基于兩個(gè)時(shí)域LMS算法的雙麥克風(fēng)系統(tǒng)分析

范鳶春

【摘要】 本文介紹了基于兩個(gè)時(shí)域LMS算法的雙麥克風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及性能分析。本文提出一種采用兩個(gè)時(shí)域LMS的算法，并將此算法和傳統(tǒng)的ANC算法進(jìn)行比較，分析了在不同背景噪聲下的性能，改進(jìn)了雙麥克風(fēng)系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】 雙麥克風(fēng) 時(shí)域LMS 系統(tǒng)仿真 噪聲模型

Analysis of Time-Domain Two LMS Based Dual-Microphone System

Fan Yuanchun （Marvell Technology Hefei Branch， Anhui Hefei 230001， China）

Abstract This paper introduces the system framework and performance of dual microphone system based on the time domain two LMS algorithm. It introduces a new approach which use time domain two LMS algorithm， compares with legacy ANC algorithm，

analyzes the performance in different background noise， and improve the dual-microphone performance.

Keywords dual-microphone， time domain LMS， system simulation， noise model

一、引言

在我們的語(yǔ)音通信中，語(yǔ)音信號(hào)會(huì)不可避免地受到噪聲的干擾，強(qiáng)背景噪聲甚至?xí)?yán)重影響語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量。因此，在語(yǔ)音通信中必須采取先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)抵消背景噪聲、提高語(yǔ)音質(zhì)量。雙麥克風(fēng)系統(tǒng)是消除語(yǔ)音通信中噪聲干擾的有效方法，其原理是一個(gè)輔助麥克風(fēng)用于拾取背景噪聲，在主麥克風(fēng)信號(hào)中減去噪聲干擾，盡可能從帶噪語(yǔ)音信號(hào)中提取純凈的原始語(yǔ)音。

Widrow、Hoff于1959年提出最小均方算法，即LMS（Least Mean Square）算法。在1965年，首次實(shí)現(xiàn)了基于LMS算法的自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)；隨后自適應(yīng)噪聲抵消在信號(hào)處理、地震和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

二、系統(tǒng)框圖

圖1為傳統(tǒng)的ANC（Adaptive Noise Cancellation，自適應(yīng)噪聲抵消）框圖， 它只有一個(gè)濾波器， 以輔麥克風(fēng)輸入為參考信號(hào)，以主麥克風(fēng)信號(hào)為期望信號(hào)。

語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)G1（z）和G2（z）后分別到達(dá)兩個(gè)麥克風(fēng)，一般地輔助麥克風(fēng)信號(hào)會(huì)比主麥克風(fēng)有一定程度的衰減：

S2（n）=aS1（n-d）

噪聲有各種類型，如平穩(wěn)白噪聲，非平穩(wěn)噪聲等，一般常用的包含babble， white， car等噪聲。噪聲經(jīng)過(guò)空間傳輸后，達(dá)到麥克風(fēng)，有：

n1（n）=n（n）*hn1（n）

n2（n）=n（n）*hn2（n）

這里筆者提出一種采用兩個(gè)時(shí)域LMS的方法，稱為time domain two-LMS，其基本原理描述如下：

時(shí)域two-LMS算法框圖如圖2所示，主要包含兩個(gè)自適應(yīng)濾波器。其中Filter1主要消除輔麥克信號(hào)當(dāng)中的語(yǔ)音，它以主麥克風(fēng)信號(hào)為參考信號(hào)，以輔麥克風(fēng)信號(hào)為期望信號(hào)，在語(yǔ)音段進(jìn)行LMS系數(shù)計(jì)算和更新；它的理想特性是完全消除輔麥克風(fēng)中的語(yǔ)音，理論上的響應(yīng)a*z^-d；實(shí)際使用時(shí)，先通過(guò)校正的方法得到模型當(dāng)中的衰減和延時(shí)，做為濾波器的初始系數(shù)。

Filter2主要消除主麥克風(fēng)信號(hào)中的噪聲，它以Filter1的輸出為參考信號(hào)，以主麥克風(fēng)信號(hào)為期望信號(hào)，在噪聲段進(jìn)行LMS系數(shù)計(jì)算和更新。

注意到Filter1和 Filter2是一個(gè)在語(yǔ)音段計(jì)算，另外一個(gè)在噪聲段計(jì)算。因此VAD（Voice Activity Detection，語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)）的判斷對(duì)兩個(gè)LMS的收斂控制很關(guān)鍵。單麥克風(fēng)判斷VAD時(shí)一般是采用統(tǒng)計(jì)能量后再判斷能量與域值的大小的方法，雙麥克風(fēng)判斷VAD時(shí)可以進(jìn)一步利用兩個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)之間關(guān)系如相關(guān)性/信號(hào)幅度差等信息。例如，在我們的信號(hào)模型中，語(yǔ)音段和噪聲段的信號(hào)相關(guān)值會(huì)有所不同。在有語(yǔ)音時(shí)，兩個(gè)麥克風(fēng)的相關(guān)峰值出現(xiàn)在信號(hào)的延時(shí)d上，比較確定；而在噪聲段時(shí)，根據(jù)噪聲的特性，相關(guān)峰值會(huì)有所不同，若假設(shè)噪聲到達(dá)兩個(gè)麥克風(fēng)的路徑基本一致，則近似認(rèn)為噪聲的相關(guān)峰值出現(xiàn)在零點(diǎn)附近。另外兩個(gè)麥克風(fēng)之間在語(yǔ)音段時(shí)，存在較大的幅度差，添加幅度統(tǒng)計(jì)或能量統(tǒng)計(jì)能作為另外一個(gè)判斷VAD的條件。

三、仿真分析

當(dāng)存在混響時(shí)，對(duì)LMS算法的結(jié)果進(jìn)行分析，源信號(hào)的譜圖如圖3。

添加pink噪聲，不同信噪比下的含噪語(yǔ)音如圖4示。

3.1 ANC處理結(jié)果

（圖5、6）

3.2 time domain two-LMS處理結(jié)果

（圖7、8）

對(duì)ANC和two-LMS的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，信號(hào)源使用第一部分的信號(hào)源。從作用上看，Two-LMS的Filter1是為了消除輔麥克當(dāng)中的語(yǔ)音信號(hào)。從理論上說(shuō)，若Fiter1能準(zhǔn)確跟蹤到主輔麥克之間的幅度和分?jǐn)?shù)延時(shí)的話，則它的效果應(yīng)更接近理想。

可以看出，two-LMS在低信噪比時(shí)仍然有較好的結(jié)果，另外這里在仿真時(shí)需要將期望信號(hào)延時(shí)長(zhǎng)一些才能得到比較好的結(jié)果。

四、 結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)ANC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種采用兩個(gè)時(shí)域LMS的方法。通過(guò)系統(tǒng)仿真，比較了在不同信噪比下ANC 和Two-time LMS的仿真結(jié)果，分析結(jié)果表明Two-time LMS結(jié)果較優(yōu)；另外當(dāng)采用Two-Time LMS時(shí)，需要控制Filter1的收斂速度，以防止出現(xiàn)系數(shù)較大波動(dòng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張賢達(dá)，現(xiàn)代信號(hào)處理。清華大學(xué)出版社，2003

[2]王布宏 郭英，頻域LMS算法在語(yǔ)音消噪中的應(yīng)用，空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，第1卷第3期，2000.08

[3] S.Haykin， Adaptive Filter Theory， Fourth Edition. Beijing Publishing House of Electronic Industry， 2002

[4] J.S. Lim and A.V. Oppenheim. Enhancement and bandwidth compression of noisy speech. Proceedings of IEEE， 1979， 67（12）：1586-1604