麦克风阵列语音增强算法的研究与DSP实现

摘要

语音增强的目的是尽可能地减小噪声干扰以获得更为纯净的语音信号。传统的语音增强技术采用单个麦克风，虽然能对噪声起到一定的抑制作用，但是由于仅利用了时/频信息，而使干扰抑制的效果在空间强混响环境下并不理想。当今的语音增强技术利用多个麦克风组成的阵列结构进行语音处理。麦克风阵列所提供的空域和时/频域信息，可以很好地解决空间混响这一问题。 时延估计是麦克风阵列语音增强系统中的重要组成部分，其准确性直接影响了语音增强的效果。利用互功率谱相位(CSP)技术及其改进方法GCSP虽然能得到较为准确的时延估计值，但是其性能受到混响和帧长的制约，当麦克风路数较多时，计算量较大，难以实时实现。基于瞬时相干函数的基本互相关方法，不仅可以在强混响和低信噪比环境下给出较为准确的时延估计结果，同时也大大减少了互相关函数的移位操作次数，有效地降低了计算复杂度。 基于DSP芯片的实时软件系统设计，不仅要考虑算法性能，同时还要充分考虑硬件资源成本及其对于计算复杂度的制约。本文在比较了各类DSP芯片的基础上选择了ADI公司的经典的Blackfin系列芯片之一ADSP-BF533，应用配套的集成开发环境VisualDSP++完成了软件部分的设计和仿真。 本文以麦克风阵列语音增强的基本理论为切入点，深入研究和比较了各类麦克风阵列语音增强和时延估计算法，在此基础上，针对特定的应用环境，以典型的GSC算法为核心提出了一种基于ADSP-BF533处理器的麦克风阵列语音增强系统的软件实现方案，并在选定的DSP平台上予以实时实现。仿真实验表明，该方案取得了较为理想的语音增强效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1语音增强的意义及其应用背景简介

1.2麦克风阵列语音增强概述

1.2.1麦克风阵列概述

1.2.2麦克风阵列语音增强的主要方法

1.3麦克风阵列语音增强算法的主要难点

1.4嵌入式语音增强系统的DSP实现

1.5本文的主要工作

第二章麦克风阵列语音增强的理论基础

2.1房间声场模型

2.1.1房间干扰模型

2.1.2近场和远场

2.2麦克风阵列模型

2.2.1远场线形阵列的波束形成图

2.2.2波束模式

2.2.3麦克风阵列的拓扑结构

2.3语音活动检测和时延估计

2.3.1语音活动检测

2.3.2时延估计

第三章麦克风阵列系统中的时延估计方法研究

3.1自适应时延估计法

3.2广义互相关时延估计法

3.3互功率谱相位时延估计法

3.3.1互功率谱相位时延估计法的基本原理

3.3.2互功率谱相位时延估计法的性能分析

3.3.3CSP法的计算机实验结果

3.4一种改进的互功率谱相位时延估计法——GCSP法

3.4.1GCSP法的基本原理

3.4.2GCSP法的计算机实验结果

3.5基于瞬时相干函数的基本互相关法

3.5.1基本原理

3.5.2计算机实验结果

第四章麦克风阵列语音增强的主要算法研究

4.1固定波束形成方法

4.1.1基本原理

4.1.2性能分析

4.2自适应波束形成方法

4.2.1线性约束自适应波束形成方法

4.2.2广义旁瓣抵消器

4.3自适应后置滤波波束形成方法

4.4基本麦克风阵列语音增强算法的仿真结果与分析

第五章基于ADSP-BF533的麦克风阵列语音增强方案和实现

5.1麦克风阵列语音增强系统的硬件设计方案

5.1.1ADSP-BF533简介

5.1.2硬件设计方案

5.2麦克风阵列语音增强系统的软件设计方案

5.2.1软件参量的确定

5.2.2软件流程

5.3软件方案的仿真

5.3.1集成开发环境Visual DSP++简介

5.3.2软件仿真结果分析

5.3.3硬件仿真

第六章总结和展望

6.1本文的工作总结

6.2未来的工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢