[发明专利]基于阵列虚拟扩展的麦克风阵列空域滤波方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种语音信号的空域滤波方法，可以降低空间噪声和其它话音干扰的影响，进而增强有用语音信号的信噪比，可用于通信、雷达和声呐等宽带信号的空域滤波等领域。

背景技术

在语音信号处理中，麦克风阵列作为提高语音质量的关键设备，主要用于噪声抑制、回声消除以及语音信号选择等语音信号增强方面，同时也用于声源的方位确定和空间位置估计。麦克风阵列由于具有空间选择性，因而可以通过空域处理来提高语音获取和处理的性能。然而由于语音信号的特殊性，也给基于麦克风阵列的语音信号处理带来了困难和挑战。对于麦克风阵列处理，由于语音信号基本占据了所有处理频带(0～8KHz)，对于给定的麦克风阵列配置来说，阵元数和阵元间隔是确定的，对于高频段的语音分量，一般具有较好的处理效果，然而对于低频分量，由于信号波长趋于无穷大，因此相应的阵列处理性能将随着频率分量所处频带的降低而性能将急剧下降。

基于麦克风阵列的语音增强技术，决定其处理效果的核心是自适应波束形成器的实现，这是由语音信号的宽带特征所决定的。基于传统麦克风阵列处理的空域滤波很难获得理想的语音增强效果，这是因为低频段的主瓣波束很宽，几乎没有任何抑制空间噪声和回声效果。针对麦克风阵列语音增强处理的特殊需求，有必要提出可以改善空域滤波性能的方法，以改善基于麦克风阵列处理的噪声、干扰和回声的抑制性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于麦克风阵列语音增强的空域滤波方法，解决麦克风阵列空域滤波时的全频段一致性，以提高麦克风阵列的空域滤波性能及语音增强性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

基于阵列虚拟扩展的麦克风阵列空域滤波方法，包括以下步骤：

步骤1、获取频域分段麦克风阵列数据；

对麦克风阵列的采样数据进行分段，并对每个通道的每一子段都分别进行离散傅里叶变换，得到频域分段麦克风阵列数据；

步骤2、计算语音信号处理的频率单元序列；

根据阵列数据的采样频率和子段数据长度计算麦克风阵列处理频段中对应的频率单元矢量，去掉零频率后得到语音信号处理的频率单元序列；

步骤3、组成与频率单元序列对应的频域麦克风阵列数据；

针对每一个频率单元，从频域分段麦克风阵列数据的每一子段数据中抽取对应的列数据，组成与频率单元序列对应的频域麦克风阵列数据

步骤4、构造目标语音信号的阵列导向矩阵A及虚拟扩展阵列导向矩阵

步骤5、根据目标语音信号的阵列导向矩阵A和虚拟扩展阵列导向矩阵估计阵列虚拟扩展矩阵P；

步骤6、根据阵列虚拟扩展矩阵P，对频率单元序列对应的频域麦克风阵列数据进行虚拟扩展变换，得到虚拟扩展阵列对应的阵列数据

步骤7、对虚拟扩展阵列对应的阵列数据进行稳健自适应波束形成，得到虚拟扩展阵列输出；

步骤7-1、根据虚拟扩展阵列对应的阵列数据估计样本协方差矩阵式中的Nseg为数据分段数；

步骤7-2、构造线性约束最小功率波束形成器的约束矩阵C和约束值矢量f；

步骤7-3、估计稳健LCMP波束形成器的加权矢量w；

其中，μ为加载电平，I为单位矩阵；

步骤7-4、根据加权矢量对虚拟扩展阵列对应的阵列数据进行加权处理，得虚拟扩展阵列输出

步骤8、将虚拟扩展阵列输出按照频域分段麦克风阵列的数据格式进行组合，得到频域分段麦克风阵列输出数据；

步骤9、对频域分段麦克风阵列输出数据的每一子段数据进行逆傅里叶变换，得到时域分段阵列处理语音信号；

步骤10、进行输出语音信号合成，将时域分段阵列处理语音信号中相邻子段数据重叠部分进行平均，得到最终的麦克风阵列输出语音信号。

更进一步的，所述步骤5中，当目标语音信号数量大于阵元数N时，根据下式估计阵列虚拟扩展矩阵P：

当目标语音信号数量小于阵元数N时，根据如下步骤估计阵列虚拟扩展矩阵P：

构造矩阵并对矩阵G进行奇异值分解：G＝UΣV^H，其中，U和V分别为以G的左右奇异矢量形成的N×N维和(N+ΔN)×(N+ΔN)维的酉矩阵，Σ为N×(N+ΔN)维的奇异特征值矩阵，ΔN为虚拟扩展的阵元个数；