(shù)廣義旁瓣抵消器結(jié)構(gòu)和后置維納濾波器結(jié)構(gòu)，將其自適應(yīng)模塊的輸 入信號分解到分量濾波結(jié)構(gòu)中進行處理，并將多通道維納濾波模塊引入傳遞函數(shù)的非自適 應(yīng)支路，可W更有效地抑制相干噪聲和非相干噪聲，并有效的加快語音增強系統(tǒng)的收斂速 度。
[0005] 本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] 一種分部處理式陣列式語音定位和增強方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1 ;把拾音器W線陣排列，拾音器個數(shù)3個或者3個W上，接受外界聲音信號； [000引步驟2 ;利用每路信號的互相關(guān)函數(shù)求出接收信號的時延，對每路信號進行時延 補償對齊每路信號，利用求出的時延可W準確估計出聲源方向，實現(xiàn)目標生源的定位；
[0009] 步驟3;補償后的數(shù)字信號包含噪聲，送入優(yōu)化后的自適應(yīng)阻塞矩陣模塊，剝離出 比總路數(shù)少一路的噪聲信號；
[0010] 步驟4;把該噪聲信號送入自適應(yīng)的分量濾波器，濾波后得到方向性噪聲量；
[ocm] 步驟5 ;該步驟和步驟4同時進行，把補償后的信號送入多通道后置維納濾波器模 塊，得到初級去噪結(jié)果，此時仍然包含方向性噪聲；
[0012] 步驟6 ;步驟5的結(jié)果與步驟4結(jié)果做差得出最終語音去噪信號。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的方法鑒分量結(jié)構(gòu)，外加后置維納濾波器，利用 部分自適應(yīng)技術(shù)，保證了算法的去噪性能，有效地抑制非相干噪聲和相干噪聲，加快了算法 的收斂速度，降低了運算復(fù)雜度，相對于傳統(tǒng)的廣義旁瓣相消器的麥克風(fēng)陣列語音增強系 統(tǒng)，采用改進的語音增強系統(tǒng)具有更高的輸出信噪比。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的分部處理式陣列式語音定位和增強方法流程圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明的自適應(yīng)阻塞矩陣設(shè)計圖；
[0016] 圖3是M通道的采樣調(diào)制濾波器設(shè)計圖。
【具體實施方式】
[0017] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用W解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0018] 附圖1是本發(fā)明的分部處理式陣列式語音定位和增強方法流程圖，本發(fā)明的方法 包括W下步驟：
[0019] 步驟1 ;把拾音器W線陣排列，拾音器個數(shù)3個或者3個W上，接受外界聲音信號； W拾音器個數(shù)4個為例，間隔2. 25cm，接受外界語音模擬信號然后AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0020] 步驟2 ;由于聲源可能來自不同方向，每個路接受信號有時。利用每路信號的互相 關(guān)函數(shù)求出時延，對每路信號進行時延補償對齊每路信號。利用求出的時延可W準確估計 出聲源方向，實現(xiàn)目標聲源的定位。
[002U 步驟3;補償后的數(shù)字信號包含噪聲，送入優(yōu)化后的自適應(yīng)阻塞矩陣模塊，剝離出 比總路數(shù)少一路的噪聲信號。
[002引步驟4;把該噪聲信號送入自適應(yīng)的分量濾波器，濾波后得到方向性噪聲量。
[0023] 步驟5;該步驟和步驟4同時進行，把補償后的信號送入多通道后置維納濾波模 塊，得到初級去噪結(jié)果（仍然包含方向性噪音）。
[0024] 步驟6;上一結(jié)果與步驟4結(jié)果做差得出最終語音去噪信號，達到更加明顯的語音 增強效果。
[002引其中，步驟2具體為；將四路時域信號通過傅立葉變換到頻域中Xi(n)=S(n-Ti)+Vi(n)-Xi(W) =SeJ'。"+V，然后利用歷//(r)=j/如斯(似)(戶心似計算互功率 譜峰，得到時延T。聲音在空氣中傳播速度V約為340m/s，所W定位出聲源平面角度為 0二arcsi呼最后分別把其余聲道信號分別推后了，2了，3了…，得到對齊的語音數(shù)據(jù)。 0
[0026] 步驟3通過利用傳輸函數(shù)的比代替相應(yīng)的傳輸函數(shù)，設(shè)計出一種自適應(yīng)阻塞矩陣 滿足輸出只有噪聲的要求。附圖2中設(shè)計的矩陣符合要求，非自適應(yīng)支路輸出的信號分量 不是原始信號S，而是第一列陣元接收到的信號分量AiS，其中Ai是信號經(jīng)過短時傅里葉變 換后的系數(shù)。接受信號可表示為Xi=ai*s+Vii=l，2…，M兩邊傅里葉變換后，有Xi= AiS+Vi,其中Vi是噪音，*表示卷積，M是拾音器個數(shù)。
[0027] 步驟4自適應(yīng)分量濾波器組的基本思想是將輸入的噪音信號進行頻帶分裂，即將 信號分解成位于不同頻帶上的分量信號，然后針對各分量信號的特點分別進行處理。自適 應(yīng)分量濾波器由分析濾波器與合成濾波器構(gòu)成。附圖3中輸入信號經(jīng)分析濾波器組Hi(z) 分解成一系列的分量信號yi(n)，經(jīng)過編碼、壓縮、傳輸?shù)忍幚砗笞優(yōu)閥/ (n)，最后由合成濾 波器組Gi(z)重構(gòu)出信號x(n)。
[002引其分析濾波器傳遞函數(shù)Hi(Z)和綜合濾波器傳遞函數(shù)Gi(Z)，i=1，2,…，M是分 別通過對一個具有線性相位特性的低通濾波器1(Z)進行余弦調(diào)制獲得的。因此分析濾波 器Hi(z)和合成濾波器Gi(z)的沖激響應(yīng)如下：
【主權(quán)項】
1. 一種分部處理式陣列式語音定位和增強方法，包括以下步驟： 步驟1:把拾音器以線陣排列，拾音器個數(shù)3個或者3個以上，接受外界聲音信號； 步驟2:利用每路信號的互相關(guān)函數(shù)求出接收信號的時延，對每路信號進行時延補償 對齊每路信號，利用求出的時延可以準確估計出聲源方向，實現(xiàn)目標生源的定位； 步驟3 :補償后的數(shù)字信號包含噪聲，送入優(yōu)化后的自適應(yīng)阻塞矩陣模塊，剝離出比總 路數(shù)少一路的噪聲信號； 步驟4 :把該噪聲信號送入自適應(yīng)的分量濾波器，濾波后得到方向性噪聲量； 步驟5 :該步驟和步驟4同時進行，把補償后的信號送入多通道后置維納濾波器模塊， 得到初級去噪結(jié)果，此時仍然包含方向性噪聲； 步驟6:步驟5的結(jié)果與步驟4結(jié)果做差得出最終語音去噪信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟1中的拾音器為四個，間隔d= 2. 25cm排成一條直線，接受語音模擬信號然后AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟2具體為：每路時域信 號通過傅立葉變換到頻域中A(") = .s'(" + 4Ayw) = 5V"" +F，然后利用
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟3中的自適應(yīng)阻塞矩陣通過利 用傳輸函數(shù)的比代替相應(yīng)的傳輸函數(shù)來設(shè)計，滿足輸出只有噪聲的要求，所述自適應(yīng)阻塞 矩陣為：
非自適應(yīng)支路輸出的信號分量不是原始信號S，而是第一列陣元接收到的信號分量AiS,其中化是信號經(jīng)過短時傅里葉變換后的系數(shù)，接收信號可表示為Xi=ai*s+Vii= 1，2…，M兩邊傅里葉變換后，有Xi=APVi,其中\(zhòng)是噪音，*表示卷積，M是拾音器個數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟4中的自適應(yīng)分量濾波器組將 輸入的噪音信號進行頻帶分裂，即將信號分解成位于不同頻帶上的分量信號，然后針對各 分量信號的特點分別進行處理。自適應(yīng)分量濾波器由分析濾波器與合成濾波器構(gòu)成，輸入 噪音信號經(jīng)分析濾波器組Hi (z)分解成一系列的分量信號yi (n)，經(jīng)過編碼、壓縮、傳輸?shù)?處理后變?yōu)閥/ (n)，最后由合成濾波器組Gi (z)重構(gòu)出信號x(n);其分析濾波器傳遞函數(shù) Hi (z)和綜合濾波器傳遞函數(shù)Gi (z)，i= 1，2,…，M是分別通過對一個具有線性相位特性的 低通濾波器進行余弦調(diào)制獲得的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：分析濾波器Hi (z)和合成濾波器Gi (z)的 沖激響應(yīng)如下：
式中k= 0, 1，…，K-1，i= 1，2, 是分解通道個數(shù)，K是濾波器階數(shù)。由此可以 看出分析濾波器與合成濾波器有以下關(guān)系//,.(Z) =Z(Y '々(z-)，（^(2)是Gi(Z)的共軛轉(zhuǎn)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟5中維納濾波器的系數(shù)是根據(jù) 各信道接收信號間的自相關(guān)和互相關(guān)得到，即維納濾波器的系數(shù)是自適應(yīng)變化的；延遲一 累加后的含噪語音信號經(jīng)過維納濾波后得到最小均方誤差準則下的目標語音估計信號。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種分部處理式陣列式語音定位和增強方法，包括廣義旁瓣抵消器的基本結(jié)構(gòu)、阻塞矩陣（Block Matrix）的設(shè)計、分量濾波器的設(shè)計和外置維納濾波部分。該方法借鑒分量結(jié)構(gòu)，外加后置維納濾波器，利用部分自適應(yīng)技術(shù)，保證了算法的去噪性能，有效地抑制非相干噪聲和相干噪聲，加快了算法的收斂速度，降低了運算復(fù)雜度，相對于傳統(tǒng)的廣義旁瓣相消器的麥克風(fēng)陣列語音增強系統(tǒng)，采用改進的語音增強系統(tǒng)具有更高的輸出信噪比。仿真實驗測試結(jié)構(gòu)表明，相對于基于全帶廣義旁瓣抵消器的麥克風(fēng)陣列語音增強系統(tǒng)，本發(fā)明的方法具有更高的輸出信噪比。
【IPC分類】G10L21-0208
【公開號】CN104715758
【申請?zhí)枴緾N201510066532
【發(fā)明人】樊濱溫, 王兆陽, 王明江, 劉明, 蔣賢慧, 張健, 曹彬, 曾偉浩
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年2月6日