麦克风阵列语音增强系统设计与实现

论文摘要

通常情况下,语音难以避免的会受到来自周围环境的干扰。噪声降低了语音的信噪比和可懂度,严重时将导致语音处理系统无法正常工作。语音增强作为前置处理方案是抑制干扰的有效途径。由于传统的单麦克风技术提供的信息仅限于时/频信息,因此其降噪性能并不理想。而麦克风阵列可以提供空域和时/频信息,能够更好的解决该问题。麦克风阵列语音增强是近些年来研究的热门课题。麦克风阵列语音增强涉及时延估计（Time Delay Estimation）和波束形成（Beamforming）两项关键技术。本文着重对这两种技术进行了研究。在时延估计方面,研究了相位变换加权的广义互相关时延估计算法性能,给出了算法在-20dB10dB的信噪比下的性能分析;利用麦克风阵列语音数据库分析了算法在实际情况下的性能;对时延估计算法在处理数字信号时的精度问题进行了分析,证明了整数倍时延估计的实用性。波束形成方面,利用宽带频域波束形成器对固定波束形成器进行改进,实现了在语音频段内的恒定束宽波束形成器,解决了固定波束形成器对低频干扰消噪性能不佳的问题。最后本文给出了一种可行的麦克风阵列语音增强系统的设计,对系统的软硬件实现作了详细的论述,对系统实现过程中遇到的问题和解决方法进行行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 语音增强的研究历史
• 1.2 语音和噪声的特性
• 1.2.1 语音的特性
• 1.2.2 噪声特性
• 1.2.3 带噪语音模型
• 1.3 麦克风阵列语音增强概述
• 1.3.1 麦克风阵列的特点
• 1.3.2 麦克风阵列的研究历史
• 1.3.3 麦克风阵列语音增强算法概述
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 麦克风阵列时延估计
• 2.1 麦克风阵列的时延模型
• 2.2 广义互相关时延估计
• 2.2.1 最大似然加权
• 2.2.2 相位变换加权
• 2.3 时延估计的仿真分析
• 2.4 时延估计的精度分析
• 第三章 麦克风阵列波束形成
• 3.1 波束形成的基本理论
• 3.1.1 空间采样定理
• 3.2 固定波束形成技术
• 3.2.1 延迟-求和波束形成器
• 3.2.2 延迟-求和波束形成器的性能分析
• 3.3 自适应波束形成器
• 3.4 改进的固定波束形成器
• 第四章 硬件系统设计
• 4.1 系统的性能指标
• 4.2 系统设计问题
• 4.3 系统的主要构成器件
• 4.4 前端抗混叠滤波器的设计
• 4.5 系统各主要部件之间的连接
• 4.5.1 DSP 与ADC 的通信
• 4.5.2 DSP 与DAC 的通信
• 4.6 系统的频率响应
• 第五章 软件系统设计
• 5.1 启动加载程序
• 5.1.1 程序的链接知识
• 5.1.2 启动代码的编写
• 5.2 驱动程序实现
• 5.2.1 ADC 驱动程序设计
• 5.2.2 DAC 驱动程序设计
• 5.3 语音增强软件设计
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献