麦克风阵列语音增强的研究(1)
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关键词
麦克风阵列语音增强的研究
" % % 何成林 "， 杜利民 " 马 昕 "， （ 中国科学院声学研究所语音交互研究中心， 北京 "@@@A@） % （ 中国科学院研究生院， 北京 "@@@BC）
摘 要 文章介绍了各种基本的麦克风阵列语音增强算法，对其消噪性能进行了系统地分析，并以实测数据进行了测 试。并介绍了基于稳健波束形成器、 近场超定向波束形成器、 广义奇异值分解和传输函数广义旁瓣相消器等结构的麦克 风阵列语音增强的基本原理， 总结了各种算法的特点及其所适用的声学环境特性。 语音增强 麦克风阵列 阵列信号处理 文献标识码 ) 中图分类号 E5C"%FB
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（ 7）
其中 $（ 是后置维纳滤波器输入的先验信噪比。 由（ 式 !） 7） 可知， 噪声的相关性越强， 维纳后滤波的消噪性能越差； 相关性 越弱， 消噪越明显。 结合维纳后滤波的语音增强系统能很好地消除非相干噪 声， 对混响有一定的消除； 并且由于后置滤波器的权系数是实 时更新的， 对时变的声学环境有一定的适应性， 但经过后滤波 之后的语音信号有一定的失真。 $ !""#$!! 计算机工程与应用
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%4" 基于延迟 % 相加波束形成器的麦克风阵列语音 增强
)） 延迟%相加波束形成器的原理如图 "（ 所示。设目标信号 ! ， 波达方向的估计为! ! 通过对各路麦克风接收到的信号加一合 ! 方向同步， 适的时延补偿 "" ， 使得各路输出信号在 ! 实现阵列 ! ! 方向的入射信号的获得最大增益。权系数 # 的作用相当 对! ! " 于对阵列的波束模式进行锥化截取。 设麦克风阵列各通道接收到的信号和噪声不相关， 且各通 道接收到的信号和噪声分别具有相同的统计特性，则延迟%相 加波束形成器的噪声消除因子（ 516,’ 7’8-9:61; <)9:12， 即输 出、 输入信噪比增益） 为#%$： $%&’ （ #） = " " >（ # $（ "? " ） #） ( ) "） （
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基于近场超定向波束形成器的语音增强
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$.! 基本的麦克风阵列语音增强算法的测试
本文用卡内基 ・ 梅隆大学实测麦克风阵列数据库 6F8对上述 三种算法进行测试，该数据库所用的麦克风阵列由 "B 个麦克 风组成的线性嵌套式阵列， 并有一头戴式近距离麦克风作为参 考。本文选用其中的第 !%"$ 号麦克风组成的线性等间隔子阵 列所录制的数据进行测试，所用数据为其中 <;;7- 组数据， 录 音环境为一嘈杂的实验室， 说话者位于阵列的正前方， 离阵列 中心的距离为 "G，阵元间距为 %.%!G，录音数据的采样率为 "F5H=。 麦克风阵元接收到的信号、 图 7 比较了参考信号、 *+ 波束 形成器的输出、 后置维纳波的 :+@ 的输出的时域 :+@ 的输出、 波形及信噪比（ 的比较。由图 7 可知， 由于各麦克风阵元增 >I）
为了进一步消除 *+ 波束器增强之后的语音中的非相干 /0123452 提出了在波束形成器后置维纳滤波的结构678， 如 噪声， 图 "（ 所示。 9） 假设各通道接收到的信号和噪声不相关， 且各通道接收到 的噪声具有相同的统计特性， 后置维纳滤波器的噪声消除性能 为6!8： !"01 （ !） ) "&#（ !） % & %（ $（ !） &# !）
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引言
对于有些语音应用而言， 如视频会议、 车载免提电话等， 由
&3 波束形成器（ 增强、 基于自适应波束形成器的语音增强、 或 自适应波束形成器） 结合维纳后滤波的语音增强等， 这几种方 法实现简单， 也是其他麦克风阵列语音增强算法的基础。
于说话者到麦克风有一定的距离， 麦克风接收到的语音信号受 到环境噪声和干扰的影响很大， 严重影响了通话质量， 一般的 基于单麦克风的语音增强系统难以获得较好的增强效果。 麦克 风阵列由于利用了目标信号、 噪声和干扰的空间信息， 基于麦 克风阵列的语音增强系统能提供更好的增强效果。 国外对于麦 克风阵列语音增强的研究已有二十多年的历史， 取得了很多研 而国内类似的研究很少。 本文首先介绍了各种基本的 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ成果#"$， 麦克风阵列语音增强算法， 对其消噪性能进行了分析， 并以实 测数据进行了测试； 并介绍了基于稳健波束形成器、 近场超定 向波束形成器、 广义奇异值分解和传输函数广义旁瓣相消器等 结构的麦克风阵列语音增强的基本原理， 总结了各种算法特点 及其所适用的声学环境特性。
从以上分析可知， 基于的 *+ 波束形成器的麦克风阵列语 音增强结构， 对非相干噪声的消除能力十分有限， 对相干噪声 基本没有消除能力。此外， *+ 波束形成器对目标 *,- 估计误 差（ 或各通道的时延估计误差） 很敏感； 不能在干扰方向置零以 有效地抑制干扰。
$.$ 结合波束形成器和后滤波的麦克风阵列语音 增强
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基于稳健波束形成器的麦克阵列语音增强
在实际应用中，由于各通道目标信号相对时延的估计误 差、 各麦克风阵元增益的不一致性、 应用环境的混响等， 都会影 响基于 %#& 的麦克风阵列语音增强系统的性能。近年来出现 了许多基于稳健波束形成器的麦克风阵列语音增强算法’()， 大多 也基于 %#& 结构。提高基于 %#& 结构的麦克风阵列语音增强 系统的稳健性， 主要包括两类方法： （ (） 对 %#& 非自适应支路中的固定波束形成器加以约束， 以使其在目标 "*+ 估计误差范围内有恒定的增益，而对在此 范围之外的入射信号有很大的衰减； （ 实时对目标信号的 "*+ 进行估计， 或对 %#& 自适应 ,） 支路的阻塞矩阵和自适应部分的系数利用一定的约束， 以减少 系统输出中对目标信号的衰减。 下面以 ’-) 中提出的 &&+./0&+./+1& 结构说明基于稳 健波束形成器的麦克风阵列语音增强的基本原理。该结构框 图如图 ! 所示： 在阻塞矩阵中利用系数约束自适应滤波器
益的不一致性以及实际应用环境的混响， 对阵元数较少的麦克 风阵列， 对于基本的 "# 波束形成器和维纳后滤波技术， 其消 噪性能十分有限。
&2344565378/&2798:;573< +<;=85>3 .5?83:， &&+.）最小化目标信 （ 号的泄漏；为了进一步防止多输入抵消器中对目标信号的消 除， 对其各滤波器的系数进行了范数约束（ 02:@/&2798:;573< 。其中的 +1& （ +<;=85>3 .5?83:9 ， 0&+. ） +<;=85>3 12<3 &27/ 根据目标信号的有无， 交替控制 &&+. 和 0&+. 的系数 8:2??3:） 的更新： 当只有噪声时， 更新 0&+. 部分的系数； 而存在目标信 号时， 更新 &&+. 部分的系数。
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基本的麦克风阵列语音增强的方法
基本的麦克风阵列语音增强的方法主要包括基于延迟%相
加波束形成器（ 的语音 &’()*+,-. /’).012.’2， &3 波束形成器）
基金项目： 国家 CTB 重点基础研究发展规划项目（ 编号： P"CCA@B@D@D）
作者简介： 何成林（ "CTT?） ， 男， 博士生， 主要研究方向： 数字语音信号处理。杜利民（ "CDT?） ， 男， 教授， 研究员， 博士生导师。主要研究方向： 信号处 "CUC?） 理与语音交互技术。马昕（ ， 男， 博士生， 主要研究方向： 语音识别。
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$.7 基于自适应波束形成器的麦克风阵列语音增强
自适应波束形成器各个通道的权系数能随输入信号的统 计特性自适应调整， 基于自适应波束形成器的麦克风阵列语音 增强有多种具体的实现形式，其中基于广义旁瓣相消器 :030;<12=0> +2>01?90 @<3A0110;， :+@） （ 或其类似结构由于结构 简单、 易于实现， 获得了广泛应用。 基于 :+@ 的麦克风阵列语音增强的基本结构如图 $ 所 示， 由非自适应支路和自适应支路组成。上面的非自适应支路 为一固定波束形成器，下面自适应支路中阻塞矩阵 ! 的作用 相当于一空间陷波器： 阻塞从阵列指向方向上来的信号， 而通 过从其他方向上的入射信号。 通过调节自适应部分的系数 "2， !） 实现系统的噪声输出功率最小。其噪声的消除性能如式（ 所示6B8。
! ! ! ! 其中# "（ !） 为噪声场的复相干函数的均值： # "（ !） ) $ （ !） ( $） !!".’")* （ $ ( #( ))% *&)-" 其中 ")* （ 为通道 ) 和通道 * 之间的噪声的复相干函数。 !）
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麦克风阵列语音增强的研究
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其中 $（ 是后置维纳滤波器输入的先验信噪比。 由（ 式 !） 7） 可知， 噪声的相关性越强， 维纳后滤波的消噪性能越差； 相关性 越弱， 消噪越明显。 结合维纳后滤波的语音增强系统能很好地消除非相干噪 声， 对混响有一定的消除； 并且由于后置滤波器的权系数是实 时更新的， 对时变的声学环境有一定的适应性， 但经过后滤波 之后的语音信号有一定的失真。 $ !""#$!! 计算机工程与应用
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基于近场超定向波束形成器的语音增强
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从以上分析可知， 基于的 *+ 波束形成器的麦克风阵列语 音增强结构， 对非相干噪声的消除能力十分有限， 对相干噪声 基本没有消除能力。此外， *+ 波束形成器对目标 *,- 估计误 差（ 或各通道的时延估计误差） 很敏感； 不能在干扰方向置零以 有效地抑制干扰。
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自适应波束形成器各个通道的权系数能随输入信号的统 计特性自适应调整， 基于自适应波束形成器的麦克风阵列语音 增强有多种具体的实现形式，其中基于广义旁瓣相消器 :030;<12=0> +2>01?90 @<3A0110;， :+@） （ 或其类似结构由于结构 简单、 易于实现， 获得了广泛应用。 基于 :+@ 的麦克风阵列语音增强的基本结构如图 $ 所 示， 由非自适应支路和自适应支路组成。上面的非自适应支路 为一固定波束形成器，下面自适应支路中阻塞矩阵 ! 的作用 相当于一空间陷波器： 阻塞从阵列指向方向上来的信号， 而通 过从其他方向上的入射信号。 通过调节自适应部分的系数 "2， !） 实现系统的噪声输出功率最小。其噪声的消除性能如式（ 所示6B8。
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