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噪声背景下麦克风阵列语音增强及实现

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摘要

第一章 绪论

1.1 本课题研究目的及意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 语音处理算法

1.2.2 麦克风阵列语音增强系统设计与应用

1.2.3 噪声背景下语音增强的困难和挑战

1.3 论文结构安排

第二章 麦克风阵列语音信号处理

2.1 语音信号特性

2.1.1 语音的声学特性

2.1.2 语音的时频特性

2.1.3 人耳听觉特性

2.2 麦克风阵列拓扑结构及空间采样定理

2.2.1 麦克风阵列拓扑结构

2.2.2 空间采样定理

2.3 麦克风阵列语音增强信号模型

2.3.1 传统阵列信号模型

2.3.2 麦克风阵列语音信号模型

2.3.3 均匀线阵近场信号接收模型

2.4 噪声场

2.5 语音质量评价

2.6 本章小结

第三章 麦克风阵列语音增强算法

3.1 声源方向估计

3.2 麦克风阵列语音增强

3.3 广义旁瓣抵消器(GSC)算法

3.3.1 LMS自适应滤波算法

3.3.2 线性约束自适应波束形成器

3.3.3 基于可调波束形成器GSC算法

3.4 本章小结

第四章 基于梯度迭代的移动声源语音增强算法

4.1 梯度迭代

4.2 基于梯度迭代的移动声源语音增强算法

4.3 实验验证

4.3.1 实验设置

4.3.2 实验结果及分析

4.4 本章小结

第五章 麦克风阵列语音增强系统设计

5.1 系统组成与实现原理

5.2 系统硬件设计

5.2.1 麦克风阵列结构设计

5.2.2 前置放大模块

5.2.3 STM32F407微控制器

5.3 STM32外设接口设计

5.4 系统软件设计

5.4.1 系统开发环境

5.4.2 STM32相关功能介绍

5.4.3 系统程序设计

5.4 本章小结

第六章 麦克风阵列语音增强实验

6.1 实验环境

6.2 系统基本性能测试

6.2.1 系统指向特性测试

6.2.2 多声源测试

6.3 声源不同方向情况下语音增强实验

6.4 实验结果分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

近些年,随着智能化生活理念的深入人心和电子通信产品的飞速发展,麦克风阵列语音增强技术已成为国内外研究热点,获取到高质量的语音信号变得日益重要。基于嵌入式处理器的麦克风阵列语音增强系统,被广泛应用在车载系统环境、视频会议、助听装置、语音识别的前端系统、大型场所的会议记录系统、机器人导航等民用和军用产品中。麦克风阵列具有较高的空间分辨率与较强的抗干扰能力,但在实际应用中,由于多样性噪声源、环境混响和说话人可能移动情况的存在,影响了语音增强系统的整体性能,造成语音消噪和增强效果大大下降。
  本文主要工作如下:
  首先,本文介绍了麦克风阵列语音增强技术,重点分析了现阶段三种常见麦克风阵列语音增强算法,分别在估计精度、算法复杂度、运算量等方面比较了延时求和固定波束形成算法、广义旁瓣相消器(GSC)和具有自适应后置滤波器的波束形成算法的优缺点。
  其次,在可调波束广义旁瓣相消器算法的基础上,针对背景噪声和声源移动所造成的语音信号泄露、低信噪比情况,以及可调波束广义旁瓣相消器算法运算复杂度较高的问题,本文提出一种基于梯度迭代的移动声源语音增强算法,并对算法性能进行了实验验证。
  再次,基于STM32嵌入式处理器设计了一个麦克风阵列语音增强系统,该系统采用基于最大输出功率的波束形成声源定位算法和延迟-求和语音增强算法,能够实现对移动声源实时定位并增强输出。本文从硬件设计和软件程序调试方面对系统进行了详细的介绍。
  最后,对本文所设计的麦克风阵列语音增强系统进行了实验验证。多次实验所得结果表明,基于本文算法的多通道语音增强系统,在背景噪声存在和声源移动的环境下,能够较好满足语音信号的采集、增强和实时输出的要求。

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