麥克風(fēng)算法仿真及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建_V1

1、麥克風(fēng)算法仿真及平臺(tái)搭建1. 基礎(chǔ)知識(shí)1.1陣列信號(hào)系統(tǒng)模型123M-1Mdddsind圖1.1：麥克風(fēng)等間距線陣示意圖我們考慮等間距擺放的麥克風(fēng)線性陣列，其示意圖見圖1.1?？紤]到語音信號(hào)為寬帶信號(hào)，我們?cè)谡瓗盘?hào)模型的基礎(chǔ)上，引出寬帶信號(hào)模型。1.1.1窄帶信號(hào)模型在信號(hào)處理中，窄帶信號(hào)與寬帶信號(hào)是相對(duì)而言的。設(shè)信號(hào)的帶寬為，中心頻率為，若信號(hào)滿足相對(duì)帶寬條件，即：，一般取 則信號(hào)為窄帶信號(hào)，反之為寬帶信號(hào)。其中定義為 定義為 式中為的頻譜。中心頻率為的窄帶信號(hào)，其實(shí)數(shù)形式的表達(dá)式為： 為了推導(dǎo)方便寫成復(fù)數(shù)形式，即 式中，為基帶信號(hào)，其最高頻率遠(yuǎn)小于正弦信號(hào)的頻率，為載波信號(hào)，其中是正弦信

2、號(hào)的初相位，假定為一個(gè)常數(shù)。 為了簡(jiǎn)化模型，通常我們做如下假設(shè)：(1)麥克風(fēng)陣列位于信號(hào)源的遠(yuǎn)場(chǎng)，則接收到的信號(hào)為平面波；(2)傳輸介質(zhì)是無損的、線性的、非擴(kuò)散性的、均勻的且各向同性；(3)麥克風(fēng)的孔徑遠(yuǎn)小于入射波的波長(zhǎng)，而且麥克風(fēng)無指向性，可近似認(rèn)為麥克風(fēng)是點(diǎn)元；(4)麥克風(fēng)陣列的間距遠(yuǎn)大于麥克風(fēng)孔徑，各麥克風(fēng)之間的相互影響可以忽略不計(jì)?，F(xiàn)在考慮當(dāng)信號(hào)源為單個(gè)窄帶信號(hào)時(shí)，對(duì)于間距為的均勻線陣（如圖1.1），窄帶信號(hào)的入射角度為，麥克風(fēng)數(shù)為個(gè)，聲速為。由于信號(hào)到達(dá)各個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)間不同，第個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)為 為信號(hào)到達(dá)第個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)其到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間延遲，為加性噪聲。由式(6)可知，信號(hào)

3、到達(dá)第個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)于到達(dá)參考麥克風(fēng)只發(fā)生了一個(gè)相移，則式(6)可變?yōu)椋?將麥克風(fēng)接收到的信號(hào)寫成維的向量形式，則麥克風(fēng)輸出為： 設(shè)為方向矢量，則 對(duì)于D個(gè)窄帶入射信號(hào)，設(shè)入射角為，則方向矢量為 則麥克風(fēng)輸出可表示為： 其中，為個(gè)窄帶入射信號(hào)。為麥克風(fēng)接收到的信號(hào)。為加性噪聲向量。1.1.2寬帶信號(hào)模型根據(jù)陣列信號(hào)處理理論，如果用窄帶波束形成方法來處理寬帶語音信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變，且信號(hào)的帶寬越大，畸變?cè)絿?yán)重。因此，需要用寬帶波束形成方法來進(jìn)行語音增強(qiáng)。假定寬帶信號(hào)是由個(gè)窄帶信號(hào)疊加而成，即 式中是以為中心頻率的窄帶信號(hào)。假設(shè)收到的為單個(gè)寬帶信源，對(duì)于由個(gè)麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列，其輸出為 式中，其

4、中為寬帶信號(hào)到達(dá)第個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)其到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間延遲。當(dāng)有個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，分別來自方向，則第麥克風(fēng)陣列輸出為 式中，是第個(gè)信號(hào)到達(dá)第個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)其到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間延遲，為加性噪聲。對(duì)式（14）進(jìn)行傅里葉變換，得到 令表示個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)寬帶信號(hào)的傅里葉變換，表示加性噪聲信號(hào)的傅里葉變換，表示個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的方向矢量。則麥克風(fēng)陣列輸出寬帶頻域模型的矩陣形式表示為： 1.2噪聲場(chǎng)在麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)中，噪聲來源取決于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，噪聲場(chǎng)是一個(gè)很重要的概念，不同的方法可能適用于不同類型的噪聲場(chǎng)。語音信號(hào)在封閉環(huán)境傳輸時(shí)，由于反射、衍射的影響，會(huì)使麥克風(fēng)陣列接收的語音來自多個(gè)路徑，這種現(xiàn)象稱為混響?；祉憣?duì)語音

5、的影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面：首先，混響使語音信號(hào)產(chǎn)生失真；其次，混響改變了噪聲場(chǎng)的空間特性?；祉憣?duì)噪聲場(chǎng)空間特性的改變體現(xiàn)為，單一的噪聲源被擴(kuò)展為多個(gè)不同方位的鏡像源，噪聲空間接近于散射噪聲場(chǎng)。這一特性借助模平方相干函數(shù)來界定。設(shè)位于和的兩麥克風(fēng)接收到的噪聲分別為和，相應(yīng)的自功率譜及互功率譜分別、和。于是，定義噪聲的空時(shí)域模平方相干函數(shù)為 根據(jù)的值把噪聲場(chǎng)分為相干噪聲場(chǎng)、非相干噪聲場(chǎng)和散射噪聲場(chǎng)。（1）相干噪聲場(chǎng)相干噪聲場(chǎng)是指噪聲信號(hào)直接從噪聲源傳播到麥克風(fēng)陣列，而沒有經(jīng)過任何因傳播環(huán)境而產(chǎn)生的反射、散射和耗散。在相干噪聲場(chǎng)中，陣列中的不同麥克風(fēng)接收到的噪聲信號(hào)具有強(qiáng)相干性，即。在實(shí)際環(huán)境中，相干噪

6、聲場(chǎng)存在于開放的空氣環(huán)境中，在這種環(huán)境的周圍沒有主要的障礙物影響聲音傳播，而熱湍流的影響也很小。（2）非相干噪聲場(chǎng)非相干噪聲場(chǎng)是指在給定的空間位置的噪聲信號(hào)與其它所有位置的噪聲信號(hào)都不相關(guān)，也就是說。這樣理想的非相干噪聲場(chǎng)在實(shí)際環(huán)境中不存在。而在麥克風(fēng)陣列應(yīng)用中，麥克風(fēng)陣列中的電學(xué)噪聲通常被認(rèn)為是一種非相干噪聲。非相干噪聲也被叫做空間白噪聲。（3）散射噪聲場(chǎng)在散射噪聲場(chǎng)，相同能量的噪聲信號(hào)在各個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行傳播。因此，散射噪聲場(chǎng)中的麥克風(fēng)接收到的噪聲信號(hào)是弱相關(guān)的，并且具有近似相同的能量。許多實(shí)際的噪聲環(huán)境都可以被看作是散射噪聲場(chǎng)。在散射噪聲場(chǎng)中，任何兩點(diǎn)的噪聲信號(hào)之間的相干性可以用麥克風(fēng)之間

7、的距離函數(shù)來表示 式(18)中是麥克風(fēng)和之間的距離。2.語音增強(qiáng)算法分析及仿真語音增強(qiáng)技術(shù)是信號(hào)處理領(lǐng)域中的主要研究?jī)?nèi)容, 在現(xiàn)代多媒體通信體技術(shù)以及人工智能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。語音增強(qiáng)方法自提出至今，經(jīng)歷了單麥克風(fēng)語音增強(qiáng)技術(shù)到陣列語音增強(qiáng)技術(shù)的轉(zhuǎn)化，因?yàn)辂溈孙L(fēng)陣列語音處理技術(shù)采用“電子瞄準(zhǔn)”的方法,可以從聲源位置獲取較高品質(zhì)的語音因而得到廣泛應(yīng)用。其中波束形成是麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)的典型算法，它主要分為三類4：固定波束形成、后置濾波波束形成和自適應(yīng)波束形成。固定波束形成語音增強(qiáng)由于采用的濾波器的權(quán)值固定不變，因而方法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量低，容易實(shí)現(xiàn),能夠抑制背景噪聲，但是不具備自適應(yīng)抑制強(qiáng)干擾的能力。因

8、此對(duì)于可變?cè)肼晥?chǎng)效果一般。后置濾波語音增強(qiáng)方法可以用來去除非相干噪聲，但在相干噪聲場(chǎng)情況下性能退化，甚至不能應(yīng)用。自適應(yīng)波束形成方法, 例如 Frost提出的線性約束自適應(yīng)波束形成法5, 是在某種約束條件下,使輸出信號(hào)能量達(dá)到最小。這是用優(yōu)化手段實(shí)現(xiàn)語音增強(qiáng)的一種方法, 這種算法在相干噪聲場(chǎng)情況下，可以得到較高的信噪比改善,但在弱相干噪聲場(chǎng)或在散射噪聲場(chǎng)中，性能甚至不如傳統(tǒng)的固定波束形成方法。2.1固定波束形成固定波束形成方法是麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)算法中最簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的一種方法，也是最經(jīng)典的麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)的算法之一。固定波束形成的含義是，是其波束形成器的權(quán)值固定不變，與麥克風(fēng)陣列的接收信號(hào)無

9、關(guān)。固定波束形成算法通過延時(shí)控制來補(bǔ)償從聲源到每個(gè)麥克風(fēng)的延時(shí)，對(duì)每個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)進(jìn)行延遲補(bǔ)償，然后使麥克風(fēng)陣列波束指向有最大輸出功率的方向，即波束對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)空間位置的聲源信號(hào)，其原理如圖2.1所示。圖2.1 固定波束形成原理圖該固定波束形成器是典型的延遲-求和波束形成器，它包含三個(gè)部分：時(shí)延估計(jì)部分，時(shí)延補(bǔ)償部分和加權(quán)求和部分。通過麥克風(fēng)接收到的數(shù)據(jù)來估計(jì)各個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)延，然后通過時(shí)延補(bǔ)償使麥克風(fēng)信號(hào)同步，再加權(quán)相加得到波束形成器的輸出。設(shè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)為，權(quán)系數(shù)為，則延遲-求和波束形成輸出為： 其中為麥克風(fēng)的數(shù)目，表示由時(shí)延估計(jì)得到的時(shí)延。若轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式時(shí)延為，其中為采樣頻率。該

10、方法適合用來消除非相干噪聲或者弱相干噪聲，對(duì)于相干噪聲幾乎沒有消噪能力。如果用來消除非相干噪聲或弱相干噪聲，它的消噪能力主要取決于麥克風(fēng)的數(shù)目，麥克風(fēng)的數(shù)目越多，去噪效果越明顯。因此，該方法獲得去噪效果是以增加麥克風(fēng)數(shù)目為代價(jià)的，在實(shí)際中較少單獨(dú)使用。2.2后置濾波波束形成后置濾波可以用來去除聲學(xué)環(huán)境中的非相干噪聲，人們提出將波束形成器的輸出信號(hào)通過后置濾波器以進(jìn)一步提高輸出信號(hào)信噪比。1977年Allen利用波束形成的方向性增益和維納濾波器對(duì)非相干噪聲抑制能力，提出將后置濾波用于語音增強(qiáng)。1988年Zelinski將其擴(kuò)展到麥克風(fēng)陣列中，對(duì)延時(shí)求和波束形成的輸出端使用自適應(yīng)維納濾波器，從而提

11、出基于后置濾波的麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)方法，進(jìn)一步改善了噪聲抑制能力。鑒于實(shí)際聲學(xué)環(huán)境下噪聲類型和噪聲場(chǎng)的復(fù)雜性，許多學(xué)者將性能互補(bǔ)的方法相結(jié)合，以改善語音增強(qiáng)方法的噪聲抑制能力。1996年，F(xiàn)ischer和Simmer提出了GSC與Wiener濾波相結(jié)合的頻域麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)方法 ，以抑制聲學(xué)環(huán)境中的相干和非相干噪聲。2003年Gannot和Cohen提出了基于傳遞函數(shù)GSC和后置濾波的頻域麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)方法78，以去除噪聲場(chǎng)中可能存在的相干噪聲、非相干噪聲及非平穩(wěn)噪聲。下面具體介紹一下基本后置濾波算法的原理。后置維納濾波是后置濾波和波束形成技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。濾波求和波束形成器的輸出由維納

12、濾波器進(jìn)行后置濾波處理，其目的是進(jìn)一步減少己經(jīng)由固定波束形成器去除不相干的噪聲后的殘余噪聲成分。經(jīng)典的后置濾波方法是R.Zelinski在1988年提出，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2 后置自適應(yīng)濾波系統(tǒng)框圖其中，固定波束形成器累加之前每個(gè)通道的輸出為： 因此，固定波束形成器的輸出為 其中M為麥克風(fēng)的數(shù)目。信號(hào)經(jīng)過固定波束形成器后，進(jìn)行維納濾波的后置處理。維納濾波方法就是按照最小均方誤差的準(zhǔn)則對(duì)期望信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，即選取的估計(jì)值，使均方誤差如式（22）最小。 也即要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，當(dāng)輸入為時(shí)（），濾波器輸出： 滿足式（22）。 根據(jù)正交性原理對(duì)求關(guān)于h(t)的梯度，并使其為零，可得正交性

13、原理，最佳必須滿足對(duì)所有k有下式成立： 將式（23）代入式（24），并對(duì)式子兩邊取傅里葉變換，得到我們常說的維納-霍夫方程 式中為的功率譜密度，為與的互功率譜密度。由于和不相關(guān)，即，則可得 于是，式（25）變?yōu)?式（28）即為維納濾波器。 采用維納濾波最大的好處是增強(qiáng)后的殘留噪聲類似于白噪聲，而不是有節(jié)奏起伏的音樂噪聲。但是維納濾波只是在平穩(wěn)條件下才能保證在最小均方誤差意義下的最優(yōu)估計(jì)。而語音是非平穩(wěn)的，只在短時(shí)間內(nèi)近似平穩(wěn)，實(shí)際環(huán)境中的噪聲也是非平穩(wěn)的，這是維納濾波的缺陷所在。由于維納濾波器可以實(shí)現(xiàn)理論上的最優(yōu)濾波，因此，如果把波束形成方法與維納濾波相結(jié)合，可以進(jìn)一步減少固定波束形成器去除不

14、相干噪聲后殘留的噪聲成分，使得處理的效果得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。圖2.2為具有后置濾波的語音增強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)首先對(duì)各個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償，并進(jìn)行了FFT變換；隨后計(jì)算接收信號(hào)的自功率譜和互功率譜，由這些短時(shí)功率譜可以得到自適應(yīng)維納濾波系數(shù)；最后將相加平均后的信號(hào)輸入到維納濾波器中，從而得到所求語音信號(hào)的估計(jì)值。這種算法要求假定麥克風(fēng)陣列的間距比較大，同時(shí)要求所求語音信號(hào)源于麥克風(fēng)的距離不小于各噪聲源與麥克風(fēng)的距離，這時(shí)可認(rèn)為語音和噪聲，各通道噪聲之間是彼此不相干的。每個(gè)通道的信號(hào)經(jīng)過延時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償后的信號(hào)為 即該信號(hào)包括所期望的有用信號(hào)和噪聲信號(hào)。為后置濾波的傳遞函數(shù)，其最

15、優(yōu)解可以表示為 其中，是所期望的有用信號(hào)的自功率譜密度，是噪聲信號(hào)的自功率譜密度。對(duì)于隨機(jī)過程來說，由于功率譜和相關(guān)函數(shù)互為傅里葉變換對(duì)，于是通過計(jì)算，我們有第和第聲道上信號(hào)的自功率譜和互功率譜密度分別如下： 假定：1. 信號(hào)與噪聲是不相關(guān)的（即）；2. 每個(gè)麥克風(fēng)上的噪聲信號(hào)是不相關(guān)的（）；3. 所有麥克風(fēng)上的噪聲信號(hào)有著相同的功率譜（）。那么式子（13）和式（14）可簡(jiǎn)化為： 將式（33）、（34）代入式（30）中，則可以得到后置濾波的傳遞函數(shù)。通過對(duì)所有麥克風(fēng)組合的譜密度估計(jì)進(jìn)行平均，就可以得到更加準(zhǔn)確的估計(jì)值： 其中表示取實(shí)部的運(yùn)算符，由于實(shí)際上代表期望信號(hào)的自功率譜，所以它應(yīng)該是一個(gè)

16、實(shí)數(shù)值。因此取的實(shí)部，以減少估計(jì)誤差。另外對(duì)于隨機(jī)過程來說，由于功率譜和相關(guān)函數(shù)互為傅里葉變換對(duì)，所以有，。后置維納濾波算法需要假定陣列中麥克風(fēng)間的距離比較大，同時(shí)要求所求語音信號(hào)源與麥克風(fēng)的距離小于各噪聲源與麥克風(fēng)的距離，這時(shí)可以認(rèn)為語音和噪聲、各通道噪聲之間彼此是不相干的。后置維納濾波算法的性能與噪聲的相干場(chǎng)有關(guān)，對(duì)于相干噪聲場(chǎng)，后置維納濾波器幾乎沒有消噪能力，而對(duì)于非相干場(chǎng)則效果明顯。2.3自適應(yīng)波束形成：線性約束最小方差波束形成算法線性約束最小方差(linearly constrained minimum variance, LCMV)波束形成算法可以實(shí)時(shí)地對(duì)所求信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)又可

17、有效抑制噪聲干擾。這種算法對(duì)寬帶麥克風(fēng)陣列處理系統(tǒng)的濾波系數(shù)不斷進(jìn)行迭代更新，在保持期望信號(hào)方向上的頻響不變的條件下，使輸出的噪聲功率達(dá)到最小。該算法實(shí)質(zhì)上是一種帶約束的LMS算法。這種算法需要知道所求語音信號(hào)的方向，并對(duì)其事先設(shè)定一個(gè)固定的頻響。在陣列作完時(shí)間延遲補(bǔ)償后，對(duì)于所求信號(hào)而言，各麥克風(fēng)在對(duì)應(yīng)延遲線上的波形是完全相同的，其總的處理效果相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的階數(shù)為K的濾波器，其系數(shù)等于對(duì)應(yīng)M個(gè)延遲抽頭系數(shù)之和。所以，這MK個(gè)系數(shù)的選擇，應(yīng)當(dāng)滿足事先給定的濾波系數(shù)值，即需要滿足K個(gè)線性約束等式。這K個(gè)約束同時(shí)也將所求信號(hào)的功率輸出保持在一定量值上。這樣，對(duì)于這些系數(shù)的選擇，自由度還有MK-K

18、，它們用來使輸出總功率最小。由于事先保證了所求信號(hào)的功率，總功率最小也就意味著系統(tǒng)輸出的噪聲功率達(dá)到最小，所以它對(duì)其它方向上的干擾噪聲能夠進(jìn)行有效消除。這種算法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于它具有自糾正功能，不會(huì)由于程序在運(yùn)行過程中的舍入誤差或截取誤差的累積而偏離約束值。該處理系統(tǒng)見圖2.3。圖2.3：LCMV算法-基本寬帶波束形成系統(tǒng)框圖麥克風(fēng)陣列接收信號(hào)為： 其中： 假定所求信號(hào)和干擾噪聲的均值均為0，并且期望方向所求信號(hào)與其它方向上的干擾噪聲互不相關(guān)，即 陣列的輸出 其中為權(quán)系數(shù)向量 進(jìn)而輸出功率可以通過下式來計(jì)算 約束條件要求麥克風(fēng)陣列中延時(shí)相同的抽頭上的權(quán)系數(shù)之和滿足事先給定的濾波系數(shù)，即 這里

19、維向量表示如下 定義約束矩陣 及濾波系數(shù)向量 式(43)中的線性約束條件可以表示為 常見的一種約束形式（即無失真約束）如下 由于陣列注視方向上的頻響由K個(gè)約束完全確定，因此所求信號(hào)的輸出功率也完全確定。這樣，減少非注視方向的干擾噪聲功率等同于要求使全部輸出功率最小，所以這里優(yōu)化問題的目標(biāo)就是使式(43)達(dá)到最小。最后，關(guān)于MK個(gè)權(quán)系數(shù)的求解問題就變?yōu)閹Ъs束的LMS優(yōu)化問題 根據(jù)拉格朗日乘子法可以得到上述優(yōu)化問題的解為 這樣就構(gòu)造出一個(gè)在空間上和頻域上的濾波器。將上式代入式(41)，得到信號(hào)估計(jì)值為 在上述過程中，輸入相關(guān)矩陣假定是已知的，而實(shí)際情況下它只能通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法獲得。如果直接代入自

20、相關(guān)矩陣的估計(jì)值，由于需要求解它的逆矩陣，這就使得運(yùn)算量很大，所以一般利用梯度下降方法來求解帶約束的LMS問題。對(duì)于濾波器的權(quán)系數(shù)向量初始值，首先應(yīng)該滿足約束條件 利用梯度下降法，迭代公式應(yīng)為 其中為拉格朗日乘子，為步長(zhǎng)。新的權(quán)系數(shù)向量仍需滿足約束條件，從而可得 上式右邊最后一項(xiàng)中的因子在理想情況下等于零，但在應(yīng)用中由于存在舍入誤差或截取誤差，這一項(xiàng)實(shí)際上并不等于零。加入該項(xiàng)可以避免誤差累積，使權(quán)系數(shù)向量在迭代后不致偏離優(yōu)化解。令： 實(shí)際迭代中，利用每次輸入信號(hào)向量的外積來作為自相關(guān)矩陣的估計(jì)值。最后該算法歸結(jié)為： 式（57）即為L(zhǎng)CMV算法求解權(quán)矢量的表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)證明，線性約束自適應(yīng)波束形成

21、方法對(duì)于相干噪聲場(chǎng)有比較好的消噪性能，而對(duì)于非相干噪聲場(chǎng)，去除噪聲的效果并不比延遲-求和波束形成的效果好。2.4 仿真驗(yàn)證仿真條件：8單元均勻線陣，陣元間距d=7cm，期望信號(hào)來向38°，干擾信號(hào)（噪聲語音信號(hào)）來向5°，SNR=-3dB，INR=5dB，干擾信號(hào)和期望信號(hào)同時(shí)到達(dá)第一個(gè)陣元（參考陣元）。純凈語音信號(hào)（期望信號(hào)）、噪聲語音信號(hào)（干擾信號(hào)）及噪聲時(shí)域波形見圖2.4。圖2.4：各信號(hào)時(shí)域波形陣列接收到的信號(hào)，延時(shí)-求和法、后置濾波法及LCMV法處理后的語音信號(hào)如圖2.5所示。其中LCMV算法中濾波器階數(shù)為J=24，步長(zhǎng)為。圖2.5：各算法處理后的語音信號(hào)由上圖可

22、見：延時(shí)-求和算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效消除相干噪聲，但不具有自適應(yīng)干擾抑制能力，且對(duì)非相干噪聲消除作用有限；后置濾波法在延時(shí)-求和的基礎(chǔ)上進(jìn)行濾波處理，效果好于延時(shí)-求和法，能有效消除非相干噪聲，但經(jīng)過播放處理后的語音，可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)有一定的失真；LCMV自適應(yīng)算法，適合時(shí)變的聲學(xué)環(huán)境，對(duì)相干噪聲有很好的消除能力，對(duì)非相干噪聲的消除作用有限(這里濾波器的階數(shù)比較大J=24，如果變小性能會(huì)變差，小到一定程度時(shí)，消噪效果還不如后置濾波法)。3.麥克風(fēng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建1自適應(yīng)天線是當(dāng)前信號(hào)處理和通信領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，它的應(yīng)用可以充分利用無線資源的空間可分割性，有效地抑制干擾，提高無線通信系統(tǒng)對(duì)無線資源的

23、利用率，從根本上提高系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量。為了使這項(xiàng)技術(shù)能夠盡快實(shí)用化，進(jìn)行自適應(yīng)天線實(shí)物的研究已經(jīng)迫在眉睫。因此，在對(duì)自適應(yīng)天線算法進(jìn)行理論分析和仿真的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)行一些實(shí)際的測(cè)試。為此，可以通過搭建一種自適應(yīng)天線系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以驗(yàn)證各種智能天線陣列和控制算法的有效性和實(shí)用性。但是，鑒于自適應(yīng)天線系統(tǒng)的天線陣元加工難度較大、成本較高，還要制作相應(yīng)的射頻單元，同時(shí)還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況適時(shí)地調(diào)整陣元和算法，因此，在實(shí)際的電磁環(huán)境下實(shí)驗(yàn)和測(cè)試各種天線陣列、自適應(yīng)天線控制算法的性能存在較大的難度。為了驗(yàn)證自適應(yīng)算法的有效性，我們可以通過麥克風(fēng)陣列來驗(yàn)證。3.1 麥克風(fēng)陣驗(yàn)證DBF算法的可行性分析下

24、面提出了一種用工作原理與“自適應(yīng)天線系統(tǒng)”相同的“麥克風(fēng)陣”來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的想法。因?yàn)樽赃m應(yīng)天線是采用一定陣元數(shù)的陣列天線，各陣元的空間位置不同，同一無線電信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣元波程差也不同，因而可用于波達(dá)估計(jì)(DOA)。而不同方向的信號(hào)通過陣列天線后產(chǎn)生不同的陣列響應(yīng)，自適應(yīng)天線接收系統(tǒng)可采取一定的算法(可在射頻、中頻或基帶實(shí)現(xiàn))把不同方向的信號(hào)區(qū)分開來，從而降低干擾，提高系統(tǒng)性能。因此，在自適應(yīng)天線系統(tǒng)中，天線陣列結(jié)構(gòu)和控制算法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著重要的影響，同時(shí)也是自適應(yīng)天線系統(tǒng)的研究核心。麥克風(fēng)陣系統(tǒng)也是基于麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)算法兩大核心內(nèi)容的系統(tǒng)。雖然自適應(yīng)天線系統(tǒng)與麥克風(fēng)陣系統(tǒng)接收的

25、信號(hào)分別是射頻信號(hào)和語音信號(hào)，兩者存在較大的差異，但是，對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)所研究的核心內(nèi)容卻是相同的，不管是射頻信號(hào)還是語音信號(hào)，在系統(tǒng)中都只是當(dāng)作一個(gè)信號(hào)來進(jìn)行分析和處理，其最終目的是為了選擇最好的陣列和最優(yōu)的算法。因此，可以用麥克風(fēng)陣列來代替自適應(yīng)天線陣列，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)中進(jìn)行算法處理，來測(cè)試不同的自適應(yīng)天線系統(tǒng)中的天線陣列和控制算法。 自適應(yīng)天線是由多個(gè)天線單元組成的，自適應(yīng)的含義就是其通過反饋控制方式恰當(dāng)?shù)母淖冋{(diào)整加權(quán)系數(shù)，從而連續(xù)調(diào)整自適應(yīng)天線本身方向圖。有時(shí)為了使其同時(shí)具有空域和時(shí)域的處理能和麥克風(fēng)一樣，處理時(shí)有延時(shí)補(bǔ)償力，在結(jié)構(gòu)上，可以在自適應(yīng)天線陣的每個(gè)天線后接一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)。而自

26、適應(yīng)麥克風(fēng)陣在結(jié)構(gòu)上與自適應(yīng)天線類似，也是通過連續(xù)調(diào)整自適應(yīng)麥克風(fēng)陣的加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)辨識(shí)信號(hào)的方向和降低干擾。所以，完全可以用麥克風(fēng)陣元來代替天線陣元，利用自適應(yīng)麥克風(fēng)陣作為自適應(yīng)天線的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于麥克風(fēng)陣列來尋求較佳的自適應(yīng)天線的天線陣列結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)算法。此外，用麥克風(fēng)陣列替代天線陣列，可以大大減少了研制費(fèi)用、周期，降低制作難度，同時(shí)還不需要射頻部分。一旦要進(jìn)行自適應(yīng)天線系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)只需更改天線陣列、接入射頻部分即可，也可以根據(jù)需要在計(jì)算機(jī)中修改算法，具有通用性和靈活性。3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建下面主要介紹基于麥克風(fēng)陣的自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理、結(jié)構(gòu)、功能及主要技術(shù)指標(biāo)修改到此處。3.2.1實(shí)

27、驗(yàn)系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)基于麥克風(fēng)的自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)處理結(jié)構(gòu)圖見3.1。圖3.1 基于麥克風(fēng)的自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)處理結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)各模塊功能：(1) 麥克風(fēng)陣列。在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，本系統(tǒng)擬選用8個(gè)陣元的陣列，并且采用間距為0.07m的均勻線列陣，較為適合于語音頻段的空間采樣。(2) 放大濾波電路。該電路用來提高系統(tǒng)的靈敏度，濾除部分噪聲以及提供采集卡正常工作所需的阻抗和信號(hào)，包括阻抗匹配和動(dòng)態(tài)范圍的匹配。(3) 采集卡。選用8通道的數(shù)據(jù)采集卡，將放大濾波后的信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，并通過一定的方式傳至處理系統(tǒng)，然后在處理系統(tǒng)進(jìn)行語音增強(qiáng)。對(duì)于采集卡有一個(gè)采樣率設(shè)置問題。為了使采樣后輸出的離散時(shí)間序列

28、信號(hào)能無失真地復(fù)現(xiàn)原輸入信號(hào), 由采樣定理可知采樣頻率至少應(yīng)為輸入信號(hào)最高有效頻率的 2 倍, 否則會(huì)出現(xiàn)頻率混淆誤差。實(shí)際系統(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)采樣精度, 一般有下列關(guān)系:式中N為多通道數(shù)采集系統(tǒng)的通道數(shù)?？紤]到實(shí)際語音信號(hào)90%95%的頻率集中在300Hz3kHz頻段，則對(duì)于16路的語音采集系統(tǒng)可設(shè)定采樣頻率為216kHz。（4）處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)完成語音信號(hào)的處理。接收到數(shù)據(jù)采集卡傳來的數(shù)據(jù)后，利用一定的自適應(yīng)算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如語音增強(qiáng)等），驗(yàn)證算法及天線結(jié)構(gòu)的有效性。對(duì)于處理系統(tǒng)可以采用計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)即處理系統(tǒng)，可以根據(jù)不同自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)的需要，采

29、用不同的陣列結(jié)構(gòu)，選用不同的自適應(yīng)算法，能夠達(dá)到通用平臺(tái)的效果。另外，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及傳輸速度，考慮采用計(jì)算機(jī)的PCI總線作為數(shù)據(jù)輸入接口，由進(jìn)行具體編程的數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)。由以上對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的分析，用麥克風(fēng)陣列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證DBF算法的實(shí)驗(yàn)過程可表述為：設(shè)置信號(hào)源（聲源）和干擾源（語音信號(hào)），圖3.1中的噪聲為背景噪聲；然后聲音信號(hào)經(jīng)過傳播，到達(dá)麥克風(fēng)陣列。麥克風(fēng)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的電信號(hào)，該模擬電信號(hào)經(jīng)過放大濾波后傳至數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集部分又將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)平臺(tái)可以處理的數(shù)字信號(hào)，然后該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過輸出送至計(jì)算機(jī)平臺(tái)，計(jì)算機(jī)平臺(tái)采用一定的自適應(yīng)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，

30、驗(yàn)證自適應(yīng)算法的有效性。具體實(shí)驗(yàn)中，可設(shè)置聲源來自38°方向，干擾源來自5°方向，其中干擾源也為語音信號(hào)。選用DBF中常用的自適應(yīng)算法LCMV算法對(duì)語音數(shù)據(jù)采集卡采集到的語音信號(hào)進(jìn)行處理，以驗(yàn)證LCMV算法。3.2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各模塊的設(shè)計(jì)由上節(jié)知該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括4個(gè)模塊：麥克風(fēng)陣列、放大器濾波、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)。簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。本節(jié)對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖3.2 麥克風(fēng)陣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖(1)麥克風(fēng)陣麥克風(fēng)陣完成語音數(shù)據(jù)的采集，其功能等同于自適應(yīng)天線系統(tǒng)的天線陣元，可以靈活地采用不同的結(jié)構(gòu)。一般采用416天線陣元結(jié)構(gòu)，相鄰陣元間距取

31、接收信號(hào)中心頻率波長(zhǎng)的1/2。陣元間距過小，降低接收信號(hào)相關(guān)度；陣元間距過大，將在方向圖上引起不必要的波瓣，因此陣元半波長(zhǎng)間距通常是優(yōu)選的。天線陣列形式主要有直線形陣列、圓環(huán)形陣列或者平面陣。不同的陣列結(jié)構(gòu)，它們的空間位置(方位或仰角)也是不相同的。當(dāng)然，在實(shí)際的自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)中，該陣列結(jié)構(gòu)的選擇將根據(jù)所使用的自適應(yīng)天線的天線陣元來決定，對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)可以靈活地調(diào)整麥克風(fēng)陣的陣列結(jié)構(gòu)來進(jìn)行測(cè)試，從而使該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能對(duì)不同的自適應(yīng)天線系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有很高的通用性和靈活性。在這里，我們使用全方向性駐極體傳聲器松下公司的WM-61。一個(gè)底面直徑為6mm、高3.4mm的圓柱體。其靈敏度達(dá)到-35分貝，

32、信噪比高達(dá)62分貝。并且，在20Hz-200Hz這一頻段內(nèi)，WM-61的靈敏度非常穩(wěn)定，確保了語音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的準(zhǔn)確性。 (2)前置放大器前置放大的作用在于提高系統(tǒng)的靈敏度以及提供采集卡正常工作所需的阻抗和信號(hào)，包括阻抗匹配和動(dòng)態(tài)范圍的匹配。前置放大以兩塊LM324集成運(yùn)放為主體。每塊LM324包含4個(gè)放大單元，將每個(gè)放大單元設(shè)計(jì)為反相放大器，由2個(gè)放大單元對(duì)一路麥克風(fēng)信號(hào)進(jìn)行放大，增益設(shè)計(jì)為20dB放大100倍。對(duì)于16路語音信號(hào)，需要8塊LM324。（3）數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集單元主要是將陣結(jié)構(gòu)從各個(gè)方位收到的信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)平臺(tái)中去，以便進(jìn)一步的處理。由于輸入的數(shù)據(jù)流量非常大，故采用計(jì)算

33、機(jī)的PCI總線作為計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入接口?？梢圆捎肗I公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI-6220，如圖3.3所示。它具有16位的AD采樣精度，16路模擬輸入，總帶寬速度為250ks。如同時(shí)采集8路聲音信號(hào)。每個(gè)通道分配的AD采樣速率達(dá)30ks。完全能夠滿足語音信號(hào)采樣的要求。另外，數(shù)據(jù)采集卡需要通過軟件對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。注冊(cè)采集卡，讓計(jì)算機(jī)識(shí)別采集卡并獲得采集卡號(hào)；設(shè)置采樣頻率采樣的通道數(shù)、采集卡號(hào)以及輸入動(dòng)態(tài)范圍等。設(shè)置完成后開始采集數(shù)據(jù)，并將將采集到的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式寫入預(yù)定好的文件。圖3.3 N1PCI-6220數(shù)據(jù)采集卡（4）計(jì)算機(jī)平臺(tái)部分計(jì)算機(jī)平臺(tái)主要完成兩部分工作，一是對(duì)采集的數(shù)據(jù)選用

34、好的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)處理，來控制和調(diào)整麥克風(fēng)陣列加權(quán)網(wǎng)的加權(quán)系數(shù)，改變陣列的方向性，實(shí)現(xiàn)對(duì)信源的定位和對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)，；二是可以將數(shù)據(jù)生成語音文件，完成對(duì)信號(hào)的復(fù)原。自適應(yīng)天線系統(tǒng)的核心是自適應(yīng)算法，因此重要的是選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的自適應(yīng)控制。目前已提出很多著名的自適應(yīng)天線算法，可以分為兩類。一是在時(shí)域獲得天線的最優(yōu)加權(quán)，有最小均方算法(LMS)，取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆(DMI)，遞歸最小均方誤差算法(RLS)等；二是在空間域?qū)︻l譜進(jìn)行分析，以獲得DOA的估計(jì)。其中DFT和最大熵估計(jì)(MEM)可以直接從空間頻譜中估計(jì)到達(dá)角度，而多信號(hào)分類法(MUSIC)算法和旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)參數(shù)估計(jì)法(ES

35、PRIT)是基于特征分解法的譜估計(jì)算法。由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的陣列信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)處理，可以根據(jù)不同自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)的需要選用不同的自適應(yīng)算法，達(dá)到通用平臺(tái)的效果。由采集卡采集到的語音信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)的自適應(yīng)處理后生成.WAV文件。而自適應(yīng)處理以前的語音信號(hào)也是以數(shù)據(jù)文件形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，也可以生成.WAV文件。此功能便于對(duì)自適應(yīng)處理前后的語音信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和分析，考察自適應(yīng)算法處理的效果，以用于指導(dǎo)進(jìn)一步的調(diào)整陣結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)算法。3.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有利于開展基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)天線實(shí)驗(yàn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。首先，在實(shí)際工作中，不同的自適應(yīng)算法可能會(huì)導(dǎo)致自適應(yīng)天線的結(jié)構(gòu)不同，例如“旁瓣對(duì)消”、“高分辨譜估計(jì)”、“開環(huán)結(jié)構(gòu)的智