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1、西南科技大学自动化专业方向设计报告设计名称： 室内声环境下的传声器阵列时延估计 姓 名： 学 号: 班 级： 自动1204 指导教师： 何宏森 起止日期： 2015.11.06-2015.1.08 西南科技大学信息工程学院制方 向 设 计 任 务 书学生班级：自动1204 学生姓名： 学号： 设计名称： 室内声环境下的传声器阵列时延估计 起止日期： 2015.11.062015.1.08 指导教师： 何宏森 设计要求：在免提语音通信中，通常需要对房间中的声源定位。传声器阵列时延估计是声源定位的重要内容。房间混响、电路噪声、以及房间背景噪声等严重影响时延估计的精确性。本课题考虑在房间声环境下，利
2、用传声器阵列对声源到传声器阵列间的时延进行估计。 (1)阅读中英文参考文献，了解该课题的研究进展； (2)互相关、广义互相关、线性预测、多通道互相关系数、最小熵等方法估计时延；(3)研究信噪比变化、房间混响变化对时延估计性能的影响；(4)运用Matlab仿真实现；(5)论文撰写。方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容11.0611.15查阅资料分别了解传声器阵列以及传声器阵列的时延估计；11.1611.30明确课程设计的设计目的和意义、控制要求、设计方案论证；12.0112.15完成主程序的设计，修改和仿真；12.1612.30完成题目设计的要求，主要进行调试，并总结题目；1.08完成设计
3、报告，答辩；室内环境下的传声器阵列时延估计摘要：基于传声器阵列的声源定位技术通过传声器阵列接收语音信号并进行处理，从而确定及跟踪声源位置，是语音信号处理领域的一个新研究热点，具有广泛的应用前景和实际意义。本论文针对基于传声器阵列声源定位问题展开研究，主要做了以下几方面的工作：归纳总结并比较了主要的基于传声器阵列声源定位方法，建立了室内混响环境下房间脉冲响应的实现模型。同时研究了广义相关时延估计,多通道互相关系数时延估计法,线性预测法，最小熵估计时延的方法。关键词：传声器阵列； 声源定位； 时延估计Time Delay Estimation of microphone array in room
4、 reverberation environmentAbstract：Acoustic source localization based on microphone array can be used to determine and track an active talker automatically via picking up acoustic signal by microphone arrayIt is a hotspot in acoustic signal processing field and has wide applied foreground and practi
5、cal significationFocus on this problem，the following work has been done：Main acoustic source localization methods based on microphone array have been summarized and a realization mode of room impulse response inroom reverberation environment is proposedTime Delay Estimation(TDE)algorithms are resear
6、ched，including General Cross Correlation(GCC)algorithm and Spatial Linear Prediction Method(SLP), Multichannel Cross-Correlation CoefficientAlgorithm(MCCC) and Minimum Entropy Method(ME).Key words: microphone array; acoustic source localization; Time Delay Estimation 1 设计目的和意义1.1 时延估计简介时间延迟估计是表征信号的一
7、个基本参量，生活中人们所谓的时延是指从说话人开始讲话到受话人听到所说的内容的时间。一般人能忍受小于250ms的时延，若时延太长，会使通信双方都不舒服。 自1976年，Knapp和Carter关于广义相关的时延估计的论文发表以来，对时间延迟及其有关参量的估计一直是信号处理领域中活跃的研究方向。时间延迟估计在雷达、声纳、语音信号处理、地球物理勘探、故障诊断和生物医学工程等领域都有广泛的应用。它主要指利用信号处理的理论和方法对不同接收器所接收信号的时间差进行估计，来确定其它相关参量，如信源的距离、方位、速度和移动方向等。根据不同的测量环境、测量要求和不同信号的特性，分别有不同的时延估计方法，通常用到
8、的时延估计方法有相位法、双谱法、相关法、自适应滤波器参数模型法等。随着信号处理方法不断发展和完善，现代信号处理的各种算法引入到时延估计方法中，对多径时延、可变时延提高时延估计的精度、减小了计算量。1.2 时延估计进展自20世纪70年代起传声器阵列开始用于语音信号处理以来，到目前为止已经设计出各种各样的声源定位技术其中尤其是基于到达时间延迟的声源定位技术因其良好的实时性、计算量也不大而成为目前研究的热点之一。目前国际上主要的基本时延估计方法有相关法、广义加权相关时延估计算法、相关函数和功率谱密度函数、自适应时延估计算法等不同的方法。在时延估计算法中，相关法是最经典的时延估计方法，它通过信号的自相
9、关函数滞后的峰值估计信号之间延迟的时间差。这种方法简单易懂，容易实现，但它的不足之处是要求信号和噪声、噪声和噪声互不相关，对非平稳信号和可变时延估计的估计误差大，甚至不能估计。基于到达时间延迟的声源定位方法（TDOA）需要先估算出声源与传声器阵列各阵元之间的相对时差，然后根据得到的时差推导计算声源至各阵元之间的距离之差，最后再利用搜索算法或几何算法得到声源所处的位置故其实现可分为两步进行，即第一步估算出声音信号至传声器阵元之间的相对时间延迟，候选实现算法有：广义互相关函数法，多通道互相关系数（MCCC）算法等；第二步再利用所得的延迟值进行数学建模并利用阵元空间位置信息进行定位，具体实现算法有角
10、度距离定位算法、球形差值定位算法。其示意图如图1-1所示利用延迟数据进行声源定位估计各传声器对之间的声源信号到达时间延迟按一定位置摆放的传声器阵列接受声源信号 图1-1 基于时延估计的声源定位方法示意图广义加权相关时延估计算法(GCC)在作相关之前对接收信号进行预白处理，增强了信号中信噪比较高的频率成分，提高了信噪比，从而提高了时延估计精度。由于广义相关法是相关法的一种扩展，它仍然是统计学意义上的相关，实现起来有一定的难度，所以广义加权相关法一般用有限时间的函数值代替统计学上的时延真值，作为相关函数的估值进行时延估计。相关函数和功率谱密度函数是一对傅立叶变换对，信号的相似性既可由相关函数在时域
11、比较，也可由功率谱密度函数在频域比较，所以时延估计也可在频域实现。时延D通过傅立叶变换在频域上表现为功率谱密度函数的相位函数，从而通过相位函数对时延进行估计。2 设计方案论证2.1 时延估计的物理含义通常，假定信号在信道中以无色散球面波的方式传播，为了简化分析和研究，通常将信号源和接收器考虑在同一个平面中，从而将问题化简为二维定位问题。这样，在二维空间中，球面波退化为柱面波。如图2-1所示，由于信号到达两个传声器的路径不同，将会相隔一段时间差，这段时间差称为时延。而波阵面到达两个传声器之间的距离差称为声程差，等于介质中声音传播速度与时延的乘积。 波阵面 信号源声程差 传感器 传感器图2-1 由
12、声源辐射的波阵面产生的时延 假设声源与传声器距离较远，符合远场条件，则它辐射的信号可以看作是以平面波的形式传播，如图2-2所示： H=CxD q L 图2-2 远场条件下时延估计用于定向的原理图L为两传声器之间的距离，D表示信号到达两传声器之间的时延，C表示声速，H为声程差，则根据几何关系可知，声源相对与传声器阵列的方向角为： =cos-1(Hl)=cos-1(CDL) (2-1)可知，知道了时延D，就可以计算出方位角。即通过时延来确定声源位置的理论是可行的。对图2-2所示的双基元被动定位系统，在无混响影响，且相关噪声较弱的情况下，有如下理想数学模型：x1t=st+w1t x2t=st+D+w
13、2(t) （2-2）式2-2中x1(t)和x2(t)分别为两传声器的接收信号，s(t)为x1(t)接收到的声源信号，D为两传声器之间的相对时延，是声波相对衰减系数，w1(t)和w2(t)是两传声器接收到的加性高斯噪声，且假设s(t)、w1(t)和w2(t)为互不相关的平稳随机过程。可见，时延估计就是根据不同位置接收器所接收到的同源信号，估计出其中所包含的时延信息，即用信号处理的方法求D的问题。时延估计的精度越高，定位误差就越小，每种时延估计方法各有利弊，应根据具体情况，结合精度要求和运算量限制进行选择。2.2 近场阵列信号接收模型近场环境下，传感器阵列接收信号的模型如图2-2 所示。 图2-2 近场阵列接收信号模型图 2-2中，c 为声速，r 为声源到传感器之间的距离，d 为传声器之间的距离， 为时间延迟。以1通道和2 通道为例，接收信号模型为： x1t=1tst-1+n1tx2t=2tst-2+n2t (2-3) 式中，s(t)为声源信号； x1t 和x2t 分别为第1和第2号声传感器的接收信号；a(t)为声道衰减因子。在此假设1t和 2t时间上独立，n1表示加性背景噪声，i=1
