[发明专利]一种麦克风阵列及实现语音信号增强的方法

说明书

技术领域

本发明涉及阵列信号处理系统，特别涉及一种麦克风阵列及实现语音信 号增强的方法。

背景技术

阵列信号处理是信号处理领域内的一个重要分支，在通信、雷达等众多 领域有着广泛的应用。阵列信号处理是将多个传感器设置在空间的不同位置 组成传感器阵列，并利用这一阵列对空间信号进行接收(多点并行采样)和 处理，目的是提取阵列所接收的信号及特征信息(参数)，同时抑制干扰和噪 声或其他不感兴趣的信息。在语音信号的接收过程中，不可避免会受到外界 环境噪声和其他说话人的干扰。针对这种情况，通常可以采用麦克风阵列来 增强语音、去除背景噪声以改善系统性能。

均匀线阵是最普遍的一种阵列模型，利用它可以对信号的来波方向进行 估计，然后利用波束形成技术，在有用信号方向形成波束并在干扰方向形成 零陷，如此就达到了增强有用信号的目的。

然而，线阵所存在的边射问题一直是该阵列结构不可克服的缺陷。图1 所示为传统的均匀线阵结构的麦克风阵列，它的接收范围仅在30°到150° 方向左右，对于信号可以从全向方向入射的情况，线阵接收受范围有限的这 种缺陷显然极大地限制了它的应用范围。

线阵的另一个缺陷是其对频率非常敏感。利用线阵做波束形成时要求入 射信号是窄带信号，即信号的相对带宽很窄，也就是说信号的绝对带宽与信 号的中心频率之比很小，一般不超过1％。然而语音信号的频率范围大约为 300Hz至3400Hz，其中心频率大约是1850Hz，故相对带宽为(3400-300)/1850 ＝1.67，因此语音信号是一种典型的相对带宽很宽的信号。当利用线阵对一窄 带信号在非垂直入射的方向上形成音束时，该音束的方向会因信号频率的变 化而急剧地发生偏转，从而不能有效提取期望方向的信号。显然，均匀线阵 的这种缺陷极大的影响了它在语音信号处理方面的应用。为了能够让均匀线 阵对宽带的语音信号进行处理，则必须使用某种算法将宽带信号“切分”成 若干窄带信号，再对各个窄带信号做相应的加权处理。“切分”宽带信号的方 法是本领域技术人员公知的方法，例如可以采用离散傅里叶变换(DFT)、离 散小波变换(DWT)或滤波器组。然而这种方法会使得运算量成倍增加。例如， 设采用N维DFT变换，则共有N个子带，每个子带需要一组权系数，从而共 需要计算出N组权系数。这样，仅计算权系数这一步骤就比处理窄带信号时 的运算量大了N倍。如果考虑对宽带信号的“切分”以及处理完毕子带信号 后的“合并”等步骤，运算量将更大。显然，“切分频带”的做法对实时性带 来很大的限制。例如专利200510055432.3中利用麦克风阵列降低噪声时就采 用了前述“切分”的方法，具有非常大的运算量。

发明内容

针对上述均匀线阵对方向性敏感以及频率切分方法运算量大的问题，本 发明提供了一种基于中心对称的圆形天线阵列及其相应的语音增强方法。基 于圆形天线阵列所具有的对称特性，该系统达到了对方向性不敏感且对频率 不敏感的效果，解决了用均匀线阵处理宽带信号时运算量大的问题，从而也 为对用麦克风阵列进行语音增强提供了有效且便捷的方法。

为实现以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种麦克风阵列，包括多个具有相同单元方向因子的阵元，其特征在于， 所述阵元均匀径向地向外排列在一个半径为R的圆周上构成2π弧度范围的 信号接收处理的圆形阵列，该圆形阵列的圆心与相邻两个阵元连线的夹角为 2π/N弧度，N是阵元的总数目，其取值范围为3至500。

另一种麦克风阵列，包括多个具有相同单元方向因子的阵元，其特征在 于，所述阵元均匀径向地向外排列在一个半径为R、圆心角为φ的一段圆弧 上构成φ弧度范围信号接收处理的的部分圆形阵列，该部分圆形阵列的圆心 与相邻两个阵元连线的夹角为2π/N弧度，N是阵元的总数目，其取值范围为 2至500。

上述方案中，所述φ为π/18至27π/18。

一种用上述麦克风阵列实现语音信号增强的方法，包括下述步骤：