CN107864444A - 一种麦克风阵列频响校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种麦克风阵列频响校准方法，包括以下步骤：S1：电音频信号w(n)经扬声器和声传播信道到达麦克风阵列，麦克风阵列输入声信号为x(n)；S2：声信号x(n)经过k个不同的麦克风及前置放大器，分别得到不同的电信号x₁(n)～x_k(n)；S3：电信号x₁(n)～x_k(n)分别当作各路校准滤波器的输入信号用于调整各校准滤波器的滤波系数；S4：根据上述调整方式，计算各校准滤波器的滤波系数，以完成麦克风阵列的频响校准。该方法使同一阵列中不同麦克风的频响接近一致，从而提高了麦克风阵列的信号处理能力。

Description

一种麦克风阵列频响校准方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种麦克风阵列频响校准方法。

背景技术

声音是人类广泛使用的信息载体，音频信号是信号处理技术的一个重要研究对象。麦克风作为声音传感器，在声音信号处理中发挥着重要的作用。由于单个麦克风具有声音拾取范围有限及噪声抑制能力弱，无法满足日益增长的音频信号质量要求，人们提出了麦克风阵列技术。由于其在时域、频域外还引进了空间域的信息，故对声音信号的处理能力得到增强，目前已成为众多高质量音频处理应用中的首选目标。作为声音信息采集工具，麦克风阵列对阵列音频处理领域中有着重要的作用。麦克风拾取声音过程一般由以下两个部分组成：(1)声信号转换成电信号；(2)电信号再经过前置放大器得到足够大的电信号。由于麦克风声-电参数的离散性或放大器中元器件参数的离散性等原因，不同麦克风之间不论是声/电信号转换模块还是前置放大器模块均会存在一些差异。这些差异在廉价麦克风或不同品牌的麦克风之间更为明显。这种差异导致了同一阵列中各麦克风之间的频率响应互不相同。具体表现为：同一位置不同的麦克风拾取同一段声信号时，所得到的电信号之间均存在着一定的差异。麦克风之间的频响差异会直接影响后续的音频信号处理结果，如声场感知、语音增强等算法的性能。然而，由于硬件电路等原因，同一阵列中的各个麦克风频率响之间往往存在一些差异。麦克风阵列的一些应用如声场感知、语音增强等都将受到上述差异的影响，导致处理性能下降。因此，校准同一阵列中各个麦克风的频响，使它们接近一致就成为麦克风阵列中的一个现实技术需求。现有技术中关于麦克风阵列的增益校准技术中由于只校准麦克风阵列中各麦克风之间的增益，并不能保证各麦克风在频响上相互一致，导致校准后各麦克风的幅频响应和相频响应仍然存在一定差异

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种麦克风阵列频响校准方法，包括以下步骤：

S1：电音频信号w(n)经扬声器和声传播信道到达麦克风阵列，麦克风阵列输入声信号为x(n)；

S2：声信号x(n)经过k个不同的麦克风及前置放大器，分别得到不同的电信号x₁(n)～x_k(n)；

S3：电信号x₁(n)～x_k(n)分别当作各路校准滤波器的输入信号用于调整各校准滤波器的滤波系数；所述准滤波器的滤波系数的调整方式为：通过调整各路滤波器的滤波系数使输出信号y₁(n)～y_k(n)均向目标信号d(n)逼近，逼近原则是使y₁(n)～y_k(n)与d(n)之间的均方误差分别最小；

S4：根据上述调整方式，计算各校准滤波器的滤波系数，以完成麦克风阵列的频响校准。

进一步的，当各路校准滤波器输出信号y₁(n)～y_k(n)向目标信号d(n)逼近实现阵列频响校准时采用如下方式：设一帧数字信号的长度为N，则第i路校准滤波器的输入信号x_i(n)与目标信号d(n)写成以下向量形式

x_i＝[x_i(0),x_i(1),...,x_i(N-1)]^T (2)

d＝[d(0),d(1),...,d(N-1)]^T (3)

其中，[]^T表示向量或矩阵的转置，列出以下代价函数

其中，Σ表示级数求和，使代价函数J最小，求出目标信号d(n)为

d＝(x₀+x₁+...+x_k)/k (5)

即，目标信号的向量形式d等于对各滤波器的输入向量之和求平均。

当目标信号d(n)确定后，以第i路滤波器输出信号y_i(n)与目标信号d(n)之间的均方误差最小为准则，计算出第i路滤波器系数h_i(n)采用如下方式：

y_i＝[y_i(0),y_i(1),...,y_i(N-1)]^T (6)

则y_i(n)与d(n)之间误差信号e_i(n)写成以下向量形式

e_i＝[e_i(0),e_i(1),...,e_i(N-1)]^T＝y_i-d (7)

列出另一组代价函数

F_i＝e_i ^Te_i (8)

其中，i＝1,2,...,k，k为待校准麦克风的个数，使F_i最小，计算出第i路校准滤波器的滤波系数h_i(n)，计算规则为：

h_i＝[h_i(0),h_i(1),...,h_i(M_i-1)]^T＝(X_i ^TX_i)^-1D^Tx_{i_m} (9)

其中，x_{i_m}是由第i路校准滤波器输入向量的前N-M_i+1个元素组成的向量，即

x_{i_m}＝[x_i(0),x_i(1),...,x_i(N-M_i)]^T (10)

而式(9)中的X_i与D分别为

当i从1取到k时，用上述方法计算出每路校准滤波器的滤波系数，完成麦克风阵列频响校准。

当分别对多帧输入数据时进行校准，对得到的多组滤波器系数进行融合、得到滤波器系数采用如下方式：

设第i路麦克风经过Q帧数据进行校准，根据式(9)得到Q组滤波器系数向量分别为h_{i_1}、h_{i_2}、...h_{i_Q}，其中，h_{i_Q}表示第i路麦克风在第Q帧输入数据得到的滤波器系数向量；此外，Q个滤波器系数向量的平均向量定义为

H_i＝(h_{i_1}+h_{i_2}+...+h_{i_Q})/Q (13)

第i路第q帧滤波器系数向量的方差向量定义为

δ_{i_q}＝(h_{i_q}-H_i)·(h_{i_q}-H_i) (14)

其中，符号“·”表示向量点乘，q＝1,2,...,Q，第i路第q帧滤波器系数向量的方差倒数向量θ_{i_q}被定义为

θ_{i_q}＝[1/δ_{i_q}(0),1/δ_{i_q}(1),...,1/δ_{i_q}(M_i-1)]^T (15)

即，向量θ_{i_q}中的每个元素分别是向量δ_{i_q}所对应元素的倒数，关于第i路校准滤波器，其滤波器系数向量的方差倒数向量和被定义为

θ_i＝θ_{i_1}+θ_{i_2}+。。。+θ_{i_Q} (16)

根据θ_i和θ_{i_q}(q＝1,2,...,Q)得出Q个滤波器系数权重向量C_{i_1}，C_{i_2}，...，C_{i_q}，...，C_{i_Q}，其中，

C_{i_q}＝[θ_{i_q}(0)/θ_i(0),θ_{i_q}(1)/θ_i(1),...,θ_{i_q}(M_i-1)/θ_i(M_i-1)]^T (17)

根据h_{i_q}和C_{i_q}得出第i路校准滤波器最终的滤波系数

h_i＝h_{i_1}·C_{i_1}+h_{i_2}·C_{i_2}+...+h_{i_Q}·C_{i_Q} (18)

其中，i＝1,2,...,k，k为麦克风数量。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种麦克风阵列频响校准方法,该方法使同一阵列中不同麦克风的频响接近一致，从而提高了麦克风阵列的信号处理能力。因此，一些麦克风阵列的应用，如声源定位或语音增强的性能都采用本发明公开的麦克风阵列频响校准方法来对信号进行处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明麦克风阵列频响校准方法的流程图；

图2为本发明中麦克风与扬声器、麦克风与麦克风之间的距离示意图；

图3为本发明中校准滤波器的工作原理图；

图4为本发明中麦克风阵列频响校准方法的效果示意图；

图5为本发明中麦克风阵列频响校准方法的效果示意图；

图6为本发明中麦克风阵列频响校准方法的效果示意图；

图7为本发明中麦克风阵列频响校准方法的效果示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种麦克风阵列频响校准方法，具体包括以下步骤：

S1：电音频信号w(n)经扬声器和声传播信道到达麦克风阵列，麦克风阵列输入声信号为x(n)；

S2：声信号x(n)经过k个不同的麦克风及前置放大器，分别得到不同的电信号x₁(n)～x_k(n)；

S3：电信号x₁(n)～x_k(n)分别当作各路校准滤波器的输入信号用于调整各校准滤波器的滤波系数；所述准滤波器的滤波系数的调整方式为：通过调整各路滤波器的滤波系数使输出信号y₁(n)～y_k(n)均向目标信号d(n)逼近，逼近原则是使y₁(n)～y_k(n)与d(n)之间的均方误差分别最小；

S4：根据上述调整方式，计算各校准滤波器的滤波系数，以完成麦克风阵列的频响校准。

如图1所示：本方法中需要不同麦克风的输入信号均为x(n)，即不同麦克风之间需保持相同的输入信号。然而，在实际环境中由于麦克风的位置各不相同，导致各麦克风接收到的信号之间均存在差异。校准时，为使各麦克风的接收信号之间接近一致，扬声器与麦克风阵列的摆放规则如图2所示，其中：(1)扬声器与麦克风阵列之间的距离L保持足够大；(2)麦克风之间的距离l应足够小。

进一步的，校准滤波器由k个FIR滤波器组成，其作用是使待校准麦克风之间的频响相互逼近。定义第i个麦克风所对应的校准滤波器输入信号为x_i(n)，输出为滤波结果y_i(n)，即

其中，M_i为第i路校准滤波器的阶数，h_i(m)为第m个滤波器系数，y_i(n)为n时刻的滤波结果，x_i(n-m)为n-m时刻的输入信号，i的取值范围为1～k之间的整数。该滤波器框图如图3所示。此外，第i路校准滤波器的滤波系数h_i(m)取决于其滤波器输入信号x_i(n)与目标信号d(n)。当输入信号w(n)确定之后，第i路滤波器输入信号x_i(n)仅取决于第i个麦克风与前置放大器的频率响应，所以目标信号d(n)的计算显得尤为重要。

进一步的，为了使各路校准滤波器输出信号y₁(n)～y_k(n)向目标信号d(n)逼近，从而达到校准目的。设一帧数字信号的长度为N，则第i路校准滤波器的输入信号x_i(n)与目标信号d(n)均可写成以下向量形式

x_i＝[x_i(0),x_i(1),...,x_i(N-1)]^T (2)

d＝[d(0),d(1),...,d(N-1)]^T (3)

其中，[]^T表示向量或矩阵的转置。为使目标信号与每个滤波器的输入信号之间的均方误差最小，可列出以下代价函数

其中，Σ表示级数求和。使代价函数J最小，可求出目标信号d(n)为

d＝(x₀+x₁+...+x_k)/k (5)

即，目标信号的向量形式d等于对各滤波器的输入向量之和求平均。

滤波器系数采用如下方式计算：

当目标信号d(n)确定之后，本发明以第i路滤波器输出信号y_i(i)与目标信号d(n)之间的均方误差最小为准则，计算出第i路滤波器系数h_i(n)。定义第i路校准滤波器的输出信号y_i(n)的向量形式为

y_i＝[y_i(0),y_i(1),...,y_i(N-1)]^T (6)

则y_i(i)与d(n)之间误差信号e_i(n)可写成以下向量形式

e_i＝[e_i(0),e_i(1),...,e_i(N-1)]^T＝y_i-d (7)

此时，可列出另一组代价函数

F_i＝e_i ^Te_i (8)

其中，i＝1,2,...,k，k为待校准麦克风的个数。使F_i最小，可算出第i路校准滤波器的滤波系数h_i(n)，计算规则为：

h_i＝[h_i(0),h_i(1),...,h_i(M_i-1)]^T＝(X_i ^TX_i)^-1D^Tx_{i_m} (9)

其中，x_{i_m}是由第i路校准滤波器输入向量的前N-M_i+1个元素组成的向量，即

x_{i_m}＝[x_i(0),x_i(1),...,x_i(N-M_i)]^T (10)

而式(9)中的X_i与D分别为

当i从1取到k时，用上述方法可算出每路校准校准滤波器的滤波系数，从而完成麦克风阵列频响校准校准。

为了进一步提高校准效果，可通过上述方法分别对多帧输入数据时进行校准，然后对得到的多组滤波器系数进行融合，从而得到更精准的滤波器系数。设第i路麦克风经过Q帧数据进行校准，根据式(9)可得到Q组滤波器系数向量，分别为h_{i_1}、h_{i_2}、...h_{i_Q}，其中，h_{i_Q}表示第i路麦克风在第Q帧输入数据得到的滤波器系数向量。此外，Q个滤波器系数向量的平均向量可定义为

H_i＝(h_{i_1}+h_{i_2}+...+h_{i_Q})/Q (13)

此时，第i路第q帧滤波器系数向量的方差向量可定义为

δ_{i_q}＝(h_{i_q}-H_i)·(h_{i_q}-H_i) (14)

其中，符号’·’表示向量点乘，q＝1,2,...,Q。第i路第q帧滤波器系数向量的方差倒数向量θ_{i_q}被定义为

θ_{i_q}＝[1/δ_{i_q}(0),1/δ_{i_q}(1),...,1/δ_{i_q}(M_i-1)]^T (15)

即，向量θ_{i_q}中的每个元素分别是向量δ_{i_q}所对应元素的倒数。关于第i路校准滤波器，其滤波器系数向量的方差倒数向量和被定义为

θ_i＝θ_{i_1}+θ_{i_2}+。。。+θ_{i_Q} (16)

此时，根据θ_i和θ_{i_q}(q＝1,2,...,Q)可得出Q个滤波器系数权重向量C_{i_1}，C_{i_2}，...，C_{i_q}，...，C_{i_Q}。其中，

C_{i_q}＝[θ_{i_q}(0)/θ_i(0),θ_{i_q}(1)/θ_i(1),...,θ_{i_q}(M_i-1)/θ_i(M_i-1)]^T (17)

最后，根据h_{i_q}和C_{i_q}得出第i路校准滤波器最终的滤波系数

h_i＝h_{i_1}·C_{i_1}+h_{i_2}·C_{i_2}+...+h_{i_Q}·C_{i_Q} (18)

其中，i＝1,2,...,k，k为麦克风数量。

为了验证本发明的方法的效果，采用频率响应不同的两个麦克风进行校准实验，其幅频响应和相频响应分别如图4、图5所示。由图4、图5可见，两个麦克风频响在通带、阻带、幅频、相频等均存在一定差异。

采用本发明提出的校准方法对上述两个麦克风进行校准。***参数选择如下：采样频率为16KHz，麦克风个数k＝2，一帧数字信号长度N＝32768，两个校准滤波器的阶数M₁＝M₂＝128，输入数据帧数Q＝2，输入信号w(n)为均匀白噪声。校准结果如图6、图7所示。可以看出校准后两个麦克风频响在通带、阻带、幅频、相频上均相互逼近。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种麦克风阵列频响校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：电音频信号w(n)经扬声器和声传播信道到达麦克风阵列，麦克风阵列输入声信号为x(n)；

S2：声信号x(n)经过k个不同的麦克风及前置放大器，分别得到不同的电信号x₁(n)～x_k(n)；

S3：电信号x₁(n)～x_k(n)分别当作各路校准滤波器的输入信号用于调整各校准滤波器的滤波系数；所述准滤波器的滤波系数的调整方式为：通过调整各路滤波器的滤波系数使输出信号y₁(n)～y_k(n)均向目标信号d(n)逼近，逼近原则是使y₁(n)～y_k(n)与d(n)之间的均方误差分别最小；

S4：根据上述调整方式，计算各校准滤波器的滤波系数，以完成麦克风阵列的频响校准。

2.根据权利要求1所述的一种麦克风阵列频响校准方法，其特征还在于：当各路校准滤波器输出信号y₁(n)～y_k(n)向目标信号d(n)逼近实现阵列频响校准时采用如下方式：设一帧数字信号的长度为N，则第i路校准滤波器的输入信号x_i(n)与目标信号d(n)写成以下向量形式

x_i＝[x_i(0),x_i(1),...,x_i(N-1)]^T (2)

d＝[d(0),d(1),...,d(N-1)]^T (3)

其中，[]^T表示向量或矩阵的转置，列出以下代价函数

其中，Σ表示级数求和，使代价函数J最小，求出目标信号d(n)为

d＝(x₀+x₁+...+x_k)/k (5)

即，目标信号的向量形式d等于对各滤波器的输入向量之和求平均。

3.根据权利要求1所述的一种麦克风阵列频响校准方法，其特征还在于：当目标信号d(n)确定后，以第i路滤波器输出信号y_i(n)与目标信号d(n)之间的均方误差最小为准则，计算出第i路滤波器系数h_i(n)采用如下方式：

y_i＝[y_i(0),y_i(1),...,y_i(N-1)]^T (6)

则y_i(n)与d(n)之间误差信号e_i(n)写成以下向量形式

e_i＝[e_i(0),e_i(1),...,e_i(N-1)]^T＝y_i-d (7)

列出另一组代价函数

F_i＝e_i ^Te_i (8)

其中，i＝1,2,...,k，k为待校准麦克风的个数，使F_i最小，计算出第i路校准滤波器的滤波系数h_i(n)，计算规则为：

h_i＝[h_i(0),h_i(1),...,h_i(M_i-1)]^T＝(X_i ^TX_i)^-1D^Tx_{i_m} (9)

其中，x_{i_m}是由第i路校准滤波器输入向量的前N-M_i+1个元素组成的向量，即

x_{i_m}＝[x_i(0),x_i(1),...,x_i(N-M_i)]^T (10)

而式(9)中的X_i与D分别为

当i从1取到k时，用上述方法计算出每路校准滤波器的滤波系数，完成麦克风阵列频响校准。

4.根据权利要求3所述的一种麦克风阵列频响校准方法，其特征还在于：当分别对多帧输入数据时进行校准，对得到的多组滤波器系数进行融合、得到滤波器系数采用如下方式：

设第i路麦克风经过Q帧数据进行校准，根据式(9)得到Q组滤波器系数向量分别为h_{i_1}、h_{i_2}、...h_{i_Q}，其中，h_{i_Q}表示第i路麦克风在第Q帧输入数据得到的滤波器系数向量；此外，Q个滤波器系数向量的平均向量定义为

H_i＝(h_{i_1}+h_{i_2}+...+h_{i_Q})/Q (13)

第i路第q帧滤波器系数向量的方差向量定义为

δ_{i_q}＝(h_{i_q}-H_i)·(h_{i_q}-H_i) (14)

其中，符号“·”表示向量点乘，q＝1,2,...,Q，第i路第q帧滤波器系数向量的方差倒数向量θ_{i_q}被定义为

θ_{i_q}＝[1/δ_{i_q}(0),1/δ_{i_q}(1),...,1/δ_{i_q}(M_i-1)]^T (15)

即，向量θ_{i_q}中的每个元素分别是向量δ_{i_q}所对应元素的倒数，关于第i路校准滤波器，其滤波器系数向量的方差倒数向量和被定义为

θ_i＝θ_{i_1}+θ_{i_2}+。。。+θ_{i_Q} (16)

根据θ_i和θ_{i_q}(q＝1,2,...,Q)得出Q个滤波器系数权重向量C_{i_1}，C_{i_2}，...，C_{i_q}，...，C_{i_Q}，其中，

C_{i_q}＝[θ_{i_q}(0)/θ_i(0),θ_{i_q}(1)/θ_i(1),...,θ_{i_q}(M_i-1)/θ_i(M_i-1)]^T (17)

根据h_{i_q}和C_{i_q}得出第i路校准滤波器最终的滤波系数

h_i＝h_{i_1}·C_{i_1}+h_{i_2}·C_{i_2}+...+h_{i_Q}·C_{i_Q} (18)

其中，i＝1,2,...,k，k为麦克风数量。