[发明专利]基于圆形麦克风阵列波束形成的回声抵消设计方法

说明书

本发明提出一种基于圆形麦克风阵列波束形成的回声抵消设计方法，主要解决现有技术无法精确增益信号源和抑制噪声源的问题。其实现过程是：（1）根据自适应滤波器得到房间的声场冲激响应；（2）扬声器播放校准音，设计对应的导向矢量，使圆形麦克风阵列识别到干扰源方向；（3）根据所得导向矢量设计空域滤波器的权系数，加权得到圆形麦克风阵列的最优方向图；（4）时域上采用闭环结构的子带自适应滤波器滤波，抵消扬声器的回音信号。本方法结合了空域波束形成与时域自适应子带滤波方法，设计得到回声抵消效果显著，提高了语音信号质量和回声消除速度。

技术领域

本发明属于语音信号处理技术领域，具体涉及一种基于圆形麦克风阵列波束形成的回声抵消设计方法，用于精确增益信号源和抑制噪声源方向的信号。

背景技术

麦克风阵列信号处理是一种新兴的技术，现已成为语音信号处理领域的一个研究热点。单麦克风接收的信号，是由多个声源和环境噪声叠加的，很难实现各个声源的分离，这样就无法实现声源定位和分离。为了解决单麦克风的这些局限性，利用麦克风阵列进行语音处理的方法应时而生。麦克风阵列由一组按一定几何结构(常用线形、环形)摆放的麦克风组成，对采集的不同空间方向的声音信号进行空时处理，实现噪声抑制、混响去除、人声干扰抑制、声源测向、声源跟踪、阵列增益等功能，进而提高语音信号处理质量，以提高真实环境下的语音识别率。因此，研究基于麦克风阵列的回声抵消，具有重要的意义。

目前，对于麦克风阵列回声抵消的研究，主要集中于时域自适应滤波的方法改进。例如，最小均方误差LMS算法或递归最小二乘算法，后者旨在期望响应与滤波器输出之间的平方和最小。当在每次迭代中接受到输入信号的新的采样值时，采用递归形式求解最小二乘问题，使自适应滤波器的系数得到更新，期望响应与滤波器输出在最小二乘意义上最匹配。LMS滤波是一种瞬时分析方法，即在每个时刻对所有以输入信号，都要重新评估平方和，并通过调整权矢量使其达到最小。但是这种方法的性能受到输入信号影响，LMS滤波器会遇到梯度噪声放大的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述已有方法的缺点，提出一种基于圆形麦克风阵列波束形成的回声抵消设计方法，用于精确增益信号源和抑制噪声源方向的信号。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于圆形麦克风阵列波束形成的回声抵消设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)根据自适应滤波器的原理，采用基于射线模型的IMAGE方法估计出房间的声场冲激响应，也就是扬声器到麦克风阵列间的空间回声路径，为后续的回声抵消提供待消除的扬声器干扰信号；

(2)扬声器播放校准音，圆形麦克风阵列根据TDOA基于时延的波达角估计方法，使圆形麦克风阵列识别到扬声器干扰源方向；

(3)根据TDOA基于时延的波达角估计方法识别到讲话人的方位，利用扬声器干扰和讲话人的方位信息，得到阵列导向矢量，然后根据导向矢量设计空域滤波器的权系数，加权得到圆形麦克风阵列的空域最优方向图，使阵列的主瓣方向指向讲话人，而扬声器干扰方向位于阵列低旁瓣，空域滤波的目的是使麦克风阵列采集讲话人的语音信号，增益信号源的同时抑制干扰源方向的信号；

(4)空域滤波切断了扬声器与麦克风阵列的声学回路，剩余的残留回声信号由时域进行处理，由于语音信号是宽带信号，所以时域上采用闭环结构的子带自适应滤波器滤波，抵消扬声器的残留回声信号。

进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程是：如果用线性时不变系统来描述房间声场信道模型，声源信号为s(t)，因此麦克风阵列接收信号x(t)可以表示为s(t)与声场信道冲激响应h(t)的卷积形式，即：

x(t)＝s(t)*h(t)+n(t) (1)