CN112235052B - 基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置，其方法包括：步骤A：发送端接收音频信号，对音频信号进行音频编码，再进行空间编码后音频信号发送至接收端；步骤B：接收端对接收的音频信号进行解码，得到瞬时波束的权重向量。本公开基于麦克风阵列实现了远场声波通信，具有抗噪、抗干扰，安全性高等优点。

Description

基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置

技术领域

本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置。

背景技术

随着声波通信的使用越来越广泛，声波通信的硬件支持非常广泛，具有极高的通用性。由于声波通信的传输介质为空气，因此设备音量大小、通信距离远近、环境噪音大小都会成为声波通信使用中的影响因素，这也限制了声波通信的应用。

目前声波通信多应用于超近距离音频信号传输的使用场景，仅仅能够传递低速率、微小数据量的控制信息，编码效率较低。另外由于缺少抗噪，致使无法在实际噪声环境下应用，更无法进行较远距离的数据传输，数据传输速率严重受损，难以适应真实应用场景。此外，现有声波通信方法中通常只是简单将字符编码成数字，再转换成对应频率的单频信号，播放这些信号时，接收端再根据频率检测转换回原始数字和字符。编码效率较低，导致传输速率低下，同时缺少抗噪能力和远场音频信息传输能力，同样难以适应真实应用场景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法，包括：

利用发送端获取音频信号，对音频信号进行音频编码，将音频信号与数字信号相对应，得到数字信号；

对数字信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵；

再进行空间编码，得到空间编码矩阵。

在本公开的一些实施例中，所述利用发送端获取音频信号，对音频信号进行音频编码，将音频信号与数字信号相对应，得到数字信号包括：

将音频信号与数字信号相对应，设函数

为数字信号编码s(t)和音频信号编码x(t)的可逆映射关系，即

其中，x为音频信号，s为数字信号。

在本公开的一些实施例中，对数字信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵，包括：

将音频信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵为：

F_s(w，K)＝{f_s，0(w，K)，…，f_s，L-1(w，K)}

其中，L为编码长度，w为子频带频点，K＝{1，2，…}为当前传输数据序列号，f为频带信号。

在本公开的一些实施例中，将音频信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵中还包括：对线性编码矩阵进行频域增广，增广音频为：

其中，

为音频编码信号的时域表达，w为子频带频点，K＝{1，2，…}为当前传输数据序列号，l为时序标记，L为编码长度，H表示对该矩阵转置，X为编码信号在各个时频点的数值。

根据本公开的一个方面，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法，包括：

接收端对接收的数字信号进行解码，建立频域信号模型；

得到瞬时波束的权重向量。

在本公开的一些实施例中，所述接收端对接收的数字信号进行解码，建立频域信号模型包括：

接收端对接收的音频信号进行解码，频域信号模型表达为

其中，w_w表示接收方波束成形权重向量，n_w代表传输中引入的干扰及加性噪声。

在本公开的一些实施例中，所述接收端对接收的数字信号进行解码并建立频域信号模型和得到瞬时波束的权重向量间还包括：

求解MMSE优化问题，得到瞬时波束权重向量；

P(K)＝μ^-1P(K-1)-μ^-1g(K)y^H(K)P(K-1)

其中，v(φ_w)为空间约束矢量，用于控制波束成形的质量。

在本公开的一些实施例中，使用迭代式优化求解MMSE优化问题，包括：

定义二阶统计变量

Φ(K)＝μΦ(K-1)+y(K)y^H(K)

其中μ代表用于调整优化收敛的标量(取值范围0～1)，及

P(K)＝Φ^-1(K)

P(K)通过迭代方式计算为：

P(K)＝μ^-1P(K-1)-μ^-1g(K)y^H(K)P(K-1)

同时利用求解优化问题得到瞬时波束权重向量为：

其中，P(K)为、Λ(K)为、g(K)均为迭代优化中间变量。

根据本公开的一个方面，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，其中，包括：

发送端，用于接收音频信号并对音频信号进行音频编码和空间编码。

根据本公开的一个方面，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，其中，包括：

接收端，用于对接收音频信号并进行解码，得到瞬时波束的权重向量；所述接收端还包括：统计量优化更新模块，用于求解MMSE优化问题。

根据本公开的一个方面，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，其中，包括：

发送端，用于接收音频信号并对音频信号进行音频编码和空间编码；

接收端，用于对发送端发出音频信号进行解码，得到瞬时波束的权重向量；所述接收端还包括：统计量优化更新模块，用于求解MMSE优化问题。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开基于麦克风阵列实现了远场声波通信，具有抗噪、抗干扰，安全性高等优点。

(2)本公开中进行空间编码，有效利用了麦克风阵列信号处理算法的波束成型能力。

(3)本公开局限性小，泛化能力强，适用于多种场景。

附图说明

图1为本公开实施例基于麦克风阵列的远场声波通信方法的方框图。

图2为图1中发送端的远场声波通信方法的方框图。

图3为图1中接收端的远场声波通信方法的方框图。

图4为图1中接收端的远场声波通信装置的示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置，其方法包括：步骤A：发送端接收音频信号，对音频信号进行音频编码，再进行空间编码后音频信号发送至接收端；步骤B：接收端对接收的音频信号进行解码，得到瞬时波束的权重向量。本公开基于麦克风阵列实现了远场声波通信，具有抗噪、抗干扰，安全性高等优点。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法。图1为本公开实施例基于麦克风阵列的远场声波通信方法的方框图。图2为图1中发送端的远场声波通信方法的方框图。图3为图1中接收端的远场声波通信方法的方框图。如图1至图3所示，本公开基于麦克风阵列的远场声波通信方法包括：步骤A：发送端接收音频信号，对音频信号进行音频编码，再进行空间编码后音频信号发送至接收端；步骤B：接收端对接收的音频信号进行解码，得到瞬时波束的权重向量。

关于步骤A具体包括：

子步骤A1：将音频信号与数字信号相对应，设函数

为数字信号编码s(t)和音频信号编码x(t)的可逆映射关系，即

其中，x为音频信号，s为数字信号。

子步骤A2：将音频信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵为：

F_s(w，K)＝{f_s，0(w，K)，…，f_s，L-1(w，K)}

其中，L为编码长度，w为子频带频点，K＝{1，2，…}为当前传输数据序列号，f为频带信号。

可选择的，子步骤A2中还包括：对线性编码矩阵进行频域增广，增广音频为：

其中，

为音频编码信号的时域表达，w为子频带频点，K＝{1，2，…}为当前传输数据序列号，1为时序标记，L为编码长度，H表示对该矩阵转置，X为编码信号在各个时频点的数值。

子步骤A3：进行空间编码，设编码矩阵为H(φ_w)。加入空间信息后接收方能够利用波束成形方法进行有效的信号增强及降噪。

关于步骤B具体包括：

子步骤B1：接收端对接收的音频信号进行解码，频域信号模型表达为

其中，w_w表示接收方波束成形权重向量，n_w代表传输中引入的干扰及加性噪声；H(φ_w)为空间编码矩阵；x_L为编码信号在各个时频点的数值。

子步骤B2：得到瞬时波束的权重向量。

在本公开的第一个示例性实施例中，还提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，包括：发送端和接收端。发送端用于接收音频信号并对音频信号进行音频编码和空间编码。接收端用于对发送端发出音频信号进行解码，得到瞬时波束的权重向量。

当然，上述硬件结构还应当包含电源模块(图未示)等功能模块，这些是本领域内的一般技术人员可以理解的，本领域内一般技术人员也可以根据功能的需要，添加相应的功能模块，在此不作赘述。

至此，本公开第一实施例介绍完毕。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法。与第一实施例的基于麦克风阵列的远场声波通信方法相比，本实施例基于麦克风阵列的远场声波通信方法的区别在于：在所述子步骤B1和子步骤B2间还包括：

子步骤B3：求解MMSE优化问题，得到瞬时波束权重向量；

其中，v(φ_w)为空间约束矢量，用于控制波束成形的质量；Y为接收方的接收信号，X为接收方期望信号，

为各个频点的波束成形优化向量。

求解该问题可以便用LCMP/LCMV及简化的MVDR/MPDR方法，为了适应实际运算要求，本实施例中使用迭代式优化方法：

定义二阶统计变量

Φ(K)＝μΦ(K-1)+y(K)y^H(K)

其中，μ代表用于调整优化收敛的标量，0＜μ＜1；y(K)为接收方在各个频点的信号向量，y^H(K)为y(K)的转置。

各个统计量的优化更新为：

P(K)＝Φ^-1(K)

P(K)通过迭代方式计算为：

P(K)＝μ^-1P(K-1)-μ^-1g(K)y^H(K)P(K-1)

同时利用求解优化问题得到瞬时波束权重向量为：

其中，P(K)为、Λ(K)为、g(K)均为迭代优化中间变量。

至此，完成通过迭代式优化方法进行的波束优化。

在本公开的第二个示例性实施例中，还提供了一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置。如图4所示，与第一实施例的基于麦克风阵列的远场声波通信装置相比，本实施例基于麦克风阵列的远场声波通信装置的区别在于：接收端中还包括，统计量优化更新模块，用于求解MMSE优化问题。

为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本公开第二实施例介绍完毕。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法与装置，有效利用了麦克风阵列信号处理算法的波束成型能力，具有抗噪、抗干扰，安全性高等优点。能够广泛应用于声波通信领域，尤其适用于远场声波通信领域。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟***或者其它设备固有相关。各种通用***也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类***所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法，其中，包括：

利用发送端获取音频信号，对音频信号进行音频编码，将音频信号与数字信号相对应，得到数字信号；

对数字信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵；其中，对数字信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵，包括：

将音频信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵为：

F_s(w，K)＝{f_s，0(w，K)，…，f_s，L-1(w，K)}

其中，L为编码长度，w为子频带频点，K＝{1，2，…}为当前传输数据序列号，f为频带信号；

再进行空间编码，得到空间编码矩阵；

其中，将音频信号进行频域上的扩频编码，得到线性编码矩阵中还包括：对线性编码矩阵进行频域增广，增广音频为：

其中，

为音频编码信号的时域表达，w为子频带频点，K＝{1，2，…}为当前传输数据序列号，l为时序标记，L为编码长度，H表示对该线性编码矩阵转置，X为编码信号在各个时频点的数值。

2.根据权利要求1所述的远场声波通信方法，其中，所述利用发送端获取音频信号，对音频信号进行音频编码，将音频信号与数字信号相对应，得到数字信号包括：

将音频信号与数字信号相对应，设函数

为数字信号编码s(t)和音频信号编码x(t)的可逆映射关系，即

其中，x为音频信号，s为数字信号。

3.一种基于麦克风阵列的远场声波通信方法，其中，包括：

接收端对接收的如权利要求1至2中任一项中所述的数字信号进行解码，建立频域信号模型；其中，所述接收端对接收的数字信号进行解码，建立频域信号模型包括：

接收端对接收的如权利要求1至2中任一项中所述的音频信号进行解码，频域信号模型表达为

其中，w_w表示接收端波束成形权重向量，n_w代表传输中引入的干扰及加性噪声；H(φ_w)为空间编码矩阵；x_L为编码信号在各个时频点的数值；

得到瞬时波束的权重向量。

4.根据权利要求3所述的远场声波通信方法，其中，所述接收端对接收的数字信号进行解码并建立频域信号模型和得到瞬时波束的权重向量间还包括：

求解MMSE优化问题，得到瞬时波束权重向量；

P(K)＝μ^-1P(K-1)-μ^-1g(K)y^H(K)P(K-1)

其中，v(φ_w)为空间约束矢量，用于控制波束成形的质量；Y为接收方的接收信号，X为接收方期望信号，

为各个频点的波束成形优化向量；y^H(K)为y(K)的转置；P(K)、g(K)为迭代优化中间变量；μ代表用于调整优化收敛的标量，取值范围0～1。

5.根据权利要求4所述的远场声波通信方法，其中，使用迭代式优化求解MMSE优化问题，包括：

定义二阶统计变量

Φ(K)＝μΦ(K-1)+y(K)y^H(K)

P(K)＝Φ^-1(K)

P(K)通过迭代方式计算为：

P(K)＝μ^-1P(K-1)-μ^-1g(K)y^H(K)P(K-1)

同时利用求解优化问题得到瞬时波束权重向量为：

其中，Λ(K)为迭代优化中间变量。

6.一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，其中，包括：

发送端，用于执行如权利要求1至2中任一项所述的基于麦克风阵列的远场声波通信方法。

7.一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，其中，包括：

接收端，用于执行如权利要求3至5中任一项所述的基于麦克风阵列的远场声波通信方法。

8.一种基于麦克风阵列的远场声波通信装置，其中，包括：

发送端，用于执行如权利要求1至2中任一项所述的基于麦克风阵列的远场声波通信方法；

接收端，用于执行如权利要求3至5中任一项所述的基于麦克风阵列的远场声波通信方法。

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