语音领域的波束形成Beamforming小结

news/2024/11/8 9:50:18/

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目录

1. 背景介绍

2. 多通道信号的公式描述

3. 传统波束形成(delay-and-sum和filter-and-sum)

4. MVDR

4.1 传统MVDR

4.2 融入深度学习的MVDR

5. GEV(Generalized eigenvalue) beamformer

6. GSC(Generalized sidelobe canceler)


1. 背景介绍

        波束形成是个很有意思的方向,应用从雷达领域到5G领域,近几年在语音识别领域也大放光彩。本文主要聚焦于波束形成在语音领域的应用。

        对于单麦克风来说,没有波束的概念;波束形成主要针对多麦克风阵列,融合多个通道的数据,对噪声和干扰方向进行抑制,增强目标方向的信号。

        一种方式是找到目标信号的方向,一般用导向矢量(steering vector)进行表示,基于此增强目标信号;一种方式是找到干扰信号的方向,进行抑制,剩下的就是目标信号。

2. 多通道信号的公式描述

             图1:M个麦克组成的线性阵列

观察信号的数学表达(频域形式)如下,这里的

表示信号传到两个麦克之间的时间差,如果声音入射角是theta,还需要乘以cos \theta,某频率的波传递了多少个周期,再乘以该波的频率

表示连续两个麦克风之间的相位差

      其实用2\pi \delta cos\theta /\lambda表示相位差更容易理解,其中\lambda =c/f 表示频率f的波长

3. 传统波束形成(delay-and-sum和filter-and-sum)

        delay-and-sum: 传统的波束形成可以描述为一个空间滤波器,用该滤波器构建一个特定的波束方向图;可以分解为两步:时间对其和加权求和。时间对齐的物理意义在于,某一固定方向信号,传递到麦克风阵列时,不同麦克之间存在相位差,将信号理解为波,让波对齐,再加权求和就起到了增加信号的作用。时间对齐控制着波束方向,加权求和控制着主瓣的波束宽度和旁瓣的特性。

        filter-and-sum: 它是上述delay-and-sum的扩展,将简单的delay操作用滤波filter操作代替,更具扩展性。

4. MVDR

4.1 传统MVDR

阵列采集信号:X(\omega)=d(\theta)X_s(\omega)+v(\omega)

目标:得到信号源X_s(\omega )的无偏、最小方差估计

无畸变约束保证语音不失真,最小输出功率保证干扰噪声被最小化。

转换成带经典约束条件的凸优化问题:

min {w^{H}R_{xx}w}

w^{H}d(\theta)=1

最优解

需要计算出导向矢量d(\theta)和协方差矩阵。

MVDR是一种自适应波束形成器, 而Delay-and-Sum是固定波束形成器。当各个通道的噪声互不相关, 并且具有相同功率的时候, MVDR退化成Delay-and-Sum。如果噪声是一个点声源, MVDR会自适应地在噪声方向形成一个零点。

4.2 融入深度学习的MVDR

        引入深度学习的目的:更好的估计目标信号或噪声信号的协方差矩阵。

Ø 四步走 NN 估计频谱 mask -->  计算空间协方差矩阵(也就是互功率谱) -->计算导向矢量-->  计算波束形成权重

5. GEV(Generalized eigenvalue) beamformer

        GEV同MVDR极为相似,不同之处在于目标准则,MVDR为最小化输出功率(在无畸变的约束下),GEV为最大化SNR。

w_f ^{GEV} = argmax \frac{w_f^H R_f ^{speech}w_f}{w_f^H R_f ^{noise}w_f}

该问题转换为广义特征值问题(generalized eigenvalue problem)

R_f ^{speech}w_f = \lambda R_f ^{noise}w_f

最优波束系数为广义主成分。

不同于MVDR,GEV波束形成器会引入语音失真。需要增加后置滤波(post-filter)。

6. GSC(Generalized sidelobe canceler)

Griffiths and Jim (1982)提出将MVDR分解为两个正交的波束形成器GSC,一个用于满足无畸变响应约束,另一个用于噪声功率最小化。

        固定波束形成器w_0^H

        阻塞矩阵B^H:为产生只包含噪声的信号

        自适应噪声相消器g^H:用于消除固定波束形成中的噪声信号

参考资料

[1] Fundamentals of Signal Enhancement and Array Signal Processing

[2] 麦克风阵列信号处理

[3] NEURAL NETWORK BASED SPECTRAL MASK ESTIMATION FOR ACOUSTIC BEAMFORMING

[4] Audio source separation and speech enhancement

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http://www.ppmy.cn/news/357469.html

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