采用可调波束形成器的gsc麦克风阵列语音增强方法_李芳兰

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1、第５２卷第２期厦门大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．５２Ｎｏ．２２０１３年３月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｍａｒ．２０１３ｄｏｉ：１０．６０４３／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－０４７９．２０１３．０２．００９采用可调波束形成器的ＧＳＣ麦克风阵列语音增强方法李芳兰１，周跃海１，童峰１＊，洪青阳２（１．厦门大学海洋与地球学院，水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，２．厦门大学信息科学与技术学院，福建厦门３６１００５）摘要：基于广义旁瓣抵消器（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｓｉｄｅｌｏｂｅｃａｎｃｅｌｌｅｒ，ＧＳＣ）算法的麦克风阵列语音增强技

2、术已得到广泛研究，但由于其通常需传统的声源定位方法提供声源方位，语音信号信噪比（ＳＮＲ）低时声源定位精度将明显下降并影响到语音增强效果．提出了一种新的麦克风阵列语音增强方法，该方法在ＧＳＣ中引入可调波束形成器估计声源方位以抑制背景噪声影响．不同类型背景噪声下的实验室语音增强结果表明了该方法的有效性．关键词：语音增强；麦克风阵列；可调波束形成器；广义旁瓣抵消器中图分类号：ＴＮ９１２．３文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－０４７９（２０１３）０２－０１８６－０４在恶劣的噪声环境下单麦克风接收语音信号的质量将急剧下降，从而影响到语音识别、远程通话、声纹１ＧＳＣ［１］识别等语音信号处

3、理技术的性能．近年来，利用麦克风阵列作为语音信号采集前端来改善语音质量越来越ＧＳＣ是自适应波束形成器的一种通用模型．线性约［２－３］受到人们的重视．麦克风阵列利用了目标信号、噪束自适应波束形成器可以看作是它的特例，这种模型不声和干扰的空间信息，增强了期望方向的信号，抑制其但简单，而且更具有一般意义．有Ｍ个麦克风的ＧＳＣ由［９］他方向的信号，相对于单通道麦克风而言，能提供更好３部分组成：固定波束形成器、阻塞矩阵和自适应噪［４］的增强效果，因而得到了广泛的研究和应用．声抵消器，如图１所示．广义旁瓣抵消器（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｓｉｄｅｌｏｂｅｃａｎｃｅｌｌｅｒ，［５］ＧＳＣ）是

4、一种常用的自适应波束形成方法，它能很好地抑制相关干扰．然而，ＧＳＣ算法的信号通路需要借［６－８］助传统的广义互相关等定位方法提供目标声源方位，当麦克风阵列接收的原始语音信号信噪比（ＳＮＲ）较低时，会造成定位精度误差，影响了ＧＳＣ算法的消噪性能．基于此，本文提出了一种采用可调波束形成器的ＧＳＣ麦克风阵列语言增强算法，在ＧＳＣ结构中的固定波束形成器前端引入各通道可调时延补偿，构造可调波束形成器进行声源方位估计，从而在目标声源方位获取阶段即可利用阵列的空间增益来提高方位估图１ＧＳＣ结构框图Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＧＳＣ计性能．图１中，各通道接收到的信号经过时延τｉ补偿后，

5、使得各路输出信号ｘｉ（ｎ）在目标信号方向上同步．固定波束形成器采用系数固定的滤波器对输入信号收稿日期：２０１２－１０－１６ｘｉ（ｎ）进行滤波，并将滤波后的各路信号相加，实现目基金项目：国家自然科学基金项目（６１１０５０２６）；福建省高校产学合标语音的初步增强．阻塞矩阵的作用相当于一个空间作科技重大项目（２０１０Ｈ６０２２）；厦门市科技计划项目（２３５０２Ｚ２０１１３００８）陷波器，阻塞从目标信号方向上来的信号，而通过其他＊通信作者：ｆｔｏｎｇ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ方向上的入射信号．通过调整自适应部分的系数Ｗｋ，第２期李芳兰等：采用可调波束形成器的ＧＳＣ麦克风阵列语音增强方法

6、·１８７·最小化系统干扰和噪声的输出功率，最终得到增强后的目标语音信号．ＧＳＣ自适应支路系数Ｗｋ的调节可利用实现简单的ＬＭＳ（或ＮＬＭＳ）算法实现．２可调波束形成器图３均匀直线阵对基于ＧＳＣ算法的经典自适应波束形成器，当存Ｆｉｇ．３Ｕｎｉｆｏｒｍｌｉｎｅａｒｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅａｒｒａｙ在目标语音方位测量误差时，噪声抑制性能受到较大的影响．要解决这个问题，必须减小背景噪声对传统时利用αｋ可求得相应的时延估计值τ（αｋ）：延估计算法带来的目标信号方向估计误差．而传统的ｄｃｏｓαｋτ（αｋ）＝×ｆｓ，（２）利用相关求时延的方法在噪声和混响环境中的估计性ｃ能并不理想，直接影响了Ｇ

7、ＳＣ的性能．因此，本文提出其中ｃ为空气中声速．利用可调波束形成器获取目标语音信号方向．针对以ｆｓ采样频率采样后的数字信号，各通道时可调波束形成器结构如图２所示，它利用阵列形延补偿值应为采样点数，则需对τ（αｋ）取整，即：成不同波束角度时ＧＳＣ的输出能量作为代价函数来ｄｃｏｓαｋτ′（αｋ）＝［τ（αｋ）］＝［×ｆｓ］，（３）估计波束对准声源时各通道语音的时延补偿值，以实ｃ现目标语音信号方向的定位．其基本思想是：假定目标式中符号［］表示取整．信号入射角为α，利用不同的α求出对应的通道补偿对于偶数个麦克风组成的阵列，以