[发明专利]一种麦克风阵列语音增强的优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及语音增强技术，特别涉及麦克风阵列语音增强，属于语音信号处理技术领域。

背景技术

语音增强一直是语音信号处理领域的研究热点，麦克风阵列处理的引入提供了一条新的途径来进行语音增强。麦克风阵列不仅提供了信号在时域和频域上的信息，还提供了一个空间域，对来自空间不同方向的信号进行空时频联合处理，它以天线阵列的算法为理论依据，结合单通道语音处理的方法，用空间滤波器的方式，提供声源信号空间位置，达到滤取声源信号的同时抑制干扰信号的目的。

语音增强的目标是在保证在不损坏目标语音结构的前提下，减少甚至消除接受信号中存在的噪声，从而提高语音的清晰度。

麦克风阵列语音增强的实现可以分为声源定位阶段和语音增强阶段。在声源定位阶段，系统获取说话人的空间上的方位信息；在语音增强阶段，利用已获得的方位信息，采用阵列信号处理方法，滤取声源方向的信息，抑制其他方向上的干扰信息，实现语音增强。

麦克风阵列语音增强结合阵列处理技术，经过大量的研究，目前主要形成了三种主流算法：固定波束形成法、自适应波束形成法和后置滤波器的波束形成法。其中GSC（Generalized Sidelobe Canceller，广义旁瓣抵消器）结构的自适应波束形成法凭借低计算量高性能，因此广为应用。但是采用阵列处理最容易出现的问题是，当出现目标信号方向估计误差时，容易造成目标信号的泄漏，严重影响语音增强的性能。在GSC结构中，主要构造模块为BM（Blocking Matrix，阻塞矩阵）模块，它能够利用估计出的方向信息，滤除目标方向信号，所以对麦克风阵列语音增强算法的优化重点在于阻塞矩阵的优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种麦克风阵列语音增强算法的优化方法，提高阻塞矩阵的适应能力，使阻塞矩阵泄漏的语音减小，提高语音增强的鲁棒性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种麦克风阵列语音增强的优化方法，步骤如下：

第一步，前期处理，即完成对输入阵列语音信号进行预加重、分帧和加窗处理后，利用时延估计方法得到声源的方向信息，利用方向信息得到信号的导向矢量；

第二步，利用麦克风阵列搭建GSC结构模型，首先实现固定波束形成算法，有别于常规的GSC结构处理，它将FBF分成两部分：信号对齐和波束形成，首先利用前期处理得到的方向信息进行信号对齐，信号对齐是利用前述中得到的导向矢量，将有方向时延的麦克风阵列信号变为从阵列法线方向输入信号，这样在理论上，麦克风阵列将从0°方向入射，将对齐后的信号分为两路，一路继续进行固定波束形成过程，进行累加求平均；另一路进入阻塞矩阵模块对目标信号进行阻塞；

第三步，实现阻塞矩阵模块，由于通过在第二步进行信号对齐，理论上信号方向为

0°，在采用直线均匀阵时，阻塞矩阵采用如下形式；

其中为阻塞矩阵，为阻塞方向即信号估计方向，d为阵元间距，为声波波长，M为输入信号数，此时不论到达方向为何，初始都为0，通过阻塞矩阵后信号输入MC模块；

第四步，实现MC（Multiple-input Canceller，多输入抵消器）模块，理论上由FBF（Fixed BeamFomer，固定波束形成器）输出减去BM输出，将得到纯净的目标语音，这时考虑到发生方向估计错误时存在语音泄漏，MC的输出暂时不作为最终输出；

第五步，提取MC的输出，利用MC输出与BM输出之间的相关性，当相关函数较大时，存在泄漏语音，对相关函数值设定阈值，当超过阈值时，以为0作为初始参数，设定调整步长，以相关函数值减少为调整方向，通过倍乘方式调整参数，最终使相关函数值小于阈值，最后才在MC模块输出语音。

本发明与现有技术相比，其优点在于：削弱了方向估计误差对麦克风阵列语音增强的影响，提高自适应波束形成器的鲁棒性。使阻塞矩阵指向的方向收敛于真实方向，减少目标语音泄漏，提高输出语音的输出信噪比和清晰度，克服GSC结构的波束形成器过度依赖目标信号方向估计的弱点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明中GSC结构麦克风阵列语音增强算法示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明GSC结构的麦克风阵列语音增强优化方法，步骤如下：