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麦克风阵列语音增强的若干方法研究

王冬霞  
【摘要】: 在车载系统、电话会议与多媒体会议等语音处理系统中,由于受到混响、背景噪声及干扰等因素的影响,麦克风拾取的信号通常为带噪的语音信号。这样,不仅影响语音的可懂度,而且影响语音处理系统的整体性能。因此,需要进行有效的噪声抑制,以增强语音信号的质量。 通常情况下,单麦克风语音增强方法具有良好的噪声抑制性能,但在复杂的声学环境下,其噪声抑制性能急剧退化。麦克风阵列具有空间选择特性与高信号增益特性,因而成为非手持式智能语音处理系统中捕捉说话人语音的重要手段。近年来,基于麦克风阵列的语音增强方法已经逐渐成为语音增强技术的研究热点。 本文以阵列处理和自适应处理作为信号处理的主要工具,以全带波束形成与子带波束形成、远场波束形成与近场波束形成、传统波束形成与盲波束形成等几个方面为主线,对麦克风阵列语音增强方法进行深入研究。此外,本文还从理论上分析了麦克风阵列拓扑结构对麦克风阵列语音增强系统性能的影响。 本文的主要研究成果包括: (1)全带波束形成与单通道语音增强相结合方法研究。考虑到空时滤波和谱减法的各自优势,提出一种联合波束形成与谱减法的麦克风阵列语音增强方法。该方法采用子阵代替单个麦克风组成嵌套麦克风阵列,提高了阵列的空间滤波能力;采用谱减法对波束形成输出端的残留噪声进行抑制,进一步提高了语音信号质量。仿真实验结果表明,该方法具有良好的噪声抑制性能。 (2)基于子带自适应波束形成的麦克风阵列语音增强方法研究。考虑到全带自适应波束形成具有较慢的收敛速度和较高的计算复杂度,本文提出一种基于过采样余弦调制滤波器组的子带自适应波束形成语音增强方法。该方法针对其在噪声与混响环境下存在的语音信号抵消现象,采用归一化泄漏LMS算法产生噪声参考信号,并用子带平均相干函数来约束子带自适应波束形成器系数的更新过程;同时,采用改进的后置滤波器抑制残留噪声。仿真实验结果表明,子带自适应波束形成麦克风阵列语音增强方法改善了自适应波束形成的收敛速度,且具有较好的噪声抑制效果。 (3)基于近场波束形成的麦克风阵列语音增强方法研究。当声源位于阵列近场时,阵列所有的入射波为球面波而非平面波,此时如果采用远场波束形成方法来增强近场语音信号,那么麦克风阵列语音增强系统的性能就会下降。为此,本文利用近场球面波的波前弯曲率,提出了基于近场固定波束形成器和近场优化波束形成器的两种近场波束形成麦克风阵列语音增强方法。实验结果表明,近场波束形成语音增强方法改善了近场声学环境下的语音信号质量。 (4)基于盲波束形成的麦克风阵列语音增强方法研究。大多数麦克风阵列语音增强方法以传统波束形成方法为基础,需要期望语音信号波达方向与阵列几何结构等先验知识。但在实际复杂的声学环境下,波达方向的准确估计具有一定困难。为此,本文分别提出了基于高阶累积量和基于盲源分离的两种盲波束形成麦克风阵列语音增强方法。仿真结果表明,在语音信号波达方向未知的情况下,盲波束形成麦克风阵列语音增强方法具有较好的噪声抑制能力。 (5)阵列拓扑结构对麦克风阵列语音增强系统性能影响的研究。根据阵列信号处理理论,麦克风空间摆放对麦克风阵列语音增强性能具有一定的影响。与语音增强算法本身相比,有关麦克风阵列拓扑结构方面的研究相对较少。因此,本文以阵列波束形成性能、阵列输出信噪比和时延估计性能(即时延估计Cramér-Rao界限)作为衡量麦克风阵列系统性能的三个方面,从理论上推导了麦克风阵列空间摆放对上述麦克风阵列系统性能的影响。并针对麦克风阵列语音增强中常见的麦克风阵列拓扑结构,进行仿真实验,验证了理论分析的结论。


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