基于麦克风阵列声信号定向拾取的研究

摘要

随着科技的进步和发展，语音信号处理在人工智能、现代通信及多媒体技术中有着举足轻重的地位。定向拾音技术是语音信号处理中的一种，其主要应用于语音信号增强，以达到抑制和屏蔽噪声以及干扰信号的目的。由于麦克风阵列具有良好的空间选择性，因此在语音信号增强系统中，广泛使用麦克风阵列作为定向拾音系统的前端采集系统。麦克风阵列拾音系统的性能主要受阵元数目、阵列几何结构以及阵列处理算法的影响，本文将从这三个方面综合考虑阵列定向拾音的性能。 麦克风阵列信号处理算法对整个拾音系统性能起着至关重要的作用，使用波束形成算法对采集的声信号进行处理，必须要考虑到阵增益、稳健性、主瓣宽度、旁瓣响应等几个重要性能指标。因为波束的这几个性能之间是相互关联的，如果单纯的优化某一个指标，其他性能往往就会变差。本文使用基于Minimax准则的凸优化方法，对波束图进行优化设计，相比于传统常规波束形成，其能在主瓣宽度、旁瓣级以及稳健性之间进行合理综合折中。并且该方法可以控制波束的主瓣宽度不随频率的变化而变化，减少了语音信号在低频段的干扰分量，提高了拾音的质量，保证了系统的稳健性。通过Matlab仿真和实验，验证了该方法对波束宽度控制的有效性。由于数字MEMS麦克风内部集成了前置放大电路和ADC，具有抗干扰能力强、功耗低等特点，其广泛应用在消费电子领域，非常适合布置在PCB上，因此本文采用楼氏公司的型号SPM0423HD4H-WB的数字MEMS麦克风作为采集声信号的单元。阵列的拓扑结构通常取决于阵列的用途并受使用空间和成本的限制，本文设计一个拥有36阵元，阵元间距为4cm的6×6的矩形网格阵列，将其均匀的布局在PCB上，作为系统的拾音前端来分析其阵列的性能。使用FPGA对信号进行采集和处理，并且在FPGA上实现对脉冲密度调制信号的解调，以达到对远场声信号进行定向拾取的目的。

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摘 要

Abstract

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 论文的组织结构

声波方程

点声源与平面波

近场远场的划分

2.2.1 传播模型

2.2.2 噪声模型

麦克风接收信号模型

信号的平均

波束形成算法

延时求和波束形成

零陷波束形成

最优波束形成

本章小结

3.1 均匀矩形网格阵列

麦克风阵列响应

波束性能参数

均匀矩形阵列的特点

宽带波束形成

频率不变波束形成

数字波束形成

延时和相位的关系

阵列响应与FFT

3.3 基于Minimax方法的阵列综合设计

3.4 本章小结

4.1 MEMS麦克风简介

4.2 麦克风选择

4.3 脉冲密度调制

量化误差

过采样与噪声整形技术

4.4 PDM信号解调

4.4.1 CIC滤波器

字长效应

CIC补偿滤波器

降采样方案

基于Altera’s Cyclone III FPGA解码模块的实现

4.5 麦克风阵列硬件设计

4.6 本章小结

第5章 实验环境与结果

5.1 MEMS麦克风本底噪声测量

麦克风的测试和校准

阵列方向图的测量

5.3 波束主瓣宽度控制

5.4 拾音效果测试

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致 谢