麦克风阵列语音增强技术及其应用 (1)

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1、麦克风阵列语音增强技术及其应用Technologyandapplicationofspeechenhancementbasedonmicrophonearray洪鸥HongOu摘要：本文简要叙述了应用麦克风阵列进行语音增强的原理及方法。且由于麦克风阵列在实际语音处理时具有良好的拾取语音能力及噪声鲁棒性，本文将介绍该技术在车载系统环境、机器人语音识别、大型场所的记录会议、助听装置及声源定位等系统中的应用。关键字：麦克风阵列；声源定位；语音增强中图分类号：TN912.3文献标识码：AAbstract:Thispaperdescr

2、ibesthefoundationaltheoryofspeechenhancementbasedonmicrophonearrays.Microphonearrayshavegreatpotentialinpracticalapplicationsofspeechprocessing,duetotheirabilitytoprovidebothnoiserobustnessandhands-freesignalacquisition.Thenthispaperintroducestheapplicationsofmicro

3、phonearrayincarenvironment,robot,hands-freetelephony,audioconferencing,carenvironment,andhearingaidsetc.Keywords:Microphonearray；Speechlocalization；Speechenhancement1引言在目标语音的实际拾取过程中，不可避免会受到外界环境噪声和其他说话人的干扰。如果干扰噪声过强对收听者而言则会觉得刺耳乃至听不清目标语音。针对这种情况，通常采用增强语音、去除背景噪声的方法来改善系统

4、性能。目前语音增强的方法很多，根据使用麦克风的数目可分为单麦克风系统和麦克风阵列系统。近20年来不少研究者提出了使用一个或两个麦克风来去除噪声，但由于实际环境噪声的复杂性均不能达到满意的消噪要求。而阵列信号处理采用广义旁瓣对消思想，即用“电子瞄准”的方式从声源位置获取较高品质的语音信号同时抑制其他说话人的声音及环境噪声，具有很好的空间选择性。由此麦克风阵列明显优于具有高方向性的单麦克风系统，使其成为20年来语音信号处理的一个重要分支，以及拾取语音时减小噪声和混响颇具前景的技术之一。如果系统的算法精简得当，麦克风阵列可应用于许

5、多场合，如视频会议、机器人语音识别、车载系统环境、大型场所会议、助听装置等。2麦克风阵列语音增强的原理及优点麦克风阵列通过对拾取的多路语音信号进行分析与处理，使阵列形成的波束方向图主瓣对准目标语音，“零点”指向干扰源以抑制干扰信号，从而尽可能地获取目标语音。其中波束方向及波束主瓣宽度与麦克风的间距、麦克风数目、麦克风的摆放位置、声源入射角及采样频率紧密相关。波束的形成不仅消除了使用单个麦克风时需人工调节麦克风指向性问题，而且可以使输出语音的信噪比大幅度提高，从而无需人工干预亦可获得高质量的语音。在实际室内环境中麦克风阵列接收

6、到的信号不仅有直接到达的目标语音，还有目标语音经过墙面反射、衍射等其它路径到达的部分即混响，同样对于噪声源也是如此。室内存在干扰和混响的典型示意图如图1（a）所示，而利用麦克风阵列获取目标语音信号示意图如图1（b）所示。图1（a）室内存在干扰和混响语音示意图图1（b）麦克风阵列波束示意图由上述可见麦克风阵列较之单麦克风系统具有许多优点，具体表现在：1)麦克风阵列系统具有空间选择特性，可以用“电子瞄准”的方式从所需声源位置提供高品质的语音信号；在此麦克风阵列明显优于高方向性的单麦克风系统；2)高方向性的单麦克风系统通常只能拾取

7、一路信号且其指向性一般不随声源改变。而麦克风阵列系统具有自动探测定位，可在接收区域内追踪正在说话的人，有利于获取多个声源或移动声源。3麦克风阵列语音增强的主要方法麦克风阵列语音增强的处理过程主要涉及到三个方面：语音定位，空间抑制及自适应滤波。对于麦克风阵列获取语音的性能好坏而言，环境噪声是一个严峻挑战，因此迫切需要选择性地接收目标语音而抑制干扰信号及噪声的方法。目前众多研究人员应用麦克风阵列波束[4]进行语音增强的方法大致上可分成三类：延迟－累加方法（传统波束法）、自适应波束法及基于后置自适应滤波的麦克风阵列法。3.1延迟－

8、累加波束法三种方法中最简单的是延迟－累加波束法，此方法实现空间滤波的思想来源于相控雷达的原理。通过延时控制补偿从声源到每个麦克风的延时，对每个麦克风接收到的信号进行校正。然后使麦克风阵列波束指向有最大输出功率的方向，即波束对准相应空间位置的声源信号同时削弱噪声和混响的影响。延时－累加方法可