摘要: 麦克风阵列信号处理在助听设备、车载免提通讯系统、远程视频会议环境以及机器人听觉等语音信号处理中有着普遍的应用。但目前存在许多问题在麦克风阵列信号处理方面:首先，众所周知麦克风阵列接收到的语音是宽带信号，如果用传统的窄带波束形成方法来... 展开 麦克风阵列信号处理在助听设备、车载免提通讯系统、远程视频会议环境以及机器人听觉等语音信号处理中有着普遍的应用。但目前存在许多问题在麦克风阵列信号处理方面:首先，众所周知麦克风阵列接收到的语音是宽带信号，如果用传统的窄带波束形成方法来处理，会造成波束形成阻带发生畸变，无法抑制干扰信号;其次，通常存在麦克风通道的增益差异、相位偏移和位置抖动等不确定性造成的失配误差，而这些误差也会造成麦克风阵列信号处理的性能下降;最后，在相对封闭的几何空间内麦克风阵列与语音信号播放的位置存在一定距离时，麦克风阵列接收的信号不单仅是语音的直达信号，同时还有语音源在墙壁上多次反射的信号，从而导致语音的清晰度下降。为此，本文分析研究了混响环境下稳健麦克风阵列波束形成语音增强算法，并通过理论分析及计算机仿真和实验实测验证所提算法的有效性。主要工作如下: 1.针对宽带信号波束形成器存在畸变的问题，给出了基于离散空间响应偏差函数的自适应加权宽带频率不变波束形成算法。该算法基于线性约束最小方差准则，首先通过离散空间响应偏差函数的二项式计算界定阵列空间响应偏差函数的均衡矩阵;其次将该均衡矩阵以系数加权的形式写入到该准则的波束形成算法目标优化函数中进行权值计算;最后再将系数加权频率不变波束形成算法中的加权系数定义为场点距离和信号频率的函数，该加权函数具有动态特性并采用自适应原理进行更新。通过仿真实验表明，该算法波束频率不变性能较好，阻带水平整体较低，在设置的干扰方向上形成了较深的零陷。 2.针对现实环境中的麦克风通道特征误差导致宽带波束形成器性能下降的问题，给出了基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法。该算法首先在线性约束最小方差准则的目标函数基础上以系数加权的形式结合离散空间响应偏差二项式矩阵，实现频率不变波束形成器;然后采用白噪声增益作为约束条件写入线性约束最小方差目标函数优化的准则中，分析白噪声增益约束值大小，以提高麦克风特征误差的稳健性，主要解决问题是麦克风的增益偏差、相位偏移和位置抖动等因素的不确定性造成低频信号全通滤波，从而导致波束形成器性能下降;最后通过拉格朗日乘子法计算固定权值和凸优化工具箱迭代求解得到最优权矢量。通过仿真实验表明，该算法波束稳健性能较好，稳健后的波束形成器的低频性能得到改善，阵列增益高、方向性较好。 3.针对封闭环境中往往受到混响效应影响导致语音信号清晰度下降的情况，给出了基于混响环境下线性约束最小方差分频的改进维纳滤波后置波束形成算法。该算法基于延迟加权求和波束形成的维纳后置滤波结构上进行改进采用线性约束最小方差波束形成准则.改进的算法首先假设每个频段上混响时间不同的特性，在麦克风阵列接收信号的进行分频处理，将波束形成算法应用到高低频域的子带中，提高了混响抑制的精度;其次麦克风阵列接收到混响信号的直达波和反射波之间是不相关的，利用麦克风阵列接收信号的空间信息解决维纳滤波器的估计问题。通过仿真测验结果表明，该算法对混响抑制具有明显的改善，且提高了语音增强系统的评价指标得分。 4.针对麦克风通道物理特性失配误差和封闭空间中引起的混响对语音清晰度的影响，研究了音频信号采集实验和数据分析。首先，在消声室中搭建实验平台，固定声源采集麦克风阵列数据，对采集的数据用本文提出的稳健算法进行验证;其次，在混响较强车库环境中搭建实验平台，固定声源采集混响阵列数据，对采集的数据进行本文提出的混响抑制算法验证。通过消声室和车库实际环境实测的算法输出信号的语谱图实验结果可以看出，所提出的算法与仿真结果预期一致。 收起