放大器忍片构成 的前置放大电路及MAX118模数转换忍片构成（如图2所示），在本实施例中麦克风间距d = 30cm〇
[0055] 相位自校正模块、波束对准模块、语音增强模均属于数字信号处理模块，在本实施 例中采用本领域通用的ARM9 S3C2440微处理器进行编程实现。
[0056] 麦克风阵列与微处理器的连接采用本领域通用的连接方式:麦克风阵列中5个麦 克风输出信号经过图2所示运算放大器构成的2级前置放大电路放大后输入多通道模数转 换忍片MAXl 18，S3C2440微处理器通过IO 口 GPB2，3，4控制MAXl 18的输入通道端Al、A2、A3，通 过定时器输出脚T0UT0、T0UT1控制MAX118的读出/写入端口 WR、畑进行采样频率16ksps的模 数转换，通过数据线DATAO至DATA7进行Sbit模数转换结果到S3C2440微处理器的传送。
[0057] 所述声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置实施例中多通道语音信号模数转换进入 微处理器后，W软件编程形式运行的各数字信号处理模块间的数据、控制流连接方式如图3 所示，具体说明如下：
[0058] 相位自校正系数学习步骤:在所述声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置安装和使用 前需事先进行相位自校正系数学习。相位自校正系统学习在室外空旷、安静的实验场地进 行，如图4所示，在远场利用卿趴播放已知的训练信号d(n)(本实施例中训练信号为伪随机 噪声信号，训练信号长度为1600)，安装有声聚焦机构的5通道麦克风阵列各通道输入信号 xi(n)，i = 0，l，2,…，4。由于如图3所示远场平行波W不同入射角入射后声聚焦机构产生的 相位差模式并不相同，相位自校正需要在麦克风阵列工作的每个角度W固定的角度间隔 (本实施例中角度间隔设置为为2.5度)分别进行，形成每个角度对应的相位自校正系数并 保存。由于考虑的是远场入射，因此可认为对应每个入射角度入射时声聚焦机构麦克风阵 列各通道的相位差模式是相同的，因此，相位自校正系数学习仅需在中间通道即i = 2通道 进行。本实施例中相位自校正系数学习过程W软件编程的方式在ARM9 S3C2440中进行。
[0059] 具体的相位自校正系数学习过程结合图4描述如下：
[0060] W在0T度入射角进行相位自校正系数学习为例，在室外空旷、安静的实验场地，在 远场(本实施例中卿趴放置距离声聚焦麦克风阵列中屯、为30米)利用卿趴播放已知训练信 号d(n)。此时，中间通道输入信号xi(n)，i = 2为已知训练信号d(n) W0T度入射角经过声聚焦 机构后形成相位差传递函数产生了相位差，则相位自校正学习的目的是构造一个L阶的相 位校正滤波器系数W0T=[W1 W2 W3 W4......WL]，通过自适应算法(本实施例中L=IOO,采用本 领域通用的最小均方误差LMS自适应算法）W已知训练信号d(n)作为目标信号进行系数WeT 的自适应迭代学习，迭代学习的目的是使各通道误差e(n)的均方最小：
[0064] 算法收敛后形成的系数WeT即为0T度入射时各通道的相位校正系数，将此系数保存 用于进行相位自校正。W2.5度角度间隔完成声聚焦麦克风阵列正前方0~180度范围内各 角度训练和对应的相位自校正系数保存后即完成自校正系数学习步骤。
[0065] 相位自校正步骤:完成相位自校正系数学习后及可安装、使用本装置进行远距离 拾音。声源方向的确定可W采用视频监控定位或其他本领域通用的方向估计方法W获取声 源方向9t。在获得声源方向0T后，将各通道信号按照给定的声源方向调出相应的预先存储相 位自校正系数Wi, a进行相位自校正。经过相位自校正后的各通道语音为：
[006引 X','树）二[.、:,.(")：(内' + 0 …义,'(打 + 1-1)]?<:巧评毎，'/=:0，：1,'，'。',:4;
[0067]声源对准步骤:在本实施例中，按照实际使用中给定的声源目标方向采用实现本 领域通用的时延补偿一相加波束成形方法进行声源方向估计，其原理结合图例进行如下说 明：
[006引对经过相位自校正后的各通道输入信号x'i(n) 4 = 0,1，2,…，4行时延值补齐，对 补齐后的各通道信号加权叠加，得到对准相应方位角的波束形成输出信号。设各通道时 延调整值为Ti(0T) 4 = 0,1，2,…，4代表实施例麦克风阵列的各通道，则经过时延补偿后的 各通道语音为：
[0069] x"i(n,白T) =x，i[n+Ti(白T)]，i = 0,l,...,4
[0070] 各通道信号的时延补偿值可通过下式来确定：
[0072]其中i为线阵中各通道的编号，C为空气中的声速(本实施例中取34Om/s)，0T为选 定的声源方向。fs为麦克风阵列语音信号的采样频率(单位为化，本实施例中为16000Hz)， round O代表取整运算。
[0073] 对时延补齐后的信号进行加权叠加，可得波束对准声源方向0T的输出信号：
[0074] y(n,白T) =WgTf, (n,白T)
[007引其中权向量Wa= [W1，W2,...，W4]t，且PF/ 1 ,= 1.，X" (n,目T) = [x"0(n,目T)，x"i(n,目T)...， x"4(n,白T)]。
[0076] 因为本发明实施例中采用声聚焦麦克风阵列波束形成的方式对不同方向的远距 离声源进行拾音，因此无需采用云台、回转平台等辅助装置进行机械对准。
[0077] 语音增强步骤:采用波束对准声源方向的输出信号作为带噪信号，采用固定系数 组成的阻塞矩阵对时延补偿后的各通道输入信号进行阻塞处理后作为参考入端，采用本领 域通用的自适应噪声消除处理。
[0078] 本发明实施例的5元麦克风阵列及其与微处理器连接电路图参见图5;本发明实施 例中声聚焦麦克风阵列进行波束对准原理图参见图6;本发明实施例中声聚焦麦克风阵列 波束对准时各通道时延补偿值计算原理图参见图7。
[0079] 本发明最大的特点在于结合声聚焦机构和麦克风阵列进行远距离语音采集，并通 过相位自校正功能克服声聚焦机构在聚焦声场时造成的相位差问题，改善麦克风阵列语音 增强算法在声聚焦机构麦克风阵列中使用时的语音增强效果，从而实现对远距离语音的高 质量拾音。
【主权项】
1. 带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征在于设有： 声聚焦机构，所述声聚焦机构用于麦克风声场的聚焦，声聚焦机构安装在麦克风前端； 麦克风阵列，所述麦克风阵列用于多通道采集语音信号、前置处理和模数转换； 相位自校正模块，所述相位自校正模块用于对每个麦克风阵列单元声聚焦引入的相位 差进行自校正； 波束对准模块，所述波束对准模块用于根据目标说话人方向调整各通道时延进行声源 方向对准； 语音增强模块，所述语音增强模块用于运行麦克风阵列语音增强算法增强语音。2. 如权利要求1所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征 在于所述声聚焦机构采用抛物型反射面，用于罩在麦克风阵列的每个麦克风单元上达到声 场聚焦的目的。3. 如权利要求1所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征 在于所述麦克风阵列设有通道语音信号采集电路、前置放大电路、模数转换器和端点检测 粗判模块;通道语音信号采集电路的输出端依次经前置放大电路和模数转换器后，通过数 据线直接与端点检测粗判模块的信号输入端连接。4. 如权利要求1所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征 在于所述麦克风阵列设有多个等间距排列的麦克风。5. 如权利要求1所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征 在于所述相位自校正模块信号输入端接麦克风阵列输出端，相位自校正模块输出端输出相 位校正结果。6. 如权利要求1所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征 在于所述波束对准模块信号输入端接相位自校正模块的相位校正信号输出端，输入的各通 道信号经时延调整后进行累加并输出波束对准结果。7. 如权利要求1所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，其特征 在于所述语音增强模块设有信号输入端和波束对准输入端，信号输入端接相位自校正模块 的相位校正信号输出端和波束对准模块的波束对准结果信号输出端，经过语音增强模块进 行麦克风阵列语音增强处理后输出远距离语音增强结果。8. 带相位自校正的声聚焦麦克风阵列语音增强方法，其特征在于采用如权利要求1~7 中任一所述带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，所述方法包括以下步 骤： 1个相位自校正学习步骤:在装置安装、使用前，根据不同方向入射声音对声聚焦进行 自校正学习，获得各个角度对应的校正系数并保存； 1个初始化步骤:各模块参数初始化设置； 1个相位自校正步骤:根据给定的目标方向调出预先保存的相位校正系数，对各通道麦 克风阵列信号进行相位自校正，输出相位校正结果； 1个波束对准步骤:根据给定的目标方向对相位校正后的麦克风阵列各通道信号进行 时延补偿并累计，输出波束对准结果； 1个语音增强步骤:利用输入的校正后麦克风阵列个通道信号通过阻塞矩阵获得参考 噪声，与波束对准结果进行麦克风阵列语音增强技术，获取增强语音。
【专利摘要】带相位自校正功能的声聚焦麦克风阵列长距离拾音装置，涉及拾音设备。设有声聚焦机构、麦克风阵列、相位自校正模块、波束对准模块和语音增强模块；声聚焦机构用于麦克风声场的聚焦，声聚焦机构安装在麦克风前端；麦克风阵列用于多通道采集语音信号、前置处理和模数转换；相位自校正模块用于对每个麦克风阵列单元声聚焦引入的相位差进行自校正；波束对准模块用于根据目标说话人方向调整各通道时延进行声源方向对准；语音增强模块用于运行麦克风阵列语音增强算法增强语音。结合声聚焦机构进行语音增强，具有对远距离语音的高质量拾音效果。采用相位自校正方法校正声聚焦机构引入的相位差，在形成声场聚焦效果的同时，保证麦克风阵列语音增强效果。
【IPC分类】G10L21/0216, H04R1/32
【公开号】CN105702261
【申请号】CN201610080008
【发明人】童峰, 周跃海, 洪青阳
【申请人】厦门大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年2月4日