可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种语音信号处理装置，尤其是涉及一种可适应强烈背景噪声的麦克 风阵列语音增强装置。
【背景技术】
[0002] 麦克风阵列技术由多个麦克风按照一定空间结构组合而成，其采集到的语音信号 在时频域的基础上增加了空间域信息，从而可对采集到的多路信号进行空时分集处理，麦 克风阵列可对不同方向上的信号形成不同响应，也即阵列的空间指向特性，因而可充分利 用多路语音提供的空间信息提高语音信号信噪比，改善语音信号处理性能，在语音识别、说 话人识别、视频会议等领域得到了广泛的研究和应用。
[0003] 在较为安静的背景环境下，目前常用的麦克风阵列语音增强算法都有较好的语音 增强检测性能，但在实际背景噪声环境特别是在汽车、空调外机、音响、家电、机械等背景噪 声较为强烈而持续的情况下，常规麦克风阵列语音算法的语音增强性能往往不能令人满 意。考虑到实际使用的大部分情况是有背景噪声的，而汽车、空调外机、音响等背景噪声较 为强烈而持续的情况常常存在于各类语音信号处理领域中。因此，研究可适应强烈背景噪 声情况下的麦克风阵列语音增强装置对于提高语音信号处理系统的稳健性和实用性都起 着关键的作用。
[0004] 中国专利ZL 200510105526.7提出一种使用噪声降低的多通道自适应语音信号处 理方法，该方法通过对GSC的固定波束通路增加一个自适应处理器改善信号通道的信噪比。 该方法借助频域时延估计来补偿各通道时延，以使得波束对准声源方向。该方法在获取了 声源方向后，按照声源方向通过阻塞矩阵形成参考噪声通路，因此当部分语音信号成分泄 漏到参考噪声通路时将影响GSC算法的语音增强性能。
[0005] 中国专利ZL 2012104970169公开了一种可抑制移动噪声的麦克风阵列语音增强 装置，该装置首先基于端点检测结果分别对语音段、噪声段信号进行波束扫描，获取噪声 源、语音声源方向信息;在获得噪声源、语音声源方向信息后可换算出每个通道的时延补偿 指并据此进行噪声方向、语音声源方向的时延补偿叠加形成分别对准噪声源、语音声源的 波束;最后通过语音通路、噪声通路进行噪声自适应噪声消除处理，实现语音增强。
[0006] 中国专利ZL 2009102654269公开一种麦克风阵列降噪控制方法及装置，该装置对 麦克风阵列采集的所有声音信号计算入射角度，并根据入射角度进行信号成分的统计，从 而根据统计结果中噪声成分所占的比率确定控制参数，对自适应滤波器进行控制，达到消 除噪声、提高信噪比的目的。
[0007] 但是，当存在汽车、空调外机、音响等较为强烈和持续的背景噪声时，由于来自声 源的语音信号被强烈背景噪声掩盖，此时，上述文献中频域时延估计、波束扫描、入射角度 计算等方法均已无法有效获取声源方向信息进行麦克风阵列语音增强。因此，在强烈的背 景噪声下传统的麦克风阵列语音增强方法无法获得语音增强效果，而需利用其他信息来抑 制背景噪声的影响。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置。
[0009] 本发明设有麦克风阵列、波束扫描模块、波束变化检测模块、语音波束形成模块、 波束恒量检测模块、噪声波束形成模块、自适应噪声消除模块；
[0010] 所述麦克风阵列的输出端分别接波束扫描模块、语音波束形成模块、噪声波束形 成模块，波束扫描模块的波束变化信号输出端接波束变化检测模块的输入端，波束变化检 测模块的输出端通过语音声源方向接语音波束形成模块的输入端，语音波束形成模块的输 出端接自适应噪声消除模块的输入端;波束扫描模块的波束恒量信号输出端接波束恒量检 测模块的输入端，波束恒量检测模块的输出端经噪声源方向接噪声波束形成模块的输入 端，噪声波束形成模块的输出端接自适应噪声消除模块的输入端，自适应噪声消除模块的 输出端输出增强语音信号。
[0011] 所述麦克风阵列可采用至少2元麦克风阵列。
[0012] 所述麦克风阵列用于进行语音信号多通道采集，麦克风阵列采集的语音信号经前 置放大电路、模数转换电路后通过数据线直接输入波束扫描模块、语音波束形成模块和噪 声波束形成模块。
[0013] 所述波束扫描模块对接收到的强烈噪声背景下语音信号进行波束扫描，获取含噪 信号的方向信息；波束恒量检测模块对扫描模块获取的方向信息提取恒定成分，获取强烈 背景噪声的方向信息；并输入噪声波束形成模块，根据噪声方向信息计算各通道时延补偿 值，并据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强噪声方向语音信号;波 束变化检测模块对扫描模块获取的方向信息提取变化成分，获取语音信号的方向信息;获 取的语音方位信息输入语音波束形成模块，根据语音方向信息计算各通道时延补偿值，并 据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强语音方向语音信号；自适应 噪声消除器模块则利用输入的语音信号、噪声信号进行自适应噪声对消处理，并输出增强 语音信号。
[0014] 本发明针对声纹识别、语音识别等智能家居、办公等领域存在强烈背景噪声时麦 克风阵列语音增强的困难，本发明提出首先采用技术成熟、使用简单方便的波束扫描手段 来获取含噪信号波束，并通过对波束中恒量和变化成分的检测获得噪声及声源方向信息， 用于麦克风阵列语音增强算法实现语音增强。
[0015] 基于上述考虑，本发明提出利用麦克风阵列对强烈背景噪声中说话人语音造成的 空间波束域非平稳进行检测，利用对强烈背景噪声下空间波束的恒定和变化成分的检测区 分强烈背景噪声和语音信号，从而可在强烈背景噪声条件下有效地获得声源的正确方向， 提高强烈背景噪声条件下的语音增强性能。由于本发明提出的麦克风阵列语音增强装置利 用的是强烈噪声与语音信号在空间域非平稳特征的差异进行检测，无需采用信号能量进行 检测，因而可适用于语音信号被强烈背景噪声掩盖的恶劣环境下获取声源方向改善语音增 强性能。
[0016] 本发明实现适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强的具体思路为:首先对接收 的含噪语音信号进行波束扫描，获取波束信息;对波束分别进行恒量和变化检测获得噪声、 语音方向；获得噪声源、语音声源方向信息后可换算出每个通道的时延补偿指并据此进行 噪声方向、语音声源方向的时延补偿叠加形成分别对准噪声源、语音声源的波束;最后通过 语音通路、噪声通路进行噪声自适应噪声消除处理，实现语音增强。
[0017] 与目前已有的传统麦克风阵列定位与语音增强方法相比，本发明的突出优点在 于：由于采用波束扫描结合波束恒量、变化检测在空间域区分信号与噪声，不依赖于信号和 噪声的能量关系因而可工作在信号被强烈噪声掩盖的恶劣应用情况。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实施例的结构组成框图。
[0019] 图2为5元麦克风阵列及其与微处理器连接电路原理图。
[0020]图3为本发明实施例波束扫描各通道时延补偿原理图。
【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的技术内容、特征、优点更加明显易懂，以下实施例将结合附图具体 说明如下：
[0022] 参见图1，本发明实施例设有麦克风阵列1、波束扫描模块2、波束变化检测模块3、 语音波束形成模块4、波束恒量检测模块5、噪声波束形成模块6、自适应噪声消除模块7; [0023]所述麦克风阵列1的输出端分别接波束扫描模块2、语音波束形成模块4、噪声波束 形成模块6,波束扫描模块2的波束变化信号输出端接波束变化检测模块3的输入端，波束变 化检测模块3的输出端通过语音声源方向A接语音波束形成模块4的输入端，语音波束形成 模块4的输出端接自适应噪声消除模块7的输入端;波束扫描模块2的波束恒量信号输出端 接波束恒量检测模块5的输入端，波束恒量检测模块5的输出端经噪声源方向B接噪声波束 形成模块6的输入端，噪声波束形成模块6的输出端接自适应噪声消除模块7的输入端，自适 应噪声消除模块7的输出端输出增强语音信号。
[0024] 所述麦克风阵列1可采用5元麦克风阵列。
[0025] 所述麦克风阵列用于进行语音信号多通道采集，麦克风阵列采集的语音信号经前 置放大电路、模数转换电路C后通过数据线直接输入波束扫描模块、语音波束形成模块和噪 声波束形成模块。
[0026] 所述波束扫描模块对接收到的强烈噪声背景下语音信号进行波束扫描，获取含噪 信号的方向信息；波束恒量检测模块对扫描模块获取的方向信息提取恒定成分，获取强烈 背景噪声的方向信息；并输入噪声波束形成模块，根据噪声方向信息计算各通道时延补偿 值，并据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强噪声方向语音信号;波 束变化检测模块对扫描模块获取的方向信息提取变化成分，获取语音信号的方向信息;获 取的语音方位信息输入语音波束形成模块，根据语音方向信息计算各通道时延补偿值，并 据此对麦克风阵列各通道接收信号进行时延补偿、叠加以增强语音方向语音信号；自适应 噪声消除器模块则利用输入的语音信号、噪声信号进行自适应噪声对消处理，并输出增强 语音信号。
[0027] 本发明提出的可适应强烈背景噪声的麦克风阵列语音增强装置实现强烈背景噪 声下语音增强功能的步骤包括:波束扫描、波束恒量检测、波束变